钢轨打磨车单个砂轮打磨量研究

赵 剑，梁 瑜

（中车北京二七机车有限公司科研管理中心，北京100072）

目前钢轨打磨车已经成为我国客、货运线路钢轨、城市轨道线路钢轨维护的重要大型养路机械[1]。应用钢轨打磨车打磨新铺设钢轨表面的脱碳层、残余应力、焊接头不平顺等缺陷和运营一段时间后钢轨的裂纹、肥边、波磨、剥落等病害时，打磨模式的选择和打磨车参数的设定都只能依赖于专家经验，打磨过程和打磨结果都具有不可控性。基于实测轨道廓形的智能打磨模式是钢轨维护的发展趋势[2-3]，目前其难点在于将病害廓形打磨成为目标廓形[4-5]的实现过程，而砂轮的实际打磨量、打磨量与廓形的关系是目标廓形实现过程中的关键点。现有单列打磨车砂轮数量一般有96个、48个、20个、16个、8个等不同规格。不论一列打磨车多少个砂轮，单侧轨道打磨时，砂轮都是一个接一个顺序作业，因此单个砂轮的打磨量研究是整车打磨量计算的基础，是实现智能化打磨最重要的基础研究。本文即是针对打磨车单个砂轮的打磨量问题进行了研究。

1 实际打磨量与打磨车作业参数研究

打磨车作业时，影响单个砂轮的打磨量的因素主要包括：砂轮材质、钢轨材质、打磨车作业速度、打磨电机功率（或作用于钢轨的压力与电机的电流）、砂轮偏转角度等。为了得到精准的打磨量，搭建了钢轨打磨试验台。

1.1 钢轨打磨试验台

钢轨打磨试验台由一台立式车床改装而成，主要包含打磨单元、比例气控系统、变频供电系统、操作控制台及测试钢圈等部分，如图1所示。

图1 钢轨打磨试验台

打磨单元按照GMC96-B型钢轨打磨列车打磨单元1∶1比例设计，固定于机床横梁导轨上。为了便于计算打磨量，钢轨采用与钢轨相同材质的圆环状钢圈替代，固定于立式车床工作台上，如图1所示。打磨操控台与打磨单元之间通过电、气管线连接控制，试验时连接笔记本电脑，记录作业参数，操控台界面如图2所示。

图2 打磨操控台

通过调节立式车床转速，以实现环状钢圈转运，模拟不同打磨速度；通过操控台调节打磨电机的正压力和背压力及电流值，进而控制电机的功率。为便于数据分析，打磨砂轮以90°角度垂直打磨环状钢圈。

钢轨打磨试验台具备了模拟控制影响打磨量参数的各种条件：砂轮材质方面，钢轨打磨试验台用砂轮与GMC96-B型钢轨打磨列车使用砂轮完全一样；钢轨材质方面，环状钢圈由钢轨制造商按钢轨材质制造而成；打磨车作业速度通过调整立式车床转速，即环状钢圈转速模拟实现；打磨电机的功率通过调整打磨电机的正压力、背压力值与电机电流实现；电机转速与实际转速完全一样；电机偏转角度为0°，即不偏转。

打磨量通过测量打磨前后钢圈的厚度变化计算得到。

1.2 打磨试验与数据记录

制定详细的试验大纲，近三个月的时间，进行了多次试验。试验过程如图3、图4所示。

图3 2.5bar正压力打磨

图4 4.5bar正压力打磨

试验过程中，记录的数据包括：转速φ、背压力F1、正压力 F2、温度 T、电流值 I、时长 t、磨削深度 h.研究打磨量的关系，对检测数据进行了简单的处理。

线速度v=φ×2πr，其中，r为钢圈半径。

将试验台目前已进行试验相同工况下的数据归类，可得到表1的10种工况数据。

表1 试验数据

1.3 数据分析

单个砂轮的打磨量的因素主要包括：砂轮材质、钢轨材质、打磨车作业速度、打磨电机功率、砂轮偏转角度等。打磨车在作业过程中，砂轮材质、钢轨材质及打磨电机的转速是恒定的。

测量的几个值中，影响打磨量的参数是线速度、压力差（正压力与背压力的差值）和电流值。其中压力差和线速度是设定值，电流值是测量值，应与压力满足一种正比关系，因此研究打磨量与其他参数关系时，压力与电流仅考虑一个变量即可。打磨车作业时，控制参数为电流值，本文重点分析电流值与打磨量的关系。理论上，恒速时，压力设定越大，电流值越高，打磨量越大；压力一定时，电流值理论上不存在变化，线速度越大，打磨量越小。

从图5电流值与压力差可以看出，斜率几乎一样，二者之间存在一定的比例关系；从图6打磨量与电流值的关系可以看出，转速不变的情况下，电流值越大，单位打磨量越大，图5和图6完全符合试验预期。

图5 电流值与压力差的关系

图6 打磨量与电流值的关系

图7为打磨量与线速度的关系，打磨车作业时，理论上线速度越大，砂轮与钢轨的接触时间越少，单遍打磨量应越小。从图7可以看出，线速度增大，打磨量并没有增大，而是几乎不变。原因在于模拟钢轨的环状钢圈形状为环形，虽然转速不同，转一圈砂轮与环状钢圈的接触时间不一样，但接触时间短时，转的圈数多；总的打磨时间是近似相同的，每次试验时间约30 s，误差约0.3 s.从数据可以看出，环状钢圈单位时间内的被打磨量，在压力值与电流值一定时，几乎是一定值。

图7 打磨量与线速度的关系

从以上数据定量分析得到了钢轨打磨的规律，与定性分析的结果完全一致。

2 结论

本文设计了钢轨打磨车单个砂轮打磨量研究的试验台，并通过分析试验数据验证了试验台数据的有效性。同时，模仿打磨车的实际作业情况，设计了不同作业速度、不同作业压力的打磨试验，获取了单个砂轮在各种速度下的打磨量原始数据，为以后钢轨打磨车的精确化、智能化打磨奠定了基础。

[1]雷晓燕.钢轨打磨原理及其应用[J].铁道工程学报，2000，17（1）：28-33.

[2]刘月明，李建勇，蔡永林，等.钢轨打磨技术现状和发展趋势[J].中国铁道科学，2014，35（4）：29-37.

[3]金学松，杜 星，郭 俊，等．钢轨打磨技术研究进展[J]．西南交通大学学报，2010，45（1）：1-11．

[4]陈国庆．丰沙线曲线区段波磨钢轨打磨廓形优化的研究[D]．成都：西南交通大学，1990．

[5]周亮节.钢轨打磨形面研究[D].成都：西南交通大学，2010.