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高铁钢轨高速打磨修整技术与超硬材料的应用赵硕河南工业大学材料科学与工程学院12/14/2019提纲高铁的跨越式发展1.1高铁的型号分类1.2高铁的快速发展1.3高铁存在的问题高速打磨修整技术2.2高速打磨原因2.1常见钢轨病害2.3钢轨修整技术2.4钢轨打磨车介绍3.2砂轮、砂带超硬材料与其应用3.1超硬材料12/14/20191.1高铁的型号分类型号制造厂速度（km/h）编组情况CRH1A青岛四方+庞巴迪2008节编组CRH1B青岛四方+庞巴迪200-25016节编组CRH1E青岛四方+庞巴迪25016节编组，含卧铺CRH2A青岛四方+川崎重工2508节编组CRH2B青岛四方+川崎重工200-25016节编组CRH2C青岛四方+川崎重工300-35016节编组CRH2E青岛四方+川崎重工200-25016节编组，含卧铺CRH3A北车长客+唐车公司200-2508节编组CRH3C北车长客+唐车公司300-3508节编组CRH5北车长客+阿尔斯通200-250东北高寒，8节编组CRH6青岛四方200-250华南地区，长短编组CRH380A青岛四方300-3508节编组CRH380B唐车公司350-380长短编组CRH380C唐车公司+北车长客350-380长短编组CRH380D庞巴迪350-380长短编组高铁的跨越式发展12/14/2019CRH380ACRH380BCRH380CCRH380D12/14/20191.2高速铁路的发展2014年10月17日，在中俄总理第19次定期会晤中，俄方与中方签署了“莫斯科-喀山”高铁发展合作备忘录，该项目设计全长770公里，预计投资200亿美元。这意味着中国完成了中国高铁走出国门的第一站。（京华时报）2016年01月21日，印度尼西亚雅加达至万隆（雅万）高速铁路开工仪式21日在西爪哇省瓦利尼举行，标志着中印尼铁路合作取得重大成果，中国铁路“走出去”在2016年实现良好开局。这是中国高铁首个海外开工项目。（北京晨报）2016年春运，从铁总公布的数据来看，铁路动车组发送旅客1.04亿人次，占全部旅客发送量的47.5%。（中华铁道网）2016年，高铁全面开工项目：商合杭高铁、京张城铁、郑万高铁、郑合高铁、汉十高铁、济青高铁、合九高铁、张大高铁、徐盐高铁等九条高铁线路。（高铁网）12/14/20191.3高铁存在的问题安全性问题机电控制问题机轨磨合问题12/14/2019小结高铁之所以受到青睐，在于其本身显著的优点：缩短旅行时间，产生了巨大的社会效益；对沿线地区经济起到推动作用；节约能源与减少污染。同时，高铁加速民族融合，间接增加了民族凝聚力。所以，高铁的安全性就显得尤为重要。12/14/20192.1常见钢轨病害独立缺陷：钢轨焊接不平整；道砟印痕；塌陷12/14/2019纵向变形：极短波磨（30-100mm），在160km/h速度下的运行线路，铁轨的不规则冲击造成的短波磨（100-300mm），常发生在铁路的曲线路段，常位于短轨一侧。可解释为转弯时固定在车轴上两个车轮所碾过的长度不一所造成。长波磨（300-1000mm)，通常是钢轨上只有一种型号列车运行造成。较长波磨（1000-2500mm），与钢轨制造工艺有关。实际上会几种波长的变形，同时出现在钢轨的同一个部位。或者变现为周期性的波浪磨耗。12/14/2019波磨形貌图12/14/2019横向变形：边缘磨耗，边缘肥边边缘磨耗边缘肥边12/14/2019钢轨病害的后果病害升级：独立缺陷会在每一次车轮通过的时候产生一次冲击，随之产生一个数倍于正常情况下的负载。因此，铁轨受到很大的压力，使缺陷进一步扩展，导致铁路失效。噪声危害：波磨的直接影响就是噪音，噪音会导致路基的振动，石砟松散滚动，路基对列车的缓冲作用下降。在极端情况下，如砖砌隧道，噪音会导致隧道结构损伤。能量损耗：试验表明，钢轨变形将明显增加机车燃料消耗。如在0.8mm深波纹的钢轨上，机车需要付出大于三倍的牵引力。12/14/20192.2高速打磨原因随着砂轮速度的提高，单位时间内磨削区的磨粒数增加，每个磨粒切下的磨削厚度减小，导致单个磨粒承受的磨削力减小。同时，很大一部分热量还没来得及传入工件内部就被砂轮、空气流带走。因此，磨削温度降低，能够越过容易发生热损伤的区域，也有利于提高磨削加工精度。12/14/20192.3钢轨修整技术钢轨打磨目前最常用的就是砂轮，除此之外还可以用铣刀、刨刀、砂带等其他工具。以砂轮为例介绍钢轨打磨机理。打磨机理12/14/2019钢轨打磨与普通磨削存在如下区别：钢轨作为被打磨对象处于静态，打磨作业所有运动由砂轮完成；无稳定的机床结构作为支撑及相对运动基准；为防止钢轨表层材料物理特性发生变化，钢轨打磨时无冷却液，属于干磨削；打磨作业过程中砂轮无修整操作，依靠其自锐保持锋利的切削性能；打磨精度要求较低，属于效率优先式加工。12/14/2019打磨策略：预防性打磨：在缺陷形成以前或即将形成时，对钢轨外形进行打磨，这种方法又称为“外形打磨”。预防性打磨是把钢轨轮廓修成理想形状,改善轮轨接触应力,减小磨损。钢轨打磨可以做到控制侧磨、疲劳、波磨、减缓竖向冲击力,与钢轨涂油结合,可以延长钢轨使用寿命50%～300%。预防性打磨是经常性的,打磨量较少,模拟自然磨耗速度去除表面的微裂纹,保持良好钢轨轮廓。修复性打磨：修复性打磨是要比较彻底清除钢轨表面缺陷，是在缺陷形成以后才进行的。12/14/2019在高速和重载铁路的钢轨打磨中，均出现以预防性打磨替代修复性打磨的趋势。在病害萌生之前或初期，通过去除钢轨表层少量金属材料以实现线路维护的目的，避免为消除钢轨局部的严重病害切削大量金属材料而缩短钢轨的总体预期寿命。12/14/2019打磨方式--包络式、轮廓式包络式打磨12/14/2019轮廓式打磨12/14/2019不同打磨方式的作业特点比较12/14/2019目前钢轨打磨以包络式为主。钢轨打磨列车共配备96个砂轮，每侧钢轨分配48个。布置在钢轨廓型截面-70°--+20°的不同位置处。打磨车内部概况12/14/2019当列车在直线或大半径曲线上运行时，车轮踏面与钢轨轨头区域A接触，此状态下是接触应力，横向蠕滑力最小的时候；当轮缘紧贴钢轨轨距角部位时，即图中区域B时，接触应力最小。轮轨接触区域划分12/14/2019轮轨在区域B接触时的3种形式轮轨在区域B接触时又有两点接触、单点接触和共形接触3种形式。当轮轨在区域B接触时，最好形成共形接触。轮轨在区域A接触和在区域B形成共形接触时轮轨匹配的理想状态，也是车轮型面和轨头廓面设计所追求的目标。所谓共形接触是指接触区域的尺寸和物体接触区域的曲率半径相同。在接触力学和弹性力学中，通过采用离散的方法，可得到在共形接触情况下，所产生的摩擦力相对较小。12/14/2019其它打磨方式--铣磨、砂带打磨铣刀安装在铣轮的径向面上，每个铣削断面安装有几把铣刀，铣轮一圈有数个铣削断面，这样所有的铣刀构成一个需完成的钢轨轨头轮廓。12/14/2019砂带钢轨打磨装置12/14/2019瑞士SPENO日本子公司NSKK澳大利亚子公司SRMA意大利子公司MARCON意大利子公司MESTRE2.4钢轨打磨车介绍承担五个国家的维修任务生产的设备配有8-112个不等的打磨头从城市地铁到重型货运线路每年生产砂轮超过100万个12/14/2019美国Harsco工业服务与工程产品气体封装与控制技术电气设备研发2015年销售额达到112亿美元福布斯全美400家大公司之一已制造出超过一百套的机械设备施工线路列车时速高达300km/h12/14/2019金鹰重型工程机械有限公司引进美国HARSCORAIL生产的GMC-96x钢轨打磨列车和GMC-20钢轨打磨车（道岔打磨车）。GMC-96x钢轨打磨列车12/14/2019GMC-20钢轨打磨车12/14/2019北京二七交通装备有限责任公司引进瑞士SPENO生产的GMC-96b钢轨打磨列车。GMC-96b钢轨打磨列车12/14/2019宝鸡南车时代工程机械有限公司引进HARSCORAIL生产的PGM-48钢轨打磨列车。PGM-48钢轨打磨列车12/14/2019国内还有一些原装进口的打磨设备，比如：美国HARSCORAIL的RGH20C钢轨打磨车12/14/2019德国Vossloh的HSG高速打磨车12/14/2019目前国内的钢轨打磨设备大多是引进国外技术，已基本完成了从无到有，从完全进口到国产化的过程，但与欧美钢轨打磨技术还存在差距。高铁是一个系统工程，不仅是建设，运营，还应包括维护保养，涉及到的是很多方面，虽已取得瞩目的成就，但也认识到差距，要实现全面赶超，尚需时日。12/14/2019小结砂轮作为打磨工具进行作业时，砂轮与钢轨之间属于刚性接触，因此对打磨控制技术要求较高，且砂轮打磨钢轨时靠其自锐保持锋利的切削性能，对砂轮配方和制造工艺的要求较高。砂带与钢轨之间属于弹性接触，规避砂轮与钢轨的刚性接触，且砂带属于涂覆磨具，钢轨打磨过程提高了磨料有效利用率。砂带打磨散热性好，噪声小，打磨钢轨时不会发生钢轨表面烧伤、打磨工具的破碎等。12/14/2019金刚石、立方氮化硼是目前世界上硬度最高的两种材料，硬度高、耐磨性好，用其作磨料来加工硬、脆性等难加工工件，消耗量极小，不仅可以保证工件的加工精度，而且提高了加工时效，同时也有效解决了对环境的污染问题。因此出现了以下发展趋势：金刚石磨具取代普通碳化硅磨具；CBN磨具取代普通刚玉磨具。超硬材料的应用高品级金刚石12/14/2019Noritake公司”HIGHMACH”碳纤维增强塑料超高速陶瓷CBN砂轮最大使用速度可200m/s；在高速旋转过程中，其基体的变形小于钢基体，整体质量仅为同尺寸钢基体的1/5，热传导性能极差，能大大提高磨削和抛光质量。3.1砂带、砂轮砂轮12/14/2019圣戈班公司：PCD/PCBN金属结合剂砂轮，胶木基体磨刀砂轮。特点：有弹性，砂轮不易坏砂轮形状好做磨削噪音小砂轮基体强度低12/14/2019主要应用于汽车、摩托车、柴油机、纺织机械等行业所用凸轮轴的粗磨、精磨。使用速度125m/s，高气孔率，玻化微晶玻璃作结合剂，节块式工作层，钢质基体。磨削效率高、加工工件精度高、表面质量好、砂轮使用寿命长、易修整。磨凸轮轴陶瓷结合剂CBN砂轮12/14/2019德国哈恩钢轨打磨用砂轮使用线速度：50m/s切入深度：0.2-0.4mm每公里消耗片数：2-4片12/14/2019超硬砂轮的发展趋势高速、超高速：CBN砂轮实际使用速度可达到150－250m/s，试验室速度达到500m/s；高精度：超薄切割砂轮的厚度精度达到0.00125μm超薄:用于集成电路的划片砂轮厚度达到0.01mm；高厚度：高径比可达达到1.5：1；极小：微孔磨头直径可达50μm（烧结）；30μm（电镀）超大工作面：双端面磨陶瓷结合剂磨盘工作面直径达到1200mm；超细：12000号硅片背面减薄砂轮和DP（Drypolishing）砂轮，加工集成电路的硅基片，表面粗糙度Ra≤4nm、材料表面损伤层≤2μm；耐用：不需修整，使用寿命更长。专用化、系列化：针对不同的加工用途和加工对象研发磨料、设计专用结合剂及配方，并形成了细分的、标准化的磨料、结合剂系列。12/14/2019金刚石砂带：用于石材、玻璃、陶瓷、单晶硅、多晶硅、合成材料、硬质合金、铝合金等硬脆材料复杂形面的磨抛加工。CBN砂带：各种铁基合金、钛合金、不锈钢、高温合金、（镍基和钴基合金）等硬韧难加工材料及复杂形面工件的磨抛加工。超硬材料的应用3M公司CBN砂带砂带12/14/2019国内外砂带研究现状3M公司3M公司主要产品为电镀型砂带(M系列)和树脂点胶型砂带(R系列)，依据不同的磨料粒度等级，对砂带基材染以不同颜色的衬底，以方便辨认和使用。3M的金刚石砂带中最有特点的就是其高超印刷技术制成的薄膜基金刚石砂带和金字塔形磨粒形状的金刚石砂带。