考虑曲率匹配因素的钢轨砂带打磨宏观接触压力建模与仿真丨JME文章推荐

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钢轨打磨是目前国内外公认的实现各类轨道交通方式（高铁、重载、地铁、有轨电车等）钢轨日常维护保养的通用手段，通过去除钢轨表面损伤和缺陷、矫正钢轨廓形，可有效改善轮轨匹配关系、抑制滚动接触疲劳、延长钢轨服役寿命、降低列车运行噪声、提高列车运行平稳性、安全性以及乘客舒适度，社会和经济效益显著。常见的钢轨打磨技术主要包括砂轮端面打磨、砂轮周面打磨、铣磨复合打磨、砂轮高速打磨和砂带打磨，其中钢轨砂带打磨技术凭借着涂覆磨具特征、柔性接触等因素，已经在打磨效率、打磨质量、集尘以及安全等方面体现出了一定优势。

钢轨砂带打磨基本原理

引用本文

樊文刚, 王文玺, 侯广友, 王煦辉. 考虑曲率匹配因素的钢轨砂带打磨宏观接触压力建模与仿真[J]. 机械工程学报, 2020, 56(2): 154-162.

FAN Wengang, WANG Wenxi, HOU Guangyou, WANG Xuhui. Macro Contact Pressure Modeling and Simulation for Rail Grinding with Abrasive Belt Based on Curvature Match[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(2): 154-162.

重要结论

（1）基于对钢轨砂带打磨的宏观接触分析，将三维接触问题转化为外包薄层弹性橡胶的圆形刚体与刚性平面之间的二维平面接触问题，建立了考虑接触轮内凹曲率与钢轨廓形曲率匹配特性的钢轨砂带打磨宏观接触理论模型，实现了对接触区域边界曲线和应力分布的数值计算。

（2）仿真和理论计算结果表明，接触斑形态不再仅仅表现为传统椭圆形，而是在受接触轮内凹曲率与钢轨廓形曲率匹配因素，以及接触压力影响下，表现为椭圆形、双三角形和马鞍形三种；不同接触条件下的主要参量误差均在钢轨砂带打磨工况可接受范围内，验证了理论模型的有效性。

ABAQUS有限元仿真模型

团队带头人介绍

主创简介

樊文刚，北京交通大学副教授、博士研究生导师、先进磨削与精密加工研究所副所长、清华大学博士后、北京交通大学博士，入选北京交通大学青年英才培育计划，曾获上银优秀机械博士论文佳作奖、北京交通大学优秀博士学位论文、北京市优秀毕业生、首届中国创翼青年创业创新大赛全国总决赛优胜奖、江西省抚州市科技进步二等奖等荣誉；主要研究领域为钢轨打磨技术与装备、复杂曲面高效切削磨削技术等，主持和参与国家科技支撑计划、国家自然科学基金、总装预研基金、航空基金以及横向课题等科研项目近20项，在国内外知名学术期刊发表SCI、EI检索论文超过30篇。

近两年团队发表文章（仅钢轨打磨方向）

Wang W, Li J, Fan W. Investigation into static contact behavior in belt rail grinding using a concave contact wheel[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, 101(9-12): 2825-2835.

Wang W, Salvatore F, Rech J, et al. Investigating adhesion wear on belt and its effects on dry belt finishing[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2018, 40(12): 570.

Wang W, Salvatore F, Rech J, et al. Investigating effects of adhesion wear on cutting efficiency and energy cost in dry belt finishing[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018, 95(5-8): 2119-2123.

Wang W, Li J, Fan W, et al. Characteristic quantitative evaluation and stochastic modeling of surface topography for zirconia alumina abrasive belt[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, 89(9-12): 3059-3069.

Cheng C, Li J, Liu Y, et al. Deep convolutional neural network-based in-process tool condition monitoring in abrasive belt grinding[J]. Computers in Industry, 2019, 106: 1-13.

Fan W, Liu Y, Song X, et al. Influencing mechanism of rubber wheel on contact pressure and metal removal in corrugated rail grinding by abrasive belt[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2018, 140(12): 124501.

He Z, Li J, Liu Y, et al. Investigation on wear modes and mechanisms of abrasive belts in grinding of U71Mn steel[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, 101(5-8): 1821-1835.

Zhe H, Jianyong L, Yueming L, et al. Investigating the effects of contact pressure on rail material abrasive belt grinding performance[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, 93(1-4): 779-786.

Liu Y, Gong S, Li J, et al. Effects of dressed wheel topography on patterned surface textures and grinding force[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, 93(5-8): 1751-1760.

Liu Y M, Yang T Y, He Z, et al. Analytical modeling of grinding process in rail profile correction considering grinding pattern[J]. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2018, 18(2): 669-678.

樊文刚，刘月明， 李建勇. 高速铁路钢轨打磨技术的发展现状与展望[J]. 机械工程学报, 2018，54(22)：184-193.

樊文刚，刘月明，王文玺，等. 基于弹性赫兹接触的钢轨砂带打磨材料去除建模研究[J]. 机械工程学报，2018，54(15)：191-198.

樊文刚，程继发，吴月峰，等. 基于内凹型接触轮的钢轨砂带打磨静态接触行为与仿真研究[J]. 机械工程学报，2018，54(14)：152-158.

樊文刚，程继发，吕洪宾，等. 波浪型面钢轨砂带打磨时变接触行为与仿真研究[J]. 机械工程学报，2018，54(4)：87-92.

刘月明，赫思尧，丁召伦，等. 面向钢轨目标廓形的多砂带磨削作业打磨模式[J]. 中国铁道科学，2019，40(3)：32-37.

何喆, 李建勇, 刘月明, 等. 砂带虚拟形貌的建模[J]. 华南理工大学学报 (自然科学版), 2017, 45(12)：85-91.

王文玺，李建勇，樊文刚，等. 基于赫兹接触的钢轨砂带打磨功率预测模型[J]. 中国铁道科学，2017，38(3)：25-30.

课题组简介

先进磨削与精密加工研究所针对轨道交通、航空航天、通讯、集成电路、新能源等国家战略性产业迫切需求，主要围绕现代综合轨道交通钢轨高效高质打磨养护技术与装备、硬脆半导体材料超精密抛光技术与装备、难加工材料高效精密切削磨削技术与装备等方面开展研究。研究所目前有教授1名、副教授3名、讲师2名、高级工程师1名、博硕士研究生20余名。近5年以来，研究所成员共发表SCI检索期刊论文超过30篇、EI检索期刊论文超过50篇；主持总装备部预研基金、国家自然科学基金、铁道部/中国铁路总公司重点课题、企业横向课题等各类科研项目近30项。

研究所建有钢轨高效打磨技术实验室、硬脆半导体材料加工超洁净实验室，以及与合作企业共建的半导体材料先进制造工程技术研究中心。研究所拥有钢轨砂带打磨试验台、钢轨砂带磨削试验机、化学机械抛光机、磁流变平面抛光机、原子力显微镜、白光共聚焦显微镜、钢轨廓型测量仪、微纳米压痕/划痕仪、红外测温热像仪、流变仪等各类先进仪器设备。

编辑：金程   校对：张彤

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