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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
钢轨砂带打磨本质上是砂带表面磨粒在指定压力分布作用下对钢轨表面进行划擦、耕犁和切削的物理作用过程。而接触轮、砂带和钢轨之间的复杂非线性接触行为,是引发磨削过程中各种相关物理作用的前提条件,决定着这些物理现象的产生和演变。然而现有面向内凹接触轮的接触模型并未考虑Hertz接触理论的适用性问题和“轮”轨曲率匹配所带来的影响。北京交通大学的樊文刚、王文玺、侯广友和王煦辉在《机械工程学报》2020年第2期发表了《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》一文,他们将针对上述现有接触理论模型的缺陷进行完善,以建立更为符合工程实际的钢轨砂带打磨宏观接触压力理论模型,实现对接触区域边界曲线和接触应力分布的计算。
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试验方法
本文采用有限元仿真对理论模型进行对比验证。本文采用商用CAE软件ABAQUS对理论模型进行仿真验证。模型中将橡胶层的内表面设置为刚性表面并与参考点RP绑定,可减少轮毂单元数量,缩短仿真计算时间;同时钢轨表面被简化为具有不同曲率半径的圆弧面。仿真模型如图所示,其中网格尺寸为1 mm,单元类型为C3D8R,接触压力施加在接触轮参考点RP处,橡胶及钢轨材料属性见表所示。ABAQUS有限元仿真模型
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。
前景与应用
本文所提出的接触理论模型为内凹轮钢轨砂带打磨材料去除建模、磨削温升、砂带磨损、残余应力等方面的建模研究奠定了理论基础。
主创简介
樊文刚,北京交通大学副教授、硕士研究生导师、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20篇。王文玺,重庆大学助理研究员、机械传动国家重点实验室博士后、法国LTDS实验室访问学者、北京交通大学博士;主要研究方向为复杂构件精密磨削技术、高表面完整性调控技术等;近5年,主持省部级项目2项,以第一/通信作者在《机械工程学报》等国内外知名期刊共发表SCI论文16篇、EI论文6篇。
编辑:恽海艳 校对:向映姣
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