Page 120 - 《摩擦学学报》2020年第3期

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indicated that the cutting process had influences the production of grinding heat most, and the increase compressive
strength of GS caused an improvement of Fe , a reduction of Fe , and a lower burning degree. However, the
metallographic results viewing from the cross sections of ground rails showed that the thickness of the white etching
layer and plastic deformation layer grew with the increase of the GSs’ compressive strength, causing a more severe pre-
fatigue of rail. Therefore, the reasonable regulation of the strength of GS was of great significance to the improvement of
grinding efficiency and rail surface quality.
Key words: rail grinding; grinding stone; compressive strength; grinding mechanism; surface quality
铁路是国民经济大动脉，是综合交通运输体系的
骨干和主要运输方式之一 . 钢轨作为铁路系统重要
[1]
的承载部件，承受垂向、横向和纵向等复杂多变的载
[2]
荷 ，其表面和内部会产生波磨、裂纹、剥离、压溃和点
[3]
蚀等诸多缺陷 . 目前国内外主要采用打磨将以上病
害去除. 钢轨打磨技术主要有主动打磨、高速被动打
磨、铣磨复合打磨和砂带打磨等，其中主动打磨具有
技术成熟、去除量大和效率高等优点，被国内外广泛
应用于轨道交通钢轨维护 [4-5] .
主动打磨技术中，电机带动磨石(Grinding stone，
以下简称GS)高速旋转，磨石的磨削作用将钢轨表面
“病害”去除. 因此，打磨工艺、磨石性能将会直接影响
钢轨打磨行为、钢轨表面质量甚至打磨后钢轨的服役
[6]
安全性. 周坤等 研究了不同荷载对钢轨打磨材料去
除行为及钢轨表面质量的影响. 张沭玥等 通过
DEFORM-3D有限元模拟仿真，预测了打磨磨石磨损
量随打磨距离呈近似线性变化的趋势. Uhlmann等
研究了打磨电机功率与钢轨表面硬度及粗糙度关系.
[9]
Kanematsu等 从磨削效率和表面质量等方面综合评
价了自制磨石和现场磨石的性能差异. Wang等 报道
了细粒度的磨料可以使打磨后钢轨具有更佳的表面
质量. 先前的研究主要集中在打磨参数、磨石磨损预
测、磨石类型对打磨过程的影响，然而关于磨石强度
对钢轨打磨行为的作用机制，却鲜有报道. 并且磨石
的强度直接关系到打磨列车的连续作业里程、打磨效
率以及钢轨的表面质量，因此开展磨石强度对打磨行
为的研究可为线路钢轨打磨作业过程中磨石的优选
提供重要的理论指导.
本文中制备了三种不同强度的磨石试样，并在自
行设计的钢轨打磨试验机上开展了打磨试验. 对磨石
的磨削行为以及打磨后钢轨表面形貌、表面氧化行为
和剖面晶体结构变化等进行了观察与综合分析，研究
结果为钢轨打磨现场作业过程中磨石强度的合理选
择提供了理论指导.
1 试验部分
使用雕刻机将线路上广泛使用的进口磨石(Vossloh)
摩 擦 学 学 报 第 40 卷
3+
2+
按比例缩小加工成Φ40 mm×21 mm的小试样，并采用
微控电子万能试验机(WDW-200)测试现场磨石试样
(GS-F)的抗压强度(加载速率1 mm/min)，测得现场磨
石试样的抗压强度约为87.5 MPa. 为了研究磨石强度
对钢轨打磨行为的影响，通过调控磨石中树脂的含
量，制得三种不同强度的磨石试样，如图图1(c、d和
e)所示. 磨石试样中的磨料为线路上广泛使用的棕刚
玉(F16)和锆刚玉(F16)，粒度号F16的磨料其尺寸区间
为1 400~1 100 μm . 其中，锆刚玉从圣戈班集团公司
[11]
采购，棕刚玉从河南伊东风磨料公司采购，酚醛树脂
和水溶性酚醛树脂液(湿润剂)由住友电木提供. 磨石
中的填料主要有冰晶石粉和黄铁矿粉等. 经混料、热
压和烧结等工序，制得尺寸为Φ40 mm×21 mm的磨石
试样. 3组磨石配方以及对应的抗压强度列于表1中.
[7]
由于线路钢轨打磨作业过程中，不需要对磨石进行修
整和修锐，打磨过程中结合剂在打磨载荷作用下脱落
[8]
使磨粒外露，因此为与现场打磨工况保持一致，试验
前未对磨石试样进行修整.
打磨试验在自行设计的钢轨打磨试验机上进行，
[10]
试验机结构示意图见图1(a). 该试验机的主体为CA6140
车床，变频电机通过同步带与车床主轴相连，从而三
爪卡盘能够为磨石提供稳定、连续可变的转速. 圆柱
状钢轨试样(Φ10 mm×15 mm)与磨石呈销-盘布置. 棒
状钢轨试样的轴心与磨石的轴心在同一水平面，且其
轴心间距为15 mm. 气缸(6)可以为打磨过程提供稳定
的载荷. 力传感器(3)和(8)可以分别测试打磨过程中的
切向力、正压力. 所用钢轨材料为目前中国高速铁路
广泛应用的U71Mn(攀钢集团生产)，棒状钢轨试样从
钢轨轨头截取和加工. 目前线路上主动打磨磨石的尺
寸一般为Φ260 mm×154 mm×90 mm(外径×内径×厚
[12]
度) ；钢轨轨头打磨光带宽度在不同轨头曲率半径处
有差异，大致变化区间为3~10 mm；磨石转速为3 600 r/min，
[6]
打磨载荷为1 000~2 500 N . 本试验中所选取的磨料
粒度、磨料浓度与现场磨石接近，因而试验中直接通
过“载荷/接触面积”计算磨石-钢轨接触应力. 试验中
选取的打磨载荷为500 N，磨石-钢轨接触应力为6.4 MPa，