張國文， 賀春江， 張 靜， 裴頂峰

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所， 北京 100081)

鋼軌打磨車砂輪是鋼軌打磨的關(guān)鍵部件，其性能的好壞影響打磨質(zhì)量的優(yōu)劣，對保證線路質(zhì)量及鋼軌使用壽命具有重要的意義。自1989年我國從國外引進(jìn)第一臺(tái)鋼軌打磨車以來，鋼軌打磨車在國內(nèi)的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，打磨線路及里程數(shù)增加，打磨砂輪的使用量增加；另一方面，國內(nèi)也開啟了國產(chǎn)化生產(chǎn)鋼軌打磨車砂輪的進(jìn)程，但砂輪質(zhì)量參差不齊，磨削性能與國外差距較大，影響打磨設(shè)備的使用壽命及線路打磨質(zhì)量[1-2]。

出于對打磨質(zhì)量及打磨安全可靠性考慮，2014年12月頒布實(shí)施了《鋼軌打磨車砂輪訂貨技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)(Q/CR 1-2014)[3]，有利于提升鋼軌打磨車砂輪的質(zhì)量和鋼軌打磨效果，提升線路的安全性和可靠性。該標(biāo)準(zhǔn)參考了ISO、歐盟、德國、英國、美國、日本等類似標(biāo)準(zhǔn)，并綜合考慮了我國實(shí)際情況和主要廠家意見。同時(shí)還研制了相應(yīng)的磨削測試和回轉(zhuǎn)平衡測試設(shè)備。

根據(jù)使用范圍及功能不同，標(biāo)準(zhǔn)將鋼軌打磨車砂輪分為道岔鋼軌打磨砂輪及線路鋼軌打磨砂輪；根據(jù)尺寸及形狀不同又將砂輪分為7類，但標(biāo)準(zhǔn)適用范圍不限于所列的7類砂輪。根據(jù)打磨砂輪在現(xiàn)場的使用特點(diǎn)及鋼軌打磨的要求，對其外觀外形、靜平衡、回轉(zhuǎn)強(qiáng)度及磨削性能進(jìn)行了規(guī)定。

1 外形尺寸

砂輪工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，因此嚴(yán)格的尺寸規(guī)定對于砂輪的安裝、磨削質(zhì)量和應(yīng)用安全有很大的影響。鋼軌打磨砂輪在高速、高壓條件下磨削，需要更嚴(yán)苛的定位尺寸以保證安裝和使用；另一方面，鋼軌打磨砂輪上需使用一定厚度及高度的玻纖纏繞層，從線路安全使用的角度，需要對不同線速度的砂輪玻纖纏繞厚度進(jìn)行規(guī)定。

鋼軌打磨砂輪使用時(shí)采用一組多片的形式，其外徑和厚度偏差會(huì)影響打磨設(shè)備的安全性以及線路的打磨質(zhì)量，因此對其提出了更嚴(yán)格的要求；因鋼軌打磨砂輪使用過程與磨床磨削的要求不同，孔徑僅起定位作用，因此其極限偏差標(biāo)準(zhǔn)與GB/T 2484中的不同[4]。外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)及同其他標(biāo)準(zhǔn)的對比如表1所示。

表1 外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)及同其他標(biāo)準(zhǔn)的對比 單位：mm

2 靜平衡

采用通用的靜平衡測試方式，其測試設(shè)備示意圖如圖1所示。該方式簡單實(shí)用，可以有效地測試砂輪的靜平衡量[5]。參考ISO 6103: 2005標(biāo)準(zhǔn)，選取靜平衡系數(shù)k為0.4。

圖1 靜平衡測試設(shè)備示意圖

3 回轉(zhuǎn)強(qiáng)度

鋼軌打磨過程中，磨料層與基體的結(jié)合、砂輪的安裝等直接關(guān)系到使用的安全性。Q/CR 1-2014對砂輪孔徑和帶基體砂輪的強(qiáng)度試驗(yàn)方法增加了特殊規(guī)定。在GB/T 2493-2013規(guī)定的基礎(chǔ)上，增加了對帶基體砂輪的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法以確保砂輪使用安全，并規(guī)定了其基體裝卡部分的安裝方式[6]。

圖2所示為基體帶螺孔砂輪回轉(zhuǎn)試驗(yàn)安裝方式。基體帶螺孔的砂輪應(yīng)采用此方式進(jìn)行回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，可使砂輪在回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中平穩(wěn)地安裝在試驗(yàn)機(jī)上，且基體不受安裝螺栓的影響，從而提高回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

圖2 基體帶螺孔砂輪回轉(zhuǎn)試驗(yàn)安裝方式

圖3是基體無螺孔砂輪回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)安裝方式。從圖3可看出：安裝無螺孔砂輪時(shí)，用法蘭盤和壓套將其固定在主軸上，在砂輪旋轉(zhuǎn)時(shí)離心方向上沒有壓力，使回轉(zhuǎn)試驗(yàn)與現(xiàn)場打磨工作時(shí)的回轉(zhuǎn)相一致。

圖3 基體無螺孔砂輪回轉(zhuǎn)試驗(yàn)安裝方式

根據(jù)砂輪實(shí)際使用情況，對最高工作速度高于50 m/s和不超過50 m/s的砂輪回轉(zhuǎn)強(qiáng)度分別進(jìn)行規(guī)定，以保證其安全可靠?；剞D(zhuǎn)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 砂輪回轉(zhuǎn)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

回轉(zhuǎn)過程中，砂輪端面向上進(jìn)行回轉(zhuǎn)，以模擬實(shí)際加工時(shí)的情況。回轉(zhuǎn)試驗(yàn)示意圖如圖4所示。所有的砂輪均必須進(jìn)行回轉(zhuǎn)強(qiáng)度測試。

圖4 砂輪回轉(zhuǎn)試驗(yàn)示意圖

4 磨削性能

4.1 砂輪磨耗率和工件磨耗量

為研究打磨砂輪的磨削性能，研制了鋼軌打磨試驗(yàn)臺(tái)，并結(jié)合我國打磨線路的特點(diǎn)，對鋼軌打磨砂輪進(jìn)行了測試，制定了其磨削性能技術(shù)要求。鋼軌打磨砂輪工作條件：工件速度10.8 km/h，打磨功率分別為電機(jī)額定功率(37.5 kW)的20%、25%和30%，打磨時(shí)間16 min，砂輪轉(zhuǎn)速2400 r/min；打磨道岔用砂輪工作條件：工件速度5.4 km/h，打磨功率為電機(jī)額定功率(37.5 kW)的15%、20%和25%，打磨時(shí)間4 min，砂輪轉(zhuǎn)速2400 r/min。在此述條件下，現(xiàn)有砂輪的磨削性能分別如表3和表4所示。其中，磨削比定義為打磨單位厚度的工件時(shí)砂輪損耗的質(zhì)量；工件磨耗定義為工件表面減少的厚度。

表3 打磨線路鋼軌砂輪的磨削性能

從表3及表4可以看出：進(jìn)口砂輪磨削比較小，說明其耐磨性強(qiáng)；而國產(chǎn)砂輪磨削比分布范圍更大，說明質(zhì)量不穩(wěn)定。進(jìn)口砂輪在耐磨性及磨削能力上均優(yōu)于國產(chǎn)砂輪。

表4 打磨道岔鋼軌砂輪的磨削性能

因此，在我國當(dāng)前鋼軌打磨砂輪生產(chǎn)水平的基礎(chǔ)上，本著提升砂輪質(zhì)量、保證打磨安全可靠性的目的[7]，對磨削性能進(jìn)行規(guī)定。結(jié)合國內(nèi)外砂輪磨削性能的測試結(jié)果，分別制定線路鋼軌打磨砂輪和道岔鋼軌打磨砂輪的磨削性能標(biāo)準(zhǔn)，如表5和表6所示。

表5 打磨線路鋼軌砂輪的磨削性能標(biāo)準(zhǔn)

表6 打磨道岔鋼軌砂輪的磨削性能標(biāo)準(zhǔn)

4.2 打磨溫度

在砂輪以不同機(jī)理磨削時(shí)，產(chǎn)生的熱量也不同：當(dāng)以切削為主時(shí)，去除能力高，產(chǎn)熱量少；當(dāng)以磨削為主時(shí)，產(chǎn)熱量較大。在鋼軌打磨過程中，如果砂輪的切磨能力不足、磨粒自銳性差，會(huì)導(dǎo)致砂輪與鋼軌之間的溫度急劇升高；如果砂輪的切磨能力高、磨粒自銳好，不斷產(chǎn)生的磨屑會(huì)帶走大量的熱量，從而有效控制鋼軌溫度。打磨時(shí)的溫度能間接評價(jià)砂輪的磨削能力，可避免產(chǎn)生鋼軌燒傷，因此規(guī)定在打磨后30 s內(nèi)，打磨溫度應(yīng)低于150 ℃。

4.3 打磨壓力

為實(shí)現(xiàn)打磨加工，需以提高壓力的方式增大切磨量；但壓力升高可能導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生燒傷等缺陷。測試顯示：鋼軌打磨砂輪試驗(yàn)中，在打磨速度2400 r/min(10.8 km/h)、電機(jī)使用20%～30%額定功率的情況下，砂輪和工件間的壓力范圍為1～5 kN。砂輪的打磨壓力升高至10 kN以上時(shí)，會(huì)引起工件及打磨試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)，嚴(yán)重危害打磨液壓系統(tǒng)和打磨機(jī)械部件。因此，規(guī)定瞬時(shí)打磨壓力不大于10 kN。

4.4 工件粗糙度

打磨后工件粗糙度(Ra)是反映鋼軌打磨車用砂輪性能的一個(gè)重要指標(biāo)，對于保證鋼軌打磨質(zhì)量有著重要的意義。從現(xiàn)場的反饋結(jié)果來看，在不同線路不同區(qū)段選擇的打磨方式不同，打磨后工件粗糙度不同，分別如表7和表8所示。從表7和表8中可以看出：進(jìn)口砂輪打磨后的工件粗糙度Ra高于國產(chǎn)砂輪打磨后的。這可能是因?yàn)檫M(jìn)口砂輪單次打磨的進(jìn)刀量大、磨削量大，因而表面質(zhì)量較差。

表7 鋼軌打磨砂輪加工后工件的粗糙度

表8 打磨道岔砂輪加工后工件的粗糙度

結(jié)合鋼軌打磨規(guī)程和實(shí)驗(yàn)室測試，要求打磨后工件粗糙度Ra不大于8.0 μm。

5 結(jié)論

標(biāo)準(zhǔn)Q/CR 1-2014《鋼軌打磨車砂輪訂貨技術(shù)條件》借鑒和采納了ISO 6103: 2005、GB/T 2484-2006及其他標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容，為生產(chǎn)和使用鋼軌打磨車砂輪提供了參考，并有效地保證鋼軌打磨的質(zhì)量和安全；其對安裝方式的規(guī)定更符合實(shí)際工作情況，真實(shí)反映砂輪回轉(zhuǎn)性能，并保證設(shè)備及人員的安全。

同時(shí)，現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)仍存在一些不足：靜平衡系數(shù)k的確定主要引用相應(yīng)的ISO標(biāo)準(zhǔn)及國標(biāo)，未來需根據(jù)國內(nèi)外砂輪整體質(zhì)量的提升及標(biāo)準(zhǔn)的修訂，及時(shí)修訂平衡系數(shù)；因ISO標(biāo)準(zhǔn)及國標(biāo)中缺少粗粒度砂輪的硬度測試方法及依據(jù)，此技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也未對砂輪硬度進(jìn)行規(guī)定。