高铁铁轨高速打磨与超硬材料应用全解

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11/2/2017
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
11/2/2017
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(Dry polishing)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。
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CRH380B
CRH380C
CRH380A
CRH380D
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1.2 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)
意大利 子公司 MARCON
意大利子 公司 MESTRE
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
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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/h
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
提 纲
1.1 高铁的型号分类 高铁的跨越式发展 1.2 高铁的快速发展 1.3 高铁存在的问题 2.1 常见钢轨病害 高速打磨修整技术 2.2 高速打磨原因 2.3 钢轨修整技术 2.4 钢轨打磨车介绍 3.1 超硬材料 超硬材料与其应用 3.2 砂轮、砂带
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。
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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。
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
圣戈班公司:PCD/PCBN金属结合 剂砂轮,胶木基体磨刀砂轮。
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磨凸轮轴陶瓷结合剂CBN砂轮 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。
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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。
11/2/2017
11/2/2017
高铁的跨越式发展
1.1 高铁的型号分类
型号 CRH1A CRH1B CRH1E CRH2A CRH2B CRH2C CRH2E CRH3A CRH3C CRH5 CRH6 CRH380A CRH380B CRH380C CRH380D 制造厂 青岛四方+庞巴迪 青岛四方+庞巴迪 青岛四方+庞巴迪 青岛四方+川崎重工 青岛四方+川崎重工 青岛四方+川崎重工 青岛四方+川崎重工 北车长客+唐车公司 北车长客+唐车公司 北车长客+阿尔斯通 青岛四方 青岛四方 唐车公司 唐车公司+北车长客 庞巴迪 速度(km/h) 200 200-250 250 250 200-250 300-350 200-250 200-250 300-350 200-250 200-250 300-350 350-380 350-380 350-380 编组情况 8节编组 16节编组 16节编组,含卧铺 8节编组 16节编组 16节编组 16节编组,含卧铺 8节编组 8节编组 东北高寒,8节编组 华南地区,长短编组 8节编组 长短编组 长短编组 长短编组
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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。
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砂带钢轨打磨装置
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2.4 钢轨打磨车介绍
瑞士SPENO
日本子公 司NSKK
澳大利 亚子公 司SRMA
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波磨形貌图
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横向变形:边缘磨耗,边缘肥边
边缘磨耗
边缘肥边
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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。
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超硬材料的应用
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。
GMC-96b钢轨打磨列车
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宝鸡南车时代工程机械有限公司引进HARSCO RAIL生产的PGM48钢轨打磨列车。
PGM-48钢轨打磨列车
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国内还有一些原装进口的打磨设备,比如:
美国HARSCO RAIL的RGH20C钢轨打磨车
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德国Vossloh的HSG高速打磨车
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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。
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金鹰重型工程机械有限公司引进美国HARSCO RAIL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
11/2/2017
GMC-20钢轨打磨车
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北京二七交通装备有限责任公司引进瑞士SPENO生产的GMC96b钢轨打磨列车。
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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。
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打磨方式
--包络式、轮廓式
包络式打磨
11/2/2017
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2.1 常见钢轨病害
独立缺陷:钢轨焊接不平整;道砟印痕;塌陷
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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。
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。
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超硬材料的应用
砂带
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。
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。
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2.2 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。
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1.3 高铁存在的问题
安 全 性 问 题
机电控制问题
机轨磨合问 题
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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。
轮廓式打磨
11/2/2017
不同打磨百度文库式的作业特点比较
11/2/2017
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
11/2/2017
轮轨接触区域划分
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。
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2.3 钢轨修整技术
打磨机理 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。
11/2/2017
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;
高品级金刚石
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3.1 砂带、砂轮
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。
Noritake公司 ”HIGH MACH”碳纤 维增强塑料超高速陶瓷CBN砂轮
11/2/2017
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