打磨参数对钢轨表面温度及烧伤行为影响研究

摘要

钢轨服役一段时间后，表面会出现很多损伤，比如：钢轨疲劳、剥落、裂纹等等。如果不及时的去除这些表面损伤，会严重影响到铁路运营的安全性。钢轨打磨作为一种经济、高效的钢轨维护方式，已经在全世界的铁路维护当中被广泛的运用。由于打磨中钢轨-磨石界面间的磨削作用，使得大部分能量以热量的形式进入钢轨表面。不合理的钢轨打磨参数会使得钢轨打磨过程中出现“打磨发蓝”等现象。因而研究不同打磨参数对钢轨打磨界面温升的影响及钢轨打磨烧伤的形成机理对提高钢轨打磨质量有着重要的指导意义。 设计了钢轨打磨接触面间实时温度测量装置，利用半人工热电偶法测量了不同磨石转速、打磨压力和磨石磨粒的温度，分析试验参数对钢轨打磨温度的影响，并进一步在不同磨石转速和打磨压力参数条件下进行了钢轨打磨烧伤行为研究，分析了温升对钢轨打磨表面状态的影响和钢轨打磨过程中表面裂纹形成的原因。并且用有限元分析方法建立了热-机耦合钢轨打磨应力分析模型，研究了打磨参数对打磨表面残余应力的影响。 论文研究得出的主要结论如下： (1) 半人工热电偶法可以用于精确测量钢轨打磨过程中温度的变化。单个打磨循环的温度曲线可分为快速上升、指数下降和缓慢冷却三个阶段。钢轨打磨的最大表面温度随着转速的增加和磨粒尺寸减小而增大。打磨温度随打磨压力的增大而增大，当磨削压力为1000-1500N时，打磨温度的增长趋势更为明显，但当打磨压力为1500-2000N时，打磨温度变化趋势随打磨循环次数的增加变得不明显。 (2) 钢轨打磨烧伤的本质是打磨过程中温度的升高造成钢轨表面氧化物和有色金属氧化物的积累。当表面温度超过 600℃ 时，钢轨表面出现烧伤，并且烧伤的出现往往还伴随着白层的形成。当表面温度超过钢轨材料完全奥氏体相变温度时，白层厚度会急剧增加。 (3) 打磨温度对钢轨表面状态有重要的影响。建立了钢轨打磨表面状态、打磨烧伤和打磨温度之间的关系。随着打磨温度的增加，打磨表面的烧伤颜色逐渐由黄到蓝色再到紫色，表面粗糙度呈现先增加后下降的趋势，表面硬度呈先增加后下降最后又上升的趋势。当打磨温度上升到802℃，在钢轨表面上观察到严重的磨削裂纹和淬火裂纹，这是由于打磨过程中机械和热综合作用下形成的应力导致的。 (4) 打磨过程中热应力起主导作用，打磨后钢轨表面残余应力随着打磨压力和转速的增加而增加，随着打磨列车速度的增加而降低。

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