基于钢轨打磨实验的磨削力影响因素仿真与实验研究

摘要

随着我国经济的迅猛发展以及人们对出行便捷性要求的提高，特别是“高速”、“重载”等重大方针的实施，都极大的促进了铁路的发展。然而，随着钢轨与车轮间的载荷传递越来越大，钢轨病害比如波磨、压溃、伤损等现象也越来越严重并逐渐成为制约铁路发展的重要因素。钢轨打磨是在保证安全的前提条件下已经证实的最为经济有效的钢轨表面维护和保养方法。在钢轨打磨过程中钢轨-砂轮界面存在着复杂的摩擦学行为，打磨磨削力受众多因素的影响，研究打磨过程中影响磨削力的因素对于提高钢轨打磨质量、优化打磨参数有着重要的指导意义。
　　磨削加工是一种复杂的材料去除过程，钢轨打磨可看作一个特殊的磨削加工过程。本文通过MATLAB分水岭法对砂轮端面图像处理，提取砂轮表面磨粒特征，主要包括砂轮表面磨粒面密度及表面磨粒分布规律，通过表面形貌仪对砂轮表面磨粒的突出高度数据采集并进行测量分析，然后通过三维软件建立不同粒度砂轮三维模型并通过有限元软件DEFORM-3D软件对磨削过程进行仿真。在不同砂轮粒度、砂轮转速及打磨压力下，利用钢轨打磨摩擦试验机进行钢轨打磨实验，验证了砂轮模型和磨削力仿真结果的有效性和正确性。
　　论文研究得出的主要结论如下:
　　(1)随着打磨压力、砂轮磨粒的增大，砂轮与工件（钢轨）接触面内有效磨刃数的增多、单颗磨粒的未变形切屑厚度增大，磨削力也随之增大。随砂轮转速的增大，单位时间内参与磨削的磨粒增多，磨屑的未变形切削厚度减小，磨削力减小。
　　(2)通过建立不同粒度的砂轮模型，在不同打磨参数（打磨压力、砂轮转速、砂轮粒度）下对打磨过程进行仿真分析;磨削力仿真结果随打磨参数的变化规律和由实验所得打磨磨削力随打磨参数的变化规律相同，证明了所构建的砂轮模型的有效性。
　　(3)将由积分法计算所得的钢轨打磨磨削力结果及有限元法仿真所得的磨削力结果与实验所得磨削力结果对比发现:有限元法仿真所得磨削力结果最大;积分法计算所得的磨削力结果最小;且有限元法仿真所得磨削力结果与实验结果的误差较由积分法所得结果与实验结果的误差要小。
　　(4)根据磨削力仿真结果与实验结果对比，基于最小二次法提出了仿真结果的修正系数;结果表明:修正后的仿真结果与实验结果的误差范围控制在12％以内，更加符合实验结果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 钢轨打磨技术的研究现状

1．2．1 钢轨打磨原理

1．2．2 钢轨打磨分类

1．2．3 钢轨打磨设备

1．3 磨削加工研究现状

1．3．1 磨削加工特点

1．3．2 磨削力研究状况

1．4 论文研究意义及内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

第2章 钢轨打磨过程中磨削力数学模型

2．1 单颗磨粒磨削力模型

2．1．1 单颗磨粒物理模型

2．1．2 单颗磨粒磨削过程仿真

2．1．3 单颗磨粒磨削力数学模型

2．2 磨削区域磨削力数学模型

2．3 小结

第3章 基于DEFORM的钢轨打磨磨削力仿真研究

3．1 DEFORM-3D软件简介

3．2 砂轮三维模型构建

3．2．1 砂轮表面形貌数据提取

3．2．2 砂轮三维模型建立

3．3 钢轨打磨磨削过程仿真

3．3．1 砂轮与工件材料模型

3．3．2 网格划分及自适应网格重划

3．3．3 刀屑分离准则

3．3．4 工件与砂轮接触区域摩擦模型

3．3．5 工件与砂轮接触问题处理

3．4 仿真结果分析

3．4．1 磨削参数对磨削力的影响

3．5 小结

第4章 钢轨打磨磨削力实验研究

4．1 钢轨打磨摩擦试验机

4．1．1 试验机工作原理及介绍

4．1．2 钢轨打磨试验机主要用途

4．2 模拟实验

4．2．1 砂轮与钢轨试样材料

4．2．2 实验参数

4．3 钢轨打磨实验结果

4．4 小结

第5章 钢轨打磨磨削力结果对比分析

5．1 磨削力结果及误差分析

5．2 基于最小二乘法修正系数的提出

5．3 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文