钢轨打磨过程中材料去除行为仿真研究
发布时间：2021-12-17 12:16
钢轨打磨是一种铁路钢轨广泛应用且经济的维护技术。在钢轨打磨过程中,砂轮与钢轨之间的相互作用非常复杂,影响打磨效果及打磨效率。因此,开展钢轨打磨过程中钢轨材料去除行为研究,对优化钢轨打磨参数、提升打磨效率具有重要的指导意义和工程价值。本文基于简化后的虚拟砂轮模型,建立了钢轨打磨三维有限元仿真模型,根据钢轨打磨模拟试验所得试验数据,利用DEFORM-3D有限元软件仿真模拟了钢轨打磨过程,分析了不同打磨参数（打磨转速、进给速度和打磨深度）、不同轨面（R300、R80和R13）、不同打磨遍数与打磨方向对钢轨材料去除行为的影响,同时对频域内的磨削力进行了分析。仿真结果与现场和试验结果吻合,表明使用本文仿真模型预测打磨结果的可行性。论文研究得出的主要结论如下:（1）随砂轮转速增加,磨削力、磨削力比、磨削比以及表面粗糙度均呈下降趋势,而钢轨打磨量和砂轮磨损量均有所上升,且钢轨材料塑性去除的趋势增强。法向磨削力始终大于切向磨削力和纵向磨削力;磨削力、磨削力比、磨削比及表面粗糙度的变化趋势同砂轮进给速度呈正相关,而打磨量、砂轮磨损量的变化趋势同砂轮进给速度呈负相关,且钢轨材料的去除随进给速度的增加趋于脆...
【文章来源】： 张沭玥 西南交通大学
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
八纵八横高铁网现如今，随着经济的发展，人们对于单次运输量的要求越来越大，铁路系统在向
西南交通大学硕士研究生学位论文第2页图1-1八纵八横高铁网现如今，随着经济的发展，人们对于单次运输量的要求越来越大，铁路系统在向解决运输时间问题的高速铁路发展的同时需要向重载铁路方向发展。重载铁路是指列车牵引重量、轴重和线路年运量达到相应标准的运输线路[8]，由于采用增加轴重及单列编组长度的运输方式，牵引能耗显著降低，机车车辆数量、维护成本和设备占用时间减少，进而提升了机车车辆的运行效率及铁路线路的运能，因而重载铁路己逐步成为铁路货运发展的方向[9]。重载铁路运输技术体系在美国、加拿大、澳大利亚等资源丰富、幅员辽阔且煤炭与矿石运量居多的国家已较为成熟[10]。在运输量和运输密度方面，中国的重载铁路运输技术处于世界前列，其发展经历了四个主要阶段：开通重载列车，对既有线进行改造；开通5000t重载混编列车，改造繁忙干线；开通重载单元列车，新建大秦铁路(图1-2)；于大秦铁路开通20000t列车[11]。在符合中国重载铁路发展具体情况的前提下，中国重载技术提高了车辆的轴重和货运能力，使中国重载铁路向大运量方向发展[12]。图1-2大秦铁路高速和重载是我国铁路跨越式发展战略中铁路运输的发展方向，然而铁路的高速化和重载化的迅猛发展也对铁路部门提出了一系列挑战，其中轮轨接触问题是一重点挑战，直接影响其运行的稳定性、安全性以及舒适性[13-15]。在铁路列车行进过程中，
西南交通大学硕士研究生学位论文第3页除了受到温度、制动力等之外，钢轨在极小的轮轨接触区域中将受到巨大且复杂的作用力，以及各作用力引起的剪切、扭曲等现象。随着铁路轴重的增加和高速铁路运行速度的加快，钢轨将产生一系列的伤损形式，较常见的有轨角斜裂纹、表面斜裂纹、焊缝飞边、波磨等(图1-3)，直接影响到铁路运输的安全性以及轮轨使用寿命。在轨道线路现场维护作业中，为有效地预防钢轨波磨、控制钢轨的磨耗、疲劳伤损、型面、平顺度及轨面裂纹扩展等，常用的钢轨维护方法主要有两种：一是定期更换钢轨，二是利用钢轨打磨列车的往复打磨作用。定期更换钢轨成本高、机械化程度低且会影响铁路线路运营，不利于可持续发展，而钢轨打磨成本低、重复操作性强、可有针对性地打磨，现已成为世界公认的最有效的钢轨表面修复方式[4]。(a)波磨(b)表面斜裂纹(c)轨角斜裂纹(d)焊缝飞边图1-3钢轨表面损伤1.2钢轨打磨技术国内外研究现状钢轨打磨过程中，打磨砂轮跟随打磨列车沿钢轨纵向行进，绕其几何中心的高速旋转使得磨粒能够切除钢轨表面上与之相接触的材料，其工作原理与磨削加工中的端
【参考文献】：
期刊论文
[1]打磨参数对钢轨打磨磨石磨损与材料去除影响研究[J]. 张沭玥,周坤,王文健,郭俊,刘启跃. 摩擦学学报. 2018(03)
[2]基于虚拟砂轮建模的钢轨打磨材料去除仿真研究[J]. 商维,张沭玥,郭俊,刘启跃,王文健. 机械工程学报. 2018(04)
[3]考虑磨削过程的钢轨打磨小车动力学行为研究[J]. 张科元,林强,王文健,郭俊,刘启跃. 铁道学报. 2016(06)
[4]基于多颗磨粒随机分布的虚拟砂轮建模及机床-工艺交互仿真（英文）[J]. Xiang-lei ZHANG,Bin YAO,Wei FENG,Zhi-huang SHEN,Meng-meng WANG. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2015(11)
[5]基于容腔调节的钢轨打磨压力控制系统[J]. 聂蒙,李建勇,沈海阔. 西南交通大学学报. 2015(05)
[6]高速精密磨削9CrWMn冷作模具钢的磨削力和比磨削能[J]. 王艳,徐九华,杨路. 光学精密工程. 2015(07)
[7]中国重载铁路发展及技术标准[J]. 李庆生,孙海富. 工程建设标准化. 2015(04)
[8]基于磨粒切削模型的钢轨打磨机理研究[J]. 智少丹,李建勇,刘月明,聂蒙. 中国铁道科学. 2015(01)
[9]陶瓷结合剂CBN砂轮磨损与磨削比的研究[J]. 卢海燕,曹硕生,申其芳,伍丽峰. 机床与液压. 2014(23)
[10]国外重载铁路运输进展与我国重载铁路运输分析[J]. 卓卉. 中国煤炭. 2014(S1)
硕士论文
[1]基于虚拟砂轮建模的打磨转速对钢轨打磨磨削行为影响[D]. 商维.西南交通大学 2017
[2]钢轨打磨过程中钢轨温度场及热机应力研究[D]. 张子舆.西南交通大学 2017
[3]基于MATLAB的60kg/m钢轨打磨模式优化设计[D]. 林强.西南交通大学 2016
[4]基于钢轨打磨实验的磨削力影响因素仿真与实验研究[D]. 韩永超.西南交通大学 2016
[5]打磨转速与磨石粒度对钢轨材料去除行为影响研究[D]. 顾凯凯.西南交通大学 2015
[6]钢轨打磨参数对打磨量影响与打磨模式研究[D]. 何娟娟.北京交通大学 2014
[7]高铁钢轨打磨砂轮磨损及在线检测技术研究[D]. 肖旭.浙江工业大学 2012
[8]超高速陶瓷CBN砂轮磨损仿真研究[D]. 李健.东北大学 2011
[9]钢轨打磨形面研究[D]. 周亮节.西南交通大学 2010
[10]基于BP神经网络和遗传算法对工程陶瓷磨削力建模的研究[D]. 周会娜.天津大学 2007
本文编号：3540101
【文章来源】： 张沭玥 西南交通大学
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
八纵八横高铁网现如今，随着经济的发展，人们对于单次运输量的要求越来越大，铁路系统在向
西南交通大学硕士研究生学位论文第2页图1-1八纵八横高铁网现如今，随着经济的发展，人们对于单次运输量的要求越来越大，铁路系统在向解决运输时间问题的高速铁路发展的同时需要向重载铁路方向发展。重载铁路是指列车牵引重量、轴重和线路年运量达到相应标准的运输线路[8]，由于采用增加轴重及单列编组长度的运输方式，牵引能耗显著降低，机车车辆数量、维护成本和设备占用时间减少，进而提升了机车车辆的运行效率及铁路线路的运能，因而重载铁路己逐步成为铁路货运发展的方向[9]。重载铁路运输技术体系在美国、加拿大、澳大利亚等资源丰富、幅员辽阔且煤炭与矿石运量居多的国家已较为成熟[10]。在运输量和运输密度方面，中国的重载铁路运输技术处于世界前列，其发展经历了四个主要阶段：开通重载列车，对既有线进行改造；开通5000t重载混编列车，改造繁忙干线；开通重载单元列车，新建大秦铁路(图1-2)；于大秦铁路开通20000t列车[11]。在符合中国重载铁路发展具体情况的前提下，中国重载技术提高了车辆的轴重和货运能力，使中国重载铁路向大运量方向发展[12]。图1-2大秦铁路高速和重载是我国铁路跨越式发展战略中铁路运输的发展方向，然而铁路的高速化和重载化的迅猛发展也对铁路部门提出了一系列挑战，其中轮轨接触问题是一重点挑战，直接影响其运行的稳定性、安全性以及舒适性[13-15]。在铁路列车行进过程中，
西南交通大学硕士研究生学位论文第3页除了受到温度、制动力等之外，钢轨在极小的轮轨接触区域中将受到巨大且复杂的作用力，以及各作用力引起的剪切、扭曲等现象。随着铁路轴重的增加和高速铁路运行速度的加快，钢轨将产生一系列的伤损形式，较常见的有轨角斜裂纹、表面斜裂纹、焊缝飞边、波磨等(图1-3)，直接影响到铁路运输的安全性以及轮轨使用寿命。在轨道线路现场维护作业中，为有效地预防钢轨波磨、控制钢轨的磨耗、疲劳伤损、型面、平顺度及轨面裂纹扩展等，常用的钢轨维护方法主要有两种：一是定期更换钢轨，二是利用钢轨打磨列车的往复打磨作用。定期更换钢轨成本高、机械化程度低且会影响铁路线路运营，不利于可持续发展，而钢轨打磨成本低、重复操作性强、可有针对性地打磨，现已成为世界公认的最有效的钢轨表面修复方式[4]。(a)波磨(b)表面斜裂纹(c)轨角斜裂纹(d)焊缝飞边图1-3钢轨表面损伤1.2钢轨打磨技术国内外研究现状钢轨打磨过程中，打磨砂轮跟随打磨列车沿钢轨纵向行进，绕其几何中心的高速旋转使得磨粒能够切除钢轨表面上与之相接触的材料，其工作原理与磨削加工中的端
【参考文献】：
期刊论文
[1]打磨参数对钢轨打磨磨石磨损与材料去除影响研究[J]. 张沭玥,周坤,王文健,郭俊,刘启跃. 摩擦学学报. 2018(03)
[2]基于虚拟砂轮建模的钢轨打磨材料去除仿真研究[J]. 商维,张沭玥,郭俊,刘启跃,王文健. 机械工程学报. 2018(04)
[3]考虑磨削过程的钢轨打磨小车动力学行为研究[J]. 张科元,林强,王文健,郭俊,刘启跃. 铁道学报. 2016(06)
[4]基于多颗磨粒随机分布的虚拟砂轮建模及机床-工艺交互仿真（英文）[J]. Xiang-lei ZHANG,Bin YAO,Wei FENG,Zhi-huang SHEN,Meng-meng WANG. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2015(11)
[5]基于容腔调节的钢轨打磨压力控制系统[J]. 聂蒙,李建勇,沈海阔. 西南交通大学学报. 2015(05)
[6]高速精密磨削9CrWMn冷作模具钢的磨削力和比磨削能[J]. 王艳,徐九华,杨路. 光学精密工程. 2015(07)
[7]中国重载铁路发展及技术标准[J]. 李庆生,孙海富. 工程建设标准化. 2015(04)
[8]基于磨粒切削模型的钢轨打磨机理研究[J]. 智少丹,李建勇,刘月明,聂蒙. 中国铁道科学. 2015(01)
[9]陶瓷结合剂CBN砂轮磨损与磨削比的研究[J]. 卢海燕,曹硕生,申其芳,伍丽峰. 机床与液压. 2014(23)
[10]国外重载铁路运输进展与我国重载铁路运输分析[J]. 卓卉. 中国煤炭. 2014(S1)
硕士论文
[1]基于虚拟砂轮建模的打磨转速对钢轨打磨磨削行为影响[D]. 商维.西南交通大学 2017
[2]钢轨打磨过程中钢轨温度场及热机应力研究[D]. 张子舆.西南交通大学 2017
[3]基于MATLAB的60kg/m钢轨打磨模式优化设计[D]. 林强.西南交通大学 2016
[4]基于钢轨打磨实验的磨削力影响因素仿真与实验研究[D]. 韩永超.西南交通大学 2016
[5]打磨转速与磨石粒度对钢轨材料去除行为影响研究[D]. 顾凯凯.西南交通大学 2015
[6]钢轨打磨参数对打磨量影响与打磨模式研究[D]. 何娟娟.北京交通大学 2014
[7]高铁钢轨打磨砂轮磨损及在线检测技术研究[D]. 肖旭.浙江工业大学 2012
[8]超高速陶瓷CBN砂轮磨损仿真研究[D]. 李健.东北大学 2011
[9]钢轨打磨形面研究[D]. 周亮节.西南交通大学 2010
[10]基于BP神经网络和遗传算法对工程陶瓷磨削力建模的研究[D]. 周会娜.天津大学 2007
本文编号：3540101
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