鐵道車輛輪對磨削修型技術研究

王恒亮 傅佩喜 上海鐵路局科研所

陸正剛 同濟大學

張寶安 南車青島四方機車車輛股份有限公司

鐵道車輛輪對磨削修型技術研究

王恒亮 傅佩喜 上海鐵路局科研所

陸正剛 同濟大學

張寶安 南車青島四方機車車輛股份有限公司

鐵道車輛的運用必然伴隨車輪磨損問題，為了充分發揮薄輪緣等級鏇修的優勢，提出“以磨代車”的小切削量輪對磨削修型技術。通過分析輪對在鏇修過程中的振動情況,找到了影響振動的主要原因，即車軸彎曲變形。通過車輪磨削試驗，結果表明：車輪材質是不難磨的，車軸彎曲變形導致磨削工藝系統剛性較差，帶托架的輪對裝夾裝置抗振效果明顯提高。同時，合理的砂輪類型、進給方式和磨削要素等也是影響輪對磨削加工效率和質量的重要因素。

輪對，鏇修，以磨代車，磨削，振動

1 引言

為了保證車輪型面幾何參數在規定界限內，鐵道車輛運用所必須定期鏇修磨耗、損傷輪對，現多采用薄輪緣等級鏇修方法。輪對鏇修設備根據是否拆卸輪對可分為兩種，數控車輪車床用于新造或高級修的輪對加工，輪對需從轉向架上拆卸；數控輪對鏇床在輪對不拆卸的情況下使用。對于不滿足三級以上修程的動車組，主要采用軌道線上不落輪鏇床進行作業。

現輪對鏇修均采用車削方法，其特點在于操作相對簡單，對鏇修量較大的作業效率較高，但缺點在于對切削量的控制，對踏面直徑鏇修量2 mm～5 mm以內的作業經濟性降低。而薄輪緣等級鏇修可以最大限度地減少踏面切削量，此時磨削在小鏇修量輪對作業中具有明顯優勢。“以磨代車”可大幅降低輪對鏇修成本，提高輪對加工質量，還能為輪對除銹、踏面淬硬提供工藝保證。本文論證了車輪型面磨削加工的可行性，探索了輪對磨削加工中存在的問題，為輪對磨削設備的設計制造提供了重要依據。

2 輪對鏇修振動分析

輪對裝夾裝置是輪對鏇修設備的核心部件之一，不同的裝夾方法導致輪對切削工藝系統剛性不同。根據輪對鏇修調研結果，現多采用頂尖定位，使用摩擦輪或卡盤卡爪裝夾和驅動輪對，如圖1所示。

圖1 兩種常用輪對鏇修裝夾方法

2.1 輪對有限元模型

采用八節點六面體三維實體單元對某輪對進行網格劃分，如圖2所示。單元總數為234 691個，節點總數為49 017個。輪對材料特性主要參數設為：密度7.85×10-6kg/mm3、彈性模量2.06×105N/mm2、泊松比0.3。兩種不同的輪對約束模型如圖3所示。

圖2 輪對有限元模型

圖3 輪對約束模型

2.2 輪對模態分析

運用分塊蘭索斯（Block Lanczos）方法提取輪對在無約束和兩種約束模型中的前10階模態，各模型的前10階模態頻率如表1所示。

表1 輪對在三種模型中的模態頻率（單位：Hz）

觀察兩種約束模型中輪對的前10階模態振型。1階振型為繞X軸的剛體旋轉，從2階開始輪對發生彈性體變形；2階振型為車軸扭轉變形，車輪不發生變形；從3階到6階，車軸發生彎曲變形，車輪幾乎不發生變形；從7階開始，車軸和車輪均發生變形，以車輪變形為主。因此，輪對受較低頻激擾影響時易使車軸產生彎曲變形，車軸彎曲變形是影響輪對鏇修工藝系統剛性的主要因素。

2.3 輪對諧響應分析

輪對切削力成分中最重要的是Y向分量（對車輪而言是徑向分量），從圖4可知，頂尖+雙摩擦輪裝夾中輪對質心附近某點Y向的最大變形量為0.682 mm，對應激擾頻率為284.605 Hz；頂尖+雙卡盤卡爪裝夾中該點Y向的最大變形量為1.312 mm，對應激擾頻率為126.491 Hz。因此，頂尖+雙摩擦輪裝夾中輪對振動情況好于頂尖+雙卡盤卡爪裝夾中，摩擦輪系統的剛性優于卡盤卡爪；頂尖+雙摩擦輪裝夾方法易受高頻激擾影響，而頂尖+雙卡盤卡爪易受低頻激擾影響。

圖4 輪對諧響應分析結果

3 車輪磨削試驗

為進一步研究輪對在磨削加工過程中的振動情況，先后開展了輪對磨削的相關試驗，包括輪對踏面試磨、車輪材質可磨性試驗、砂輪手動與連續進給磨削、托架支撐輪對磨削等。

3.1 輪對踏面試磨

先后在WALDRICH SIEGEN、HERKULES SIEGEN軋輥磨床上對車輪型面進行磨削試驗，分別使用A60KV、DA54J砂輪。磨削輪對如圖5所示。

圖5 磨削輪對示意圖

盡管在兩臺磨床上的磨削條件不同，但是輪對踏面磨削的結果卻是相同：金屬總切除量很小，表面現象為嘯叫不斷，磨削無法正常進行。根據相關經驗，嘯叫產生的原因主要有：①砂輪很快磨鈍，即砂輪特性不能滿足車輪材質的磨削要求；②輪對磨削工藝系統在磨削過程中產生劇烈振動，包含嘯叫頻率。

3.2 車輪材質可磨性試驗

為了探索磨削嘯叫和金屬總切除量低的真正原因，切割車輪中心部分作為試磨件，這樣可以排除磨削工藝系統剛性差這一影響因素，以便確定車輪材質的可磨性。在MQ1350× 3000外圓磨床上加工試磨件（見圖6），選用PA46KV砂輪。

該試磨件的磨削過程基本正常，沒有出現嘯叫，半徑上磨削深度達3 mm，金屬總切除量達到（2 800～2 900）mm3/mm以上，對于一般車輪型面的磨損已能達到修復要求。試驗表明，車輪鋼（CL60）可以用剛玉砂輪對其磨削，排除了砂輪特性不能匹配車輪材質這一因素。并對車輪材質進行了元素分析，結果表明其中并無特殊元素。

圖6 車輪試磨件（φ309×180）

圖7 輪對托架支撐示意圖

3.3 砂輪手動與連續進給磨削試驗

根據車輪材質的元素組成，使用NQ（Norton Quantum）磨料和高強度結合劑專門研制了3NQS 36HV砂輪。利用該砂輪分別在MQ1350×3000外圓磨床、H234×1500/DM斜切入式端面外圓磨床（斜切角度30°）上進行了砂輪手動與連續進給磨削試驗。

表2 砂輪手動與連續進給磨削結果

根據表2中砂輪手動與連續進給磨削結果，3NQS 36HV砂輪與PA 46 KV砂輪的磨削性能相比有明顯的優勢：①金屬總切除量6 220 mm3/mm，是2 917 mm3/mm的2倍以上；②同樣磨去直徑上6 mm所耗費的時間相比，7 min20 s比17 min少了10 min，磨削效率大大提高；③3NQS 36HV砂輪磨削鋒利，發熱少，而PA 46 KV砂輪則自磨削開始即產生大量的水蒸氣；④3NQS 36HV砂輪自銳性好，利于磨削；但砂輪磨損較大，砂輪半徑上磨損量有0.20 mm，導致試件表面粗糙度類似于車削。

在數控連續斜切入進給磨削條件下，磨去直徑上7 mm左右后，開始發出較輕的磨削噪聲，一直持續到磨完19.5 mm。這種噪聲與磨粒磨鈍而未能及時自銳有關，砂輪架的振幅也由最初的0.81μm增大到1.55 μm。而斷續進給每次（0.02～0.03）mm，較大的進給量使磨粒破碎自銳，使砂輪一直處于鋒利的切削狀態。

3.4 托架支撐輪對磨削試驗

通過3.2和3.3中的試驗，已經證實車輪材質可以磨削，也對比了3NQS 36HV砂輪與PA 46KV砂輪的磨削性能及手動和連續進給的區別。為了加強磨削系統的剛性，特別是輪相對于軸的剛性，選用大型MK84160/H數控軋輥磨床，該磨床配備剛性很好、能支撐車輪輪緣的左右兩只托架，并采用WA60K6砂輪（使用樹脂結合劑）。這種裝夾裝置類似于頂尖+雙摩擦輪系統，結構如圖7所示。

采用外圓切入磨削方式，手動電子手輪斷續進給，輪對約1～2轉時每次進給半徑方向0.01 mm。通過改變輪對支撐方式、砂輪轉速、輪對轉速及磨削寬度等磨削要素，進行了6次輪對磨削試驗，結果如表3所示。試驗表明：①采用兩只剛性好的托架分別支撐左、右輪緣，增強了磨削工藝系統剛性，能夠有效抑制磨削振動、嘯叫；②砂輪線速度45 m/s和35 m/s的磨削效果均較好，磨削寬度由55 mm增加到80 mm時也能正常磨削；③WA60K6樹脂結合劑砂輪的磨削性能良好，切削鋒利，耐用度高，砂輪磨損小。

表3 改變磨削要素的輪對磨削試驗結果

通過3.1～3.4中的車輪磨削試驗，可知：①車輪鋼并非難磨削材質，現有砂輪特性能滿足車輪磨削要求；②輪對磨削工藝系統剛性較差，磨削過程中振動較大，易引起嘯叫；③砂輪類型、進給方式和磨削要素（包括砂輪轉速、輪對轉速、進給量、磨削寬度等）等是影響輪對磨削加工效率和質量的重要方面。

4 總結

研究表明，輪對磨削修型加工技術是可行的，但磨削工藝系統剛性較差，其中車軸彎曲變形是導致鏇修過程中振動較大的主要原因。輪對鏇修振動分析找到了最大激擾頻率，可認為是與磨削嘯叫相關的頻率成分；車輪磨削試驗中對比了使用托架和不使用托架的磨削效果，也使用了不同的砂輪類型、進給方式和磨削要素等，初步探索了影響輪對磨削加工效率及質量的主要因素。在后續研究中還需考慮：實際車輪鏇修部分包括踏面和輪緣，輪緣曲線的磨削加工工藝是個難點；在輪緣頂部加托架或摩擦輪系統及夾緊力的大小會直接影響或損壞輪緣已加工表面，合理的輪對裝夾裝置設計有待深究；砂輪的磨損與修整也是輪對磨削加工過程中不容忽視的問題。

責任編輯：王華 宋立成

來稿日期：2015-05-18