[01216450]钢轨在线修复极端条件下的铣磨力—热特性及刀具设计与工艺优化研究

1. 课题来源与背景 本项目来源于广东省省级科技计划项目,计划类别属于工业高新技术领域,项目的承担单位是华南理工大学。 钢轨在列车运行过程中逐渐产生各种病害,影响铁路运输安全性。列车提速、车次密集和负载加重的趋势使钢轨在线修复任务越来越艰巨。先进的钢轨铣-磨修复方法已在国外应用,设备被国外垄断,国产设备研发正在起步阶段,亟需开展钢轨在线修复刀具设计和工艺研究,填补此方面空白。 2. 研究目的与意义 近些年来,我国轨道交通行业得到迅猛并发展成为我国主要的交通运输方式,根据国家发改委、交通运输部以及铁路总公司联合印发的《中长期铁路网规划》计划,到2020年,高铁线路里程预计将达到3万公里;到2025年,高铁线路里程将达到3.8万公里;到2030年,高铁网将基本连接省会城市和其他50万人口以上的大中城市,实现相邻大中城市之间1-4小时的城市圈。列车在运行中车轮与钢轨直接接触,钢轨在服役过程中受到很大的交变载荷和轮轨摩擦作用,进而在非常有限的轮轨有效接触面上产生很大的弯曲和剪切等应力,随着服役时间的推移,钢轨表面会出现一系列病害,常见的钢轨病害有：侧磨、肥边、道渣印痕、波磨和轨面塌陷等。钢轨表面的病害若不及时去除不仅会增大列车运行噪声,而且直接影响轨道系统寿命以及行车稳定性和安全性。钢轨作为铁路运输网络中的关键基础部件,对其表面产生的缺陷及时在线修复直接影响列车运行的安全性、稳定性和舒适性。目前,钢轨铣-磨修复设备被国外垄断并且技术封锁,国产设备的研发处于起步阶段,对于钢轨的研究主要集中于钢轨缺陷的产生机理及轮轨关系,而针对钢轨铣-磨修复方面的研究鲜有报道,也没有关于钢轨材料本构方程的文献报道,开展这些研究工作对我国相关铁路养护企业设计钢轨铣-磨装备、设计/制造高效的钢轨铣-磨刀/工具、优化钢轨铣-磨作业参数和保障铣-磨质量具有重要的理论和实际意义。 3. 主要论点与论据 我国铁路钢轨常用材质为U74和U71Mn（均为高硬度含锰高碳钢）。限于轨道在线修复作业条件和要求,只能采用干式加工但需高效率。轨道高速修复设备上无法在线测量各种研究所需数据,而实验室现有任何机台无法满足钢轨铣-磨修复实验条件,因此需要以提高铣-磨修复效率、改善刀具磨损状况、防止钢轨产生铣-磨烧伤为目的,设计建造专用的钢轨铣-磨试验台（含力、温度在线测试系统）;根据国内外文献和市场现有商品化有限元软件的材料数据库检索,至今未有钢轨材料的本构模型和随温变化物性、动态特性数据,也缺乏对应刀具材料的随温变化物性,因此需要在室温和高温条件下对钢轨材料开展动静态力学性能测试和分析。 4. 创见与创新 在考虑金属切削工艺中的材料的应变硬化、应变率硬化效应及热软化效应的基础上建立钢轨材料静、动态性能的JC本构模型,求得本构模型中的各个参数;针对离线切削机床无法满足钢轨在线铣磨实验条件的现状,创新设计研制独特的铣磨实验平台并提出创新性的实验方法。目前已发表SCI论文2篇,EI期刊论文1篇,ISTP国际会议2篇,中文核心1篇,授权实用新型专利1件,申请发明专利1件。 5. 社会经济效益,存在的问题 钢轨的铣磨修复对抑制轨道缺陷的产生和提高钢轨服役性能及轮轨匹配性能具有十分重要的理论和实践价值。开展本项目研究一方面可掌握钢轨在线修复工况的刀工具力-热行为,另一方面可填补适应钢轨在线修复工况的铣削机理、刀具匹配设计和工艺数据方面的空白。这既是对金属切/磨削领域机理与技术研究的拓展创新,又可直接促进轨道交通技术进步和提升企业技术水平,使之更好地适应国家轨道交通发展需求,减少国家投资,减轻工人劳动强度。钢轨机加工后的表面完整性直接影响抗摩擦磨损性能及服役寿命,所以有必要进一步研究不同加工工艺参数条件下钢轨铣-磨后工件已加工表面完整性（塑性变形程度、表面粗糙度、表面组织以及残余应力等）的变化规律以提高钢轨的抗摩擦磨损性能及服役寿命。