铁道车辆轮对磨削修型技术研究

王恒亮 傅佩喜 上海铁路局科研所

陆正刚 同济大学

张宝安 南车青岛四方机车车辆股份有限公司

铁道车辆轮对磨削修型技术研究

王恒亮 傅佩喜 上海铁路局科研所

陆正刚 同济大学

张宝安 南车青岛四方机车车辆股份有限公司

铁道车辆的运用必然伴随车轮磨损问题，为了充分发挥薄轮缘等级镟修的优势，提出“以磨代车”的小切削量轮对磨削修型技术。通过分析轮对在镟修过程中的振动情况,找到了影响振动的主要原因，即车轴弯曲变形。通过车轮磨削试验，结果表明：车轮材质是不难磨的，车轴弯曲变形导致磨削工艺系统刚性较差，带托架的轮对装夹装置抗振效果明显提高。同时，合理的砂轮类型、进给方式和磨削要素等也是影响轮对磨削加工效率和质量的重要因素。

轮对，镟修，以磨代车，磨削，振动

1 引言

为了保证车轮型面几何参数在规定界限内，铁道车辆运用所必须定期镟修磨耗、损伤轮对，现多采用薄轮缘等级镟修方法。轮对镟修设备根据是否拆卸轮对可分为两种，数控车轮车床用于新造或高级修的轮对加工，轮对需从转向架上拆卸；数控轮对镟床在轮对不拆卸的情况下使用。对于不满足三级以上修程的动车组，主要采用轨道线上不落轮镟床进行作业。

现轮对镟修均采用车削方法，其特点在于操作相对简单，对镟修量较大的作业效率较高，但缺点在于对切削量的控制，对踏面直径镟修量2 mm～5 mm以内的作业经济性降低。而薄轮缘等级镟修可以最大限度地减少踏面切削量，此时磨削在小镟修量轮对作业中具有明显优势。“以磨代车”可大幅降低轮对镟修成本，提高轮对加工质量，还能为轮对除锈、踏面淬硬提供工艺保证。本文论证了车轮型面磨削加工的可行性，探索了轮对磨削加工中存在的问题，为轮对磨削设备的设计制造提供了重要依据。

2 轮对镟修振动分析

轮对装夹装置是轮对镟修设备的核心部件之一，不同的装夹方法导致轮对切削工艺系统刚性不同。根据轮对镟修调研结果，现多采用顶尖定位，使用摩擦轮或卡盘卡爪装夹和驱动轮对，如图1所示。

图1 两种常用轮对镟修装夹方法

2.1 轮对有限元模型

采用八节点六面体三维实体单元对某轮对进行网格划分，如图2所示。单元总数为234 691个，节点总数为49 017个。轮对材料特性主要参数设为：密度7.85×10-6kg/mm3、弹性模量2.06×105N/mm2、泊松比0.3。两种不同的轮对约束模型如图3所示。

图2 轮对有限元模型

图3 轮对约束模型

2.2 轮对模态分析

运用分块兰索斯（Block Lanczos）方法提取轮对在无约束和两种约束模型中的前10阶模态，各模型的前10阶模态频率如表1所示。

表1 轮对在三种模型中的模态频率（单位：Hz）

观察两种约束模型中轮对的前10阶模态振型。1阶振型为绕X轴的刚体旋转，从2阶开始轮对发生弹性体变形；2阶振型为车轴扭转变形，车轮不发生变形；从3阶到6阶，车轴发生弯曲变形，车轮几乎不发生变形；从7阶开始，车轴和车轮均发生变形，以车轮变形为主。因此，轮对受较低频激扰影响时易使车轴产生弯曲变形，车轴弯曲变形是影响轮对镟修工艺系统刚性的主要因素。

2.3 轮对谐响应分析

轮对切削力成分中最重要的是Y向分量（对车轮而言是径向分量），从图4可知，顶尖+双摩擦轮装夹中轮对质心附近某点Y向的最大变形量为0.682 mm，对应激扰频率为284.605 Hz；顶尖+双卡盘卡爪装夹中该点Y向的最大变形量为1.312 mm，对应激扰频率为126.491 Hz。因此，顶尖+双摩擦轮装夹中轮对振动情况好于顶尖+双卡盘卡爪装夹中，摩擦轮系统的刚性优于卡盘卡爪；顶尖+双摩擦轮装夹方法易受高频激扰影响，而顶尖+双卡盘卡爪易受低频激扰影响。

图4 轮对谐响应分析结果

3 车轮磨削试验

为进一步研究轮对在磨削加工过程中的振动情况，先后开展了轮对磨削的相关试验，包括轮对踏面试磨、车轮材质可磨性试验、砂轮手动与连续进给磨削、托架支撑轮对磨削等。

3.1 轮对踏面试磨

先后在WALDRICH SIEGEN、HERKULES SIEGEN轧辊磨床上对车轮型面进行磨削试验，分别使用A60KV、DA54J砂轮。磨削轮对如图5所示。

图5 磨削轮对示意图

尽管在两台磨床上的磨削条件不同，但是轮对踏面磨削的结果却是相同：金属总切除量很小，表面现象为啸叫不断，磨削无法正常进行。根据相关经验，啸叫产生的原因主要有：①砂轮很快磨钝，即砂轮特性不能满足车轮材质的磨削要求；②轮对磨削工艺系统在磨削过程中产生剧烈振动，包含啸叫频率。

3.2 车轮材质可磨性试验

为了探索磨削啸叫和金属总切除量低的真正原因，切割车轮中心部分作为试磨件，这样可以排除磨削工艺系统刚性差这一影响因素，以便确定车轮材质的可磨性。在MQ1350× 3000外圆磨床上加工试磨件（见图6），选用PA46KV砂轮。

该试磨件的磨削过程基本正常，没有出现啸叫，半径上磨削深度达3 mm，金属总切除量达到（2 800～2 900）mm3/mm以上，对于一般车轮型面的磨损已能达到修复要求。试验表明，车轮钢（CL60）可以用刚玉砂轮对其磨削，排除了砂轮特性不能匹配车轮材质这一因素。并对车轮材质进行了元素分析，结果表明其中并无特殊元素。

图6 车轮试磨件（φ309×180）

图7 轮对托架支撑示意图

3.3 砂轮手动与连续进给磨削试验

根据车轮材质的元素组成，使用NQ（Norton Quantum）磨料和高强度结合剂专门研制了3NQS 36HV砂轮。利用该砂轮分别在MQ1350×3000外圆磨床、H234×1500/DM斜切入式端面外圆磨床（斜切角度30°）上进行了砂轮手动与连续进给磨削试验。

表2 砂轮手动与连续进给磨削结果

根据表2中砂轮手动与连续进给磨削结果，3NQS 36HV砂轮与PA 46 KV砂轮的磨削性能相比有明显的优势：①金属总切除量6 220 mm3/mm，是2 917 mm3/mm的2倍以上；②同样磨去直径上6 mm所耗费的时间相比，7 min20 s比17 min少了10 min，磨削效率大大提高；③3NQS 36HV砂轮磨削锋利，发热少，而PA 46 KV砂轮则自磨削开始即产生大量的水蒸气；④3NQS 36HV砂轮自锐性好，利于磨削；但砂轮磨损较大，砂轮半径上磨损量有0.20 mm，导致试件表面粗糙度类似于车削。

在数控连续斜切入进给磨削条件下，磨去直径上7 mm左右后，开始发出较轻的磨削噪声，一直持续到磨完19.5 mm。这种噪声与磨粒磨钝而未能及时自锐有关，砂轮架的振幅也由最初的0.81μm增大到1.55 μm。而断续进给每次（0.02～0.03）mm，较大的进给量使磨粒破碎自锐，使砂轮一直处于锋利的切削状态。

3.4 托架支撑轮对磨削试验

通过3.2和3.3中的试验，已经证实车轮材质可以磨削，也对比了3NQS 36HV砂轮与PA 46KV砂轮的磨削性能及手动和连续进给的区别。为了加强磨削系统的刚性，特别是轮相对于轴的刚性，选用大型MK84160/H数控轧辊磨床，该磨床配备刚性很好、能支撑车轮轮缘的左右两只托架，并采用WA60K6砂轮（使用树脂结合剂）。这种装夹装置类似于顶尖+双摩擦轮系统，结构如图7所示。

采用外圆切入磨削方式，手动电子手轮断续进给，轮对约1～2转时每次进给半径方向0.01 mm。通过改变轮对支撑方式、砂轮转速、轮对转速及磨削宽度等磨削要素，进行了6次轮对磨削试验，结果如表3所示。试验表明：①采用两只刚性好的托架分别支撑左、右轮缘，增强了磨削工艺系统刚性，能够有效抑制磨削振动、啸叫；②砂轮线速度45 m/s和35 m/s的磨削效果均较好，磨削宽度由55 mm增加到80 mm时也能正常磨削；③WA60K6树脂结合剂砂轮的磨削性能良好，切削锋利，耐用度高，砂轮磨损小。

表3 改变磨削要素的轮对磨削试验结果

通过3.1～3.4中的车轮磨削试验，可知：①车轮钢并非难磨削材质，现有砂轮特性能满足车轮磨削要求；②轮对磨削工艺系统刚性较差，磨削过程中振动较大，易引起啸叫；③砂轮类型、进给方式和磨削要素（包括砂轮转速、轮对转速、进给量、磨削宽度等）等是影响轮对磨削加工效率和质量的重要方面。

4 总结

研究表明，轮对磨削修型加工技术是可行的，但磨削工艺系统刚性较差，其中车轴弯曲变形是导致镟修过程中振动较大的主要原因。轮对镟修振动分析找到了最大激扰频率，可认为是与磨削啸叫相关的频率成分；车轮磨削试验中对比了使用托架和不使用托架的磨削效果，也使用了不同的砂轮类型、进给方式和磨削要素等，初步探索了影响轮对磨削加工效率及质量的主要因素。在后续研究中还需考虑：实际车轮镟修部分包括踏面和轮缘，轮缘曲线的磨削加工工艺是个难点；在轮缘顶部加托架或摩擦轮系统及夹紧力的大小会直接影响或损坏轮缘已加工表面，合理的轮对装夹装置设计有待深究；砂轮的磨损与修整也是轮对磨削加工过程中不容忽视的问题。

责任编辑：王华 宋立成

来稿日期：2015-05-18