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高鐵軌道打磨CBN砂輪

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    從當前國家處于工業化加快形成的國情實際出發,高速鐵路建設是突破現有鐵路網布局瓶頸的必然選擇。中國正處在可持續發展的關鍵階段,而世界歷史發展證明,高速鐵路建設是經濟社會發展的必然趨勢。截止2018年底,中國投入運營的高速鐵路已達到2.9萬公里,占全球高速鐵路總里程的三分之二以上。是世界上高速鐵路系統技術最全、集成能力最強、運營里程最長、運行速度最高、在建規模最大的國家。        

        

·中國國家發改委于2016年7月20日對外公布《中長期鐵路網規劃》
    鐵路運輸系統是世界運輸體系中的重要環節,具有運載量大、行駛速度快、安全性好、經濟效益商等優勢。而作為鐵路運輸中起到承載作用的關鍵部件,鋼軌起著引導車輛行駛并向路基傳遞載荷的作用。隨著我國鐵路運行速度的日益提高及運量的不斷增加,對鐵路系統的要求越來越高. 高速重載線路投入運營后, 鋼軌出現了各種表面傷損, 如鋼軌波浪形磨耗、軌面擦傷、軌面剝離、軌側嚴重磨損、裂紋和軌頭壓潰等, 且發展速度較快, 影響了鐵路運輸能力和經濟效益. 要延長鋼軌的使用壽命, 就必須定期對鋼軌進行維護, 防止損傷的產生以及進一步惡化, 從而保證行車的安全性和舒適性。
    要延長鋼軌的使用壽命,需要考慮鋼軌制造和養護維修兩個方面. 具體地說, 就是生產高質量鋼軌, 有效地潤滑輪軌界面和對鋼軌斷面進行科學打磨. 鋼軌打磨是線路養護維修中的重要手段, 加拿大、美國、澳大利亞、瑞典、印度等國的鐵路維護實踐證明, 采用打磨的方法來預防鋼軌波磨、控制接觸疲勞、裂紋擴展和磨耗有較好的效果, 并可獲得巨大的效益. 主要表現在以下方面:
(1)打磨消除了軌道不平順, 減少了輪軌間的振動, 提高軌道的穩定性, 降低了線路與機車車輛
(2)打磨與鋼軌涂油相結合, 可延長鋼軌壽命50% -300%  ;
(3)改善輪軌粘著, 減小滾動阻力, 提高了行車安全;
(4)降低了噪聲與振動, 提高了旅客的舒適度.
  我國鋼軌維修設備水平和打磨技術遠遠落后于鐵路發達國家,鋼軌打磨設備主要靠進口, 1989 年我國引進第一臺鋼軌打磨設備,打磨實踐的作業經驗和理論水平有待進一步發展。鋼軌打磨工藝方面又因為技術封鎖而難以根據實際線路情況選擇合適的打磨模式。不僅如此,相比于歐洲、北美及澳洲等地,我國鐵路的實際狀況有較強的特殊性;包括線路客貨混運、行車密度大、客運提速、貨運重載甚至地形氣候等明顯的不同。這將導致已經引進的打磨模式和打磨砂輪也難以適合我國鋼軌打磨的需求。此外,打磨設備的昂貴費用及打廢鋼軌的巨額代價促使我國目前的打磨作業方法及工具,往往采用最保守傳統鋯剛玉砂輪包絡法打磨的方式,而這種方式沒能充分的發揮出鋼軌打磨技術的優勢。
    目前國內鋼軌打磨的普遍方式是,專用打磨列車共配備48-96個樹脂砂輪,即每側鋼軌分配48個,布置在鋼軌廓型截面-7O度--+20度的不同位置處。由于砂輪的作業順序對鋼軌廓型打磨存在影響,一般按照鋼軌的外側--內側--軌頂--整形的順序布置砂輪。鐵軌單趟打磨量在0.2-0.3mm,列車打磨速度在8-25KM/h,砂輪大約60-100KM需要更換一次。該工藝的優點是可修復廓形,清除較重病害,作業范圍廣,技術成熟。但是該技術也存在以下缺陷:
(1)易損傷鋼軌、裝備和控制系統復雜,打磨速度慢。
(2)砂輪消耗量高,經濟成本高。
(3)打磨時發熱量大,會使作為結合劑的酚醛樹脂局部裂解,產生一定量的有毒有害的氣體,同時大的發熱量會使鋼軌表面產生一定厚度的熱應力層,影響鋼軌材料的疲勞壽命。
(4)打磨過程中磨料快速破碎與脫落樹脂結合劑一起產生大量的粉塵,特別是在打磨涵洞及山谷等通風條件不好的工段鐵軌時,粉塵含量甚至會達到3000mg/m3,環境污染嚴重。
                  
                                 ·圖1 軌道打磨車                                                               ·圖2 軌道打磨砂輪 
    根據目前鐵軌打磨砂輪的使用缺陷,湖南興大新材料有限公司與湖南大學材料科學與工程學院通過3年的研發,開發了高效長壽命陶瓷樹脂復合CBN鋼軌打磨砂輪。項目采用新型超硬材料立方氮化硼(CBN)取代傳統鋯剛玉材料作為砂輪的主磨料,將CBN經過專利技術表面改性后與湖南大學研發的CBN專用納米晶體強化陶瓷結合劑混合后壓制成型,燒結成磨削塊體材料。CBN磨削塊按力學設計排布規律通過樹脂膠結于打磨砂輪基體表面,再對砂輪進行表面加工獲得最終產品。
用項目工藝制備出的新型陶瓷樹脂復合CBN鋼軌打磨砂輪與傳統剛玉打磨砂輪相比,其技術優勢主要體現在以下幾點:
(1)項目產品采用新型超硬材料CBN為砂輪的主磨料,其硬度相當于剛玉硬度的2倍,磨削效率是普通砂輪的3-4倍以上,可以大幅度提高打磨車的工作速度。
(2)CBN打磨砂輪的使用壽命可達到普通砂輪的20-40倍,在打磨過程中更換頻率低,降低了操作工人的工作強度;單位公里數砂輪磨耗量小,產生的粉塵濃度低,能很好地解決傳統砂輪工作時粉塵超標的環境問題。
(3)CBN砂輪的導熱性是剛玉的45倍,磨削過程中發熱量少,不會使樹脂裂解產生有害氣體,同時磨削后的鋼軌不易產生磨削燒傷裂紋,可延長可延長鋼軌20%-30%使用壽命。
                
·圖3 開發的鐵軌焊縫軌頂、軌側成型磨削CBN砂輪及修整輪                 ·圖4 軌側成型磨砂輪現場工作情況
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