基于虚拟砂轮建模的钢轨打磨材料去除仿真研究

通过对实际砂轮表面形貌的测量分析,获得砂轮磨粒面密度和突出高度的分布规律,基于虚拟格子法建立砂轮磨粒位置随机分布、突出高度服从正态分布的虚拟砂轮模型,进而建立钢轨打磨的三维仿真模型。仿真分析不同打磨转速对打磨磨削力、去除量、表面粗糙度及打磨表面形貌的影响。利用钢轨打磨摩擦试验机开展了钢轨打磨试验,试验结果与仿真结果进行了对比。结果表明:打磨转速增加时,钢轨磨削力呈小幅度减小,打磨去除量明显增大;钢轨表面粗糙度随打磨转速的增加而减小,随打磨深度的增加而增大;打磨后钢轨表面呈现多条犁沟和区域性的材料隆起;仿真与试验结果具有较好的一致性,验证了所建立的仿真模型预测钢轨打磨材料去除行为的可靠性。     

基于虚拟砂轮的钢轨打磨温度场研究

基于现场钢轨打磨作业方式,建立符合真实砂轮特征的虚拟砂轮,进而建立钢轨打磨过程砂轮-钢轨模型。运用有限元软件DEFORM仿真打磨过程中的钢轨温度场变化,分析钢轨上节点温度的变化规律,并研究不同打磨参数(包括打磨深度、进给速度、砂轮转速)对打磨温度的影响。研究结果表明:钢轨打磨过程中,钢轨经历砂轮的两次打磨作用,磨削区域温度继续升高,热影响区会进一步扩大。钢轨节点温度迅速升高过程中会经历一个小幅降低,然后继续升高达到温度最高点之后再逐渐降低。打磨参数对打磨温度有明显影响,当打磨深度从10μm增加到70μm时,钢轨最高温度从330℃升高至529℃;当进给速度从5 km/h增加至20 km/h时,钢轨最高温度从663℃降低至407℃;当砂轮转速从2000 r/min增加至3800 r/min时,钢轨最高温度从353℃升高至445℃。     

基于弹性赫兹接触的钢轨砂带打磨材料去除建模研究

为揭示钢轨砂带打磨材料去除机理,针对接触轮-钢轨曲面接触和砂带表面磨粒尺寸、位置随机特点,基于弹性赫兹接触理论,分析接触轮-钢轨宏观接触区域状态,获得接触面积和名义接触压力分布;结合砂带表面磨粒出刃高度分布统计学模型与单颗磨粒微观受力分析,获得单位面积打磨压力与磨粒最大切入深度关系;综合考虑磨粒出刃高度、磨粒外形、磨粒密度、砂带旋转速度、行车作业速度、打磨压力、接触轮硬度以及接触轮与钢轨之间的相对主曲率等多项参数,最终建立钢轨砂带打磨材料去除深度数学模型和材料去除量数学模型。试验结果表明,材料去除深度与材料去除量预测值同试验结果的最大偏差分别为3.6%和11.95%,验证了上述模型的正确性和有效性。     

高速铁路钢轨打磨技术的发展现状与展望

钢轨在服役过程中不可避免会产生波磨、裂纹、剥离、肥边等各种损伤和缺陷,严重影响其使用寿命和列车运行安全。钢轨打磨是当前国内外公认的去除表面损伤和缺陷、抑制滚动接触疲劳、改善轮轨匹配关系、延长钢轨使用寿命、提高列车运行平稳性、安全性以及乘客舒适度的有效和通用手段。概述预打磨、预防性打磨和修复性打磨三种钢轨打磨策略,然后将适用于高速铁路的钢轨打磨技术系统性的分为砂轮端面打磨技术、砂轮周面打磨技术、铣磨复合打磨技术、砂轮高速打磨技术和砂带打磨技术,并对每种打磨技术的原理、国内外相关研究及其对应的典型打磨装备发展现状进行详细评述,最后指出高速铁路钢轨打磨装备总体上呈现智能化、高效化、多样化和绿色化发展趋势,打磨技术将随着先进制造理念的不断渗透而发展进步,同时须研发我国自主化高端钢轨打磨装备,以全面提升我国高速铁路钢轨维护水平。     

钢轨打磨过程中打磨压力波动行为分析

钢轨打磨列车作业时存在一定打磨压力波动,从而影响打磨钢轨的表面不平顺。在考虑加载机构的运动行为及砂轮-钢轨接触行为的基础上,建立了打磨小车动力学分析模型,利用该模型研究了钢轨高低不平顺、打磨速度、钢轨波磨、打磨小车结构参数等因素对钢轨打磨压力波动的影响。结果表明:轨道高低不平顺是打磨压力产生波动的主要原因;提高打磨速度,打磨压力波动减小;特定的钢轨波磨波长会使打磨机构产生共振,导致打磨压力波动出现峰值;优化打磨小车一系定位刚度和打磨单元的轻量化有利于减小打磨压力波动,提高钢轨打磨作业的稳定性。     

钢轨打磨小车振动特性及其对打磨质量影响的研究

钢轨打磨小车是打磨列车进行打磨作业的主要执行机构,钢轨打磨小车工作时的振动状态会直接影响打磨质量。本文为探究钢轨打磨小车的振动特性及其对打磨质量的影响,分别在不同打磨速度和不同轨道波磨条件下进行了钢轨打磨小车的打磨实验,并对钢轨打磨小车在不同工况下的振动特性及打磨对钢轨不平顺质量的改善进行了现场测试。测试结果表明打磨小车在作业时的主要振动激励来源于砂轮与钢轨相互作用产生的振动,其频率与电机转子的旋转频率相同;随着打磨速度的增加,打磨小车各主要结构的振动幅值降低,且打磨后的钢轨不平顺质量有所提高;在具有波磨的轨道上进行打磨作业时,打磨小车各主要结构的振动幅值均高于在无波磨的轨道上打磨的幅值;当波磨的通过频率与打磨电机的激振频率吻合时,对钢轨打磨小车的振动和打磨后的钢轨不平顺质量均不利。     

钢轨CBN砂轮高速打磨试验台设计与试验研究

研制一种可模拟高速打磨实际工况的高速CBN砂轮打磨试验平台、该试验台可模拟砂轮纵向、垂向进给,并且可以实现±50°偏转,实现钢轨的正向、侧向的打磨。通过试验台模拟打磨试验验证了CBN砂轮高速打磨钢轨的可行性,并得出3#复合结合剂砂轮最适合高速打磨,最优打磨砂轮线速度70m/s^80m/s,最优下压力800N^1000N。     

CBN砂带恒压力磨削玻璃钢试验

针对玻璃钢易切除、易烧伤的特点,采用3种不同粒度的CBN砂带对玻璃钢进行恒压力砂带磨削实验,分析了在磨削过程中不同的砂带粒度和磨削用量对砂带磨损和工件表面质量的影响。在磨粒切削加工模型的基础上,通过观察磨削前后玻璃钢表面微观形貌分析了玻璃钢的磨损机理。通过正交试验得到:随着砂带线速度和粒度号的增大,玻璃钢表面粗糙度呈减小趋势;材料去除率会随着砂带线速度和磨削压力的增加而增大,当砂带线速度v_s=25 m/s,磨削压力F=56N,粒度P=180#时,磨削效果达到最好。     

基于Kriging插值方法的钢轨打磨温度预测

选取砂轮线速度和磨削速度为自变量、打磨温度为因变量,构建基于Kriging插值方法的钢轨打磨温度预测模型。预测结果发现:在同样的磨削速度下,当钢轨砂轮线速度增大后,其表面温度会随之上升;在同样的砂轮线速度下,如果磨削速度增大,则钢轨温度也会上升。钢轨所能达到的最高打磨温度是571.6℃,最低温度是429.8℃。该模型与测试结果的最大误差是4.5%,由此可以推断本研究构建的Kriging模型可以精确预测各打磨参数下的钢轨磨削温度。     

基于内凹型接触轮的钢轨砂带打磨静态接触行为与仿真研究

为揭示基于内凹型接触轮的钢轨砂带打磨静态接触行为,分析内凹型接触轮与钢轨接触几何关系,建立内凹型接触轮与钢轨宏观静态接触理论模型。采用Hertz接触理论对钢轨横截面和纵截面两方向微元积分,得到接触区域边界曲线函数和应力分布函数,获得打磨压力、接触轮直径等参量对接触区域形态和应力分布的影响规律。理论计算和有限元仿真结果表明,内凹型接触轮与钢轨接触区域是由四条曲线围成的封闭图形,与传统椭圆形接触区域差异显著;最大接触应力随打磨压力的增大而增大,随接触轮直径的增大而减小;仿真数据和理论计算数据基本吻合,验证理论模型的正确性和有效性。     

Cu-3镍铜合金砂带磨削试验研究

分析了Cu-3镍铜合金砂带磨削加工过程中,砂带粒度和磨削用量的不同对磨削加工效率、工件表面质量和砂带磨损的影响。采用氧化铝磨料砂带在不同的砂带线速度或磨削压力下对镍铜合金进行了工艺试验,对材料去除量、工件表面粗糙度和砂带磨损量进行了测量。研究表明:增加砂带线速度和磨削压力可在一定程度上提高材料去除率和磨削比;随着磨削压力的增大,工件表面粗糙度呈增大趋势;随着砂带粒度的增大,工件表面粗糙度呈减小趋势;砂带线速度为25m/s,磨削压力为43N,砂带粒度为P240时,镍铜合金综合磨削效果最好。     

基于车床砂带磨削的研究和应用

在车床上应用砂带磨削技术，设计了砂带磨轮磨削装置，并使车削和磨削在同一台车床上完成加工，提高了生产率，为车床改造提供了一条新途径。     

船用螺旋桨砂带磨削研究

为改善船用螺旋桨叶片的磨削效果,采用两种不同磨料砂带对螺旋桨叶片进行了磨削试验。讨论了砂带线速度、法向磨削压力、磨料种类对材料去除率的影响;分析了砂带粒度和接触轮硬度对表面粗糙度的影响。试验表明:使用砂带磨削螺旋桨不仅可行,并且具有较高的材料去除率,可获得较小的加工表面粗糙度。该研究为确定合理的螺旋桨砂带磨削工艺参数提供了依据。     

基于固结磨粒的单晶蓝宝石自旋转磨削加工方法

利用固结磨粒自旋转磨削加工方法，通过金刚石磨削和化学机械磨削实现了蓝宝石晶片的高效、高质量平坦化加工。采用不同磨粒粒径的金刚石砂轮实现了蓝宝石晶片较高的材料去除率或较好的表面质量。开发了高磨粒浓度Cr2O3砂轮，采用化学机械磨削对金刚石磨削后的蓝宝石晶片进行平坦化加工。实验结果表明，化学机械磨削能够去除金刚石磨削的表面和亚表面缺陷，最终获得表面粗糙度Ra＜1 nm、无/微损伤的蓝宝石晶片。通过理论分析单颗金刚石磨粒的磨削力，发现磨粒粒径是影响材料去除率和表面质量的主要影响因素。通过XPS分析证明了Cr2O3和蓝宝石之间的固相反应过程。     

非一致曲率表面下的气压砂轮磨粒剪胀及加工试验研究#br#

针对软固结磨粒气压砂轮在加工异形曲面时,工件所受的切削力以及接触区内磨粒速度因工件曲率发生变化,导致工件不同曲率处材料去除量不均匀的问题, 基于修正的Rowe剪胀理论建立砂轮切削力模型,提出了非一致曲率表面下修正的气压砂轮材料去除模型。通过EDEM软件建立了软固结磨粒气压砂轮模型,分析了砂轮下压量为1.5 mm时工件曲率对接触力以及接触区内磨粒速度的影响。搭建气压砂轮加工试验平台,通过光整加工试验验证修正的材料去除模型。研究结果表明：修正的材料去除模型平均绝对值误差为0.095,而原始的材料去除模型平均绝对值误差为0.291,说明修正的材料去除模型可以用于气压砂轮抛光过程中的定量分析,且工件加工表面划痕明显减少。     

砂带磨削的发展及关键技术

介绍了发展砂带磨削技术的意义及砂带磨削技术的发展趋势,通过比较国内外砂带磨削技术的差距,提出了促进我国砂带磨削技术发展的关键技术,包括新型砂带研制、高端精密高效砂带磨床研制、砂带磨床标准制定等方面。     

超声振动精密砂带磨削0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢的试验研究

介绍了超声波振动精密砂带磨削机理,通过超声波振动精密砂带磨削与普通砂带磨削0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢的对比试验,弄清了超声波振动在砂带磨削过程中的作用,证明了超声波振动精密砂带磨削是加工不锈钢等难加工材料的一种有效方法。     

六轴联动叶片砂带抛磨中接触轮姿态的确定

对六轴联动数控砂带抛磨机床在叶片自由形面加工过程中接触轮的位姿进行了研究。以加工过程中接触轮与被加工曲面法向接触为出发点,提出了针对接触轮在加工过程中位姿的定义方法。分析了接触轮母线形式对被加工区面适应能力的影响。为避免加工过程中干涉,基于接触轮旋转自由度的有效空间,提出了避免干涉的方法。以切削带宽最大为目标,提出了接触轮第六自由度的控制原则;并对接触轮的位姿控制参数进行了仿真验证。     

砂轮约束磨粒喷射精密光整加工材料去除机理研究

基于磨粒特征尺寸与砂轮、工件间液膜厚度比值的变化,研究了砂轮约束磨粒喷射精密光整加工材料去除机理。分析了在两体加工及三体加工模式条件下,单颗磨粒运动特点以及磨粒由两体研磨加工向三体抛光加工转变的临界条件。实验证明,砂轮约束磨粒喷射光整加工中,随着加工循环的增加,工件表面微观形貌变化规律与理论分析相同,实验结果和理论分析吻合很好。     

超声振动磨削陶瓷材料高效去除机理研究

基于压痕断裂力学,在工件横向施振超声振动平面磨削单颗磨粒受力分析基础上,建立了材料去除率综合数学模型;并就超声振动和普通磨削进行了对比试验研究。研究结果表明超声振动磨削陶瓷材料去除率与被加工材料的种类、磨削深度、砂轮磨粒粒度、超声振动的振幅以及磨削条件有着密切关系。同样磨削条件下,超声振动磨削陶瓷材料去除率是普通磨削的1.7~3.2倍,与理论模型相符合。试验结果表明超声振动磨削可以获得良好的加工表面,工件横向施振超声振动磨削是一种精密、高效加工新工艺。