CN109596372B - 一种单打磨头钢轨打磨实验装置 - Google Patents

Abstract

一种单打磨头钢轨打磨实验装置，其构成主要是：基座左部的主轴与直流变频电动机的输出轮相连；主轴右端连接有磨石；基座的右部固定有气缸，气缸左侧的输出轴与立板连接，立板的左侧面固定有纵向的滑轨，与滑轨配合的滑块上连接纵向的滑板，滑板中部左侧的凹槽内嵌合有纵向的旋转条，滑板端部的挡板通过螺钉与旋转条端部挡板的螺纹孔连接；旋转条的左侧面螺栓固定有纵向的钢轨试样；钢轨试样位于磨石的右侧；基座的右部还固定有伺服电机，伺服电机的输出轴上固定有齿轮；滑板上部的左侧固定有与齿轮啮合的齿条；钢轨试样上设有热电偶应变片。该装置能更真实地模拟现场打磨中钢轨与磨石间的相互作用，能为现场钢轨打磨提供更全面、可靠的试验依据。

Description

一种单打磨头钢轨打磨实验装置

技术领域

本发明涉及一种单打磨头钢轨打磨实验装置。

背景技术

随着我国铁路运输的高速发展，轮轨间传递的载荷日益增大，钢轨磨耗、 损伤等现象也日趋严重。与更换受损钢轨相比，钢轨打磨是最为经济有效的钢 轨表面维护和保养措施。利用钢轨打磨进行钢轨表面定期维护，是铁路部门钢 轨养护、维修工作中不可缺少的环节。钢轨打磨不仅可以有效去除钢轨表面的 疲劳裂纹，波磨，剥离等损伤，还能减缓钢轨疲劳裂纹的产生与扩展，修正钢 轨廓形，保持钢轨的平顺度，使轮轨保持良好的接触状态，避免轮轨动态接触 力的增大，减少轮轨之间的冲击和磨耗；有效改善轮轨匹配关系，延长钢轨使 用寿命，保证列车运行的稳定性和安全性。

钢轨打磨是利用高速旋转的磨石去除钢轨表面材料的过程。磨石以一定角 度安装在钢轨打磨车上，通过打磨电机驱动磨石以一定转速旋转，在液压缸的 推动下与钢轨表面接触；与此同时钢轨打磨车沿着钢轨前进，对整条受损线路 钢轨进行打磨作业。钢轨打磨过程中钢轨与磨石界面存在复杂的材料去除和摩 擦学行为；钢轨打磨的效率和打磨后的钢轨质量受磨石转速、打磨压力、进给 速度、打磨角度、砂轮特性等打磨参数的影响。当前，我国钢轨打磨技术还处 于摸索阶段，没有形成比较成熟的钢轨打磨标准，特别是打磨参数的设定、打 磨周期的确定、磨石的选取等凭经验。另外打磨过程中磨石与钢轨的相互作用 机理也不清楚，钢轨打磨理论体系还不够完善。通过室内模拟现场钢轨打磨作 业的钢轨打磨试验，能探明钢轨打磨机理、打磨参数与打磨质量及效率的关系， 进而为现场钢轨打磨作业提供可靠的试验依据。

当前的钢轨打磨实验机，主要由可旋转的砂轮和两个固定的钢轨试块组 成，实验过程中旋转的砂轮在一定的压力作用下与两钢轨试块相接触，对钢轨 试块进行打磨，进而得出砂轮类型、砂轮旋转速度、打磨压力与钢轨打磨质量、 效率的关系。但因磨石其钢轨试块固定，磨石角度也固定，不能实现磨石与钢 轨在纵向运动中的接触角度的调节，从而不能模拟现场钢轨打磨过程中打磨列 车上的多个不同角度的磨石在钢轨上的打磨运动，与实际钢轨打磨工况存在较 大差距，不能真实模拟现场钢轨打磨过程中钢轨与磨石的相互作用；其实验结 果的全面性、可靠性和准确性有待提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种单打磨头钢轨打磨实验装置，该实验装置能更真 实地模拟现场打磨过程中钢轨与磨石间的相互作用，实验结果更可靠、准确， 能为现场钢轨打磨作业提供更全面、更可靠的试验依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种单打磨头钢轨打磨实验 装置，其构成是：

基座的左部通过两个轴承固定有主轴，主轴通过皮带与直流变频电动机的 输出轮相连；主轴右端固定连接有竖直的磨石夹具，磨石夹具上螺栓连接有磨 石；

基座的右部固定有气缸，气缸左侧的输出轴与立板固定连接，立板的左侧 面固定有纵向的滑轨，与滑轨配合的滑块上连接有纵向的滑板，滑板中部左侧 的半圆形凹槽内嵌合有纵向的旋转条，滑板端部的挡板通过螺钉与旋转条端部 挡板的多个螺纹孔中的一个螺纹孔连接；旋转条的左侧面通过螺栓固定有纵向 的钢轨试样；钢轨试样位于磨石的右侧；

基座的右部还固定有伺服电机，伺服电机左侧的输出轴上固定有齿轮；滑 板上部的左侧通过螺栓固定有齿条，齿条与齿轮啮合；

钢轨试样上开有测温小孔，热电偶插在测温小孔中，钢轨试样的底面粘贴 有应变片；热电偶、应变片、伺服电机、直流变频电动机均与数据采集及控制 装置电连接。

本发明的工作过程和原理是：

将滑板端部挡板的螺钉与旋转条端部挡板的不同螺纹孔连接；即可调整、 设定旋转条的旋转角度，实现磨石与旋转条上的钢轨试样的摆角调整、设定。

设定气缸压力，启动气缸；气缸输出轴连同立板、滑板、旋转条、钢轨试 样，向左移动，直至钢轨试样与磨石相接触，使钢轨试样与磨石之间产生设定 的打磨压力。

数据采集及控制装置控制直流变频电动机启动，直流变频电动通过皮带带 动主轴连同磨石夹具旋转，使磨石夹具上的磨石以设定转速运转。同时，数据 采集及控制装置控制伺服电机启动，伺服电机通过齿轮、齿条驱动滑板在立板 上沿滑轨进行水平的纵向移动。从而实现磨石在与钢轨试样纵向的相对运动 中，以设定的转速、压力、摆角对钢轨试样的打磨。

打磨试验可以是单次打磨，也可以是往复打磨。进行单次打磨实验时，滑 板运动到最大距离时，数据采集及控制装置控制伺服电机停止转动、并处于自 锁状态；然后气缸卸载，钢轨试样右移，磨石与钢轨试样相互分离，单次打磨 实验完成。进行往复打磨实验时，滑板运动到行程最大距离时，数据采集及控 制装置控制伺服电机反向旋转，带动滑板及钢轨试样反向运动，直至运动到反 向最大距离，数据采集及控制装置控制伺服电机再次反向旋转，滑板及钢轨试 样反向移动。如此往复打磨，直到完成需要往复打磨的次数时，数据采集及控 制装置关闭伺服电机；然后气缸卸载，磨石与钢轨试样相互分离，往复打磨实验完成。

打磨过程中磨石与钢轨试样界面会产生一定的温度，通过插在钢轨试样中 的热电偶测量界面的温度并通过数据采集及控制装置进行记录。

打磨过程中会产生平行和垂直于钢轨试样两个方向的磨削力，通过钢轨试 样底面粘贴的纵向(与钢轨试样轴线平行)的应变片可以测出打磨过程中产生 的的纵向磨削力；钢轨试样底面粘贴的垂向(与钢轨试样轴线垂直)的应变片 可以测出打磨过程中产生的的垂向磨削力。再通过数据采集及控制装置记录两 个方向的磨削力。

实验完成后可通过实验数据的处理，可分析不同工况下磨石与钢轨的相互 作用行为，如磨石摆角、磨石与钢轨试样间的运动速度、施加的压力、磨石转 速、打磨时间与打磨质量及效率的变化关系；并可对磨石和钢轨试样的表面状 态进行进一步的观察与微观测试分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、采用伺服电机经齿轮齿条驱动滑板连同钢轨试样移动，可分别进行单 次打磨实验和往复打磨实验，分别模拟了现场钢轨打磨时打磨车在线路钢轨上 的单向打磨和来回打磨。同时，可精确控制钢轨试样的运动速度，纵向的齿轮 齿条的传动方式，不仅可以克服滑板移动产生的较大的阻力，齿轮齿条可左右 微小移动，满足打磨过程滑板由于钢轨打磨量引起的轴向微小移动。固定钢轨 试样的滑板夹具与立板之间采用导轨滑块的连接方式，使得滑板的运动平顺， 无阻碍，较好地模拟了打磨小车在钢轨上的运行。

二、钢轨试样通过螺栓固定在半圆形截面的旋转条上，旋转条嵌合在滑板 的半圆形凹槽中，通过滑板端部挡板的螺钉与旋转条端部挡板的不同螺纹孔连 接；即可调整、设定旋转条及其钢轨试样的旋转角度，实现磨石与旋转条上的 钢轨试样的摆角(打磨角度)调整，角度的调整范围为0～90°；更加准确、 方便地模拟出现场打磨时不同打磨角度的钢轨与磨石之间的相互作用。

三、热电偶装夹在钢轨试样的内部，可以准确测出打磨过程钢轨与磨石界 面的温度变化。钢轨试样底面粘贴的纵向(与钢轨试样轴线平行)的应变片可 以测出打磨过程中产生的的纵向磨削力；钢轨试样底面粘贴的垂向(与钢轨试 样轴线垂直)的应变片可以测出打磨过程中产生的的垂向磨削力。

总之，本发明该实验装置能更真实、完整地模拟现场打磨过程中不同磨石 转速、钢轨进给速度、打磨压力、打磨角度、磨石种类等对钢轨材料去除行为 的影响，其实验结果更可靠、准确、全面，能为现场钢轨打磨作业的打磨参数 优化，提供更全面、更可靠的试验依据。还能通过分析同步测得的磨削力、磨 削温度，进一步研究打磨过程中磨石与钢轨的相互作用行为。

进一步，本发明的滑轨的两端设有行程开关，且行程开关正对滑板端部的 挡板；行程开关与数据采集及控制装置电连接。

这样，打磨实验过程中滑板运动到最大距离时，可以确保伺服电机的停止 转动及反转；提高实验装置的可靠性和使用寿命。

进一步，本发明的钢轨试样为从钢轨上切下的半个轨顶，所述的磨石的成 分与粒度与现场钢轨打磨的磨石的成分与粒度相同。

由于轨顶左右对称，从钢轨上切下的半个轨顶能够完全反映整个轨顶的形 状和构造，磨石的成分与粒度与现场钢轨打磨的磨石完全相同；使得打磨实验 与现场钢轨打磨的打磨摩擦副保持高度一致，能更加真实地模拟现场钢轨打磨 时钢轨表面与打磨磨石的相互作用。

更进一步，本发明的所述的测温小孔和热电偶均为三个。

这样，可以全面、准确测出打磨过程中钢轨与磨石界面的温度场变化。能 更好地研究打磨过程中磨石与钢轨的相互作用行为。

这使得打磨实验与现场钢轨打磨在钢轨上保持高度一致，更加真实地模拟 现场钢轨打磨时钢轨表面与打磨磨石的相互作用。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

附图说明

图1是本发明实施例的俯视结构示意图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是图2的局部B的放大图。

图4a是使用本发明实施例的装置在钢轨顶部三种部位进行打磨试验后的 光带图。

图4b是使用本发明实施例的装置在钢轨顶部进行打磨试验后的光带显微 镜观测图。

图4c是使用本发明实施例的装置对钢轨顶部的打磨试验中产生的磨屑的 扫描电镜图。

具体实施方式

实施例

图1-3示出，本发明的一种具体实施方式是，一种单打磨头钢轨打磨实验 装置，其构成是：

基座4的左部通过两个轴承5固定有主轴6，主轴6通过皮带3与直流变 频电动机1的输出轮2相连；主轴6右端固定连接有竖直的磨石夹具7，磨石 夹具7上螺栓连接有磨石8；

基座4的右部固定有气缸16，气缸16左侧的输出轴与立板15固定连接， 立板15的左侧面固定有纵向的滑轨14，与滑轨14配合的滑块13上连接有纵 向的滑板11，滑板11中部左侧的半圆形凹槽内嵌合有纵向的旋转条10，滑板 11端部的挡板通过螺钉与旋转条10端部挡板的多个螺纹孔中的一个螺纹孔连 接；旋转条10的左侧面通过螺栓固定有纵向的钢轨试样9；钢轨试样9位于磨 石8的右侧；

基座4的右部还固定有伺服电机17，伺服电机17左侧的输出轴上固定有 齿轮18；滑板11上部的左侧通过螺栓固定有齿条19，齿条19与齿轮18啮合；

钢轨试样9上开有测温小孔，热电偶20插在测温小孔中，钢轨试样9的 底面粘贴有应变片21；热电偶20、应变片21、伺服电机16、直流变频电动机 1均与数据采集及控制装置电连接。

本例的滑轨14的两端设有行程开关12，且行程开关12正对滑板11端部 的挡板；行程开关12与数据采集及控制装置电连接。

本例的钢轨试样9为从钢轨上切下的半个轨顶，所述的磨石8的成分与粒 度与现场钢轨打磨的磨石的成分与粒度相同。

本例的测温小孔和热电偶20均为三个。

图4a是使用本发明实施例的装置在钢轨顶部三种部位进行打磨试验后的 光带图，由图4a可以看出，在钢轨顶部三个部位打磨的光带宽度比较均匀。

图4b是使用本发明实施例的装置在钢轨顶部进行打磨试验后的光带显微 镜观测图。图4b显示，钢轨打磨光带磨痕比较明显，与现场打磨后钢轨表面 磨痕类似。

图4c是使用本发明实施例的装置对钢轨顶部的打磨试验中产生的磨屑的 扫描电镜图。图4c可以看出磨屑形状主要为长条形，与现场钢轨打磨产生的 磨屑形态一致。

Claims (4)

1.一种单打磨头钢轨打磨实验装置，其构成是：

基座（4）的左部通过两个轴承（5）固定有主轴（6），主轴（6）通过皮带（3）与直流变频电动机（1）的输出轮（2）相连；主轴（6）右端固定连接有竖直的磨石夹具（7），磨石夹具（7）上螺栓连接有磨石（8）；

基座（4）的右部固定有气缸（16），气缸（16）左侧的输出轴与立板（15）固定连接，立板（15）的左侧面固定有纵向的滑轨（14），与滑轨（14）配合的滑块（13）上连接有纵向的滑板（11），滑板（11）中部左侧的半圆形凹槽内嵌合有纵向的旋转条（10），滑板（11）端部的挡板通过螺钉与旋转条（10）端部挡板的多个螺纹孔中的一个螺纹孔连接；旋转条（10）的左侧面通过螺栓固定有纵向的钢轨试样（9）；钢轨试样（9）位于磨石（8）的右侧；

基座（4）的右部还固定有伺服电机（17），伺服电机（17）左侧的输出轴上固定有齿轮（18）；滑板（11）上部的左侧通过螺栓固定有齿条（19），齿条（19）与齿轮（18）啮合；

钢轨试样（9）上开有测温小孔，热电偶（20）插在测温小孔中，钢轨试样（9）的底面粘贴有应变片（21）；热电偶（20）、应变片（21）、伺服电机（17）、直流变频电动机（1）均与数据采集及控制装置电连接。

2.根据权利要求1所述的单打磨头钢轨打磨实验装置，其特征在于：所述的滑轨（14）的两端设有行程开关（12），且行程开关（12）正对滑板（11）端部的挡板；行程开关（12）与数据采集及控制装置电连接。

3.根据权利要求1所述的单打磨头钢轨打磨实验装置，其特征在于：所述的钢轨试样（9）为从钢轨上切下的半个轨顶，所述的磨石（8）的成分与粒度与现场钢轨打磨的磨石的成分与粒度相同。

4.根据权利要求1所述的单打磨头钢轨打磨实验装置，其特征在于：所述的测温小孔和热电偶（20）均为三个。