一种钢轨打磨用砂轮及其制备方法与流程

本发明属于属于砂轮制作技术领域，具体涉及一种钢轨打磨用砂轮及其制备方法。

背景技术：

根据2008年调整的《中长期铁路网规划》，到2020年，我国新建高速铁路将达到1.6万公里，加上其他新建铁路和既有线提速线路，我国铁路快速客运网将达到5万公里以上，将连接所有省会城市和人口在50万以上的城市，覆盖全国90％以上人口。高速铁路、客运专线对轨道结构、钢轨表面的平顺性要求极高，轨道状态对列车运行安全性、平稳性具有十分重要影响。目前国际上公认钢轨打磨对保证线路质量，提高安全系数，降低运营成本起关键作用。高铁线路在开通前进行钢轨预打磨、开通后进行钢轨预防性打磨及保养性打磨是保证高铁运行的重要手段。

钢轨打磨列车是一种结构复杂，控制先进，集机、电、液、气及计算机技术于一体的施工设备，主要用于消除钢轨波纹、擦伤、肥边和剥离等钢轨损害及新线钢轨的预防性打磨。这种设备的投入使用能大幅度提高钢轨利用率，延长使用寿命，改善旅客舒适度，缓解设备病害。

上世纪60年代speno公司制成了世界上第一列钢轨打磨列车。普遍应用于铁路干线钢轨打磨和使在用再生钢轨铺设的次要线路上。当前国外主要的打磨列车为：美国rotralr系列钢轨打磨机，砂轮的偏转角度为零度、二十度和四十度，打磨机长10米，由电动机驱动，主要用于城市公共交通系统。rg301型钢轨打磨列车。砂轮的偏转角度可达四十五度，它装备了30.9kw和22.1kw2种打磨电机，84个砂轮。打磨的灵活性和精度都较高。pgm－48/3、pgm－48/4型钢轨打磨列车，此车同时使用48片树脂砂轮，每根铁轨由24片砂轮打磨，在计算机控制下，按12修磨面同时打磨钢轨，另外它装备了横向轮廓激光检测装置，检测钢轨的轨头横断面由8个激光束来完成。由jackson公司制造的钢轨打磨列车有20个砂轮，打磨电机的功率为441.3kw，它主要用于轨距1676mm的钢轨打磨。加拿大bctransit所采用的由jackson公司制造的钢轨打磨列车，有8个砂轮，打磨电机的功率为294.2kw，它主要是满足大坡度和小半径等特殊线路条件下的需要。还有speno生产的打磨机车主要是gwm110、210、320、440多用途钢轨打磨车，sbm200型钢轨打磨车；sbm111型刨平和打磨钢轨两用车等。

在高速铁路运营过程中，铁路的钢轨接触疲劳损伤主要表现为轨面剥离、波浪形磨损、轨头压馈、裂纹和钢轨断裂等，严重影响铁路运输的安全性和经济性。很多高铁线路曲线钢轨分别出现了斜线状裂纹，裂纹发展到一定程度后便快速扩展，形成大尺寸横向疲劳裂纹,直至断裂，对行车安全形成巨大的隐患。

在运营过程中，由于疲劳伤损的增加，钢轨的维修和养护就显得愈来愈重要。钢轨打磨技术作为铁路工务部门在线路养护维修中的一种重要方法，能消除和抑制住轨面伤损，延长钢轨使用寿命，因此在国内外已得到广泛的应用，产生了巨大的经济效益，已成为世界范围内铁路线路的常规养护维修技术。

高速铁路钢轨打磨过程中最重要的工作部件是砂轮，钢轨打磨砂轮是一种要求非常高的专用磨具，打磨时使用砂轮的端面进行振动修磨，垂直方向的压力采用液压调节加压，因此，砂轮承受的负荷非常大，就需要砂轮具有强度高、耐磨性好、磨削比高、耐候性好等特点。砂轮使用的磨料必须结构致密、热物理性能好。所选择得结合剂必须强度高、耐磨性好，自锐性优良，这样才能保证砂轮能够承受重负荷的强力振动打磨，打磨过程中形状保持完好，满足钢轨打磨的要求。

目前，关于铁轨打磨砂轮的技术已有报道，市售的砂轮或者使用磨料种类比较单一，或者结合剂选择不合理，或者填料成分的选择不很恰当，或者磨料与填料、结合剂之间的配比不合理，这些砂轮并不能够圆满完成重负荷下的强力振动打磨任务。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种综合性能好、能承受重负荷的强力振动打磨和安全性能高的钢轨打磨砂轮。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种钢轨打磨用砂轮，包括基体和磨削体，所述基体中心为安装孔，所述基体正面围绕安装孔同轴设置有侧壁槽，所述磨削体上设于与侧壁槽匹配的凸起，所述磨削体与基体通过凸起和侧壁槽匹配连接经过压制、烧结后制得，所述磨削体由以下重量份数的成分组成：磨料100份、陶瓷树脂复合结合剂15-35份、酚醛树脂液4-10份、填料10-30份。

进一步限定，所述磨料由以下重量百分比成分组成：所述磨料由以下重量百分比成分组成：锆刚玉：30-70％、碳化硅：3-10％、其余为白刚玉，这样的设计，结合各自的优点，能使砂轮的性能达到最优状态，以满足高强度的磨削要求。其中所述锆刚玉是以铝矾土(或铝氧粉)、锆英砂、无烟煤和铁屑为原料，在电弧炉内经2000℃以上高温熔炼，熔液经急冷，破碎制粒而成，是α-al2o3和al2o3-zro2的共晶体化合物，锆刚玉的韧性大、强度高、耐磨性好。在对钢轨的强力震动磨削过程中，表现出极高的磨削效率。还具有不易烧伤工件、砂轮表面不易堵塞等优点，完全适用于本发明磨削钢轨的需求；在磨料中还添加了少量的碳化硅，碳化硅虽然磨削适用性与刚玉相反，它会与钢轨发生如下反应：sic+4fe→fesi+fe3c，不宜用于磨削钢轨。研究也发现，砂轮中含有少量的碳化硅时，在磨削过程中与钢轨间歇性发生反应，有提高磨削效率的效果。而且碳化硅具有耐腐蚀、耐高温、强度大、显微硬度高、导热性能良好、抗冲击等特性，加入适量的碳化硅不仅有助于砂轮的磨削效率，还可以提高砂轮的强度、耐候性、抗疲劳等性能，延长砂轮的使用寿命。由于碳化硅与钢轨会发生反应，碳化硅的添加量需要控制，因此，本发明将碳化硅的含量控制在磨料的3-10％范围内。白刚玉以工业氧化铝粉为原料，于电炉中经2000℃以上高温熔炼后冷却制成，经粉碎、整形、磁选去铁，筛分成多种粒度，白刚玉磨料的质地致密、硬度高，粒形成尖角状，适用于制造陶瓷、树脂固结磨具以及研磨、抛光、喷砂、精密铸造(精铸专用刚玉)等，还可用于制造高级耐火材料。

进一步限定，所述磨料的粒度为f8-f120，这样的设计，使对钢轨磨削加工更平顺、精度更好。

进一步限定，所述陶瓷树脂复合结合剂由以下重量百分比的原料组成：陶瓷结合剂30～70％、树脂结合剂30～70％，所述陶瓷结合剂的组成是：sio2：25-40％，b2o3：15-30％，al2o3：1-5％，cao：1-4％，bao：2-5％，zno：7-16％，na2o：15-24％，k2o：1-3，这样的设计，陶瓷结合剂的强度高，耐高温，使用寿命长，缺点是陶瓷是脆性材料，抗折强度低，树脂结合剂的耐高温性能差，磨削锋利。陶瓷结合剂和树脂结合剂的自锐性都很好。将两种结合剂混合使用，可以发挥二者的长处，有效克服树脂结合剂难耐高温和陶瓷结合剂脆性大的缺点。

进一步限定，所述陶瓷树脂复合结合剂中树脂结合剂是酚醛树脂粉，所述酚醛树脂粉的粒径为100#-320#，这样的设计，酚醛树脂弹性好、抛光能力优良、强度高、硬度大、耐热性好、磨削消耗小、磨削效率高、磨削精度好等特点，且具有优异的黏附性能、独特的抗烧蚀性能、阻燃性能。

进一步限定，所述陶瓷树脂复合结合剂中陶瓷结合剂粒径为100#-320#，这样的设计，磨轮磨削时有利于排屑容屑和散热，磨耗比非常小，不易烧伤工件；磨轮的自锐性比较好，修整间隔的时间长，修整比较容易。

进一步限定，所述填料由以下重量百分比成分组成：冰晶石:5-15％，重晶石：10-25％、氧化铁：6-15％、萤石：10-30％、其余为硫化铁，这样的设计，填料添加到本发明砂轮的成型料中，可以起到改善砂轮磨削性能和降低使用成本的作用；由于本发明砂轮用于钢轨打磨，如果在打磨时磨削处有硫或卤素蒸气存在，这两者会使钢轨的材料(铁)的金属键断裂，从而使打磨铁轨的能力大大提高；因此，本发明在钢轨打磨砂轮的填料中加入了一定量的重晶石和硫化铁；重晶石是以硫酸钡(baso4)为主要成分的非金属矿产品，它和硫化铁都含有硫，在砂轮修磨铁轨时可以提供硫，从而提高砂轮磨削效果；而填料中氧化铁主要起到补强作用，提高磨具的耐热性；萤石能在磨削热的作用下分解，起到增加磨具自锐性，减少烧伤的作用；填料的主要成分冰晶石熔点较低，可以降低磨削热，增强砂轮的自锐性，防止砂轮堵塞，提高砂轮工作效率。

进一步限定，所述填料的粒径为100#-320#，这样的设计，填料作为磨料的填充材料，其粒径应该与磨料的粒径配合，达到一个良好的填充效果，增大砂轮的致密度，提高磨耗比。

进一步限定，所述基体由金属材料压铸而成，这样的设计，由金属材料制成的基体可以保证砂轮的强度、应力分布等，获得性能好且安全有效的铁轨修磨砂轮，进一步优选由铁或者铝合金压铸而成。

本发明另一个目的在于提供上述钢轨打磨砂轮的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一：称取原料，先在磨料中加入酚醛树脂液搅拌至磨料充分浸润，同时将填料和结合剂混合均匀得到粉料，然后将润湿好的磨料加入到混合好的粉料中，搅拌1-2小时得到成型料；成型料混合均匀后通过10目筛网过筛。

步骤二：装配好石墨模具，放入基体，称取合适重量步骤一中过筛的成型料，然后将其放入成型模具中摊平。装配好模具放入热压烧结炉内，在2～10mpa的压力下冷压10～20min；然后开始加热，15-30分钟温度升至390℃，在390℃保温20分钟，10-15分钟升温到460℃，在460℃保温10分钟，整个加热过程中保持压力6mpa不变。然后冷却后得到砂轮块成品。

进一步限定，所述步骤二中冷压压强10mpa为最优。

需要说明的是，本发明在混配料过程中，先用酚醛树脂液润湿磨料，同时将填料与酚醛树脂粉混合均匀，再加入陶瓷粉混匀，最后再将润湿好的磨料加入混合均匀的粉料中，有效的避免了填料与酚醛树脂粉加入润湿好的磨料中容易产生粉团的问题，因此，在混料后需要再对成型料进行筛选，既提高了砂轮的生产效率，也间接的节约了生产成本。

本发明在混配料、成型、装炉、烧结、冷却、出炉过程中，如果操作不妥、温度、压力等控制不当，容易造成有翘楞、起泡、膨胀、变形、倒塌、红心、硬度均匀、回转破裂、掉边、掉角等类型的废品。因此，必须严格按照上述工艺参数制备本发明所述的钢轨打磨砂轮，提高产品合格率，产品经检验合格后包装入库。

与现有技术相比，本发明具有以下几个优点：

1)本发明钢轨打磨砂轮的基体和磨削体结合强度高、安全性好，不需要在砂轮外围周边缠绕玻璃纤维等材料以保证安全。

2)本发明钢轨打磨砂轮的磨削体的组成成分及其重量份数配比合理，制备的砂轮强度高、硬度大、弹性好、耐热性好、自锐性好、耐候性好，能够承受重负荷下的强力振动磨削，磨削效率高，磨削后表面光洁度良好，能完全满足铁轨磨削的要求。

3)本发明钢轨打磨砂轮的磨削体中磨料、酚醛树脂粉、陶瓷粉和填料的粒径配伍合理，混合更加均匀，制得的砂轮综合性能更好，用本发明砂轮打磨后的钢轨更平顺、精度更高。

4)本发明钢轨磨削砂轮的制备工艺简单、合理、周期短。通过合理设置就能达到本发明砂轮性能要求的成型和硬化工艺中的条件参数，制得密度、强度、硬度和韧性等综合性能较好的铁轨修磨砂轮。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；

图1为本发明一种钢轨打磨用砂轮的第一立体结构示意图；

图2为本发明一种钢轨打磨用砂轮的第二立体结构示意图；

主要元件符号说明如下：

基体1、侧壁槽11、安装孔2、磨削体3、凸起31。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

表1：本发明实施例1-5钢轨打磨砂轮的组成成分及其重量份数：

实施例1：

首先，按表1中实施例1钢轨磨削砂轮的组成成分及其重量份数称取原料，原料中磨料的粒度控制在f16-f100，酚醛树脂粉的粒径为100#-320#，填料的粒径为100#-320#。然后在磨料中加入酚醛树脂液搅拌8min至磨料充分浸润，同时将填料和酚醛树脂粉、陶瓷结合剂混合均匀得到粉料，最后将润湿好的磨料加入到混合好的粉料中，搅拌2小时得到成型料，将混合均匀的成型料通过10#筛网过筛。

然后装配好模具，放入铸铁基体，称取合适重量的成型料，将其放入成型模具中摊平，在温度为25℃，压力为10mpa条件下压制60s，然后开始加热，15-30分钟温度升至390℃，在390℃保温30分钟，10-15分钟升温到460℃，在460℃保温10分钟，整个加热过程中保持压力6mpa不变。然后冷却后得到砂轮块成品。最后将得到的钢轨打磨砂轮成品进行检验，合格后包装入库。

实施例2：

首先，按表1中实施例2钢轨打磨砂轮的组成成分及其重量份数称取原料，原料中磨料的粒度控制在f24-f120，酚醛树脂粉的粒径为100#-320#，填料的粒径为100#-320#。然后在磨料中加入酚醛树脂液搅拌8min至磨料充分浸润，同时将填料和酚醛树脂粉、陶瓷结合剂混合均匀得到粉料，最后将润湿好的磨料加入到混合好的粉料中，搅拌2小时得到成型料，将混合均匀的成型料通过10#筛网过筛。

然后装配好模具，放入铸铁基体，称取合适重量的成型料，将其放入成型模具中摊平，在温度为25℃，压力为10mpa条件下压制60s，然后开始加热，15-30分钟温度升至390℃，在390℃保温30分钟，10-15分钟升温到460℃，在460℃保温10分钟，整个加热过程中保持压力6mpa不变。然后冷却后得到砂轮块成品；最后将得到的钢轨打磨砂轮成品进行检验，合格后包装入库。

实施例3：

首先，按表1中实施例3铁轨磨削砂轮的组成成分及其重量份数称取原料，原料中磨料的粒度控制在f24-f80，酚醛树脂粉的粒径为100#-320#，填料的粒径为100#-320#。然后在磨料中加入酚醛树脂液搅拌8min至磨料充分浸润，同时将填料和酚醛树脂粉、陶瓷结合剂混合均匀得到粉料，最后将润湿好的磨料加入到混合好的粉料中，搅拌2小时得到成型料，将混合均匀的成型料通过10#筛网过筛。

然后装配好模具，放入铸铁基体，称取合适重量的成型料，将其放入成型模具中摊平，在温度为25℃，压力为10mpa条件下压制60s，然后开始加热，15-30分钟温度升至390℃，在390℃保温20分钟，10-15分钟升温到460℃，在460℃保温20分钟，整个加热过程中保持压力6mpa不变。然后冷却后得到砂轮块成品；最后将得到的钢轨打磨砂轮成品进行检验，合格后包装入库。

实施例4：

首先，按表1中实施例4钢轨打磨砂轮的组成成分及其重量份数称取原料，原料中磨料的粒度控制在f24-f80，酚醛树脂粉的粒径为100#-320#，填料的粒径为100#-320#。然后在磨料中加入酚醛树脂液搅拌8min至磨料充分浸润，同时将填料和酚醛树脂粉、陶瓷结合剂混合均匀得到粉料，最后将润湿好的磨料加入到混合好的粉料中，搅拌2小时得到成型料，将混合均匀的成型料通过10#筛网过筛。

然后装配好模具，放入铸铁基体，称取合适重量的成型料，将其放入成型模具中摊平，在温度为25℃，压力为10mpa条件下压制60s，然后开始加热，15-30分钟温度升至420℃，在420℃保温30分钟，10-15分钟升温到500℃，在500℃保温10分钟，整个加热过程中保持压力6mpa不变。然后冷却后得到砂轮块成品；最后将得到的钢轨打磨砂轮成品进行检验，合格后包装入库。

实施例5：

首先，按表1中实施例5钢轨打磨砂轮的组成成分及其重量份数称取原料，原料中磨料的粒度控制在f24-f120，酚醛树脂粉的粒径为100#-320#，填料的粒径为100#-320#。然后在磨料中加入酚醛树脂液搅拌8min至磨料充分浸润，同时将填料和酚醛树脂粉、陶瓷结合剂混合均匀得到粉料，最后将润湿好的磨料加入到混合好的粉料中，搅拌2小时得到成型料，将混合均匀的成型料通过10#筛网过筛。

然后，装配好模具，放入铸铁基体，称取合适重量的成型料，将其放入成型模具中摊平，在温度为25℃，压力为10mpa条件下压制60s，然后开始加热，15-30分钟温度升至420℃，在420℃保温30分钟，10-15分钟升温到500℃，在500℃保温10分钟，整个加热过程中保持压力6mpa不变。然后冷却后得到砂轮块成品；最后将得到的钢轨磨削砂轮成品进行检验，包装入库。

分别将上述实施例1-5制得的钢轨磨削砂轮进行性能测试，测试结果如表2所示：

表2：本发明实施例1-5制得的铁轨磨削砂轮的性能测试结果：

从表2可知，本发明实施例制得的钢轨打磨砂轮硬度、弹性、耐热性、自锐性等综合性能良好，磨耗比较高，能够承受重负荷的强力振动修磨，具有较高的磨效率，磨削后铁轨表面光洁度高，完全满足钢轨打磨的要求。

以上对本发明提供的一种钢轨打磨用砂轮及其制备方法进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。