热机耦合作用下高速打磨钢轨材料去除机制与界面调控研究

High temperature producing from high-speed grinding interface has vital important influence on the removal of grinding rail material and the transformation of surface microstructure, which is very easy to result in bad grinding surface quality, such as rail surface bluing, formation of martensite layer. Furthermore, this has seriously endangered the safety and reliable service of railway rail. Firstly, the tribological behavior of the interface between the rail and grinding stone would be investigated during the high-speed grinding process by means of simulating experiment of high-speed grinding and numerical simulation analysis of the interface of the rail and grinding stone. The evolution law of surface roughness, hardness, plastic deformation, friction coefficient, grinding quantity, surface temperature and martensite layer formation of grinding rail would be analyzed under different grinding parameters conditions. Secondly, the formation and law of friction heat of high-speed grinding interface would be explored and the thermo-mechanical coupling behavior of grinding interface would be clarified. The mechanism of grinding rail surface bluing, martensite layer formation and the microcosmic formation of grinding wear debris would be explored and clarified. Furthermore, the removal process and mechanism of high-speed grinding rail material would be revealed under the thermo-mechanical coupling condition. Finally, the regulation of the interfacial behavior between the rail and the grinding stone would be studied for improving the grinding surface quality. The reasonable matching parameters of grinding stone would be optimized for different rail materials. The research results can provide significant theoretical support and technical guidance for enriching and perfecting the rail grinding theory and the promotion of grinding technique level of high-speed and heavy-haul rail.

高速打磨界面产生的高温严重影响打磨钢轨材料去除及表层微观组织结构的变化，极易引发钢轨表面发蓝和表层马氏体形成等打磨表面质量问题，严重危及铁路钢轨的安全可靠服役。项目通过高速打磨钢轨模拟实验并结合钢轨-磨石界面数值仿真分析，首先研究高速打磨过程中钢轨-磨石界面的摩擦学行为，分析不同打磨参数下打磨钢轨表面粗糙度、硬度、塑性变形、摩擦系数、打磨量、表面温度及马氏体层形成等演变规律；其次，研究高速打磨界面摩擦热的形成与变化规律，阐明打磨钢轨-磨石界面的热机耦合作用行为，揭示打磨钢轨表面发蓝及表层马氏体形成的机理，研究打磨磨屑的微观形成机制，最终揭示热机耦合作用下高速打磨钢轨材料的去除过程与机制；最后，研究高速打磨钢轨-磨石界面行为的调控以提高打磨表面质量，提出不同钢轨材料的磨石参数优化匹配。项目研究成果可为丰富与完善铁路钢轨打磨理论、提升高速重载钢轨打磨技术水平提供重要的理论支撑和技术指导。

钢轨打磨作为铁路线路维护的一种重要手段，其打磨界面的高温严重影响钢轨材料去除并极易引发钢轨表面发蓝和表层马氏体形成等诸多打磨表面质量问题，危及铁路钢轨的安全可靠服役。因此，热机耦合作用下高速钢轨打磨材料去除行为与调控成为亟需研究解决的一个关键科学技术问题。.项目针对热机耦合作用下高速钢轨打磨材料去除行为这一关键科学问题，系统开展了热机耦合作用下高速钢轨打磨材料去除机理与界面调控研究。主要研究内容如下：(1)建立了钢轨打磨过程中磨削力数值模型，对磨削力进行了仿真分析；(2)建立了钢轨打磨温度场有限元模型，对打磨过程中温度的变化过程与影响因素进行了仿真分析；(3)开展了系列钢轨打磨模拟实验，揭示了热机耦合作用下高速打磨过程中钢轨材料去除行为及微观组织演化规律；(4)建立了钢轨打磨有限元模型，揭示了钢轨与磨石间的界面行为和钢轨材料的去除过程；(5)开展了打磨磨石与钢轨匹配性能的实验研究；(6)对打磨磨屑进行了详细分类，分析不同类型磨屑的特征和形成机理，建立了磨屑行为和磨石磨损之间的关系。.项目通过研究揭示了热机耦合作用下钢轨打磨材料去除过程与机制，优化了不同钢轨材料与磨石材料的匹配，研发了钢轨打磨模式设计软件；项目部分研究成果已在成灌快铁、成绵乐客专、渝利高速等我国铁路线路钢轨打磨过程中实现了应用，为提升我国铁路钢轨打磨技术水平提供了十分重要的理论支撑和技术指导，助推了我国高铁的快速发展。.项目研究发表论文29篇，其中SCI论文16篇、EI论文10篇（不重复计算）；申请发明专利4项、授权实用新型专利2项、登记软件著作权1项，培养毕业硕士生8名(校优秀硕士论文5篇)，1篇论文入选2017年铁路重大科技创新成果论文，1篇论文荣获四川省机械工程学会第二届学术年会优秀论文二等奖，研究人员参加国际学术会议2人次、国内学术会议6人次(邀请报告3次)。.项目负责人王文健获2018年教育部自然科学一等奖(排名第2)，2016年晋升研究员职称，2017年获西南交通大学唐立新优秀学者，2018入选西南交通大学“扬华学者”。