Состояние развития ключевого оборудования для шлифования железных дорог

В настоящее время железнодорожная система является наиболее широко используемой, доля рынка относительно большого метода шлифования для технологии активного шлифования, технологии высокоскоростного пассивного шлифования и технологии фрезерования и шлифования композитного шлифования. Ниже приводится краткое описание трех типичных состояний развития оборудования для шлифования рельсов.

1.3.1 Оборудование для активной шлифовки рельсов

Технология активного шлифования в настоящее время является наиболее широко используемой, наибольшая доля рынка метода шлифования, моделей шлифовальных машин больше. Зарубежными производителями шлифовальных машин являются в основном американские компании HARSCO и LORAM и швейцарская компания SPENO и так далее. Отечественная технология шлифования рельсов началась поздно, после десятилетий развития, нынешними отечественными производителями шлифовальных машин являются в основном Golden Eagle Heavy Construction Machinery Company Limited (Golden Eagle Heavy Industry), CNR Beijing Erqi Vehicle Company Limited (CNR Erqi), Zhuzhou CNR Times Electric Company Limited (Times Electric), China Railway Construction High-tech Equipment Company Limited и так далее. Golden Eagle Heavy Industry (GEHI) и CNR Erqi независимо друг от друга разработали шлифовальные машины GMC-96X и GMC-96B, внедрив технологии от HARSCO (США) и SPENO (Швейцария) соответственно, как показано на рисунке 1 и рисунке 2. Шлифовальная машина GMC-48JS, независимо разработанная TIME ELECTRIC, была одобрена для эксплуатации в марте 2020 года [1].

Рис.1 GMC-96X

Рис.2 GMC-96B[2]

В настоящее время на линии обычно используются модели GMC-96X (Golden Eagle Heavy Industry), GMC-96B (China Railway Erqi), PGM-48 (HARSCO, США) и новая линейка моделей GMC-48JS (Times Electric), основные рабочие параметры и эксплуатационные требования приведены в таблице 1. Данные показывают, что рабочая скорость шлифовальной машины составляет около 3~24 км/ч, скорость ниже критической рабочей скорости может привести к рельсу. Скорость ниже критической рабочей скорости может вызвать чрезмерное шлифование в локальных областях, а локальное шлифовальное тепло рельса на низких скоростях активно склонно к сжиганию рельса [3]; если рабочая скорость слишком высока, идеальная эффективность удаления не может быть обеспечена. Шлифовальная машина, рассчитанная на максимальный рабочий градиент 30 ‰, может справиться с подавляющим большинством работ по техническому обслуживанию шлифования линии. Однако для некоторых линий с большим уклоном (уклон более 30 ‰), особенно строящейся Сычуань-Тибетской железной дороги, координация эксплуатационных характеристик шлифовальных вагонов и проблем тяги станет одной из важных задач.

Таблица 1. Параметры работы типичного рельсошлифовального поезда[2]

1.3.2 Основное оборудование для высокоскоростной пассивной шлифовки рельсов

Высокоскоростная пассивная шлифовальная машина в основном производится немецкой компанией VOSSLOH HSG рельсошлифовальная машина, которая в основном состоит из шлифовальной машины и вспомогательной машины, рисунок 3. Шлифовальные операции требуют локомотивной тяги, рабочая скорость до 60 ~ 80 км / ч; все транспортное средство 4 группы шлифовального агрегата в общей сложности 96 шлифовальных камней одновременно в рабочем состоянии и со скоростью около 6000 об / мин высокоскоростного вращения, как показано на рисунке 4; каждая группа шлифовального агрегата оснащена 2 комплектами шлифовальной рамы, рабочий процесс шлифовального камня может быть достигнут без остановки всей группы быстрого, непрерывного вращения, то есть одна загрузка шлифовального камня может быть непрерывной шлифовкой около 70 км [4], как показано на рисунке 5. Во время процесса шлифования количество шлифовальных искр, износ шлифовального круга и давление шлифования можно контролировать в режиме реального времени. После шлифования профиль рельса проверяется для проверки эффекта шлифования.Высокоскоростная шлифовальная машина полагается исключительно на сопротивление шлифовального поезда для удаления материала головки рельса, так как шлифовальный круг не имеет привода. Поэтому рабочая скорость оказывает значительное влияние на рабочий эффект шлифовальной машины. Когда высокоскоростная шлифовальная машина выполняет операцию шлифования на межстанционной линии: на этапе ускорения при выезде со станции, когда скорость превышает 30 км/ч, шлифовальная рама опускается и начинается операция шлифования; на этапе замедления при въезде на станцию, когда скорость ниже 15 км/ч, шлифовальная рама поднимается и операция шлифования заканчивается. Поэтому в области, соответствующей ускорению и замедлению шлифовальной машины, эффект шлифования снижается из-за снижения скорости машины; часть области, которая не может быть отшлифована из-за подъема шлифовальной рамы, должна быть покрыта стрелочным шлифовальным автомобилем на станции во время следующей операции.

Рис.3 Высокоскоростная шлифовальная машина HSG

Рис.4 Шлифовальный агрегат

Рис.5 Структура шлифовальной рамы

За последнее десятилетие многие отечественные институты посвятили себя исследованиям и разработкам высокоскоростных шлифовальных машин. 18 июня 2021 года с конвейера сошел первый отечественный высокоскоростной железнодорожный интеллектуальный высокоскоростной рельсовый шлифовальный прототип Пекин-Шанхайской высокоскоростной железной дороги, совместно разработанный Юго-Западным университетом Цзяотун, Пекинско-Шанхайской высокоскоростной железной дорогой и Southwest Jiaotong University Railway Development Co Ltd., реализующий оригинальное новшество «от нуля до единицы» [5], как показано на рисунке 6. 22 июля 2021 года рельсошлифовальная машина KGM-80II, независимо исследованная и разработанная China Railway Construction High-Tech Equipment Co., Ltd., прошла оценку и была одобрена для опытной эксплуатации [6], как показано на рисунке 7. Внедрение самостоятельно разработанной высокоскоростной рельсошлифовальной машины имеет большое значение для Китая с точки зрения реализации полной автономности оборудования железнодорожной системы.

Рис.6 Испытательный прототип интеллектуального рельсошлифовального вагона для высокоскоростной железной дороги Пекин-Шанхай[5]

Рис.7 КГМ-80II. Рельсошлифовальная машина быстрого перемещения[6]

1.3.3 Рельсофрезерование и шлифование ключевое оборудование для композитной шлифовки

В настоящее время рельсофрезерно-шлифовальные вагоны широко используются на отечественных и зарубежных большегрузных железнодорожных линиях. Основными производителями зарубежных фрезерно-шлифовальных вагонов являются немецкая компания GMB, а также австрийские компании LINSINGER, MFL и др. [4,7]. Рисунок 8 для фрезерно-шлифовального вагона SF03 компании LINSINGER, общая длина вагона 25 м, вес вагона 120 т, оснащен двумя трехосными тележками, скорость самохода до 100 км/ч, максимальная рабочая скорость 0,36 ~ 1,20 км/ч, весь вагон оснащен в общей сложности двумя комплектами фрезерных дисков и двумя комплектами шлифовальных кругов [7,8,9]. В основном отечественные производители включают China Railway Times Construction Machinery Co. в Баоцзи и China Railway Construction High-Tech Equipment Co. На рисунке 9 показана фрезерно-шлифовальная машина XM-1800, произведенная China Railway Construction High-Tech Equipment Corporation, которая имеет такие преимущества, как высокая эксплуатационная эффективность, гибкое шлифование, защита окружающей среды и меньшее количество искр при внутренней обрезке формы рельса и шлифовании специального профиля рельса [10]. В таблице 2 сравниваются основные эксплуатационные параметры фрезерно-шлифовальной машины SF03 и фрезерно-шлифовальной машины XM-1800, что показывает, что фрезерно-шлифовальная машина XM-1800, разработанная в Китае, достигла передового технического уровня в мире с точки зрения эффективности удаления материала и точности работы.

Рис.8 Фрезерная машина SF03

Рис.9 Фрезерная машина XM-1800[10]

Табл.2 Сравнение эксплуатационных характеристик рельсофрезерного поезда SF03 и XM-1800

1.3.4 Комплексное сравнение производительности основного рельсошлифовального оборудования

Активное шлифование, высокоскоростное пассивное шлифование и фрезерование и шлифование композитного шлифования три типичных сравнения производительности оборудования для шлифования рельсов, например, Таблица 3. Удаление материала при активном шлифовании, контур огибающей легкой ленты шлифования хороший, высокая скорость работы, в настоящее время является самой большой долей доли рынка операции. Для активного шлифования ключевым моментом является решение проблемы прижогов рельсов шлифования, чтобы улучшить качество поверхности рельса после шлифования. Исследования показали, что оптимизация параметров шлифования [11,3,12], структура шлифовального круга [13] могут эффективно улучшить прижоги, из которых разработка высокопроизводительного активного шлифовального круга является фокусом будущих исследований.

Скорость высокоскоростной пассивной шлифовки, теоретически может быть интермодальной с обычным пассажиром / грузовиком, без необходимости в «люке», не влияет на нормальное прохождение линии. Кроме того, высокоскоростная пассивная шлифовка на основе стратегии профилактической шлифовки рельсов, предложенной для продления срока службы рельсов со значительными преимуществами. Поэтому высокоскоростная шлифовка имеет важную конкурентоспособность в будущем развитии. Работа в условиях высокой скорости, высокой нагрузки, сильной вибрации и других жестких условий, при одновременном соблюдении высокой эффективности, высокого качества и других эксплуатационных требований, чтобы гарантировать, что шлифовальный круг имеет превосходные механические свойства (прочность / ударная вязкость), эксплуатационные характеристики (резкость, износостойкость и т. д.), является одной из важных задач в будущем.

Композитное шлифование имеет значительные преимущества в эффективности удаления материала, отделке контура, качестве поверхности и т. д. Однако скорость его работы низкая, в будущем, с развитием экономики, время шлифования будет чрезвычайно сжато, требования к эффективности шлифовальных операций возрастают, координация будущей производительности линии и продолжительности времени шлифования будет в центре внимания. В то же время, чтобы обеспечить точность коррекции профиля рельса и эксплуатационную эффективность, разработка шлифования рельсов, выдерживающего суровые условия эксплуатации, и высокоизносостойких твердосплавных режущих инструментов также является одним из будущих направлений исследований.

Табл.3 Сравнение трех типов типичного рельсошлифовального оборудования

• ЯН Чанцзянь, ВАН Цзяньхун, ЧЖУ Хунцзюнь и др. Разработка шлифовального круга с двойной мощностью 48 для шлифования рельсов T China Mechanical Engineering, 2019, 3(30): 356-371.
• Министерство промышленности и энергетики Китая National Railway Group Co., Ltd. Справочник по шлифовке рельсов[M]. Пекин: China Railway Publishing House Co., Ltd., 2020, 1-73.
• ZHOU Kun, DING Haohao, Steenbergen Michaël, et al. Temperature Field and Material Response as a Function of Rail Grinding Parameters[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2021, 175: 12366.ЧЖОУ Кунь, ДИН Хаохао, Стенберген Михаэль и др. Температурное поле и реакция материала как функция параметров шлифования рельсов [J]. Международный журнал по тепло- и массообмену, 2021, 175: 12366.
• ФАН Вэнган, ЛИУ Юэмин, ЛИ Цзяньюн. Состояние развития и перспективы технологии шлифования рельсов для высокоскоростных железных дорог [J]. Журнал машиностроения, 2018, 54(22): 184-193.
• https://news.swjtu.edu.cn/shownews-22407.shtml/ [DB/OL]. [2021-08-13]
• http://www.crcce.com.cn/art/2021/7/27/art_5175_3372925.html/ [DB/OL]. [2021-08-15]
• ЛЮ Чжэньбинь. Проектирование рельсошлифовального оборудования и исследование управления силой шлифования [D]. Чанша: Центральный южный университет, 2013.
• Юй Ниандун, Чжан Мэн. Применение рельсофрезерно-шлифовальной машины SF03-FFS[J]. Железнодорожные технические инновации, 1: 37-38.
• ЧЭНЬ Хуэйбо. Применение рельсофрезерно-шлифовального вагона SF03-FFS на железной дороге Шуочжоу-Хуанхуа[J]. Китайские железные дороги, 2013, (12): 85-88.
• http://www.crcce.com.cn/art/2018/1/30/art_5529_109.html/ [DB/OL]. [2021-08-16]
• ЧЖОУ Кунь, ДИН Хаохао, Чжан Шуюэ и др. Моделирование и имитация силы шлифования при шлифовании рельсов с учетом угла поворота шлифовального камня [J]. Tribology International, 2019, 137: 274-288.
• ЧЖОУ Кунь, ДИНХаохао, ВАН Вэньцзянь и др. Влияние давления шлифования на поведение удаления материала рельса [J]. Tribology International, 2019, 134: 417-426.
• ЮАНЬ Юнцзе, ЧЖАН Вулинь, ЧЖАН Пэнфэй и др. Пористые шлифовальные круги для снижения предварительной усталости и повышения эффективности удаления материала при шлифовании рельсов [J]. Tribology International, 2021, 154: 106692
• ЧЖОУ Кунь, ВАН Вэньцзянь, ЛЮ Циюэ и др. Прогресс в исследовании механизма шлифования рельсов [J]. Китайское машиностроение, 2019, 30(03): 284-294.
• ЧЖОУ Кунь, ДИН Хаохао, ВАН Жуйсян и др. Экспериментальное исследование механизма удаления материала во время шлифования рельсов на разных скоростях движения [J]. Tribology International, 2020, 143: 106040.
• ФАН Вэнган, ЛИУ Юэмин, ЛИ Цзяньюн. Состояние развития и перспективы технологии шлифования рельсов для высокоскоростных железных дорог [J]. Журнал машиностроения, 2018, 54(22): 184-193.
• Сюй Сяотан. Исследование механизма шлифования высокоскоростных рельсов[D]. Чэнду: Юго-Западный университет Цзяотун, 2016.
• ВИЛЬГЕЛЬМ Кубин, ДЭЙВЕС Вернер, СТОК Анализ фрезерования рельсов как процесса обслуживания рельсов: моделирование и эксперименты [J]. Износ, 2019, 438-439: 203029.