سلوكيات الطحن ذاتية التكيف لطحن السكك الحديدية عالية السرعة تحت الحركات المركبة المنزلقة والدحرجة

تركز سلوكيات الطحن ذاتية التكيف للسكك الحديدية عالية السرعة تحت حركات مركبة انزلاقية متدحرجة على تحسين أداء الطحن وجودة السطح. غالبًا ما تعاني السكك الحديدية عالية السرعة، التي تتميز بسرعات تشغيلية عالية وأحمال محاور خفيفة، من إجهاد التلامس المتدحرج [1]، مما يؤدي إلى تقشر السطح [2-4] وشقوق التعب [5،6] والكسور [7،8]. تتطلب هذه المشكلات الصيانة في الوقت المناسب لضمانالتشغيل الآمن والموثوق لشبكات السكك الحديديةتهدف تقنيات طحن السكك الحديدية التقليدية إلى معالجة العيوب العميقة الجذور ولكنها غالبًا ما تؤدي إلى عدم الكفاءة وأوقات صيانة ممتدة وأضرار حرارية. وقد ظهر الطحن عالي السرعة (HSG) كبديل فعال، حيث يوفر سرعات طحن أعلى (60-80 كم / ساعة) و"نوافذ صيانة" مخفضة. وعلى عكس الطحن التقليدي، يعمل الطحن عالي السرعة من خلال حركات مركبة انزلاقية متدحرجة، مدفوعة بقوى الاحتكاك بين عجلات الطحن (GWs) وسطح السكك الحديدية [9]. تمكن هذه الآلية الفريدة من إزالة المواد والشحذ الذاتي الكاشط. ومع ذلك، لم يتم استكشاف التفاعل بين حركات الانزلاق والتدحرج بشكل كافٍ، مما يحد من إمكانات الطحن عالي السرعة لتحسين صيانة السكك الحديدية. في هذا العمل، تم استخدام جهاز اختبار الطحن عالي السرعة المصنوع منزليًا لمحاكاة ظروف الطحن في الموقع. أجريت التجارب تحت زوايا اتصال مختلفة (30 درجة و45 درجة و60 درجة) وأحمال طحن (500 نيوتن و700 نيوتن و900 نيوتن) [10، 11].

1. نسبة الشريحة إلى اللفة.أظهرت النتائج أن حركات الانزلاق والتدحرج المركبة تلعب دورًا حاسمًا في التأثير على سلوك الطحن. زادت نسبة الانزلاق والتدحرج (SRR)، والتي تُعرف بأنها نسبة سرعة الانزلاق إلى سرعة التدحرج، كما هو موضح في الشكل 1، مع كل من زاوية التلامس وحمل الطحن، مما يعكس بشكل حدسي التغييرات في حركة الانزلاق والتدحرج المركبة لأزواج الطحن. على سبيل المثال، نمت نسبة الانزلاق والتدحرج من 0.18 عند زاوية تماس 30 درجة إلى 0.81 عند 60 درجة. أدى هذا التحول من الحركة التي يهيمن عليها التدحرج إلى التوازن بين الانزلاق والتدحرج إلى تحسين نتائج الطحن بشكل كبير. وجدت الدراسة أن زاوية التلامس 45 درجة أنتجت أعلى كفاءة طحن، بينما أعطت زاوية التلامس 60 درجة أفضل جودة للسطح، وانخفضت خشونة السطح (Ra) بشكل كبير مع زيادة زاوية التلامس، من 12.9 ميكرومتر عند 30 درجة إلى 3.5 ميكرومتر عند 60 درجة، كما هو موضح في الشكل 2 إلى الشكل 4.

2. WEL الناجم عن الطحن.أثناء عملية الطحن، وبسبب تأثيرات الاقتران الحراري الميكانيكي، بما في ذلك إجهاد التلامس العالي، ودرجات الحرارة المرتفعة، والتبريد السريع، تحدث تحولات معدنية وتشوه بلاستيكي على سطح السكة. تؤدي هذه التغييرات إلى تكوين طبقة نقش بيضاء هشة (WEL)، وهي عرضة للكسر تحت الضغوط الدورية من ملامسة العجلة للسكك الحديدية. تكشف جميع النتائج أن متوسط ​​سمك WEL أقل من 8 ميكرومتر، وهو أرق من WEL المستحث بالطحن النشط (~ 40 ميكرومتر) [12، 13]، كما هو موضح في الشكل 5. من المحتمل أن تكون هذه الظاهرة مرتبطة بالخصائص الفريدة لطريقة HSG، مقارنة بالطحن النشط التقليدي، في HSG، تشارك جسيم كاشط واحد في عملية الطحن لفترة وجيزة فقط خلال دورة ثورة واحدة، حتى عند زوايا اتصال عالية. في معظم الأحيان، يكون الجسيم الكاشط في فترة تبديد الحرارة بعد الطحن. ويضمن هذا أن يكون للجسيمات الكاشطة الوقت الكافي لتبديد الحرارة قبل إعادة الانخراط في الطحن، مما يؤدي إلى تحسين الظروف الحرارية في واجهة الطحن.

3. طحن الحطام.وقد قدم تحليل حطام الطحن رؤى إضافية حول آليات إزالة المواد، كما هو موضح في الشكلين 6 و7. وكان الحطام المتدفق والسكيني، الذي يدل على أداء الطحن الفعال، أكثر انتشارًا عند معدلات مقاومة الطحن الأعلى. وعلى النقيض من ذلك، كان الحطام الكتلي والمقطع مهيمنًا عند زوايا اتصال أقل، مما يعكس أداء طحن غير كافٍ. زاد وجود الحطام الكروي مع أحمال الطحن، مما يشير إلى ارتفاع درجات حرارة الطحن. وتسلط هذه الملاحظات الضوء على أهمية تحسين معلمات الطحن لتحقيق التوازن بين الكفاءة والظروف الحرارية.

4. آلية الحركة المركبة المتدحرجة الانزلاقية.كشفت الدراسة أيضًا عن التفاعل الديناميكي بين حركات الانزلاق والتدحرج في عملية الطحن، كما هو موضح في الشكل 8. يسهل الانزلاق إزالة المواد من سطح السكة، بينما يعزز التدحرج تفريغ الحطام وشحذ المواد الكاشطة ذاتيًا. يعد هذا التوازن الديناميكي ضروريًا لتحقيق الطحن الفعال مع الحد الأدنى من الضرر الحراري. ومع ذلك، فإن التركيز المفرط على أي من الحركتين يمكن أن يؤدي إلى نتائج دون المستوى الأمثل: تزيد الحركة التي يهيمن عليها التدحرج من خشونة السطح، بينما يمكن أن تؤدي الحركة التي يهيمن عليها الانزلاق إلى تقليل تجديد المواد الكاشطة وزيادة الضرر الحراري.

5. التقييم الشامل.وقد سلطت التقييمات الشاملة لأداء الطحن، بما في ذلك كفاءة الطحن وخشونة السطح وسمك WEL، الضوء على مزايا تحسين حركات التدحرج والانزلاق المركبة، كما هو موضح في الشكل 9. وأظهرت مخططات الرادار لأداء الطحن تحت أحمال وزوايا تماس مختلفة أن زاوية تماس 45 درجة وفرت أفضل توازن عام بين الكفاءة والجودة. ومع ذلك، فإن زاوية التلامس 60 درجة أنتجت باستمرار الأسطح الأكثر سلاسة، مما يجعلها مثالية لتمريرات الطحن النهائية. تشير هذه النتائج إلى أن التعديلات المستهدفة لمعلمات الطحن يمكن أن تعالج تلف سطح السكك الحديدية المتنوع بشكل فعال.

يقدم هذا البحث تطبيقات عملية لصيانة السكك الحديدية عالية السرعة. بالنسبة لمرور الطحن الأولي، تعمل زاوية التلامس 45 درجة على تعظيم كفاءة إزالة المواد، بينما تضمن الزاوية 60 درجة جودة سطح فائقة في مراحل التشطيب. تؤكد الدراسة على أهمية التوازن الديناميكي لحركات الانزلاق والتدحرج لتحسين أداء الطحن وتحسين جودة السطح وإطالة عمر خدمة عجلات الطحن.

وفي الختام، تسلط الدراسة الضوء على الدور الحاسم لحركات الانزلاق والتدحرج المركبة في طحن السكك الحديدية عالية السرعة. ومن خلال تحسين نسبة حركات الانزلاق والتدحرج، يمكن لـ HSG تحقيق كفاءة طحن وجودة سطح متفوقة مع تقليل الضرر الحراري. وتوفر هذه النتائج أساسًا نظريًا لتطوير تقنية HSG وإرشادات عملية لتحسين ممارسات صيانة السكك الحديدية.

الشكل 1.اتجاه التباين في SRR وCOF وسرعة الدوران مع أحمال الطحن وزوايا التلامس.

الشكل 2.كفاءة الطحن تحت زوايا تماس مختلفة وأحمال طحن مختلفة.

الشكل 3.الأشكال السطحية لعينات السكك الحديدية تحت زوايا تماس مختلفة وأحمال طحن.

الشكل 4.خشونة السطح وأشكال ثلاثية الأبعادمن عينات السكك الحديدية تحت زوايا اتصال مختلفة وأحمال طحن.

الشكل 5.صور مقطعية بصرية وصور معدنية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح لعينات السكك الحديدية.

الشكل 6.نوع ونسبةطحن الحطامتحت زوايا اتصال مختلفة وأحمال طحن.

الشكل 7.صور المجهر الإلكتروني الماسح وأطياف EDS لأنواع مختلفة من حطام الطحن.

الشكل 8.مخطط تخطيطي لتأثير الحركة المركبة الانزلاقية المتدحرجة على HSG.

وقد تم نشر هذا العمل في مجلة Tribology International.

مراجع

[1] Fan W، Wu C، Wu Z، وآخرون. آلية الاتصال الثابتة بين عجلة الاتصال المسننة والسكك الحديدية في طحن السكك الحديدية باستخدام حزام كاشط [J]. مجلة عمليات التصنيع، 2022، 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN، Zhou Y، Li PJ، وآخرون. انتشار الشقوق وآلية تقشر سطح السكك الحديدية بناءً على الديناميكية الدائرية [J]. مجلة جامعة تونغجي، 2023، 51 (6): 912-922.

[3] Wang JN، Guo X، Jing L، وآخرون. محاكاة العناصر المحدودة لاستجابة تأثير العجلة والسكك الحديدية الناجم عن تقشير مداس العجلة للقطارات عالية السرعة [J]. الانفجار وموجات الصدمة، 2022، 42 (4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J، Liu J، Liu F، وآخرون. دراسة حول تلف التآكل الناتج عن عملية WEA الشريطية وتقشير التعب لمادة سكة U71MnG عن طريق معالجة التبريد بالليزر [J]. Tribology International، 2022، 175: 107811.

[5] Benoît D، Salima B، Marion R. توصيف متعدد المقاييس لبدء فحص الرأس على القضبان تحت إجهاد التلامس المتدحرج: التحليل الميكانيكي والبنية الدقيقة [J]. Wear، 2016، 366: 383-391.

[6] Shur EA، Borts AI، Bazanova LV، وآخرون. تحديد معدل نمو شقوق التعب والوقت في السكك الحديدية باستخدام خطوط الماكرو للتعب [J]. Russian Metallurgy (Metally)، 2020، 2020: 477-482.

[7] الجبوري أ، تشو ه، لي ه، وآخرون. التحقيق في البنية الدقيقة لفشل كسر السكة الحديدية المرتبط بعيوب القرفصاء [م]. تحليل الفشل الهندسي، 2023، 151: 107-411.

[8] مسعودي نجاد ر، فرهنغدوست ك، شريعتي م. التحليل البنيوي الدقيق وسلوك كسر التعب للصلب المستخدم في السكك الحديدية[م]. ميكانيكا المواد والهياكل المتقدمة، 2020، 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. High speed grinding-railway noise reduction through regular rail grinding without traffic interrupts[C]//INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference ProceedinGW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W, et al. تحليل التآكل للمركبة عالية السرعة HSG-2: التحقق والمحاكاة والمقارنة بالقياسات[M]//ديناميكيات المركبات على الطرق والمسارات المجلد 2. CRC Press، 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. High speed grinding-railway noise reduction through regular rail grinding without traffic interrupts[C]//INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference ProceedinGW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M، Santa JF، Molina LF، وآخرون. تقييم الطحن بعد الحقل لدرجات مختلفة من السكك الحديدية في اختبارات معملية كاملة النطاق للعجلة/السكك الحديدية[J]. Tribology International، 2023، 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ، Fæster S، Dhar S، وآخرون. تكوين الشقوق السطحية على القضبان عند طبقات النقش الأبيض المارتنسيتية المستحثة بالطحن[J]. Wear، 2017، 384: 8-14.