Das selbstadaptive Schleifverhalten beim Hochgeschwindigkeits-Schienenschleifen unter den Gleit-Roll-Verbundbewegungen

Das selbstadaptive Schleifverhalten von Hochgeschwindigkeitszügen unter Gleit-Roll-Kompositbewegungen konzentrierte sich auf die Optimierung der Schleifleistung und Oberflächenqualität. Hochgeschwindigkeitszüge, die sich durch hohe Betriebsgeschwindigkeiten und geringe Achslasten auszeichnen, leiden häufig unter Rollkontaktermüdung [1], die zu Oberflächenabplatzungen [2-4], Ermüdungsrissen [5,6] und Brüchen [7,8] führt. Diese Probleme erfordern eine rechtzeitige Wartung, um diesicherer und zuverlässiger Betrieb von Schienennetzen. Herkömmliche Schienenschleiftechniken zielen darauf ab, tiefsitzende Defekte zu beheben, führen jedoch häufig zu Ineffizienzen, längeren Wartungszeiten und thermischen Schäden. Das Hochgeschwindigkeitsschleifen (HSG) hat sich als wirksame Alternative herausgestellt, da es höhere Schleifgeschwindigkeiten (60–80 km/h) und kürzere „Wartungsfenster“ bietet. Im Gegensatz zum herkömmlichen Schleifen erfolgt das HSG durch Gleit-Roll-Kompositbewegungen, die durch Reibungskräfte zwischen Schleifrädern (GWs) und der Schienenoberfläche angetrieben werden [9]. Dieser einzigartige Mechanismus ermöglicht sowohl Materialentfernung als auch Schleifmittel-Selbstschärfen. Das Zusammenspiel zwischen Gleit- und Rollbewegungen ist jedoch unzureichend erforscht, was das Potenzial des HSG zur Optimierung der Schienenwartung begrenzt. In dieser Arbeit wurde ein selbstgebauter HSG-Teststand eingesetzt, um die Schleifbedingungen vor Ort zu simulieren. Die Experimente wurden unter unterschiedlichen Kontaktwinkeln (30°, 45° und 60°) und Schleiflasten (500 N, 700 N und 900 N) durchgeführt [10, 11].

1. Das Gleit-Roll-Verhältnis.Die Ergebnisse zeigen, dass zusammengesetzte Gleit-Roll-Bewegungen das Schleifverhalten entscheidend beeinflussen. Das Gleit-Roll-Verhältnis (SRR), definiert als das Verhältnis von Gleitgeschwindigkeit zu Rollgeschwindigkeit, wie in Abb. 1 gezeigt, stieg sowohl mit dem Kontaktwinkel als auch mit der Schleiflast, was intuitiv Veränderungen in der zusammengesetzten Gleit-Roll-Bewegung der Schleifpaare widerspiegelte. Zum Beispiel stieg das SRR von 0,18 bei einem Kontaktwinkel von 30° auf 0,81 bei 60°. Diese Verschiebung von einer rolldominierten Bewegung zu einem Gleichgewicht zwischen Gleiten und Rollen verbesserte die Schleifergebnisse signifikant. Die Studie fand heraus, dass ein Kontaktwinkel von 45° die höchste Schleifleistung lieferte, während ein Kontaktwinkel von 60° die beste Oberflächenqualität ergab. Die Oberflächenrauheit (Ra) nahm mit zunehmendem Kontaktwinkel erheblich ab, von 12,9 μm bei 30° auf 3,5 μm bei 60°, wie in Abb. 2 bis Abb. 4 gezeigt.

2. Durch Schleifen verursachter WEL.Während des Schleifprozesses kommt es aufgrund der thermomechanischen Kopplungseffekte, einschließlich hoher Kontaktspannung, erhöhter Temperaturen und schneller Abkühlung, zu metallurgischen Umwandlungen und plastischen Verformungen auf der Schienenoberfläche. Diese Veränderungen führen zur Bildung einer spröden weiß geätzten Schicht (WEL), die unter zyklischen Spannungen durch Rad-Schiene-Kontakt zum Brechen neigt. Alle Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche Dicke der WEL weniger als 8 μm beträgt und damit dünner ist als die durch aktives Schleifen hervorgerufene WEL (~40 μm) [12, 13], wie in Abb. 5 gezeigt. Dieses Phänomen hängt wahrscheinlich mit den einzigartigen Eigenschaften der HSG-Methode zusammen. Im Vergleich zum herkömmlichen aktiven Schleifen ist beim HSG ein einzelnes Schleifkorn selbst bei großen Kontaktwinkeln nur für einen kurzen Zeitraum während eines Umdrehungszyklus in den Schleifprozess eingebunden. Die meiste Zeit befindet sich das Schleifkorn nach dem Schleifen in der Wärmeableitungsphase. Dadurch wird sichergestellt, dass das Schleifkorn genügend Zeit hat, die Wärme abzugeben, bevor es erneut mit dem Schleifen beginnt. Dies führt zu verbesserten thermischen Bedingungen an der Schleifschnittstelle.

3. Schleifstaub.Die Analyse der Schleifrückstände lieferte zusätzliche Einblicke in die Mechanismen der Materialentfernung, wie in Abb. 6 und Abb. 7 dargestellt. Fließ- und messerförmige Rückstände, die eine effektive Schleifleistung anzeigen, waren bei höheren SRRs häufiger. Im Gegensatz dazu dominierten bei niedrigeren Kontaktwinkeln block- und scheibenförmige Rückstände, was auf eine unzureichende Schleifleistung hinweist. Das Vorhandensein von kugelförmigen Rückständen nahm mit der Schleiflast zu, was auf erhöhte Schleiftemperaturen hindeutet. Diese Beobachtungen unterstreichen die Bedeutung der Optimierung der Schleifparameter, um Effizienz und thermische Bedingungen in Einklang zu bringen.

4. Mechanismus der gleitenden, rollenden Verbundbewegung.Die Studie enthüllte auch das dynamische Zusammenspiel zwischen Gleit- und Rollbewegungen im Schleifprozess, wie in Abb. 8 dargestellt. Das Gleiten erleichterte den Materialabtrag von der Schienenoberfläche, während das Rollen den Abtrag von Ablagerungen und die Selbstschärfung des Schleifmittels verbesserte. Dieses dynamische Gleichgewicht ist für effizientes Schleifen mit minimalen thermischen Schäden unerlässlich. Eine übermäßige Betonung einer der beiden Bewegungen kann jedoch zu suboptimalen Ergebnissen führen: Rollbewegungen erhöhen die Oberflächenrauheit, während Gleitbewegungen zu einer verringerten Schleifmittelerneuerung und erhöhten thermischen Schäden führen können.

5. Umfassende Auswertung.Umfassende Bewertungen der Schleifleistung, einschließlich Schleifeffizienz, Oberflächenrauheit und WEL-Dicke, haben die Vorteile der Optimierung von Gleit-Roll-Verbundbewegungen hervorgehoben, wie in Abb. 9 dargestellt. Die Radardiagramme der Schleifleistung unter verschiedenen Belastungen und Kontaktwinkeln zeigten, dass ein Kontaktwinkel von 45° das beste Gesamtgleichgewicht zwischen Effizienz und Qualität bietet. Der Kontaktwinkel von 60° erzeugte jedoch durchweg die glattesten Oberflächen und ist daher ideal für die letzten Schleifdurchgänge. Diese Erkenntnisse legen nahe, dass durch gezielte Anpassungen der Schleifparameter unterschiedliche Schäden an der Schienenoberfläche wirksam behoben werden können.

Diese Forschung bietet praktische Auswirkungen auf die Wartung von Hochgeschwindigkeitszügen. Bei den ersten Schleifdurchgängen maximiert ein Kontaktwinkel von 45° die Materialabtragseffizienz, während ein Winkel von 60° eine hervorragende Oberflächenqualität in den Endbearbeitungsstufen gewährleistet. Die Studie unterstreicht die Bedeutung des dynamischen Ausgleichs von Gleit- und Rollbewegungen, um die Schleifleistung zu verbessern, die Oberflächenqualität zu verbessern und die Lebensdauer der Schleifscheiben zu verlängern.

Abschließend hebt die Studie die entscheidende Rolle von Gleit- und Rollbewegungen beim Hochgeschwindigkeitsschleifen von Schienen hervor. Durch die Optimierung des Anteils von Gleit- und Rollbewegungen kann HSG eine überlegene Schleifleistung und Oberflächenqualität erzielen und gleichzeitig thermische Schäden minimieren. Diese Erkenntnisse liefern eine theoretische Grundlage für die Weiterentwicklung der HSG-Technologie und praktische Richtlinien zur Verbesserung der Schienenwartungspraktiken.

Abb. 1.Variationstrend von SRR, COF und Rotationsgeschwindigkeit mit Schleiflasten und Kontaktwinkeln.

Abb. 2.Schleifleistung bei unterschiedlichen Kontaktwinkeln und Schleiflasten.

Abb. 3.Die Oberflächenmorphologien von Schienenproben unter verschiedenen Kontaktwinkeln und Schleifbelastungen.

Abb. 4.Oberflächenrauheit und3D-Morphologienvon Schienenproben unter verschiedenen Kontaktwinkeln und Schleifbelastungen.

Abb. 5.Optische und SEM-metallografische Querschnittsbilder der Schienenproben.

Abb. 6.Art und Anteil derSchleifstaubunter unterschiedlichen Kontaktwinkeln und Schleiflasten.

Abb. 7.SEM-Bilder und EDS-Spektren für verschiedene Arten von Schleifstaub.

Abb. 8.Schematische Darstellung der Auswirkung einer Gleit-Roll-Verbundbewegung auf HSG.

Über diese Arbeit wurde im Journal of Tribology International berichtet.

Verweise

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