Perilaku Penggilingan Adaptif Diri pada Penggilingan Rel Berkecepatan Tinggi di Bawah Gerakan Komposit Geser-Gulir

Perilaku penggerindaan rel kecepatan tinggi yang dapat beradaptasi sendiri di bawah gerakan komposit geser-guling difokuskan pada pengoptimalan kinerja penggerindaan dan kualitas permukaan. Kereta api kecepatan tinggi, yang dicirikan oleh kecepatan operasional yang tinggi dan beban gandar yang ringan, sering mengalami kelelahan kontak gelinding [1], yang menyebabkan spalling permukaan [2-4], retak lelah [5,6], dan fraktur [7,8]. Masalah-masalah ini memerlukan perawatan tepat waktu untuk memastikanpengoperasian jaringan kereta api yang aman dan andalTeknik penggilingan rel tradisional bertujuan untuk mengatasi cacat yang sudah mengakar tetapi sering kali mengakibatkan inefisiensi, waktu perawatan yang lebih lama, dan kerusakan termal. Penggilingan kecepatan tinggi (HSG) telah muncul sebagai alternatif yang efektif, menawarkan kecepatan penggilingan yang lebih tinggi (60–80 km/jam) dan "jendela perawatan" yang lebih pendek. Tidak seperti penggilingan konvensional, HSG beroperasi melalui gerakan komposit geser-guling, yang digerakkan oleh gaya gesek antara roda penggiling (GW) dan permukaan rel [9]. Mekanisme unik ini memungkinkan pemindahan material dan penajaman otomatis yang abrasif. Namun, interaksi antara gerakan geser dan guling belum cukup dieksplorasi, sehingga membatasi potensi HSG untuk pengoptimalan perawatan rel. Dalam pekerjaan ini, alat uji HSG buatan sendiri digunakan untuk mensimulasikan kondisi penggilingan di lokasi. Eksperimen dilakukan pada berbagai sudut kontak (30°, 45°, dan 60°) dan beban penggilingan (500 N, 700 N, dan 900 N) [10, 11].

1. Rasio Slide-roll.Hasilnya menunjukkan bahwa gerakan komposit geser-guling memainkan peran penting dalam memengaruhi perilaku penggerindaan. Rasio geser-guling (SRR), yang didefinisikan sebagai rasio kecepatan geser terhadap kecepatan guling, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, meningkat dengan sudut kontak dan beban penggerindaan, yang secara intuitif mencerminkan perubahan dalam gerakan komposit geser-guling dari pasangan penggerindaan. Misalnya, SRR tumbuh dari 0,18 pada sudut kontak 30° menjadi 0,81 pada 60°. Pergeseran dari gerakan yang didominasi guling ke keseimbangan antara geser dan guling secara signifikan meningkatkan hasil penggerindaan. Studi ini menemukan bahwa sudut kontak 45° menghasilkan efisiensi penggerindaan tertinggi, sementara sudut kontak 60° menghasilkan kualitas permukaan terbaik. Kekasaran permukaan (Ra) menurun secara substansial saat sudut kontak meningkat, dari 12,9 μm pada 30° menjadi 3,5 μm pada 60°, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 hingga Gambar 4.

2. WEL yang disebabkan oleh penggilingan.Selama proses penggilingan, karena efek kopling termo-mekanis, termasuk tegangan kontak tinggi, suhu tinggi, dan pendinginan cepat, transformasi metalurgi dan deformasi plastik terjadi pada permukaan rel. Perubahan ini menyebabkan terbentuknya lapisan etsa putih rapuh (WEL), yang rentan terhadap fraktur di bawah tegangan siklik dari kontak roda-rel. Semua hasil mengungkapkan bahwa ketebalan rata-rata WEL kurang dari 8 μm, yang lebih tipis daripada WEL yang diinduksi penggilingan aktif (~40 μm) [12, 13], seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Fenomena ini kemungkinan terkait dengan karakteristik unik dari metode HSG, Dibandingkan dengan penggilingan aktif tradisional, dalam HSG, satu partikel abrasif terlibat dalam proses penggilingan hanya untuk waktu yang singkat selama satu siklus putaran, bahkan pada sudut kontak yang tinggi. Untuk sebagian besar waktu, partikel abrasif berada dalam periode pembuangan panas setelah penggilingan. Hal ini memastikan bahwa partikel abrasif mempunyai cukup waktu untuk menghilangkan panas sebelum kembali melakukan penggilingan, sehingga menghasilkan kondisi termal yang lebih baik pada antarmuka penggilingan.

3. Menghancurkan puing-puing.Analisis serpihan hasil penggilingan memberikan wawasan tambahan mengenai mekanisme penghilangan material, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 dan Gambar 7. Serpihan yang berbentuk seperti aliran dan pisau, yang menandakan kinerja penggilingan yang efektif, lebih banyak ditemukan pada SRR yang lebih tinggi. Sebaliknya, serpihan blok dan irisan lebih dominan pada sudut kontak yang lebih rendah, yang mencerminkan kinerja penggilingan yang tidak memadai. Keberadaan serpihan berbentuk bulat meningkat seiring dengan beban penggilingan, yang menunjukkan peningkatan suhu penggilingan. Pengamatan ini menyoroti pentingnya mengoptimalkan parameter penggilingan untuk menyeimbangkan efisiensi dan kondisi termal.

4. Mekanisme gerak gabungan luncur guling.Studi ini juga mengungkap interaksi dinamis antara gerakan meluncur dan menggelinding dalam proses penggerindaan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8. Gerakan meluncur memudahkan pembuangan material dari permukaan rel, sementara gerakan menggelinding meningkatkan pembuangan serpihan dan penajaman sendiri bahan abrasif. Keseimbangan dinamis ini penting untuk mencapai penggerindaan yang efisien dengan kerusakan termal yang minimal. Namun, penekanan yang berlebihan pada salah satu gerakan dapat menghasilkan hasil yang kurang optimal: gerakan yang didominasi oleh gerakan menggelinding meningkatkan kekasaran permukaan, sementara gerakan yang didominasi oleh gerakan meluncur dapat mengakibatkan berkurangnya pembaruan bahan abrasif dan peningkatan kerusakan termal.

5. Evaluasi komprehensif.Evaluasi menyeluruh terhadap kinerja penggilingan, termasuk efisiensi penggilingan, kekasaran permukaan, dan ketebalan WEL, menyoroti keuntungan dari mengoptimalkan gerakan komposit geser-gulung, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9. Bagan radar kinerja penggilingan di bawah berbagai beban dan sudut kontak menunjukkan bahwa sudut kontak 45° memberikan keseimbangan terbaik antara efisiensi dan kualitas secara keseluruhan. Namun, sudut kontak 60° secara konsisten menghasilkan permukaan yang paling halus, sehingga ideal untuk lintasan penggilingan akhir. Temuan ini menunjukkan bahwa penyesuaian yang ditargetkan pada parameter penggilingan dapat mengatasi berbagai kerusakan permukaan rel secara efektif.

Penelitian ini menawarkan implikasi praktis untuk perawatan rel kecepatan tinggi. Untuk lintasan penggilingan awal, sudut kontak 45° memaksimalkan efisiensi penghilangan material, sementara sudut 60° memastikan kualitas permukaan yang unggul dalam tahap akhir. Studi ini menggarisbawahi pentingnya menyeimbangkan gerakan geser dan guling secara dinamis untuk meningkatkan kinerja penggilingan, meningkatkan kualitas permukaan, dan memperpanjang masa pakai roda gerinda.

Sebagai kesimpulan, penelitian ini menyoroti peran penting gerakan komposit geser-guling dalam penggilingan rel berkecepatan tinggi. Dengan mengoptimalkan proporsi gerakan geser dan guling, HSG dapat mencapai efisiensi penggilingan dan kualitas permukaan yang unggul sekaligus meminimalkan kerusakan termal. Temuan ini memberikan landasan teoritis untuk memajukan teknologi HSG dan pedoman praktis untuk meningkatkan praktik perawatan rel.

Gbr. 1.Tren variasi SRR, COF, dan kecepatan putaran dengan beban penggilingan dan sudut kontak.

Gbr. 2.Efisiensi penggilingan pada berbagai sudut kontak dan beban penggilingan.

Gbr. 3.Morfologi permukaan spesimen rel pada berbagai sudut kontak dan beban penggilingan.

Gbr. 4.Kekasaran permukaan danMorfologi 3Dsampel rel pada sudut kontak dan beban penggilingan yang berbeda.

Gbr. 5.Gambar penampang optik dan metalografi SEM dari spesimen rel.

Gbr. 6.Jenis dan Proporsimenggiling puing-puingpada sudut kontak dan beban penggilingan yang berbeda.

Gbr. 7.Gambar SEM dan spektrum EDS untuk berbagai jenis serpihan penggilingan.

Gbr. 8.Diagram skematis pengaruh gerak komposit geser-guling pada HSG.

Karya ini telah dilaporkan pada Jurnal Tribologi Internasional.

Referensi

[1] Fan W, Wu C, Wu Z, dkk. Mekanisme kontak statis antara roda kontak bergerigi dan rel dalam penggilingan rel dengan sabuk abrasif[J]. Jurnal Proses Manufaktur, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ, dkk. Perambatan retak dan mekanisme pengelupasan permukaan rel berdasarkan peridinamika[J]. Jurnal Universitas Tongji, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L, dkk. Simulasi elemen hingga respons benturan roda-rel yang disebabkan oleh spalling tapak roda kereta berkecepatan tinggi[J]. Ledakan dan Gelombang Kejutan, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F, dkk. Studi tentang kerusakan keausan strip WEA dan pengelupasan kelelahan bahan rel U71MnG dengan perlakuan pendinginan laser[J]. Tribologi Internasional, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Karakterisasi multiskala inisiasi pemeriksaan kepala pada rel di bawah kelelahan kontak bergulir: Analisis mekanis dan mikrostruktur [J]. Wear, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV, dkk. Penentuan laju pertumbuhan retak lelah dan waktu pada rel menggunakan makrolini lelah[J]. Metalurgi Rusia (Metally), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H, dkk. Investigasi mikrostruktur pada kegagalan fraktur rel yang terkait dengan cacat jongkok [J]. Analisis Kegagalan Teknik, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Analisis mikrostruktur dan perilaku fraktur lelah baja rel [J]. Mekanika Material dan Struktur Maju, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Pengurangan kebisingan rel kereta api berkecepatan tinggi melalui penggilingan rel biasa tanpa gangguan lalu lintas[C]//Prosiding Kongres dan Konferensi INTER-NOISE dan NOISE-CON di GW. Institut Teknik Pengendalian Kebisingan, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W, dkk. Analisis keausan kendaraan berkecepatan tinggi HSG-2: validasi, simulasi dan perbandingan dengan pengukuran[M]//Dinamika Kendaraan di Jalan dan Rel Vol 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Pengurangan kebisingan rel kereta api berkecepatan tinggi melalui penggilingan rel biasa tanpa gangguan lalu lintas[C]//Prosiding Kongres dan Konferensi INTER-NOISE dan NOISE-CON di GW. Institut Teknik Pengendalian Kebisingan, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF, dkk. Evaluasi penggilingan pasca lapangan pada berbagai tingkatan rel dalam uji laboratorium roda/rel skala penuh[J]. Tribologi Internasional, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S, dkk. Pembentukan retak permukaan pada rel pada lapisan martensit putih yang diinduksi penggilingan[J]. Wear, 2017, 384: 8-14.