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滑り転がり複合運動下における高速レール研削の自己適応研削挙動
滑り転がり複合運動下における高速鉄道の自己適応研削挙動は、研削性能と表面品質の最適化に焦点を当てています。高速鉄道は、高い運転速度と軽い車軸荷重を特徴としており、転がり接触疲労[1]に悩まされることが多く、表面剥離[2-4]、疲労亀裂[5,6]、および破損[7,8]につながります。これらの問題には、適切なタイミングでのメンテナンスが必要であり、鉄道網の安全で信頼できる運営従来のレール研削技術は、根深い欠陥に対処することを目的としていますが、多くの場合、非効率、メンテナンス時間の延長、熱損傷につながります。高速研削（HSG）は、より高速な研削速度（60〜80 km / h）と「メンテナンスウィンドウ」の短縮を実現する効果的な代替手段として登場しました。従来の研削とは異なり、HSGは、研削ホイール（GW）とレール表面の間の摩擦力によって駆動される滑り-回転複合運動を介して動作します[9]。この独自のメカニズムにより、材料の除去と研磨による自己研磨の両方が可能になります。ただし、滑り運動と回転運動の相互作用は十分に調査されておらず、HSGによるレールメンテナンスの最適化の可能性は限られています。この研究では、自家製のHSGテストリグを使用して、現場での研削条件をシミュレートしました。実験は接触角（30°、45°、60°）と研削荷重（500N、700N、900N）を変えて行われた[10、11]。
1. スライドロールの比率。結果は、滑り-転がり複合運動が研削挙動に影響を及ぼす上で重要な役割を果たしていることを示しています。滑り-転がり比 (SRR) は、図 1 に示すように、滑り速度と転がり速度の比として定義され、接触角と研削荷重の両方とともに増加し、研削ペアの滑り-転がり複合運動の変化を直感的に反映しています。たとえば、SRR は 30° 接触角での 0.18 から 60° での 0.81 に増加しました。転がりが支配的な運動から滑りと転がりのバランスへのこの変化により、研削結果が大幅に改善されました。この研究では、45° 接触角で最高の研削効率が得られ、60° 接触角で最高の表面品質が得られることがわかりました。表面粗さ (Ra) は、図 2 ～図 4 に示すように、接触角が増加するにつれて、30° での 12.9 μm から 60° での 3.5 μm に大幅に減少しました。
2. 研削によるWEL。研削プロセス中、高い接触応力、高温、急速冷却などの熱機械結合効果により、レール表面に冶金変態と塑性変形が発生します。これらの変化により脆い白色エッチング層 (WEL) が形成され、車輪とレールの接触による周期的な応力により破損しやすくなります。すべての結果から、WEL の平均厚さは 8 μm 未満であり、図 5 に示すように、アクティブ研削によって生じる WEL (約 40 μm) [12, 13] よりも薄いことがわかります。この現象は、HSG 法の独自の特性と関係している可能性があります。従来のアクティブ研削と比較して、HSG では、単一の研磨粒子が、接触角が高い場合でも、1 回転サイクル中に短時間だけ研削プロセスに関与します。ほとんどの時間、研磨粒子は研削後の放熱期間にあります。これにより、研磨粒子が再び研削を開始する前に十分な時間で熱を放散できるようになり、研削界面の熱条件が改善されます。
3. 研削残渣。研削屑の分析により、図 6 と図 7 に示すように、材料除去メカニズムに関する追加の洞察が得られました。効果的な研削性能を示す流れ状およびナイフ形状の屑は、SRR が高いほど多く見られました。対照的に、ブロック状およびスライス状の屑は、接触角が低いほど多く見られ、不十分な研削性能を反映しています。球状の屑の存在は、研削負荷とともに増加し、研削温度の上昇を示しています。これらの観察結果は、効率と熱条件のバランスをとるために研削パラメータを最適化することの重要性を強調しています。
4. 滑り転がり複合運動のメカニズムこの研究では、図 8 に示すように、研削プロセスにおける滑りと転がりの運動の動的な相互作用も明らかになりました。滑りはレール表面からの材料除去を促進し、転がりは破片の排出と研磨剤の自己研磨を促進します。この動的なバランスは、熱損傷を最小限に抑えながら効率的な研削を実現するために不可欠です。ただし、どちらかの運動を過度に重視すると、最適ではない結果につながる可能性があります。転がりが支配的な運動は表面粗さを増加させ、滑りが支配的な運動は研磨剤の再生を減らし、熱損傷を増加させる可能性があります。
5. 総合評価研削効率、表面粗さ、WEL 厚さなどの研削性能の包括的な評価により、図 9 に示すように、滑りと転がりの複合動作を最適化する利点が強調されました。さまざまな負荷と接触角での研削性能のレーダー チャートは、45° の接触角が効率と品質の全体的なバランスを最も良くすることを示しています。ただし、60° の接触角では一貫して最も滑らかな表面が生成され、最終的な研削パスに最適です。これらの結果は、研削パラメータを対象的に調整することで、さまざまなレール表面の損傷に効果的に対処できることを示唆しています。
この研究は、高速鉄道のメンテナンスに実用的な意味合いをもたらします。最初の研削パスでは、45° の接触角で材料除去効率が最大化され、60° の角度で仕上げ段階で優れた表面品質が確保されます。この研究は、研削性能を高め、表面品質を改善し、研削ホイールの耐用年数を延ばすために、滑り運動と転がり運動を動的にバランスさせることの重要性を強調しています。
結論として、この研究は、高速レールの研削における滑りと転がりの複合動作の重要な役割を強調しています。滑りと転がりの動作の割合を最適化することで、HSG は熱による損傷を最小限に抑えながら、優れた研削効率と表面品質を実現できます。これらの調査結果は、HSG 技術を進歩させるための理論的基礎と、レールの保守作業を改善するための実用的なガイドラインを提供します。
図1.研削荷重と接触角による SRR、COF、回転速度の変化傾向。
図2.異なる接触角と研削負荷における研削効率。
図3.異なる接触角と研削荷重下におけるレール試験片の表面形態。
図4.表面粗さと3D形態異なる接触角と研削荷重下でのレールサンプルの摩耗。
図5.レール試験片の断面光学画像および SEM 金属組織画像。
図6.種類と割合研削残骸異なる接触角と研削荷重下で。
図7.さまざまな種類の研削破片の SEM 画像と EDS スペクトル。
図8.滑りと転がりの複合運動が HSG に与える影響の模式図。
この研究はJournal of Tribology International に報告されました。
参考文献
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[11] Von Diest K、Puschel A. 高速研削-交通を中断せずに定期的なレール研削による鉄道騒音の低減[C]//INTER-NOISEおよびNOISE-CON会議および会議議事録GW。騒音制御工学研究所、2013、247（2）：5206-5212。
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