砥石の構造設計
現在、国産の砥石の主な欠点の一つは、鋼製レールを焦がしやすいことである[1]。レールの研削工程では、研磨剤の研削効果(滑り、すき込み、切断)とバインダーとレール界面の摩擦が、研削熱の主な発生源となる[3]。熱(研削熱)と力(機械力)の結合効果により、レール材料中のパーライトはオーステナイト変態を起こし、その後、冷却中にマルテンサイトとフェライトを形成し、硬度が高く脆い白層構造となる。白層とパーライトの境界で部分的な亀裂が広がり、レールの早期破損を引き起こす[1](図1(a)参照)。研磨工程では、鋼製レールの表面がさまざまな程度の酸化を受け、研磨されたレールの色が異なります。黄色、青、紫は一般に「焦げ」と呼ばれます。Lin et al. [9]は鋼製レールに半人工熱電対を設置し、異なる研磨パラメータ下での研磨界面の温度をリアルタイムで監視した。彼らは、研磨温度と鋼製レール表面の焼け具合を比較し、図1(b)に示すように、焼け具合(色の変化)と研磨温度の関係モデルを確立した。これに基づいて、周ら[3]は、レール研磨中の温度と白層の厚さおよび焼成度との関係モデルを確立し、図1(c)に示すように、レール研磨パラメータを最適化するための新しい方法を提供した。上記の研究結果は、研削パラメータの最適化と研削熱の低減がレール焼けの改善に重要な方法であることを示しています。
図1 研削によるレールの焼損とホワイトエッチング層(WEL)
多くの学者が、砥石設計の観点からレール研削焼けのメカニズムを研究しています。張ら[2]の研究結果によると、白いコランダム砥石は最高の自己鋭利性と最も顕著な研削効果を持ち、最高の研削温度と最大の白層の厚さをもたらします。Yuanら[4]は、研削屑の排出に有益な細孔構造を砥石に予め作り付け、砥石の詰まりを減らし、研削温度を下げ、研磨された鋼レールの表面品質を改善します。王ら[5]は、砥石の硬度(N、R、P、T)が鋼レールの表面品質に及ぼす影響について研究を行い、その結果、砥石の硬度が増加するにつれて白層の厚さが増加することを示しました。したがって、砥石構造(細孔、研磨剤の組成)、硬度などを適切に調整することは、レールの焼けの改善にプラスの効果があります。
上記の研究結果は、研削パラメータと砥石の性能がレール研削焼けに影響を与える2つの主な要因であることを示しています。路線上の既存の研磨車両の場合、研磨効率を確保するために既存の車両構造の動作パラメータを大幅に調整することは困難です。したがって、砥石構造の設計と性能制御は、レール焼けを改善するための効果的な方法の1つです。 Wu et al. [7, 8]は、図2(a)に示すように、特定の配置でろう付けされたダイヤモンドプレハブブロックを砥石に埋め込みました。研磨結果は、複合砥石がレール研磨の効率を効果的に向上させ、研磨されたレールの表面粗さを低減し、レール焼けを改善できることを示しました。 Zhao Jinbo et al. [9]は、CaF2をポリエーテルエーテルケトンと結合して自己潤滑ジョイントブロックを形成し、図2(b)に示すように、それを砥石胚芽に配置することで自己潤滑砥石を準備しました。研削結果によると、自己潤滑ジョイントブロックは、砥石が摩耗するにつれて、砥石とレールの界面で継続的に解放され、研削熱が減少し、レールの焼けが改善されます。 ろう付けされたプレハブブロック、自己潤滑ジョイントブロックなどを砥石マトリックスに埋め込むと、砥石構造が不均一になり、低強度の界面(砥石マトリックス/インプラントブロック界面)が導入されるため、複合構造砥石の機械的特性(回転強度、動的バランスなど)を確保することが重要な課題です。 Wu et al。 [10]は、図2(c)に示すように、スリット付きのろう付けCBN研磨砥石を設計し、レールワークピースの焼けを改善しました。 しかし、砥石に使用されているろう付け層は、レール研削プロセス中の耐摩耗性が低く、砥石の耐用年数が極めて短いです。したがって、研削石構造の合理的な設計/調整は、研削熱の低減とレール焼けの改善にプラスの効果をもたらしますが、研削石が良好な物理的および化学的性質と作業性を備えていることを保証するために十分に考慮する必要がある前提条件です。
(a)予めセットされたダイヤモンドブロック砥石[7,8]
(b)プレセット自己潤滑ブロック砥石[9](c)スリット構造砥石[10]
図2. 砥石の構造設計
参照
[1]A Al-Juboori、DAVID Wexler、LI Huijun、他「レール鋼表面におけるスクワット形成と2つの異なるクラスの白色エッチング層の発生[J]」国際疲労誌、2017年、104:52-60。
[2]GUO Shuai, ZHAO Xiangji, HE Chenggang, et al. 水中環境下におけるレールの疲労損傷に対する研削痕の影響[J]. 中国機械工学、2019、30(08): 889-895。
[3]36[3] ZHOU Kun、DING Haohao、Steenbergen Michaël、et al.レール研削パラメータの関数としての温度場と材料応答[J]。International Journal of Heat and Mass Transfer、2021、175:12366。
[4]YUAN Yongjie、ZHANG Wulin、ZHANG Pengfei、他「レール研削における予疲労の軽減と材料除去効率の向上に向けた多孔質研削ホイール[J]」Tribology International、2021、154:106692
[5]WANG Ruixiang、ZHOU Kun、YANG Jinyu、et al. レール研削挙動に及ぼす研磨材と研削ホイールの硬度の影響[J]。摩耗、2020、454-455:203332。
[6]57[6] ZHANG Wulin、ZHANG Pengfei、ZHANG Jun、et al.レール研削挙動に対する研磨剤粒度の影響の調査[J]。製造プロセスジャーナル、2020年、53:388-395。
[7]XIAO Bing、XIAO Haozhong、XIAO Bo、他「高効率レール研削用研削ホイールおよびその製造方法:中国、CN 108453638 A[P]。」2018-08-28。
[8]WU Hengheng、XIAO Bing、XIAO Haozhong、他「異なる研削時間によるろう付けダイヤモンドシートの摩耗特性[J]」Wear、2019、432-433:202942。
[9]WU Hengheng、XIAO Bing、XIAO Haozhong、他「異なる圧力下におけるレール複合研削ホイール用ろう付けダイヤモンドシートの摩耗特性に関する研究[J]。」Wear、2019、424-425:183-192。
[10]LIN Bin、ZHOU Kun、GUO Jun、et al.研削パラメータが研削レールの表面温度と燃焼挙動に与える影響[J]。Tribology International、2018、122:151-162。