슬라이딩-롤링 복합 운동 하에서 고속 레일 연삭의 자기 적응 연삭 거동

슬라이딩 롤링 복합 운동 하에서 고속 레일의 자체 적응 연삭 거동은 연삭 성능과 표면 품질을 최적화하는 데 초점을 맞추었습니다. 높은 운전 속도와 가벼운 차축 하중을 특징으로 하는 고속 철도는 종종 롤링 접촉 피로[1]로 인해 표면 박리[2-4], 피로 균열[5,6] 및 파손[7,8]이 발생합니다. 이러한 문제로 인해 적시에 유지 관리가 필요합니다.철도망의 안전하고 안정적인 운영. 기존의 레일 연삭 기술은 깊이 자리 잡은 결함을 해결하는 것을 목표로 하지만 종종 비효율성, 연장된 유지 관리 시간 및 열 손상으로 이어집니다. 고속 연삭(HSG)은 더 높은 연삭 속도(60~80km/h)와 단축된 "유지 관리 기간"을 제공하는 효과적인 대안으로 등장했습니다. 기존 연삭과 달리 HSG는 연삭 휠(GW)과 레일 표면 사이의 마찰력에 의해 구동되는 슬라이딩-롤링 복합 동작을 통해 작동합니다[9]. 이 고유한 메커니즘은 재료 제거와 연마재 자체 연삭을 모두 가능하게 합니다. 그러나 슬라이딩 및 롤링 동작 간의 상호 작용은 충분히 탐구되지 않아 레일 유지 관리 최적화를 위한 HSG의 잠재력이 제한되었습니다. 이 작업에서는 자체 제작한 HSG 테스트 장비를 사용하여 현장 연삭 조건을 시뮬레이션했습니다. 실험은 다양한 접촉각(30°, 45° 및 60°)과 연삭 하중(500N, 700N 및 900N)에서 수행되었습니다[10, 11].

1. 슬라이드롤의 비율결과는 슬라이딩-롤링 복합 운동이 연삭 거동에 영향을 미치는 데 중요한 역할을 한다는 것을 보여줍니다.그림 1에 표시된 것처럼 슬라이딩 속도 대 롤링 속도의 비율로 정의된 슬라이딩-롤링 비율(SRR)은 접촉각과 연삭 하중에 따라 증가했으며, 이는 연삭 쌍의 슬라이딩-롤링 복합 운동의 변화를 직관적으로 반영했습니다.예를 들어, SRR은 30° 접촉각에서 0.18에서 60°에서 0.81로 증가했습니다.롤링이 지배하는 운동에서 슬라이딩과 롤링의 균형으로의 이러한 변화는 연삭 결과를 크게 개선했습니다.연구에 따르면 45° 접촉각이 가장 높은 연삭 효율을 생성하는 반면 60° 접촉각이 가장 좋은 표면 품질을 생성하는 것으로 나타났습니다.표면 거칠기(Ra)는 그림 2~4에 표시된 것처럼 30°에서 12.9μm에서 60°에서 3.5μm로 접촉각이 증가함에 따라 상당히 감소했습니다.

2. 연삭에 의한 WEL.연삭 공정 동안 높은 접촉 응력, 높은 온도 및 빠른 냉각을 포함한 열기계적 결합 효과로 인해 레일 표면에 야금적 변형과 소성 변형이 발생합니다. 이러한 변화로 인해 취성 백색 에칭 층(WEL)이 형성되고 휠-레일 접촉의 반복적 응력으로 인해 파손되기 쉽습니다. 모든 결과에 따르면 WEL의 평균 두께는 8μm 미만으로 그림 5에서 볼 수 있듯이 활성 연삭으로 유도된 WEL(~40μm) [12, 13]보다 얇습니다. 이 현상은 HSG 방법의 고유한 특성과 관련이 있을 가능성이 높습니다. 기존의 활성 연삭과 비교할 때 HSG에서는 단일 연마 입자가 높은 접촉각에서도 한 회전 주기 동안 짧은 기간 동안만 연삭 공정에 참여합니다. 대부분의 시간 동안 연마 입자는 연삭 후 방열 기간에 있습니다. 이를 통해 연마 입자가 연삭에 다시 참여하기 전에 열을 발산할 충분한 시간을 확보할 수 있어 연삭 계면의 열적 조건이 개선됩니다.

3. 분쇄 잔여물.그림 6과 그림 7에 표시된 것처럼 연삭 파편 분석은 재료 제거 메커니즘에 대한 추가적인 통찰력을 제공했습니다. 효과적인 연삭 성능을 나타내는 흐름과 칼 모양의 파편은 높은 SRR에서 더 흔했습니다. 반면, 블록과 슬라이스 파편은 낮은 접촉각에서 우세하여 연삭 성능이 부적절함을 반영했습니다. 구형 파편의 존재는 연삭 부하에 따라 증가하여 연삭 온도가 높아졌음을 나타냅니다. 이러한 관찰 결과는 효율성과 열 조건의 균형을 맞추기 위해 연삭 매개변수를 최적화하는 것의 중요성을 강조합니다.

4. 슬라이딩 롤링 복합 운동의 메커니즘.이 연구는 또한 Fig. 8에서 보듯이 연삭 공정에서 슬라이딩과 롤링 동작 사이의 동적 상호 작용을 밝혀냈습니다. 슬라이딩은 레일 표면에서 재료 제거를 용이하게 하는 반면 롤링은 파편 배출과 연마재 자체 연삭을 향상시켰습니다. 이러한 동적 균형은 최소한의 열 손상으로 효율적인 연삭을 달성하는 데 필수적입니다. 그러나 두 동작 중 하나에 지나치게 중점을 두면 최적이 아닌 결과가 나올 수 있습니다. 롤링이 우세한 동작은 표면 거칠기를 증가시키는 반면 슬라이딩이 우세한 동작은 연마재 재생을 줄이고 열 손상을 증가시킬 수 있습니다.

5. 종합평가연삭 효율, 표면 거칠기, WEL 두께를 포함한 연삭 성능에 대한 종합적인 평가는 그림 9에서와 같이 슬라이딩 롤링 복합 동작을 최적화하는 것의 이점을 강조했습니다. 다양한 하중과 접촉각에서 연삭 성능의 레이더 차트는 45° 접촉각이 효율성과 품질의 가장 좋은 전반적인 균형을 제공한다는 것을 보여주었습니다. 그러나 60° 접촉각은 일관되게 가장 매끄러운 표면을 생성하여 최종 연삭 패스에 이상적입니다. 이러한 결과는 연삭 매개변수에 대한 표적 조정이 다양한 레일 표면 손상을 효과적으로 해결할 수 있음을 시사합니다.

이 연구는 고속철도 유지관리에 대한 실질적인 의미를 제공합니다. 초기 연삭 패스의 경우 45° 접촉각은 재료 제거 효율을 극대화하는 반면 60° 각도는 마무리 단계에서 우수한 표면 품질을 보장합니다. 이 연구는 연삭 성능을 향상시키고, 표면 품질을 개선하고, 연삭 휠의 서비스 수명을 연장하기 위해 슬라이딩 및 롤링 동작을 동적으로 균형 잡는 것의 중요성을 강조합니다.

결론적으로, 이 연구는 고속 레일 연삭에서 슬라이딩-롤링 복합 모션의 중요한 역할을 강조합니다. 슬라이딩 및 롤링 동작의 비율을 최적화함으로써 HSG는 열 손상을 최소화하면서 뛰어난 연삭 효율과 표면 품질을 달성할 수 있습니다. 이러한 결과는 HSG 기술을 발전시키기 위한 이론적 토대와 레일 유지 관리 관행을 개선하기 위한 실용적인 지침을 제공합니다.

그림 1.연삭 하중과 접촉각에 따른 SRR, COF 및 회전 속도의 변화 추세입니다.

그림 2.다양한 접촉각과 연삭 하중에 따른 연삭 효율성.

그림 3.다양한 접촉각과 연삭 하중 하에서 철도 시편의 표면 형태.

그림 4.표면 거칠기 및3D 형태학다양한 접촉각과 연삭 하중을 받은 철도 샘플.

그림 5.레일 시편의 단면 광학 및 SEM 금속 조직 이미지입니다.

그림 6.종류 및 비율분쇄 파편다양한 접촉각과 연삭 하중 하에서.

그림 7.다양한 유형의 분쇄 파편에 대한 SEM 이미지와 EDS 스펙트럼입니다.

그림 8.HSG에 대한 슬라이딩-롤링 복합 운동의 효과에 대한 개략도.

이 연구는 Journal of Tribology International에 보고되었습니다.

참고문헌

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