Gelagat Pengisaran Suai Kendiri Pengisaran Rel Berkelajuan Tinggi di bawah Pergerakan Komposit Gelongsor

Gelagat pengisaran boleh suai diri bagi rel berkelajuan tinggi di bawah gerakan komposit gelongsor tertumpu pada pengoptimuman prestasi pengisaran dan kualiti permukaan. Kereta api berkelajuan tinggi, dicirikan oleh kelajuan operasi yang tinggi dan beban gandar yang ringan, sering mengalami kelesuan sentuhan bergolek [1], yang membawa kepada spalling permukaan [2-4], retak lesu [5,6], dan patah tulang [7,8]. ]. Isu-isu ini memerlukan penyelenggaraan tepat pada masanya untuk memastikanoperasi rangkaian rel yang selamat dan boleh dipercayai. Teknik pengisaran rel tradisional bertujuan untuk menangani kecacatan yang mendalam tetapi sering mengakibatkan ketidakcekapan, masa penyelenggaraan yang dilanjutkan dan kerosakan haba. Pengisaran berkelajuan tinggi (HSG) telah muncul sebagai alternatif yang berkesan, menawarkan kelajuan pengisaran yang lebih tinggi (60–80 km/j) dan mengurangkan "tingkap penyelenggaraan." Tidak seperti pengisaran konvensional, HSG beroperasi melalui gerakan komposit menggelongsor, didorong oleh daya geseran antara roda pengisaran (GW) dan permukaan rel [9]. Mekanisme unik ini membolehkan kedua-dua penyingkiran bahan dan mengasah sendiri yang kasar. Walau bagaimanapun, interaksi antara gerakan gelongsor dan berguling tidak diterokai dengan secukupnya, mengehadkan potensi HSG untuk pengoptimuman penyelenggaraan rel. Dalam kerja ini, pelantar ujian HSG buatan sendiri telah digunakan untuk mensimulasikan keadaan pengisaran di tapak. Eksperimen telah dijalankan di bawah pelbagai sudut sentuhan (30°, 45°, dan 60°) dan beban pengisaran (500 N, 700 N, dan 900 N) [10, 11].

1. Nisbah Slaid-gulung.Keputusan menunjukkan bahawa gerakan komposit menggelongsor memainkan peranan penting dalam mempengaruhi tingkah laku pengisaran. Nisbah gelongsor-gelek (SRR), ditakrifkan sebagai nisbah kelajuan gelongsor kepada kelajuan gelek, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah.1, meningkat dengan kedua-dua sudut sentuhan dan beban pengisaran, yang secara intuitif mencerminkan perubahan dalam gerakan komposit gelongsor pengisaran. berpasangan. Sebagai contoh, SRR meningkat daripada 0.18 pada sudut sentuhan 30° kepada 0.81 pada 60°. Peralihan ini daripada gerakan yang dikuasai guling kepada keseimbangan antara gelongsor dan guling telah meningkatkan hasil pengisaran dengan ketara. Kajian mendapati bahawa sudut sentuhan 45° menghasilkan kecekapan pengisaran tertinggi, manakala sudut sentuhan 60° menghasilkan kualiti permukaan terbaik, Kekasaran permukaan (Ra) menurun dengan ketara apabila sudut sentuhan meningkat, daripada 12.9 μm pada 30° kepada 3.5 μm pada 60°, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah.2 hingga Rajah.4.

2. WEL akibat pengisaran.Semasa proses pengisaran, disebabkan oleh kesan gandingan termo-mekanikal, termasuk tegasan sentuhan tinggi, suhu tinggi, dan penyejukan pantas, transformasi metalurgi dan ubah bentuk plastik berlaku pada permukaan rel. Perubahan ini membawa kepada pembentukan lapisan goresan putih rapuh (WEL), yang terdedah kepada patah di bawah tegasan kitaran daripada sentuhan rel roda. Kesemua keputusan mendedahkan bahawa ketebalan purata WEL adalah kurang daripada 8 μm, yang lebih nipis daripada WEL yang disebabkan oleh pengisaran aktif (~40 μm) [12, 13], seperti yang ditunjukkan dalam Rajah.5. Fenomena ini berkemungkinan berkaitan dengan ciri unik kaedah HSG, Berbanding dengan pengisaran aktif tradisional, dalam HSG, zarah pelelas tunggal terlibat dalam proses pengisaran hanya untuk tempoh yang singkat semasa satu kitaran revolusi, walaupun pada sudut sentuhan yang tinggi. Untuk kebanyakan masa, zarah pelelas berada dalam tempoh pelesapan haba selepas pengisaran. Ini memastikan bahawa zarah pelelas mempunyai masa yang mencukupi untuk menghilangkan haba sebelum terlibat semula dalam pengisaran, menghasilkan keadaan terma yang lebih baik pada antara muka pengisaran.

3. Mengisar serpihan.Analisis serpihan pengisaran memberikan pandangan tambahan tentang mekanisme penyingkiran bahan, seperti ditunjukkan dalam Rajah.6 dan Rajah.7. Serpihan seperti aliran dan berbentuk pisau, yang menandakan prestasi pengisaran yang berkesan, lebih lazim pada SRR yang lebih tinggi. Sebaliknya, serpihan blok dan hirisan dominan pada sudut sentuhan yang lebih rendah, mencerminkan prestasi pengisaran yang tidak mencukupi. Kehadiran serpihan sfera meningkat dengan beban pengisaran, menunjukkan suhu pengisaran meningkat. Pemerhatian ini menyerlahkan kepentingan mengoptimumkan parameter pengisaran untuk mengimbangi kecekapan dan keadaan terma.

4. Mekanisme gerakan kompaun bergolek gelongsor.Kajian itu juga mendedahkan interaksi dinamik antara gerakan gelongsor dan bergolek dalam proses pengisaran, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah.8. Gelongsor memudahkan penyingkiran bahan dari permukaan rel, sambil melancarkan pelepasan serpihan yang dipertingkatkan dan mengasah sendiri yang kasar. Keseimbangan dinamik ini penting untuk mencapai pengisaran yang cekap dengan kerosakan haba yang minimum. Walau bagaimanapun, penekanan yang berlebihan pada mana-mana gerakan boleh membawa kepada hasil yang tidak optimum: gerakan yang dikuasai guling meningkatkan kekasaran permukaan, manakala gerakan yang dikuasai gelongsor boleh mengakibatkan pengurangan pembaharuan kasar dan peningkatan kerosakan haba.

5. Penilaian menyeluruh.Penilaian menyeluruh prestasi pengisaran, termasuk kecekapan pengisaran, kekasaran permukaan dan ketebalan WEL, menyerlahkan kelebihan mengoptimumkan gerakan komposit gelongsor, seperti ditunjukkan dalam Rajah.9. Carta radar prestasi pengisaran di bawah pelbagai beban dan sudut sentuhan menunjukkan bahawa sudut sentuhan 45° memberikan keseimbangan keseluruhan kecekapan dan kualiti yang terbaik. Walau bagaimanapun, sudut sentuhan 60° secara konsisten menghasilkan permukaan paling licin, menjadikannya sesuai untuk hantaran pengisaran akhir. Penemuan ini mencadangkan pelarasan yang disasarkan kepada parameter pengisaran boleh menangani pelbagai kerosakan permukaan rel dengan berkesan.

Penyelidikan ini menawarkan implikasi praktikal untuk penyelenggaraan rel berkelajuan tinggi. Untuk hantaran pengisaran awal, sudut sentuhan 45° memaksimumkan kecekapan penyingkiran bahan, manakala sudut 60° memastikan kualiti permukaan yang unggul dalam peringkat kemasan. Kajian ini menekankan kepentingan mengimbangi gerakan gelongsor dan guling secara dinamik untuk meningkatkan prestasi pengisaran, meningkatkan kualiti permukaan dan memanjangkan hayat perkhidmatan roda pengisar.

Kesimpulannya, kajian ini menyerlahkan peranan kritikal gerakan komposit gelongsor dalam pengisaran rel berkelajuan tinggi. Dengan mengoptimumkan perkadaran tindakan gelongsor dan guling, HSG boleh mencapai kecekapan pengisaran dan kualiti permukaan yang unggul sambil meminimumkan kerosakan haba. Penemuan ini menyediakan asas teori untuk memajukan teknologi HSG dan garis panduan praktikal untuk menambah baik amalan penyelenggaraan rel.

Rajah 1.Trend variasi SRR, COF dan kelajuan putaran dengan beban pengisaran dan sudut sentuhan.

Rajah 2.Kecekapan pengisaran di bawah sudut sentuhan dan beban pengisaran yang berbeza.

Rajah 3.Morfologi permukaan spesimen rel di bawah sudut sentuhan dan beban pengisaran yang berbeza.

Rajah 4.Kekasaran permukaan danmorfologi 3Dsampel rel di bawah sudut sentuhan dan beban pengisaran yang berbeza.

Rajah 5.Imej metalografi optik dan SEM keratan rentas spesimen rel.

Rajah 6.Jenis dan bahagianmengisar serpihandi bawah sudut sentuhan dan beban pengisaran yang berbeza.

Rajah 7.Imej SEM dan spektrum EDS untuk pelbagai jenis serpihan pengisaran.

Rajah 8.Gambar rajah skema kesan gerakan komposit gelongsor ke atas HSG.

Kerja ini telah dilaporkan di Journal of Tribology International.

Rujukan

[1] Fan W, Wu C, Wu Z, et al. Mekanisme sentuhan statik antara roda sentuhan bergerigi dan rel dalam pengisaran rel dengan tali pinggang kasar[J]. Jurnal Proses Pembuatan, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ, et al. Penyebaran retak dan mekanisme spalling permukaan rel berdasarkan peridinamik[J]. Jurnal Universiti Tongji, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L, et al. Simulasi elemen terhingga tindak balas hentaman rel roda yang disebabkan oleh spalling tapak roda kereta api berkelajuan tinggi[J]. Letupan dan Gelombang Kejutan, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F, et al. Kajian mengenai kerosakan kehausan WEA jalur dan keletihan bahan rel U71MnG oleh rawatan pelindapkejutan laser[J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Pencirian berbilang skala permulaan pemeriksaan kepala pada rel di bawah keletihan sentuhan bergolek: Analisis mekanikal dan mikrostruktur[J]. Pakai, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV, et al. Penentuan kadar pertumbuhan retak lesu dan masa dalam rel menggunakan makrolin kelesuan[J]. Metalurgi Rusia (Logam), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H, et al. Penyiasatan struktur mikro mengenai kegagalan keretakan rel yang dikaitkan dengan kecacatan jongkong[J]. Analisis Kegagalan Kejuruteraan, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Analisis mikrostruktur dan tingkah laku patah keletihan keluli rel[J]. Mekanik Bahan dan Struktur Termaju, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Pengurangan hingar kereta api pengisaran berkelajuan tinggi melalui pengisaran rel biasa tanpa gangguan lalu lintas[C]//INTER-NOISE dan NOISE-CON Congress and Conference ProceedinGW. Institut Kejuruteraan Kawalan Bunyi, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W, et al. Analisis haus kenderaan pengisar berkelajuan tinggi HSG-2: pengesahan, simulasi dan perbandingan dengan ukuran[M]//Dinamik Kenderaan di Jalan Raya dan Trek Vol 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Pengurangan hingar kereta api pengisaran berkelajuan tinggi melalui pengisaran rel biasa tanpa gangguan lalu lintas[C]//INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference ProceedinGW. Institut Kejuruteraan Kawalan Bunyi, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF, et al. Penilaian pengisaran pasca medan bagi gred rel yang berbeza dalam ujian makmal roda/rel skala penuh[J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S, et al. Pembentukan retakan permukaan pada rel semasa mengisar lapisan goresan putih martensit teraruh [J]. Pakai, 2017, 384: 8-14.