Het zelf-adaptieve slijpgedrag van het slijpen van hogesnelheidsrails onder de glijdende-rollende samengestelde bewegingen

De zelf-adaptieve slijpgedragingen van hogesnelheidsrails onder glijdende-rollende composietbewegingen waren gericht op het optimaliseren van de slijpprestaties en oppervlaktekwaliteit. Hogesnelheidsspoorwegen, gekenmerkt door hoge operationele snelheden en lichte aslasten, lijden vaak aan rolcontactvermoeidheid [1], wat leidt tot oppervlakteafbrokkeling [2-4], vermoeiingsscheuren [5,6] en breuken [7,8]. Deze problemen vereisen tijdig onderhoud om deveilige en betrouwbare exploitatie van spoorwegnetwerken. Traditionele technieken voor het slijpen van rails zijn gericht op het aanpakken van diepgewortelde defecten, maar resulteren vaak in inefficiënties, langere onderhoudstijden en thermische schade. Hogesnelheidsslijpen (HSG) is naar voren gekomen als een effectief alternatief, dat hogere slijpsnelheden (60-80 km/u) en kortere "onderhoudsvensters" biedt. In tegenstelling tot conventioneel slijpen, werkt HSG via glijdende-rollende composietbewegingen, aangedreven door wrijvingskrachten tussen slijpschijven (GW's) en het railoppervlak [9]. Dit unieke mechanisme maakt zowel materiaalverwijdering als abrasief zelf-slijpen mogelijk. De wisselwerking tussen glijdende en rollende bewegingen is echter onvoldoende onderzocht, waardoor het potentieel van HSG voor optimalisatie van railonderhoud wordt beperkt. In dit werk werd een zelfgemaakte HSG-testbank gebruikt om slijpomstandigheden op locatie te simuleren. Experimenten werden uitgevoerd onder verschillende contacthoeken (30°, 45° en 60°) en slijpbelastingen (500 N, 700 N en 900 N) [10, 11].

1. De verhouding van Slide-roll.De resultaten tonen aan dat glijdende-rollende composietbewegingen een cruciale rol spelen bij het beïnvloeden van slijpgedrag. De glijdende-rollende verhouding (SRR), gedefinieerd als de verhouding van glijsnelheid tot rolsnelheid, zoals weergegeven in Afb. 1, nam toe met zowel de contacthoek als de slijpbelasting, wat intuïtief veranderingen in de glijdende-rollende composietbeweging van de slijpparen weerspiegelde. De SRR groeide bijvoorbeeld van 0,18 bij een contacthoek van 30° naar 0,81 bij 60°. Deze verschuiving van een door rollen gedomineerde beweging naar een balans tussen glijden en rollen verbeterde de slijpresultaten aanzienlijk. De studie ontdekte dat een contacthoek van 45° de hoogste slijpefficiëntie opleverde, terwijl een contacthoek van 60° de beste oppervlaktekwaliteit opleverde. De oppervlakteruwheid (Ra) nam aanzienlijk af naarmate de contacthoek toenam, van 12,9 μm bij 30° tot 3,5 μm bij 60°, zoals weergegeven in Afb. 2 tot Afb. 4.

2. Door slijpen veroorzaakte WEL.Tijdens het slijpproces vinden er door de thermomechanische koppelingseffecten, waaronder hoge contactspanning, verhoogde temperaturen en snelle afkoeling, metallurgische transformaties en plastische vervormingen plaats op het railoppervlak. Deze veranderingen leiden tot de vorming van een brosse witte etslaag (WEL), die gevoelig is voor breuk onder cyclische spanningen door wiel-railcontact. Alle resultaten laten zien dat de gemiddelde dikte van de WEL minder dan 8 μm is, wat dunner is dan de actieve slijp-geïnduceerde WEL (~40 μm) [12, 13], zoals weergegeven in Fig.5. Dit fenomeen is waarschijnlijk gerelateerd aan de unieke kenmerken van de HSG-methode. Vergeleken met traditioneel actief slijpen, is bij HSG een enkel schurend deeltje slechts gedurende een korte periode betrokken bij het slijpproces tijdens één omwentelingscyclus, zelfs bij hoge contacthoeken. Het grootste deel van de tijd bevindt het schurende deeltje zich in de warmteafvoerperiode na het slijpen. Hierdoor krijgen de schurende deeltjes voldoende tijd om hun warmte af te voeren voordat ze weer gaan slijpen. Hierdoor worden de thermische omstandigheden op het slijpvlak verbeterd.

3. Maalafval.Analyse van slijpafval leverde aanvullende inzichten op in de mechanismen voor materiaalverwijdering, zoals weergegeven in Fig. 6 en Fig. 7. Vloeistofachtig en mesvormig afval, wat duidt op effectieve slijpprestaties, kwamen vaker voor bij hogere SRR's. Daarentegen waren blok- en gesneden afval dominant bij lagere contacthoeken, wat wijst op ontoereikende slijpprestaties. De aanwezigheid van bolvormig afval nam toe met slijpbelastingen, wat wijst op verhoogde slijptemperaturen. Deze observaties benadrukken het belang van het optimaliseren van slijpparameters om efficiëntie en thermische omstandigheden in evenwicht te brengen.

4. Mechanisme van de glijdende rollende samengestelde beweging.De studie onthulde ook de dynamische wisselwerking tussen glijdende en rollende bewegingen in het slijpproces, zoals weergegeven in Afb. 8. Glijden vergemakkelijkte het verwijderen van materiaal van het railoppervlak, terwijl rollen de afvoer van puin en het zelfscherpen van het schuurmiddel verbeterde. Deze dynamische balans is essentieel voor het bereiken van efficiënt slijpen met minimale thermische schade. Een te grote nadruk op beide bewegingen kan echter leiden tot suboptimale resultaten: rollende gedomineerde bewegingen verhogen de oppervlakteruwheid, terwijl glijdende gedomineerde bewegingen kunnen resulteren in verminderde vernieuwing van het schuurmiddel en verhoogde thermische schade.

5. Uitgebreide evaluatie.Uitgebreide evaluaties van slijpprestaties, waaronder slijpefficiëntie, oppervlakteruwheid en WEL-dikte, benadrukten de voordelen van het optimaliseren van glijdende-rollende composietbewegingen, zoals weergegeven in Afb. 9. De radardiagrammen van slijpprestaties onder verschillende belastingen en contacthoeken lieten zien dat een contacthoek van 45° de beste algehele balans tussen efficiëntie en kwaliteit opleverde. De contacthoek van 60° produceerde echter consequent de gladste oppervlakken, waardoor deze ideaal is voor de laatste slijpbeurten. Deze bevindingen suggereren dat gerichte aanpassingen aan slijpparameters effectief kunnen omgaan met wisselende schade aan het railoppervlak.

Dit onderzoek biedt praktische implicaties voor het onderhoud van hogesnelheidstreinen. Voor de eerste slijpbeurten maximaliseert een contacthoek van 45° de efficiëntie van materiaalverwijdering, terwijl een hoek van 60° zorgt voor een superieure oppervlaktekwaliteit in de afwerkingsfasen. De studie onderstreept het belang van het dynamisch balanceren van glijdende en rollende bewegingen om de slijpprestaties te verbeteren, de oppervlaktekwaliteit te verbeteren en de levensduur van slijpschijven te verlengen.

Concluderend benadrukt de studie de cruciale rol van glijdende-rollende composietbewegingen bij het slijpen van hogesnelheidsrails. Door de verhouding van glijdende en rollende acties te optimaliseren, kan HSG superieure slijpefficiëntie en oppervlaktekwaliteit bereiken, terwijl thermische schade wordt geminimaliseerd. Deze bevindingen bieden een theoretische basis voor het verbeteren van HSG-technologie en praktische richtlijnen voor het verbeteren van spooronderhoudspraktijken.

Afbeelding 1.Variatietrend van SRR, COF en rotatiesnelheid met slijpbelastingen en contacthoeken.

Afbeelding 2.Slijprendement onder verschillende contacthoeken en slijpbelastingen.

Afbeelding 3.De oppervlaktemorfologie van spoorstaafmonsters onder verschillende contacthoeken en slijpbelastingen.

Afbeelding 4.Oppervlakteruwheid en3D-morfologieënvan spoorstaafmonsters onder verschillende contacthoeken en slijpbelastingen.

Afbeelding 5.Optische dwarsdoorsnede- en SEM-metallografische beelden van de spoorstaafmonsters.

Afbeelding 6.Het type en de verhouding vanslijpafvalonder verschillende contacthoeken en slijpbelastingen.

Afbeelding 7.SEM-beelden en EDS-spectra voor verschillende soorten slijpresten.

Afbeelding 8.Schematisch diagram van het effect van glijdende-rollende composietbeweging op HSG.

Dit werk is gerapporteerd in het Journal of Tribology International.

Referenties

[1] Fan W, Wu C, Wu Z, et al. Statisch contactmechanisme tussen gekarteld contactwiel en rail bij railslijpen met schuurband[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ, et al. Scheurvoortplanting en mechanisme voor het afbrokkelen van het spooroppervlak op basis van peridynamica[J]. Journal of Tongji University, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L, et al. Eindige elementen simulaties van de reactie van wiel-rail impact geïnduceerd door wielloopvlak afbrokkeling van hogesnelheidstreinen[J]. Explosion and Shock Waves, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F, et al. Onderzoek naar slijtageschade door WEA-strips en vermoeiingsafbrokkeling van U71MnG-railmateriaal door laserblusbehandeling[J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Multischaalkarakterisering van kopcontrole-initiatie op rails onder rolcontactvermoeidheid: mechanische en microstructuuranalyse[J]. Wear, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV, et al. Bepaling van de groeisnelheid en -tijd van vermoeiingsscheuren in rails met behulp van vermoeiingsmacrolijnen[J]. Russian Metallurgy (Metally), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H, et al. Microstructureel onderzoek naar een spoorbreuk die gepaard gaat met squatdefecten[J]. Engineering Failure Analysis, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Microstructurele analyse en vermoeiingsbreukgedrag van railstaal[J]. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Hoge snelheid slijpen - vermindering van spoorweglawaai door regelmatig slijpen van het spoor zonder verkeersonderbrekingen [C] // INTER-NOISE en NOISE-CON Congres- en conferentieverslagen GW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247 (2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W, et al. Slijtageanalyse van het hogesnelheids-slijpvoertuig HSG-2: validatie, simulatie en vergelijking met metingen[M]//Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks Vol 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Hoge snelheid slijpen - vermindering van spoorweglawaai door regelmatig slijpen van het spoor zonder verkeersonderbrekingen [C] // INTER-NOISE en NOISE-CON Congres- en conferentieverslag GW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247 (2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF, et al. Post-field grinding evaluation of different rail grades in full-scale wheel/rail laboratory tests[J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S, et al. Oppervlaktescheurvorming op rails bij slijpgeïnduceerde martensietwitte etslagen[J]. Wear, 2017, 384: 8-14.