Samoadaptacyjne zachowania szlifierskie szlifowania szyn o dużej prędkości w ruchu ślizgowo-tocznym

Samoadaptacyjne zachowania szlifierskie kolei dużych prędkości w ruchu ślizgowo-tocznym kompozytu skupiały się na optymalizacji wydajności szlifowania i jakości powierzchni. Koleje dużych prędkości, charakteryzujące się wysokimi prędkościami roboczymi i niewielkimi obciążeniami osi, często cierpią na zmęczenie styku tocznego [1], co prowadzi do łuszczenia się powierzchni [2-4], pęknięć zmęczeniowych [5,6] i pęknięć [7,8]. Problemy te wymagają terminowej konserwacji w celu zapewnieniabezpieczna i niezawodna eksploatacja sieci kolejowych. Tradycyjne techniki szlifowania szyn mają na celu usuwanie głęboko osadzonych defektów, ale często skutkują nieefektywnością, wydłużonym czasem konserwacji i uszkodzeniami termicznymi. Szlifowanie wysokoobrotowe (HSG) wyłoniło się jako skuteczna alternatywa, oferująca wyższe prędkości szlifowania (60–80 km/h) i skrócone „okna konserwacyjne”. W przeciwieństwie do konwencjonalnego szlifowania, HSG działa poprzez ślizgowo-toczne ruchy kompozytowe, napędzane siłami tarcia między kołami szlifierskimi (GW) a powierzchnią szyny [9]. Ten unikalny mechanizm umożliwia zarówno usuwanie materiału, jak i samoostrzenie ścierniwa. Jednak wzajemne oddziaływanie między ruchami ślizgowymi i tocznymi nie zostało wystarczająco zbadane, co ogranicza potencjał HSG w optymalizacji konserwacji szyn. W tej pracy wykorzystano domowej roboty stanowisko testowe HSG do symulacji warunków szlifowania na miejscu. Eksperymenty przeprowadzono przy różnych kątach styku (30°, 45° i 60°) i obciążeniach szlifierskich (500 N, 700 N i 900 N) [10, 11].

1. Stosunek Slide-roll.Wyniki pokazują, że ruchy ślizgowo-toczne kompozytu odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu zachowania szlifowania. Współczynnik ślizgowo-toczny (SRR), zdefiniowany jako stosunek prędkości ślizgania do prędkości toczenia, jak pokazano na rys. 1, wzrastał zarówno wraz z kątem styku, jak i obciążeniem szlifowania, co intuicyjnie odzwierciedlało zmiany w ruchu ślizgowo-tocznym kompozytu par szlifierskich. Na przykład SRR wzrósł z 0,18 przy kącie styku 30° do 0,81 przy 60°. To przejście od ruchu zdominowanego przez toczenie do równowagi między ślizganiem i toczeniem znacznie poprawiło wyniki szlifowania. Badanie wykazało, że kąt styku 45° zapewniał najwyższą wydajność szlifowania, podczas gdy kąt styku 60° zapewniał najlepszą jakość powierzchni. Chropowatość powierzchni (Ra) znacznie spadała wraz ze wzrostem kąta styku, z 12,9 μm przy 30° do 3,5 μm przy 60°, jak pokazano na rys. 2 do rys. 4.

2. WEL wywołany szlifowaniem.Podczas procesu szlifowania, ze względu na efekty sprzężenia termo-mechanicznego, w tym wysokie naprężenia kontaktowe, podwyższone temperatury i szybkie chłodzenie, na powierzchni szyny zachodzą przemiany metalurgiczne i odkształcenia plastyczne. Zmiany te prowadzą do powstania kruchej białej warstwy trawionej (WEL), która jest podatna na pękanie pod wpływem cyklicznych naprężeń wynikających z kontaktu koło-szyna. Wszystkie wyniki pokazują, że średnia grubość WEL wynosi mniej niż 8 μm, co jest wartością cieńszą niż WEL wywołana aktywnym szlifowaniem (~40 μm) [12, 13], jak pokazano na rys. 5. Zjawisko to jest prawdopodobnie związane z unikalnymi cechami metody HSG. W porównaniu do tradycyjnego aktywnego szlifowania, w HSG pojedyncza cząstka ścierna angażuje się w proces szlifowania tylko przez krótki okres podczas jednego cyklu obrotowego, nawet przy dużych kątach styku. Przez większość czasu cząstka ścierna znajduje się w okresie rozpraszania ciepła po szlifowaniu. Dzięki temu cząstka ścierna ma wystarczająco dużo czasu na rozproszenie ciepła przed ponownym rozpoczęciem szlifowania, co przekłada się na poprawę warunków cieplnych na styku powierzchni szlifowania.

3. Odpady powstałe w wyniku szlifowania.Analiza resztek szlifowania dostarczyła dodatkowych informacji na temat mechanizmów usuwania materiału, jak pokazano na rys. 6 i rys. 7. Odpady w kształcie strumienia i noża, które oznaczają skuteczną wydajność szlifowania, były bardziej powszechne przy wyższych SRR. Natomiast blokowe i krojone szczątki dominowały przy niższych kątach styku, odzwierciedlając niewystarczającą wydajność szlifowania. Obecność sferycznych resztek wzrastała wraz z obciążeniami szlifowania, co wskazuje na podwyższone temperatury szlifowania. Obserwacje te podkreślają znaczenie optymalizacji parametrów szlifowania w celu zrównoważenia wydajności i warunków termicznych.

4. Mechanizm ruchu ślizgowo-tocznego.Badanie ujawniło również dynamiczną interakcję między ruchami ślizgowymi i tocznymi w procesie szlifowania, jak pokazano na rys. 8. Ślizganie ułatwiało usuwanie materiału z powierzchni szyny, podczas gdy toczenie poprawiało usuwanie zanieczyszczeń i samoostrzenie się ścierniwa. Ta równowaga dynamiczna jest niezbędna do osiągnięcia wydajnego szlifowania przy minimalnym uszkodzeniu cieplnym. Jednak nadmierne skupienie się na każdym z tych ruchów może prowadzić do suboptymalnych rezultatów: ruch zdominowany przez toczenie zwiększa chropowatość powierzchni, podczas gdy ruch zdominowany przez ślizganie może skutkować zmniejszoną odnową ścierniwa i zwiększonym uszkodzeniem cieplnym.

5. Ocena kompleksowa.Kompleksowe oceny wydajności szlifowania, w tym wydajności szlifowania, chropowatości powierzchni i grubości WEL, podkreśliły zalety optymalizacji ruchów kompozytowych ślizgowo-tocznych, jak pokazano na rys. 9. Wykresy radarowe wydajności szlifowania przy różnych obciążeniach i kątach styku wykazały, że kąt styku 45° zapewnia najlepszą ogólną równowagę wydajności i jakości. Jednak kąt styku 60° konsekwentnie dawał najgładsze powierzchnie, co czyni go idealnym do końcowych przejść szlifowania. Te ustalenia sugerują, że ukierunkowane dostosowania parametrów szlifowania mogą skutecznie rozwiązywać problemy ze zmiennymi uszkodzeniami powierzchni szyny.

Niniejsze badania oferują praktyczne implikacje dla konserwacji kolei dużych prędkości. W przypadku początkowych przejść szlifierskich kąt styku 45° maksymalizuje wydajność usuwania materiału, podczas gdy kąt 60° zapewnia lepszą jakość powierzchni w etapach wykańczania. Badanie podkreśla znaczenie dynamicznego równoważenia ruchów ślizgowych i tocznych w celu zwiększenia wydajności szlifowania, poprawy jakości powierzchni i wydłużenia żywotności tarcz szlifierskich.

Podsumowując, badanie podkreśla krytyczną rolę ślizgowo-tocznych ruchów kompozytowych w szlifowaniu szyn o dużej prędkości. Poprzez optymalizację proporcji działań ślizgowych i tocznych HSG może osiągnąć wyższą wydajność szlifowania i jakość powierzchni, jednocześnie minimalizując uszkodzenia termiczne. Odkrycia te stanowią teoretyczne podstawy do rozwoju technologii HSG i praktyczne wytyczne dotyczące poprawy praktyk konserwacji szyn.

Rys. 1.Trend zmian SRR, COF i prędkości obrotowej w zależności od obciążeń szlifierskich i kątów styku.

Rys. 2.Wydajność szlifowania przy różnych kątach styku i obciążeniach szlifierskich.

Rys. 3.Morfologia powierzchni próbek szyn pod różnymi kątami kontaktu i przy różnych obciążeniach ściernych.

Rys. 4.Chropowatość powierzchni iMorfologie 3Dpróbek szyn pod różnymi kątami styku i obciążeniami ściernymi.

Rys. 5.Obrazy optyczne i metalograficzne SEM przekroju poprzecznego próbek szyn.

Rys. 6.Rodzaj i proporcjegruz szlifierskiprzy różnych kątach styku i obciążeniach szlifierskich.

Rys. 7.Obrazy SEM i widma EDS dla różnych rodzajów zanieczyszczeń powstających podczas szlifowania.

Rys. 8.Schematyczny diagram przedstawiający wpływ ruchu ślizgowo-tocznego kompozytu na HSG.

Wyniki tej pracy opublikowano w czasopiśmie Journal of Tribology International.

Odniesienia

[1] Fan W, Wu C, Wu Z i in. Mechanizm statycznego kontaktu między ząbkowanym kołem kontaktowym a szyną podczas szlifowania szyn za pomocą pasa ściernego [J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ i in. Mechanizm propagacji pęknięć i łuszczenia się powierzchni szyny oparty na perydynamice[J]. Journal of Tongji University, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L i in. Symulacje elementów skończonych reakcji koła na uderzenie w szynę wywołane odpryskiwaniem bieżnika koła pociągu dużych prędkości [J]. Explosion and Shock Waves, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F i in. Badanie uszkodzeń spowodowanych zużyciem taśmy WEA i odpryskiwaniem zmęczeniowym materiału szyny U71MnG w wyniku obróbki hartowaniem laserowym [J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Wieloskalowa charakterystyka inicjacji kontroli główki szyn w warunkach zmęczenia styku tocznego: analiza mechaniczna i mikrostrukturalna [J]. Wear, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV i in. Określanie szybkości i czasu wzrostu pęknięć zmęczeniowych w szynach przy użyciu makrolinii zmęczeniowych [J]. Russian Metallurgy (Metally), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H i in. Badanie mikrostrukturalne pęknięcia szyny związanego z defektami typu squat [J]. Analiza awarii inżynieryjnych, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Analiza mikrostrukturalna i zachowanie się stali szynowej pod kątem pękania zmęczeniowego [J]. Mechanika zaawansowanych materiałów i struktur, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Redukcja hałasu kolejowego przy szybkim szlifowaniu poprzez regularne szlifowanie szyn bez przerywania ruchu [C]//INTER-NOISE i NOISE-CON Congress and Conference ProceedinGW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W i in. Analiza zużycia pojazdu szlifierskiego o dużej prędkości HSG-2: walidacja, symulacja i porównanie z pomiarami[M]//Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks Vol 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Redukcja hałasu kolejowego przy szybkim szlifowaniu poprzez regularne szlifowanie szyn bez przerywania ruchu [C]//INTER-NOISE i NOISE-CON Congress and Conference ProceedinGW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF i in. Ocena szlifowania różnych klas szyn po zakończeniu prac polowych w pełnoskalowych laboratoryjnych testach kół/szyn [J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S i in. Powstawanie pęknięć powierzchniowych na szynach przy szlifowaniu warstw białego trawienia martenzytu [J]. Wear, 2017, 384: 8-14.