Самоадаптивные характеристики шлифования высокоскоростных рельсов при скользяще-качающихся составных движениях

Самоадаптивное шлифовальное поведение высокоскоростного рельса при скользяще-качающихся составных движениях направлено на оптимизацию производительности шлифования и качества поверхности. Высокоскоростные железные дороги, характеризующиеся высокими рабочими скоростями и небольшими осевыми нагрузками, часто страдают от усталости при качении [1], что приводит к скалыванию поверхности [2-4], усталостным трещинам [5,6] и разрывам [7,8]. Эти проблемы требуют своевременного обслуживания для обеспечениябезопасная и надежная эксплуатация железнодорожных сетей. Традиционные методы шлифования рельсов направлены на устранение глубоко укоренившихся дефектов, но часто приводят к неэффективности, увеличению времени обслуживания и термическим повреждениям. Высокоскоростное шлифование (HSG) стало эффективной альтернативой, предлагая более высокие скорости шлифования (60–80 км/ч) и сокращенные «окна обслуживания». В отличие от обычного шлифования, HSG работает посредством скользяще-качающихся составных движений, приводимых в действие силами трения между шлифовальными кругами (GW) и поверхностью рельса [9]. Этот уникальный механизм обеспечивает как удаление материала, так и абразивную самозаточку. Однако взаимодействие между скользящими и катящимися движениями изучено недостаточно, что ограничивает потенциал HSG для оптимизации обслуживания рельсов. В этой работе для моделирования условий шлифования на месте использовался самодельный испытательный стенд HSG. Эксперименты проводились при различных углах контакта (30°, 45° и 60°) и нагрузках шлифования (500 Н, 700 Н и 900 Н) [10, 11].

1. Соотношение скольжения-качения.Результаты показывают, что составные движения скольжения-качения играют решающую роль в влиянии на поведение шлифования. Коэффициент скольжения-качения (SRR), определяемый как отношение скорости скольжения к скорости качения, как показано на рис. 1, увеличивался как с углом контакта, так и с нагрузкой шлифования, что интуитивно отражало изменения в составном движении скольжения-качения шлифовальных пар. Например, SRR увеличивался с 0,18 при угле контакта 30° до 0,81 при 60°. Этот переход от движения с преобладанием качения к балансу между скольжением и качением значительно улучшал результаты шлифования. Исследование показало, что угол контакта 45° обеспечивал самую высокую эффективность шлифования, в то время как угол контакта 60° давал наилучшее качество поверхности. Шероховатость поверхности (Ra) существенно уменьшалась с увеличением угла контакта с 12,9 мкм при 30° до 3,5 мкм при 60°, как показано на рис. 2–4.

2. WEL, вызванный шлифованием.В процессе шлифования из-за термомеханических эффектов сопряжения, включая высокое контактное напряжение, повышенные температуры и быстрое охлаждение, на поверхности рельса происходят металлургические превращения и пластическая деформация. Эти изменения приводят к образованию хрупкого белого слоя травления (WEL), который склонен к разрушению под действием циклических напряжений от контакта колеса с рельсом. Все результаты показывают, что средняя толщина WEL составляет менее 8 мкм, что тоньше, чем WEL, вызванный активным шлифованием (~40 мкм) [12, 13], как показано на рис. 5. Это явление, вероятно, связано с уникальными характеристиками метода HSG. По сравнению с традиционным активным шлифованием, в HSG одна абразивная частица участвует в процессе шлифования только в течение короткого периода времени в течение одного цикла оборота, даже при больших углах контакта. Большую часть времени абразивная частица находится в периоде рассеивания тепла после шлифования. Это гарантирует, что абразивная частица имеет достаточно времени для рассеивания тепла перед повторным включением в процесс шлифования, что приводит к улучшению тепловых условий на границе шлифования.

3. Измельчение мусора.Анализ шлифовальных отходов предоставил дополнительную информацию о механизмах удаления материала, как показано на рис. 6 и рис. 7. Потокообразные и ножевидные отходы, которые указывают на эффективную производительность шлифования, были более распространены при более высоких SRR. Напротив, блочные и нарезанные отходы доминировали при более низких углах контакта, что отражает недостаточную производительность шлифования. Наличие сферических отходов увеличивалось с нагрузками шлифования, что указывает на повышенные температуры шлифования. Эти наблюдения подчеркивают важность оптимизации параметров шлифования для баланса эффективности и тепловых условий.

4. Механизм скользящего движения роликового состава.Исследование также выявило динамическое взаимодействие между скользящими и качением в процессе шлифования, как показано на рис. 8. Скольжение облегчало удаление материала с поверхности рельса, в то время как качение усиливало выброс стружки и самозатачивание абразива. Этот динамический баланс необходим для достижения эффективного шлифования с минимальным термическим повреждением. Однако чрезмерный акцент на любом из движений может привести к неоптимальным результатам: движение с преобладанием качения увеличивает шероховатость поверхности, в то время как движение с преобладанием скольжения может привести к снижению обновления абразива и увеличению термического повреждения.

5. Комплексная оценка.Комплексные оценки производительности шлифования, включая эффективность шлифования, шероховатость поверхности и толщину WEL, выявили преимущества оптимизации скользяще-качающихся составных движений, как показано на рис. 9. Радарные диаграммы производительности шлифования при различных нагрузках и углах контакта показали, что угол контакта 45° обеспечивает наилучший общий баланс эффективности и качества. Однако угол контакта 60° неизменно обеспечивает самые гладкие поверхности, что делает его идеальным для чистовых проходов шлифования. Эти результаты показывают, что целенаправленные корректировки параметров шлифования могут эффективно решать различные повреждения поверхности рельса.

Это исследование предлагает практические выводы для обслуживания высокоскоростных рельсов. Для начальных проходов шлифования угол контакта 45° максимизирует эффективность удаления материала, в то время как угол 60° обеспечивает превосходное качество поверхности на этапах финишной обработки. Исследование подчеркивает важность динамической балансировки скользящих и качения движений для повышения производительности шлифования, улучшения качества поверхности и продления срока службы шлифовальных кругов.

В заключение следует отметить, что исследование подчеркивает критическую роль скользяще-качающихся составных движений при высокоскоростном шлифовании рельсов. Оптимизируя соотношение скользящих и качающихся действий, HSG может достичь превосходной эффективности шлифования и качества поверхности, одновременно минимизируя термические повреждения. Эти результаты дают теоретическую основу для развития технологии HSG и практические рекомендации по улучшению практики обслуживания рельсов.

Рис. 1.Тенденция изменения SRR, COF и скорости вращения в зависимости от шлифовальных нагрузок и углов контакта.

Рис. 2.Эффективность шлифования при различных углах контакта и шлифовальных нагрузках.

Рис. 3.Морфология поверхности образцов рельсов при различных углах контакта и шлифовальных нагрузках.

Рис. 4.Шероховатость поверхности и3D морфологииобразцов рельсов при различных углах контакта и нагрузках шлифования.

Рис. 5.Поперечные оптические и металлографические изображения образцов рельсов, полученные с помощью СЭМ.

Рис. 6.Тип и пропорцияизмельчение мусорапри различных углах контакта и шлифовальных нагрузках.

Рис. 7.Снимки СЭМ и спектры ЭДС для различных типов шлифовальных отходов.

Рис. 8.Принципиальная схема влияния скользяще-качательного составного движения на HSG.

Эта работа была опубликована в журнале Journal of Tribology International.

Ссылки

[1] Fan W, Wu C, Wu Z и др. Механизм статического контакта между зубчатым контактным колесом и рельсом при шлифовании рельсов абразивной лентой [J]. Журнал производственных процессов, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Чэн ЗН, Чжоу И, Ли ПДж и др. Распространение трещин и механизм откола поверхности рельса на основе перидинамики [J]. Журнал Университета Тунцзи, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Ван Дж. Н., Го С., Цзин Л. и др. Моделирование методом конечных элементов реакции на удар колеса о рельс, вызванной отколом беговой дорожки колеса высокоскоростных поездов [J]. Взрывы и ударные волны, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Хуа Дж., Лю Дж., Лю Ф. и др. Исследование износа WEA полосы и усталостного выкрашивания рельсового материала U71MnG с помощью лазерной закалки [J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Бенуа Д., Салима Б., Марион Р. Многомасштабная характеристика возникновения трещин на головке рельсов при усталости при качении: механический и микроструктурный анализ [J]. Износ, 2016, 366: 383-391.

[6] Шур Е.А., Борц А.И., Базанова Л.В. и др. Определение скорости и времени роста усталостной трещины в рельсах с использованием усталостных макролиний [J]. Металлургия России (Metally), 2020, 2020: 477-482.

[7] Аль-Джубури А., Чжу Х., Ли Х. и др. Микроструктурное исследование разрушения рельса, связанного с дефектами приседания [J]. Анализ инженерных отказов, 2023, 151: 107411.

[8] Масуди Неджад Р., Фархангдуст К., Шариати М. Микроструктурный анализ и поведение усталостного разрушения рельсовой стали [J]. Механика современных материалов и конструкций, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Фон Дист К., Пушель А. Снижение шума на высокоскоростной железной дороге за счет регулярной шлифовки рельсов без прерывания движения [C] // Труды конгресса и конференции INTER-NOISE и NOISE-CON в Джорджии. Институт техники контроля шума, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Фон Дист К., Ферраротти Г., Кик В. и др. Анализ износа высокоскоростного шлифовального транспортного средства HSG-2: проверка, моделирование и сравнение с измерениями [M] // Динамика транспортных средств на дорогах и путях. Том 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Фон Дист К., Пушель А. Снижение шума на высокоскоростной железной дороге за счет регулярной шлифовки рельсов без прерывания движения [C] // Труды конгресса и конференции INTER-NOISE и NOISE-CON в Джорджии. Институт техники контроля шума, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Месаритис М., Санта Дж. Ф., Молина Л. Ф. и др. Оценка после шлифования различных марок рельсов в полномасштабных лабораторных испытаниях колес/рельсов [J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Расмуссен К.Дж., Фэстер С., Дхар С. и др. Образование поверхностных трещин на рельсах при шлифовании, вызванное белыми слоями травления мартенсита [J]. Wear, 2017, 384: 8-14.