พฤติกรรมการเจียรแบบปรับตัวอัตโนมัติของการเจียรรางความเร็วสูงภายใต้การเคลื่อนที่แบบผสมแบบเลื่อน-กลิ้ง

พฤติกรรมการบดที่ปรับตัวได้เองของรางความเร็วสูงภายใต้การเคลื่อนไหวแบบผสมแบบเลื่อน-กลิ้งเน้นที่การเพิ่มประสิทธิภาพการบดและคุณภาพพื้นผิวให้เหมาะสมที่สุด ทางรถไฟความเร็วสูงซึ่งมีลักษณะเด่นคือความเร็วในการทำงานสูงและน้ำหนักเพลาเบา มักประสบปัญหาความล้าจากการสัมผัสแบบกลิ้ง [1] ซึ่งนำไปสู่การแตกของพื้นผิว [2-4] รอยแตกร้าวจากความล้า [5,6] และรอยแตกร้าว [7,8] ปัญหาเหล่านี้จำเป็นต้องได้รับการบำรุงรักษาอย่างทันท่วงทีเพื่อให้แน่ใจว่าการดำเนินงานของเครือข่ายรางที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้เทคนิคการเจียรรางแบบดั้งเดิมมีจุดมุ่งหมายเพื่อแก้ไขข้อบกพร่องที่ฝังแน่น แต่บ่อยครั้งที่ส่งผลให้เกิดการไม่มีประสิทธิภาพ เวลาในการบำรุงรักษานานขึ้น และความเสียหายจากความร้อน การเจียรด้วยความเร็วสูง (HSG) ได้กลายมาเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพ โดยให้ความเร็วในการเจียรที่สูงกว่า (60–80 กม./ชม.) และ "ช่วงเวลาการบำรุงรักษา" ที่สั้นลง ซึ่งแตกต่างจากการเจียรแบบทั่วไป HSG ทำงานผ่านการเคลื่อนที่แบบผสมแบบเลื่อน-กลิ้ง ซึ่งขับเคลื่อนโดยแรงเสียดทานระหว่างล้อเจียร (GW) และพื้นผิวราง [9] กลไกเฉพาะตัวนี้ช่วยให้สามารถกำจัดวัสดุและลับคมได้ด้วยตัวเอง อย่างไรก็ตาม ปฏิสัมพันธ์ระหว่างการเคลื่อนที่แบบเลื่อนและแบบกลิ้งนั้นยังไม่ได้รับการสำรวจอย่างเพียงพอ ทำให้ศักยภาพของ HSG ในการเพิ่มประสิทธิภาพการบำรุงรักษารางมีจำกัด ในงานนี้ มีการใช้แท่นทดสอบ HSG ที่สร้างขึ้นเองเพื่อจำลองสภาพการเจียรในสถานที่ การทดลองดำเนินการภายใต้องศาการสัมผัสที่แตกต่างกัน (30°, 45° และ 60°) และภาระในการบด (500 N, 700 N และ 900 N) [10, 11]

1. อัตราส่วนของการสไลด์-ม้วนผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนที่แบบผสมระหว่างการเลื่อนและกลิ้งมีบทบาทสำคัญในการส่งผลต่อพฤติกรรมการบด อัตราส่วนการเลื่อนและกลิ้ง (SRR) ซึ่งกำหนดเป็นอัตราส่วนของความเร็วการเลื่อนต่อความเร็วการกลิ้งตามที่แสดงในรูปที่ 1 เพิ่มขึ้นตามทั้งมุมสัมผัสและภาระในการบด ซึ่งสะท้อนการเปลี่ยนแปลงในการเคลื่อนที่แบบผสมระหว่างการเลื่อนและกลิ้งของคู่บดได้อย่างชัดเจน ตัวอย่างเช่น SRR เพิ่มขึ้นจาก 0.18 ที่มุมสัมผัส 30° เป็น 0.81 ที่ 60° การเปลี่ยนแปลงจากการเคลื่อนที่แบบผสมระหว่างการกลิ้งไปเป็นความสมดุลระหว่างการเลื่อนและการกลิ้งนี้ทำให้ผลลัพธ์ของการบดดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ การศึกษาพบว่ามุมสัมผัส 45° ให้ประสิทธิภาพการบดสูงสุด ในขณะที่มุมสัมผัส 60° ให้คุณภาพพื้นผิวที่ดีที่สุด ความหยาบของพื้นผิว (Ra) ลดลงอย่างมากเมื่อมุมสัมผัสเพิ่มขึ้น จาก 12.9 μm ที่ 30° เป็น 3.5 μm ที่ 60° ตามที่แสดงในรูปที่ 2 ถึงรูปที่ 4

2. WEL ที่เกิดจากการบดในระหว่างกระบวนการเจียร เนื่องมาจากผลของการจับคู่ทางเทอร์โม-เมคานิค รวมทั้งความเค้นจากการสัมผัสที่สูง อุณหภูมิที่สูงขึ้น และการระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว การเปลี่ยนแปลงทางโลหะวิทยาและการเสียรูปพลาสติกจึงเกิดขึ้นบนพื้นผิวราง การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ส่งผลให้เกิดการสร้างชั้นกัดกร่อนสีขาวเปราะ (WEL) ซึ่งมีแนวโน้มที่จะแตกภายใต้ความเค้นแบบวงจรจากการสัมผัสระหว่างล้อกับราง ผลลัพธ์ทั้งหมดแสดงให้เห็นว่าความหนาเฉลี่ยของ WEL น้อยกว่า 8 μm ซึ่งบางกว่า WEL ที่เกิดจากการเจียรแบบแอคทีฟ (~40 μm) [12, 13] ตามที่แสดงในรูปที่ 5 ปรากฏการณ์นี้อาจเกี่ยวข้องกับลักษณะเฉพาะของวิธี HSG เมื่อเปรียบเทียบกับการเจียรแบบแอคทีฟแบบดั้งเดิม ใน HSG อนุภาคขัดเพียงอนุภาคเดียวจะเข้าสู่กระบวนการเจียรเพียงช่วงสั้นๆ ในรอบการหมุนหนึ่งรอบ แม้จะมีมุมสัมผัสที่สูงก็ตาม ในช่วงเวลาส่วนใหญ่ อนุภาคขัดจะอยู่ในช่วงการระบายความร้อนหลังการเจียร ซึ่งจะช่วยให้อนุภาคขัดมีเวลาเพียงพอที่จะระบายความร้อนออกก่อนที่จะเข้าสู่กระบวนการเจียรอีกครั้ง ส่งผลให้สภาวะความร้อนที่อินเทอร์เฟซการเจียรได้รับการปรับปรุงดีขึ้น

3. เศษวัสดุบดการวิเคราะห์เศษวัสดุจากการบดช่วยให้เข้าใจกลไกการกำจัดวัสดุได้ดีขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 6 และรูปที่ 7 เศษวัสดุที่มีลักษณะคล้ายกระแสน้ำและรูปร่างคล้ายมีด ซึ่งบ่งบอกถึงประสิทธิภาพการบดที่มีประสิทธิภาพ มักพบได้บ่อยขึ้นที่ SRR ที่สูงขึ้น ในทางตรงกันข้าม เศษวัสดุแบบบล็อกและแบบหั่นเป็นชิ้นมักพบมากที่มุมสัมผัสที่ต่ำกว่า ซึ่งสะท้อนถึงประสิทธิภาพการบดที่ไม่เพียงพอ การมีเศษวัสดุทรงกลมเพิ่มขึ้นตามภาระการบด ซึ่งบ่งชี้ถึงอุณหภูมิในการบดที่สูงขึ้น การสังเกตเหล่านี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของการปรับพารามิเตอร์การบดให้เหมาะสมที่สุดเพื่อให้ประสิทธิภาพและสภาวะความร้อนสมดุลกัน

4. กลไกของการเคลื่อนที่แบบผสมการกลิ้งแบบเลื่อนการศึกษาครั้งนี้ยังเผยให้เห็นปฏิสัมพันธ์แบบไดนามิกระหว่างการเคลื่อนที่แบบเลื่อนและแบบกลิ้งในกระบวนการเจียร ดังที่แสดงในรูปที่ 8 การเลื่อนช่วยให้สามารถเอาเศษวัสดุออกจากพื้นผิวรางได้สะดวกขึ้น ในขณะที่การกลิ้งช่วยให้เศษวัสดุถูกระบายออกได้ดีขึ้นและมีการลับคมตัวเองได้ดีขึ้น ความสมดุลแบบไดนามิกนี้มีความจำเป็นสำหรับการเจียรอย่างมีประสิทธิภาพโดยเกิดความเสียหายจากความร้อนน้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม การเน้นที่การเคลื่อนที่แบบใดแบบหนึ่งมากเกินไปอาจส่งผลให้ได้ผลลัพธ์ที่ไม่เหมาะสม การเคลื่อนที่แบบกลิ้งที่ควบคุมความหยาบของพื้นผิวจะเพิ่มความหยาบของพื้นผิว ในขณะที่การเคลื่อนที่แบบเลื่อนที่ควบคุมความหยาบอาจทำให้การขัดผิวใหม่ลดลงและเกิดความเสียหายจากความร้อนมากขึ้น

5. การประเมินผลแบบครอบคลุมการประเมินประสิทธิภาพการเจียรอย่างครอบคลุม รวมถึงประสิทธิภาพการเจียร ความหยาบของพื้นผิว และความหนาของ WEL เน้นย้ำถึงข้อดีของการปรับให้เหมาะสมของการเคลื่อนที่แบบเลื่อน-กลิ้งของคอมโพสิต ดังที่แสดงในรูปที่ 9 แผนภูมิเรดาร์ของประสิทธิภาพการเจียรภายใต้ภาระและมุมสัมผัสต่างๆ แสดงให้เห็นว่ามุมสัมผัส 45° ให้สมดุลโดยรวมที่ดีที่สุดระหว่างประสิทธิภาพและคุณภาพ อย่างไรก็ตาม มุมสัมผัส 60° ให้พื้นผิวที่เรียบเนียนที่สุดอย่างสม่ำเสมอ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเจียรขั้นสุดท้าย ผลการวิจัยเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าการปรับพารามิเตอร์การเจียรอย่างตรงเป้าหมายสามารถแก้ไขความเสียหายของพื้นผิวรางที่แตกต่างกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ

งานวิจัยนี้เสนอผลที่เป็นรูปธรรมสำหรับการบำรุงรักษารางความเร็วสูง สำหรับการเจียรเบื้องต้น มุมสัมผัส 45° จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการกำจัดวัสดุสูงสุด ในขณะที่มุม 60° ช่วยให้ได้คุณภาพพื้นผิวที่เหนือกว่าในขั้นตอนการตกแต่ง การศึกษานี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของการปรับสมดุลแบบไดนามิกระหว่างการเคลื่อนที่แบบเลื่อนและแบบกลิ้งเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเจียร ปรับปรุงคุณภาพพื้นผิว และยืดอายุการใช้งานของล้อเจียร

โดยสรุปแล้ว การศึกษานี้เน้นย้ำถึงบทบาทสำคัญของการเคลื่อนที่แบบผสมระหว่างการเลื่อนและการกลิ้งในการเจียรรางความเร็วสูง โดยการปรับสัดส่วนของการเลื่อนและการกลิ้งให้เหมาะสม HSG จึงสามารถบรรลุประสิทธิภาพการเจียรและคุณภาพพื้นผิวที่เหนือกว่าในขณะที่ลดความเสียหายจากความร้อนให้น้อยที่สุด ผลการค้นพบเหล่านี้ให้รากฐานทางทฤษฎีสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยี HSG และแนวทางปฏิบัติในการปรับปรุงแนวทางการบำรุงรักษาราง

รูปที่ 1.แนวโน้มการเปลี่ยนแปลงของ SRR, COF และความเร็วในการหมุนตามโหลดการบดและมุมสัมผัส

รูปที่ 2.ประสิทธิภาพการบดภายใต้มุมสัมผัสและภาระการบดที่แตกต่างกัน

รูปที่ 3.สัณฐานวิทยาพื้นผิวของตัวอย่างรางภายใต้มุมสัมผัสและภาระการบดที่แตกต่างกัน

รูปที่ 4.ความหยาบของพื้นผิวและสัณฐานวิทยา 3 มิติของตัวอย่างรางภายใต้มุมสัมผัสและภาระการบดที่แตกต่างกัน

รูปที่ 5.ภาพตัดขวางทางแสงและภาพโลหะวิทยาด้วย SEM ของตัวอย่างราง

รูปที่ 6.ชนิดและสัดส่วนของเศษซากจากการบดภายใต้มุมการสัมผัสและภาระการบดที่แตกต่างกัน

รูปที่ 7.ภาพ SEM และสเปกตรัม EDS สำหรับเศษวัสดุจากการบดประเภทต่างๆ

รูปที่ 8.แผนผังแสดงผลกระทบของการเคลื่อนที่แบบผสมแบบเลื่อน-กลิ้งบน HSG

งานนี้ได้รับการรายงานในวารสาร Tribology International

อ้างอิง

[1] Fan W, Wu C, Wu Z และคณะ กลไกการสัมผัสแบบสถิตระหว่างล้อสัมผัสหยักและรางในการเจียรรางด้วยสายพานขัด[J] วารสารกระบวนการผลิต 2022, 84: 1229-1245

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ และคณะ การแพร่กระจายของรอยแตกร้าวและกลไกการแตกของผิวรางตามหลักปริภูมิพลศาสตร์[J] วารสารมหาวิทยาลัย Tongji, 2023, 51(6): 912-922

[3] Wang JN, Guo X, Jing L และคณะ การจำลององค์ประกอบไฟไนต์ของการตอบสนองต่อแรงกระแทกของล้อ-รางที่เกิดจากการหลุดร่อนของดอกยางของรถไฟความเร็วสูง[J] การระเบิดและคลื่นกระแทก 2022, 42(4): 045103-1-045103-15

[4] Hua J, Liu J, Liu F และคณะ การศึกษาความเสียหายจากการสึกหรอของแถบ WEA และการแตกร้าวจากความล้าของวัสดุราง U71MnG โดยการบำบัดด้วยการดับด้วยเลเซอร์[J] Tribology International, 2022, 175: 107811

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. การจำแนกลักษณะหลายระดับของการเริ่มตรวจสอบหัวบนรางภายใต้ความล้าจากการสัมผัสแบบกลิ้ง: การวิเคราะห์เชิงกลและโครงสร้างจุลภาค [J] Wear, 2016, 366: 383-391

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV และคณะ การกำหนดอัตราการเติบโตของรอยแตกร้าวจากความล้าและเวลาในรางโดยใช้เส้นแมโครไลน์จากความล้า[J] Russian Metallurgy (Metally), 2020, 2020: 477-482

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H และคณะ การตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคเกี่ยวกับความล้มเหลวของรอยแตกรางที่สัมพันธ์กับข้อบกพร่องในท่านั่งยอง [J] การวิเคราะห์ความล้มเหลวทางวิศวกรรม 2023, 151: 107411

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. การวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคและพฤติกรรมการแตกจากความล้าของเหล็กราง[J] กลศาสตร์ของวัสดุและโครงสร้างขั้นสูง 2020, 27(2): 152-164

[9] Von Diest K, Puschel A. การลดเสียงรบกวนทางรถไฟด้วยเครื่องบดรางแบบความเร็วสูงโดยไม่รบกวนการจราจร[C]//INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference ProceedinGW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W และคณะ การวิเคราะห์การสึกหรอของยานยนต์ที่เจียรด้วยความเร็วสูง HSG-2: การตรวจสอบ การจำลอง และการเปรียบเทียบกับการวัด[M]//พลวัตของยานยนต์บนถนนและรางรถไฟ Vol 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. การลดเสียงรบกวนทางรถไฟด้วยเครื่องบดรางแบบความเร็วสูงโดยไม่รบกวนการจราจร[C]//INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference ProceedinGW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF และคณะ การประเมินการเจียรหลังสนามของเกรดรางต่างๆ ในการทดสอบในห้องปฏิบัติการล้อ/รางเต็มรูปแบบ[J] Tribology International, 2023, 177: 107980

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S และคณะ การเกิดรอยแตกร้าวบนพื้นผิวรางที่ชั้นการกัดกร่อนสีขาวของมาร์เทนไซต์ที่เกิดจากการบด [J] Wear, 2017, 384: 8-14