Yüksek Hızlı Ray Taşlamasının Kayan-Yuvarlanan Kompozit Hareketler Altında Öz-Uyarlamalı Taşlama Davranışları

Kayan-yuvarlanan kompozit hareketler altında yüksek hızlı rayların kendi kendine uyarlanan taşlama davranışları, taşlama performansını ve yüzey kalitesini optimize etmeye odaklanmıştır. Yüksek işletme hızları ve hafif aks yükleriyle karakterize edilen yüksek hızlı demiryolları, genellikle yuvarlanma temas yorgunluğundan muzdariptir [1], bu da yüzey dökülmesine [2-4], yorulma çatlaklarına [5,6] ve kırıklara [7,8] yol açar. Bu sorunlar, zamanında bakım gerektirirdemir yolu ağlarının güvenli ve güvenilir bir şekilde işletilmesi. Geleneksel ray taşlama teknikleri, derinlerde yatan kusurları gidermeyi amaçlar ancak sıklıkla verimsizliklere, uzun bakım sürelerine ve termal hasara yol açar. Yüksek hızlı taşlama (HSG), daha yüksek taşlama hızları (60–80 km/sa) ve azaltılmış "bakım pencereleri" sunarak etkili bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Geleneksel taşlamanın aksine HSG, taşlama tekerlekleri (GW'ler) ile ray yüzeyi arasındaki sürtünme kuvvetleri tarafından yönlendirilen kayan-yuvarlanan kompozit hareketlerle çalışır [9]. Bu benzersiz mekanizma hem malzemenin çıkarılmasını hem de aşındırıcının kendi kendini keskinleştirmesini sağlar. Ancak, kayan ve yuvarlanan hareketler arasındaki etkileşim yeterince araştırılmamıştır ve bu da HSG'nin ray bakım optimizasyonu için potansiyelini sınırlamaktadır. Bu çalışmada, yerinde taşlama koşullarını simüle etmek için ev yapımı bir HSG test düzeneği kullanılmıştır. Deneyler, değişen temas açıları (30°, 45° ve 60°) ve taşlama yükleri (500 N, 700 N ve 900 N) altında yürütülmüştür [10, 11].

1. Kaydırma-yuvarlanma oranı.Sonuçlar, kayan-yuvarlanan kompozit hareketlerin taşlama davranışını etkilemede önemli bir rol oynadığını göstermektedir. Şekil 1'de gösterildiği gibi, kayma hızının yuvarlanma hızına oranı olarak tanımlanan kayan-yuvarlanan oranı (SRR), hem temas açısı hem de taşlama yüküyle artmış ve bu, taşlama çiftlerinin kayan-yuvarlanan kompozit hareketindeki değişiklikleri sezgisel olarak yansıtmıştır. Örneğin, SRR 30° temas açısında 0,18'den 60°'de 0,81'e yükselmiştir. Yuvarlanmanın baskın olduğu hareketten kayma ve yuvarlanma arasındaki bir dengeye geçiş, taşlama sonuçlarını önemli ölçüde iyileştirmiştir. Çalışma, 45° temas açısının en yüksek taşlama verimliliğini ürettiğini, 60° temas açısının ise en iyi yüzey kalitesini sağladığını bulmuştur. Yüzey pürüzlülüğü (Ra), temas açısı arttıkça önemli ölçüde azalmıştır; Şekil 2 ila Şekil 4'te gösterildiği gibi 30°'de 12,9 μm'den 60°'de 3,5 μm'ye düşmüştür.

2. Öğütme kaynaklı WEL.Taşlama işlemi sırasında, yüksek temas gerilimi, yüksek sıcaklıklar ve hızlı soğuma gibi termo-mekanik bağlantı etkileri nedeniyle ray yüzeyinde metalurjik dönüşümler ve plastik deformasyonlar meydana gelir. Bu değişiklikler, tekerlek-ray temasından kaynaklanan döngüsel gerilimler altında kırılmaya meyilli kırılgan bir beyaz aşındırma tabakasının (WEL) oluşumuna yol açar. Tüm sonuçlar, WEL'in ortalama kalınlığının 8 μm'den az olduğunu, bunun da Şekil 5'te gösterildiği gibi aktif taşlama kaynaklı WEL'den (~40 μm) daha ince olduğunu ortaya koymaktadır [12, 13]. Bu olgu büyük olasılıkla HSG yönteminin benzersiz özellikleriyle ilgilidir. Geleneksel aktif taşlama ile karşılaştırıldığında, HSG'de tek bir aşındırıcı parçacık, yüksek temas açılarında bile, bir devir döngüsü sırasında yalnızca kısa bir süre taşlama işlemine katılır. Çoğu zaman, aşındırıcı parçacık taşlamadan sonra ısı dağılımı dönemindedir. Bu, aşındırıcı parçacığın taşlama işlemine yeniden girmeden önce ısıyı dağıtmak için yeterli zamana sahip olmasını sağlar ve bunun sonucunda taşlama arayüzünde iyileştirilmiş termal koşullar elde edilir.

3. Öğütme artıkları.Şekil 6 ve Şekil 7'de gösterildiği gibi, öğütme artıklarının analizi malzeme çıkarma mekanizmalarına ilişkin ek bilgiler sağladı. Etkili öğütme performansını gösteren akış benzeri ve bıçak şeklindeki artıklar daha yüksek SRR'lerde daha yaygındı. Buna karşılık, blok ve dilimlenmiş artıklar daha düşük temas açılarında baskındı ve yetersiz öğütme performansını yansıtıyordu. Küresel artıkların varlığı öğütme yükleriyle artarak yüksek öğütme sıcaklıklarını gösteriyordu. Bu gözlemler, verimlilik ve termal koşulları dengelemek için öğütme parametrelerini optimize etmenin önemini vurgulamaktadır.

4. Kayar yuvarlanır bileşik hareket mekanizması.Çalışma ayrıca, Şekil 8'de gösterildiği gibi, taşlama sürecinde kayma ve yuvarlanma hareketleri arasındaki dinamik etkileşimi de ortaya koydu. Kayma, ray yüzeyinden malzeme çıkarılmasını kolaylaştırırken, yuvarlanma, döküntü boşaltımını ve aşındırıcının kendi kendini keskinleştirmesini geliştirdi. Bu dinamik denge, minimum termal hasarla verimli taşlama elde etmek için önemlidir. Ancak, her iki harekete de aşırı vurgu yapılması, optimum olmayan sonuçlara yol açabilir: yuvarlanma baskın hareket, yüzey pürüzlülüğünü artırırken, kayma baskın hareket, aşındırıcı yenilenmesinin azalmasına ve termal hasarın artmasına neden olabilir.

5. Kapsamlı değerlendirme.Taşlama verimliliği, yüzey pürüzlülüğü ve WEL kalınlığı dahil olmak üzere taşlama performansının kapsamlı değerlendirmeleri, Şekil 9'da gösterildiği gibi kayan-yuvarlanan kompozit hareketlerin optimize edilmesinin avantajlarını vurguladı. Çeşitli yükler ve temas açıları altında taşlama performansının radar grafikleri, 45° temas açısının verimlilik ve kalitenin en iyi genel dengesini sağladığını gösterdi. Ancak, 60° temas açısı sürekli olarak en pürüzsüz yüzeyleri üretti ve bu da onu son taşlama geçişleri için ideal hale getirdi. Bu bulgular, taşlama parametrelerinde hedeflenen ayarlamaların değişen ray yüzeyi hasarını etkili bir şekilde ele alabileceğini göstermektedir.

Bu araştırma, yüksek hızlı ray bakımı için pratik çıkarımlar sunmaktadır. İlk taşlama geçişleri için 45° temas açısı, malzeme çıkarma verimliliğini en üst düzeye çıkarırken, 60° açı, bitirme aşamalarında üstün yüzey kalitesi sağlar. Çalışma, taşlama performansını artırmak, yüzey kalitesini iyileştirmek ve taşlama tekerleklerinin hizmet ömrünü uzatmak için kayma ve yuvarlanma hareketlerini dinamik olarak dengelemenin önemini vurgular.

Sonuç olarak, çalışma yüksek hızlı ray taşlamada kayan-yuvarlanan kompozit hareketlerin kritik rolünü vurgulamaktadır. HSG, kayma ve yuvarlanma eylemlerinin oranını optimize ederek termal hasarı en aza indirirken üstün taşlama verimliliği ve yüzey kalitesi elde edebilir. Bu bulgular, HSG teknolojisini ilerletmek için teorik bir temel ve ray bakım uygulamalarını iyileştirmek için pratik yönergeler sağlar.

Şekil 1.Taşlama yükleri ve temas açılarına bağlı olarak SRR, COF ve dönüş hızının değişim eğilimi.

Şekil 2.Farklı temas açıları ve taşlama yükleri altında taşlama verimliliği.

Şekil 3.Farklı temas açıları ve taşlama yükleri altında ray numunelerinin yüzey morfolojileri.

Şekil 4.Yüzey pürüzlülüğü ve3D morfolojilerFarklı temas açıları ve taşlama yükleri altında ray numunelerinin incelenmesi.

Şekil 5.Ray numunelerinin kesitsel optik ve SEM metalografik görüntüleri.

Şekil 6.Türü ve oranıöğütme molozufarklı temas açıları ve taşlama yükleri altında.

Şekil 7.Farklı tipteki öğütme artıklarının SEM görüntüleri ve EDS spektrumları.

Şekil 8.Kayan-yuvarlanan kompozit hareketin HSG üzerindeki etkisinin şematik diyagramı.

Bu çalışma Journal of Tribology International'da yayımlandı.

Referanslar

[1] Fan W, Wu C, Wu Z, ve diğerleri. Aşındırıcı bantla ray taşlamada tırtıklı temas tekerleği ile ray arasındaki statik temas mekanizması[J]. Üretim Prosesleri Dergisi, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ, ve diğerleri. Peridinamiklere dayalı çatlak yayılımı ve ray yüzeyinin parçalanma mekanizması[J]. Tongji Üniversitesi Dergisi, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L, ve diğerleri. Yüksek hızlı trenlerin tekerlek sırtının dökülmesinden kaynaklanan tekerlek-ray darbe tepkisinin sonlu eleman simülasyonları[J]. Patlama ve Şok Dalgaları, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F, ve diğerleri. Lazer söndürme işlemiyle U71MnG ray malzemesinin şerit WEA aşınma hasarı ve yorulma dökülmesi üzerine çalışma[J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Yuvarlanma teması yorgunluğu altındaki raylarda baş kontrol başlangıcının çok ölçekli karakterizasyonu: Mekanik ve mikro yapı analizi[J]. Wear, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV, ve diğerleri. Yorulma makro hatları kullanılarak raylardaki yorulma çatlağı büyüme hızının ve süresinin belirlenmesi[J]. Russian Metallurgy (Metally), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H, ve diğerleri. Çömelme kusurlarıyla ilişkili bir ray kırılması arızası üzerinde mikro yapısal inceleme[J]. Mühendislik Arıza Analizi, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Ray çeliğinin mikro yapısal analizi ve yorulma kırılma davranışı[J]. İleri Malzemeler ve Yapılar Mekaniği, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Yüksek hızlı taşlama-trafik kesintileri olmadan düzenli ray taşlama yoluyla demiryolu gürültüsünün azaltılması[C]//INTER-NOISE ve NOISE-CON Kongre ve Konferans BildirileriGW. Gürültü Kontrol Mühendisliği Enstitüsü, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W, ve diğerleri. Yüksek hızlı taşlama aracı HSG-2'nin aşınma analizi: doğrulama, simülasyon ve ölçümlerle karşılaştırma[M]//Yollarda ve Pistlerde Taşıtların Dinamikleri Cilt 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Yüksek hızlı taşlama-trafik kesintileri olmadan düzenli ray taşlama yoluyla demiryolu gürültüsünün azaltılması[C]//INTER-NOISE ve NOISE-CON Kongre ve Konferans BildirileriGW. Gürültü Kontrol Mühendisliği Enstitüsü, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF, ve diğerleri. Tam ölçekli tekerlek/ray laboratuvar testlerinde farklı ray sınıflarının saha sonrası taşlama değerlendirmesi[J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S, ve diğerleri. Taşlama sonucu raylarda oluşan yüzey çatlakları martensit beyaz aşındırma katmanlarını indükler[J]. Wear, 2017, 384: 8-14.