Hành vi mài tự thích ứng của mài đường ray tốc độ cao dưới chuyển động hỗn hợp trượt-lăn

Hành vi mài tự thích ứng của đường ray tốc độ cao dưới chuyển động hỗn hợp trượt-lăn tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất mài và chất lượng bề mặt. Đường sắt tốc độ cao, đặc trưng bởi tốc độ vận hành cao và tải trọng trục nhẹ, thường bị mỏi tiếp xúc lăn [1], dẫn đến bong tróc bề mặt [2-4], nứt mỏi [5,6] và gãy [7,8]. Những vấn đề này đòi hỏi phải bảo trì kịp thời để đảm bảohoạt động an toàn và đáng tin cậy của mạng lưới đường sắt. Các kỹ thuật mài ray truyền thống nhằm giải quyết các khuyết tật ăn sâu nhưng thường dẫn đến tình trạng kém hiệu quả, thời gian bảo trì kéo dài và hư hỏng do nhiệt. Mài tốc độ cao (HSG) đã nổi lên như một giải pháp thay thế hiệu quả, cung cấp tốc độ mài cao hơn (60–80 km/h) và giảm "thời gian bảo trì". Không giống như phương pháp mài thông thường, HSG hoạt động thông qua các chuyển động hỗn hợp trượt-lăn, được thúc đẩy bởi lực ma sát giữa bánh mài (GW) và bề mặt ray [9]. Cơ chế độc đáo này cho phép loại bỏ vật liệu và tự mài mòn. Tuy nhiên, sự tương tác giữa chuyển động trượt và lăn vẫn chưa được khám phá đầy đủ, hạn chế tiềm năng của HSG trong việc tối ưu hóa bảo trì ray. Trong công trình này, một giàn thử HSG tự chế đã được sử dụng để mô phỏng các điều kiện mài tại chỗ. Các thí nghiệm đã được tiến hành dưới các góc tiếp xúc khác nhau (30°, 45° và 60°) và tải mài (500 N, 700 N và 900 N) [10, 11].

1. Tỷ lệ trượt-lăn.Kết quả chứng minh rằng chuyển động hỗn hợp trượt-lăn đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến hành vi nghiền. Tỷ lệ trượt-lăn (SRR), được định nghĩa là tỷ lệ giữa tốc độ trượt và tốc độ lăn, như thể hiện trong Hình 1, tăng theo cả góc tiếp xúc và tải mài, phản ánh trực quan những thay đổi trong chuyển động hỗn hợp trượt-lăn của các cặp mài. Ví dụ, SRR tăng từ 0,18 ở góc tiếp xúc 30° lên 0,81 ở 60°. Sự thay đổi này từ chuyển động chủ yếu là lăn sang sự cân bằng giữa trượt và lăn đã cải thiện đáng kể kết quả mài. Nghiên cứu phát hiện ra rằng góc tiếp xúc 45° tạo ra hiệu suất mài cao nhất, trong khi góc tiếp xúc 60° tạo ra chất lượng bề mặt tốt nhất, Độ nhám bề mặt (Ra) giảm đáng kể khi góc tiếp xúc tăng, từ 12,9 μm ở 30° lên 3,5 μm ở 60°, như thể hiện trong Hình 2 đến Hình 4.

2. WEL do nghiến răng.Trong quá trình mài, do các hiệu ứng ghép nối nhiệt cơ học, bao gồm ứng suất tiếp xúc cao, nhiệt độ cao và làm nguội nhanh, các biến đổi luyện kim và biến dạng dẻo xảy ra trên bề mặt ray. Những thay đổi này dẫn đến sự hình thành lớp khắc màu trắng giòn (WEL), dễ bị gãy dưới ứng suất tuần hoàn từ tiếp xúc bánh xe-ray. Tất cả các kết quả đều cho thấy độ dày trung bình của WEL nhỏ hơn 8 μm, mỏng hơn WEL do mài chủ động gây ra (~40 μm) [12, 13], như thể hiện trong Hình 5. Hiện tượng này có thể liên quan đến các đặc điểm riêng biệt của phương pháp HSG. So với mài chủ động truyền thống, trong HSG, một hạt mài duy nhất tham gia vào quá trình mài chỉ trong một thời gian ngắn trong một chu kỳ quay, ngay cả ở góc tiếp xúc cao. Trong phần lớn thời gian, hạt mài đang trong giai đoạn tản nhiệt sau khi mài. Điều này đảm bảo rằng hạt mài có đủ thời gian để tản nhiệt trước khi tham gia lại vào quá trình mài, dẫn đến cải thiện điều kiện nhiệt tại giao diện mài.

3. Mảnh vụn nghiền.Phân tích mảnh vụn nghiền cung cấp thêm hiểu biết sâu sắc về cơ chế loại bỏ vật liệu, như thể hiện trong Hình 6 và Hình 7. Mảnh vụn dạng dòng chảy và hình dao, biểu thị hiệu suất nghiền hiệu quả, phổ biến hơn ở SRR cao hơn. Ngược lại, mảnh vụn dạng khối và dạng lát chiếm ưu thế ở các góc tiếp xúc thấp hơn, phản ánh hiệu suất nghiền không đầy đủ. Sự hiện diện của mảnh vụn hình cầu tăng lên theo tải nghiền, cho thấy nhiệt độ nghiền tăng cao. Những quan sát này làm nổi bật tầm quan trọng của việc tối ưu hóa các thông số nghiền để cân bằng hiệu quả và điều kiện nhiệt.

4. Cơ chế chuyển động hỗn hợp trượt lăn.Nghiên cứu cũng tiết lộ sự tương tác động giữa chuyển động trượt và lăn trong quá trình mài, như thể hiện trong Hình 8. Trượt giúp loại bỏ vật liệu khỏi bề mặt ray dễ dàng hơn, trong khi lăn giúp tăng cường xả mảnh vụn và mài mòn tự nhiên. Sự cân bằng động này rất cần thiết để đạt được hiệu quả mài với thiệt hại nhiệt tối thiểu. Tuy nhiên, việc nhấn mạnh quá mức vào bất kỳ chuyển động nào cũng có thể dẫn đến kết quả không tối ưu: chuyển động chủ yếu do lăn làm tăng độ nhám bề mặt, trong khi chuyển động chủ yếu do trượt có thể làm giảm sự đổi mới mài mòn và tăng thiệt hại nhiệt.

5. Đánh giá toàn diện.Đánh giá toàn diện về hiệu suất mài, bao gồm hiệu suất mài, độ nhám bề mặt và độ dày WEL, đã nêu bật những lợi thế của việc tối ưu hóa chuyển động composite trượt-lăn, như thể hiện trong Hình 9. Biểu đồ radar về hiệu suất mài dưới nhiều tải trọng và góc tiếp xúc khác nhau cho thấy góc tiếp xúc 45° mang lại sự cân bằng tổng thể tốt nhất về hiệu quả và chất lượng. Tuy nhiên, góc tiếp xúc 60° luôn tạo ra bề mặt nhẵn nhất, khiến nó trở nên lý tưởng cho các lần mài cuối cùng. Những phát hiện này cho thấy rằng việc điều chỉnh có mục tiêu đối với các thông số mài có thể giải quyết hiệu quả các hư hỏng bề mặt đường ray khác nhau.

Nghiên cứu này đưa ra những hàm ý thực tế cho việc bảo dưỡng đường sắt cao tốc. Đối với các lần mài ban đầu, góc tiếp xúc 45° tối đa hóa hiệu quả loại bỏ vật liệu, trong khi góc 60° đảm bảo chất lượng bề mặt vượt trội trong các giai đoạn hoàn thiện. Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cân bằng động các chuyển động trượt và lăn để nâng cao hiệu suất mài, cải thiện chất lượng bề mặt và kéo dài tuổi thọ của bánh mài.

Tóm lại, nghiên cứu này nhấn mạnh vai trò quan trọng của chuyển động trượt-lăn composite trong quá trình mài đường ray tốc độ cao. Bằng cách tối ưu hóa tỷ lệ các hành động trượt và lăn, HSG có thể đạt được hiệu quả mài và chất lượng bề mặt vượt trội trong khi giảm thiểu thiệt hại do nhiệt. Những phát hiện này cung cấp nền tảng lý thuyết để thúc đẩy công nghệ HSG và hướng dẫn thực tế để cải thiện các hoạt động bảo trì đường ray.

Hình 1.Xu hướng biến thiên của SRR, COF và tốc độ quay theo tải mài và góc tiếp xúc.

Hình 2.Hiệu suất nghiền ở các góc tiếp xúc và tải nghiền khác nhau.

Hình 3.Hình thái bề mặt của mẫu đường ray dưới các góc tiếp xúc và tải trọng mài khác nhau.

Hình 4.Độ nhám bề mặt vàHình thái 3Dcủa các mẫu đường ray dưới các góc tiếp xúc và tải trọng mài khác nhau.

Hình 5.Hình ảnh quang học mặt cắt ngang và hình ảnh kim loại SEM của mẫu đường ray.

Hình 6.Loại và tỷ lệ củamảnh vụn nghiềndưới các góc tiếp xúc và tải trọng mài khác nhau.

Hình 7.Hình ảnh SEM và phổ EDS cho các loại mảnh vụn nghiền khác nhau.

Hình 8.Sơ đồ tác động của chuyển động trượt-lăn tổng hợp lên HSG.

Công trình này đã được báo cáo trên Tạp chí Tribology International.

Tài liệu tham khảo

[1] Fan W, Wu C, Wu Z, et al. Cơ chế tiếp xúc tĩnh giữa bánh xe tiếp xúc răng cưa và ray trong quá trình mài ray bằng đai mài mòn[J]. Tạp chí Quy trình Sản xuất, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ, et al. Sự lan truyền vết nứt và cơ chế bong tróc bề mặt đường ray dựa trên động lực học xung quanh[J]. Tạp chí Đại học Đồng Tế, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L, et al. Mô phỏng phần tử hữu hạn về phản ứng va chạm giữa bánh xe và đường ray gây ra bởi sự bong tróc của mặt bánh xe của tàu cao tốc[J]. Vụ nổ và sóng xung kích, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F, et al. Nghiên cứu về hư hỏng do mòn dải WEA và bong tróc mỏi của vật liệu đường ray U71MnG bằng phương pháp xử lý làm nguội bằng laser[J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Đặc điểm đa thang đo của quá trình bắt đầu kiểm tra đầu trên đường ray dưới tác động mỏi tiếp xúc lăn: Phân tích cơ học và cấu trúc vi mô[J]. Wear, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV, et al. Xác định tốc độ phát triển vết nứt mỏi và thời gian trong đường ray bằng cách sử dụng macrolines mỏi[J]. Russian Metallurgy (Metally), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H, et al. Nghiên cứu vi cấu trúc về sự cố gãy đường ray liên quan đến khuyết tật ngồi xổm[J]. Phân tích lỗi kỹ thuật, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Phân tích cấu trúc vi mô và hành vi gãy mỏi của thép đường ray[J]. Cơ học của vật liệu và cấu trúc tiên tiến, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Giảm tiếng ồn đường sắt bằng cách mài đường ray tốc độ cao thông qua việc mài đường ray thường xuyên mà không làm gián đoạn giao thông[C]//INTER-NOISE và NOISE-CON Biên bản Hội nghị và Đại hội tại GW. Viện Kỹ thuật Kiểm soát Tiếng ồn, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W, et al. Phân tích độ mòn của xe mài tốc độ cao HSG-2: xác thực, mô phỏng và so sánh với các phép đo[M]//Động lực học của xe trên đường bộ và đường ray Tập 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Giảm tiếng ồn đường sắt bằng cách mài đường ray tốc độ cao thông qua việc mài đường ray thường xuyên mà không làm gián đoạn giao thông[C]//INTER-NOISE và NOISE-CON Biên bản Hội nghị và Đại hội tại GW. Viện Kỹ thuật Kiểm soát Tiếng ồn, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF, et al. Đánh giá quá trình mài sau khi thực địa các cấp ray khác nhau trong các thử nghiệm bánh xe/ray quy mô đầy đủ trong phòng thí nghiệm[J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S, et al. Sự hình thành vết nứt bề mặt trên đường ray tại các lớp khắc trắng martensite do mài tạo ra[J]. Wear, 2017, 384: 8-14.