سلوكيات الطحن ذاتية التكيف لطحن السكك الحديدية عالية السرعة تحت الحركات المركبة المنزلقة والدحرجة

ركّزت سلوكيات الطحن ذاتية التكيف للسكك الحديدية عالية السرعة تحت حركات مركبة انزلاقية-درفلة على تحسين أداء الطحن وجودة السطح. تتميز السكك الحديدية عالية السرعة بسرعات تشغيلية عالية وأحمال محاور خفيفة، وغالبًا ما تعاني من إجهاد التلامس المتدحرج [1]، مما يؤدي إلى تقشر السطح [2-4]، وشقوق التعب [5،6]، والكسور [7،8]. تتطلب هذه المشكلات صيانة دورية لضمانالتشغيل الآمن والموثوق لشبكات السكك الحديديةتهدف تقنيات طحن السكك الحديدية التقليدية إلى معالجة العيوب العميقة، ولكنها غالبًا ما تؤدي إلى انخفاض الكفاءة، وإطالة أوقات الصيانة، والتلف الحراري. وقد برز الطحن عالي السرعة (HSG) كبديل فعال، إذ يوفر سرعات طحن أعلى (60-80 كم/ساعة) و"فترات صيانة" أقصر. وعلى عكس الطحن التقليدي، يعمل الطحن عالي السرعة من خلال حركات مركبة انزلاقية-لفافة، مدفوعة بقوى احتكاك بين عجلات الطحن (GWs) وسطح السكك الحديدية [9]. تتيح هذه الآلية الفريدة إزالة المواد والشحذ الذاتي الكاشط. ومع ذلك، لم يُستكشف التفاعل بين حركات الانزلاق واللفافة بشكل كافٍ، مما يحد من إمكانات الطحن عالي السرعة لتحسين صيانة السكك الحديدية. في هذا العمل، استُخدم جهاز اختبار HSG محلي الصنع لمحاكاة ظروف الطحن في الموقع. أُجريت التجارب تحت زوايا تلامس متفاوتة (30 درجة، 45 درجة، و60 درجة) وأحمال طحن (500 نيوتن، 700 نيوتن، و900 نيوتن) [10، 11].

1. نسبة الشريحة إلى التدحرج.تُظهر النتائج أن حركات مركبة الانزلاق-التدحرج تلعب دورًا حاسمًا في التأثير على سلوك الطحن. زادت نسبة الانزلاق-التدحرج (SRR)، المُعرَّفة على أنها نسبة سرعة الانزلاق إلى سرعة التدحرج، كما هو موضح في الشكل 1، مع كل من زاوية التلامس وحمل الطحن، مما يعكس بشكل حدسي التغييرات في حركة مركبة الانزلاق-التدحرج لأزواج الطحن. على سبيل المثال، نمت SRR من 0.18 عند زاوية تلامس 30 درجة إلى 0.81 عند 60 درجة. أدى هذا التحول من الحركة التي يهيمن عليها التدحرج إلى التوازن بين الانزلاق والتدحرج إلى تحسين نتائج الطحن بشكل كبير. وجدت الدراسة أن زاوية التلامس 45 درجة أنتجت أعلى كفاءة طحن، بينما أسفرت زاوية التلامس 60 درجة عن أفضل جودة للسطح، وانخفضت خشونة السطح (Ra) بشكل كبير مع زيادة زاوية التلامس، من 12.9 ميكرومتر عند 30 درجة إلى 3.5 ميكرومتر عند 60 درجة، كما هو موضح في الشكل 2 إلى الشكل 4.

2. WEL الناجم عن الطحن.أثناء عملية الطحن، وبسبب تأثيرات الاقتران الحراري الميكانيكي، بما في ذلك إجهاد التلامس العالي ودرجات الحرارة المرتفعة والتبريد السريع، تحدث تحولات معدنية وتشوه بلاستيكي على سطح السكة. تؤدي هذه التغييرات إلى تكوين طبقة حفر بيضاء هشة (WEL)، وهي عرضة للكسر تحت الضغوط الدورية من ملامسة العجلة للسكك الحديدية. تكشف جميع النتائج أن متوسط ​​سمك WEL أقل من 8 ميكرومتر، وهو أرق من WEL المستحث بالطحن النشط (~40 ميكرومتر) [12، 13]، كما هو موضح في الشكل 5. من المحتمل أن تكون هذه الظاهرة مرتبطة بالخصائص الفريدة لطريقة HSG، وبالمقارنة مع الطحن النشط التقليدي، في HSG، تشارك جسيم كاشط واحد في عملية الطحن لفترة وجيزة فقط خلال دورة ثورة واحدة، حتى في زوايا التلامس العالية. في معظم الأحيان، يكون الجسيم الكاشط في فترة تبديد الحرارة بعد الطحن. ويضمن هذا أن يكون للجسيمات الكاشطة الوقت الكافي لتبديد الحرارة قبل إعادة المشاركة في الطحن، مما يؤدي إلى تحسين الظروف الحرارية عند واجهة الطحن.

3. طحن الحطام.قدّم تحليل حطام الطحن رؤىً إضافية حول آليات إزالة المواد، كما هو موضح في الشكلين 6 و7. كانت الحطامات التي تشبه التدفق والسكين، والتي تدل على أداء طحن فعال، أكثر انتشارًا عند معدلات SRR الأعلى. في المقابل، كانت الحطامات الكتلية والمقطعة هي السائدة عند زوايا تلامس منخفضة، مما يعكس أداء طحن غير كافٍ. ازداد وجود الحطام الكروي مع أحمال الطحن، مما يشير إلى ارتفاع درجات حرارة الطحن. تُبرز هذه الملاحظات أهمية تحسين معايير الطحن لتحقيق التوازن بين الكفاءة والظروف الحرارية.

4. آلية الحركة المركبة المتدحرجة الانزلاقية.كشفت الدراسة أيضًا عن التفاعل الديناميكي بين حركتي الانزلاق والدحرجة في عملية الطحن، كما هو موضح في الشكل 8. يسّر الانزلاق إزالة المواد من سطح السكة، بينما يُعزز الدحرجة تفريغ الحطام والشحذ الذاتي للمواد الكاشطة. يُعدّ هذا التوازن الديناميكي ضروريًا لتحقيق طحن فعال مع أقل قدر من الضرر الحراري. ومع ذلك، فإن التركيز المفرط على أيٍّ من الحركتين قد يؤدي إلى نتائج دون المستوى الأمثل: فالحركة التي يهيمن عليها الدحرجة تزيد من خشونة السطح، بينما قد تؤدي الحركة التي يهيمن عليها الانزلاق إلى تقليل تجدد المواد الكاشطة وزيادة الضرر الحراري.

5. التقييم الشامل.أظهرت التقييمات الشاملة لأداء الطحن، بما في ذلك كفاءة الطحن وخشونة السطح وسمك WEL، مزايا تحسين حركات التدحرج والانزلاق المركبة، كما هو موضح في الشكل 9. أظهرت مخططات الرادار لأداء الطحن تحت أحمال وزوايا تلامس مختلفة أن زاوية التلامس 45 درجة وفرت أفضل توازن عام بين الكفاءة والجودة. ومع ذلك، فإن زاوية التلامس 60 درجة أنتجت باستمرار أنعم الأسطح، مما يجعلها مثالية لعمليات الطحن النهائية. تشير هذه النتائج إلى أن التعديلات المستهدفة لمعايير الطحن يمكن أن تعالج بفعالية أضرار أسطح السكك الحديدية المتغيرة.

يقدم هذا البحث تطبيقات عملية لصيانة السكك الحديدية عالية السرعة. ففي عمليات الطحن الأولية، تُحسّن زاوية التلامس 45 درجة كفاءة إزالة المواد، بينما تضمن زاوية 60 درجة جودة سطح فائقة في مراحل التشطيب. وتُؤكد الدراسة على أهمية الموازنة الديناميكية لحركات الانزلاق والتدحرج لتحسين أداء الطحن، وتحسين جودة السطح، وإطالة عمر عجلات الطحن.

في الختام، تُسلّط الدراسة الضوء على الدور الحاسم لحركات الانزلاق والتدحرج المركبة في طحن السكك الحديدية عالية السرعة. من خلال تحسين نسبة حركات الانزلاق والتدحرج، يُمكن لتقنية HSG تحقيق كفاءة طحن وجودة سطح فائقة مع تقليل الضرر الحراري. تُوفّر هذه النتائج أساسًا نظريًا لتطوير تقنية HSG، وإرشادات عملية لتحسين ممارسات صيانة السكك الحديدية.

الشكل 1.اتجاه التباين في SRR وCOF وسرعة الدوران مع أحمال الطحن وزوايا التلامس.

الشكل 2.كفاءة الطحن تحت زوايا اتصال مختلفة وأحمال طحن.

الشكل 3.الأشكال السطحية لعينات السكك الحديدية تحت زوايا تماس مختلفة وأحمال طحن.

الشكل 4.خشونة السطح وأشكال ثلاثية الأبعادمن عينات السكك الحديدية تحت زوايا اتصال مختلفة وأحمال طحن.

الشكل 5.صور مقطعية بصرية وصور معدنية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح لعينات السكك الحديدية.

الشكل 6.نوع ونسبةحطام الطحنتحت زوايا اتصال مختلفة وأحمال طحن.

الشكل 7.صور المجهر الإلكتروني الماسح وأطياف EDS لأنواع مختلفة من حطام الطحن.

الشكل 8.مخطط تخطيطي لتأثير الحركة المركبة الانزلاقية المتدحرجة على HSG.

وقد تم نشر هذا العمل في مجلة Tribology International.

مراجع

[1] فان دبليو، وو سي، وو زد، وآخرون. آلية تلامس ثابتة بين عجلة تلامس مسننة وقضبان في طحن القضبان باستخدام حزام كاشط [م]. مجلة عمليات التصنيع، ٢٠٢٢، ٨٤: ١٢٢٩-١٢٤٥.

[2] تشنغ زد إن، تشو يي، لي بي جيه، وآخرون. آلية انتشار الشقوق وتقشر سطح السكة الحديدية بناءً على الديناميكية المحيطية [م]. مجلة جامعة تونغجي، 2023، 51(6): 912-922.

[3] وانغ جيه إن، جيو إكس، جينغ إل، وآخرون. محاكاة العناصر المحدودة لاستجابة تأثير العجلة على السكة الحديدية الناتجة عن تقشر مداس عجلات القطارات عالية السرعة [J]. الانفجار وموجات الصدمة، 2022، 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] هوا جيه، ليو جيه، ليو إف، وآخرون. دراسة حول تلف تآكل شريط WEA وتقشير التعب لمادة سكة U71MnG باستخدام معالجة التبريد بالليزر [J]. مجلة تريبيولوجي الدولية، 2022، 175: 107811.

[5] Benoît D، Salima B، Marion R. توصيف متعدد المقاييس لبدء فحص الرأس على القضبان تحت إجهاد التلامس المتدحرج: التحليل الميكانيكي والبنية الدقيقة [J]. Wear، 2016، 366: 383-391.

[6] Shur EA، Borts AI، Bazanova LV، وآخرون. تحديد معدل نمو شقوق التعب وزمنها في القضبان باستخدام خطوط الماكرو للتعب [J]. مجلة المعادن الروسية (Metally)، 2020، 2020: 477-482.

[7] الجبوري أ، تشو ح، لي ح، وآخرون. دراسة دقيقة للبنية التحتية لفشل كسر السكة الحديدية المرتبط بعيوب القرفصاء [م]. تحليل الفشل الهندسي، 2023، 151: 107-11.

[8] مسعودي نجاد ر، فرهنغدوست ك، شريعتي م. التحليل البنيوي الدقيق وسلوك كسر التعب لفولاذ السكك الحديدية [م]. ميكانيكا المواد والهياكل المتقدمة، 2020، 27(2): 152-164.

[9] فون ديست ك، بوشل أ. طحن عالي السرعة - تقليل ضوضاء السكك الحديدية من خلال طحن سكك حديدية منتظم دون انقطاعات مرورية [ج] // وقائع مؤتمر INTER-NOISE وNOISE-CON، معهد هندسة التحكم في الضوضاء، 2013، 247(2): 5206-5212.

[10] فون ديست ك، فيراروتي ج، كيك و، وآخرون. تحليل التآكل لمركبة الطحن عالية السرعة HSG-2: التحقق والمحاكاة والمقارنة بالقياسات[M] // ديناميكيات المركبات على الطرق والمسارات، المجلد 2. مطبعة CRC، 2017: 925-930.

[11] فون ديست ك، بوشل أ. طحن عالي السرعة - تقليل ضوضاء السكك الحديدية من خلال طحن سكك حديدية منتظم دون انقطاعات مرورية [ج] // وقائع مؤتمر INTER-NOISE وNOISE-CON، معهد هندسة التحكم في الضوضاء، 2013، 247(2): 5206-5212.

[12] ميساريتيس م، سانتا ج.ف، مولينا ل.ف، وآخرون. تقييم الطحن بعد الحقل لدرجات سكك حديدية مختلفة في اختبارات معملية كاملة النطاق للعجلة/السكك الحديدية [م]. مجلة تريبيولوجي الدولية، 2023، 177: 107980.

[13] راسموسن سي جيه، فيستر إس، دار إس، وآخرون. تكوّن الشقوق السطحية على القضبان عند طبقات النقش الأبيض المارتنسيتي الناتج عن الطحن [مجلة]. وير، 2017، 384: 8-14.