Broušení kolejnic je proces odebírání materiálu rotujícími brusnými kotouči. Počet kilometrů při broušení je poměrně dlouhý, použití řezné kapaliny nejen zvýší náklady na údržbu, ale také způsobí rozsáhlé znečištění. Bez chlazení a mazání se teplo vznikající při procesu broušení nemůže včas uvolnit, takže po procesech broušení kolejnic je často pozorováno spálení kolejnice v důsledku suchých podmínek, vysoké rychlosti otáčení brusných kotoučů (~3600 ot./min) a brusného zatížení (~2000 N) [1-4], jak je uvedeno na obr.1. Pro další zlepšení účinnosti broušení a získání dobré celistvosti povrchu je navrhování a výroba pórů v brusných kotoučích ekonomickým a efektivním způsobem [5].
Obr.1.Broušení způsobilo popáleniny a bílé leptací vrstvy na hlavě kolejnice.
Čínští učenci připravili porézní brusné kotouče a charakterizovali jejich brusný výkon na samostatně navrženém zařízení [5]. Je možné si všimnout, že jakmile byly v brusných kotoučích vytvořeny póry, maximální pevnost v tlaku se snížila o 35 % z 83,74 MPa na 54,53 MPa. Výsledky brousicích experimentů ukázaly, že se zvýšením pórovitosti brusných kotoučů se mírně zlepšil objem broušení, snížila se teplota broušení a snížilo se zatížení kotouče. Výsledky naznačují, že brusný kotouč s vyšší pórovitostí má lepší schopnost samoorovnávání, což prospívá zamezení zatížení kotouče.
Obr. 2Morfologie povrchu brusných kotoučů před a po testu s různou pórovitostí: 8,12 % (a) & (e), 15,81 % (b) & (f), 18,60 % (c) & (g) a 21,18 % (d) & (h).
Tvrdá a křehká bílá leptací vrstva byla pozorována na všech broušených hlavách kolejnice vlivem brusného tepla a nejtlustší WEL byly dány nejnižší pórovitostí brusných kotoučů, jak je uvedeno na obr. 3 a obr. 4. Pod WEL je deformovaná perlitová vrstva vytvořená deformací pod smykovým napětím abrazivních zrn. Tvrdost WEL je 5,77 GPa, asi 2~3krát tvrdší než matrice perlitu. Mnoho vědců dospělo k závěru, že WEL má úzký vztah ke zlomenině kolejnice [6-8]. V důsledku smíšeného tahového a smykového namáhání kol během provozu kolejnic se mohou na povrchu objevit trhliny. Vzniklá trhlina by se díky své křehké povaze rychle šířila vrstvou WEL, rozšířila by se na rozhraní WEL a perlitu nebo by se dokonce šířila dolů do perlitové matrice a vytvořila by závažnější defekty kolejnic[9]. Tudíž tvrdé a křehké by způsobily předčasné selhání broušené kolejnice a lze je účinně kontrolovat pórovitostí brusných kotoučů.
Obr.Tvrdost WEL a deformované vrstvy.
Obr.OM příčných řezů kolejnice broušené různou pórovitostí brusných kotoučů: 8,12 % (a), 15,81 % (b), 18,60 % (c) a 21,18 % (d).
Mechanismus broušení brusného kotouče s pórovitou strukturou lze znázornit na obr. 5. Díky vysokému negativnímu úhlu čela a relativně vysoké hustotě aktivního zrna se brusné třísky při takto vysoké teplotě nejprve roztaví a poté uvíznou na povrchu kotouče, čímž se zhorší brusná schopnost brusného kotouče a zvýší se brusné teplo. Porézní brusný kotouč má lepší samoorovnávací schopnost a přispívá k mírnějšímu poškození povrchu kolejnice[8]. Na jedné straně pórové struktury zvětšují prostor mezi brusnými zrny, které poskytují dostatečný prostor pro ukládání třísek a uvolňování tepla. Třísky mohou být zkadeřeny v póru a eliminovány následnou interakcí abraziv a mohou také přenášet část tepla z kontaktní zóny. Na druhé straně je namáhání a výška výstupku pro každou aktivní zrnitost větší než u běžného brusného kotouče, což zvyšuje tloušťku neřezané třísky a snižuje třecí účinek mezi brusným zrnem a povrchem kolejnice, aby se snížila předúnava způsobená broušením kolejnice, jak bylo diskutováno. Brusný kotouč s pórovitou strukturou má proto v závislosti na vynikajícím brusném výkonu, respektive nižším poškození povrchu kolejnice, velký potenciál pro uplatnění v technologii broušení kolejnic za podmínek vysoké rychlosti a suchého broušení.
Obr.Brusný mechanismus brusného kotouče s pórovitou strukturou.
Reference
[1] Zhang W, Zhang P, Zhang J, Fan X, Zhu M. Zjišťování vlivu velikosti brusného zrna na chování při broušení kolejnic. J Manuf Process 2020;53:388–95.
[2] Lin B, Zhou K, Guo J, Liu QY, Wang WJ. Vliv parametrů broušení na povrchovou teplotu a hoření brusné kolejnice. Tribol Int 2018;122:151–62.
[3] Zhou K, Ding HH, Wang WJ, Wang RX, Guo J, Liu QY. Vliv brusného tlaku na úběrové chování kolejnicového materiálu. Tribol Int 2019;134:417–26.
[4] Tawakoli T, Westkaemper E, Rabiey M. Broušení za sucha speciální úpravou. Int J Adv Manuf Technol 2007;33:419–24.
[5] Yuan Y, Zhang W, Zhang P, Fan X, Zhu M. Porézní brusné kotouče ke zmírnění předúnavy a zvýšení účinnosti úběru materiálu při broušení kolejnic. Tribol Int 2021; 154: 106692.
[6] Magel E, Roney M, Kalousek J, Sroba P. Prolínání teorie a praxe v moderním broušení kolejnic. Fatigue Fract Eng Mater Struct 2003;26:921–9.
[7] Cuervo PA, Santa JF, Toro A. Korelace mezi mechanismy opotřebení a operacemi broušení kolejnic v komerční železnici. Tribol Int 2015;82:265–73.
[8] Agarwal S. K mechanismu a mechanice zatěžování kotouče při broušení. J Manuf Process 2019;41:36–47.
[9] Zhang ZY, Shang W, Ding HH, Guo J, Wang HY, Liu QY a kol. Tepelný model a teplotní pole v procesu broušení kolejnic na základě pohybujícího se zdroje tepla. Appl Therm Eng 2016;106:855–64.
