Samoadaptivní chování broušení vysokorychlostního broušení kolejnic při posuvných a válcovacích kompozitních pohybech

Samoadaptivní chování při broušení vysokorychlostní kolejnice při kluzných a valivých kompozitních pohybech se zaměřilo na optimalizaci výkonu broušení a kvality povrchu. Vysokorychlostní železnice, vyznačující se vysokou provozní rychlostí a malým zatížením náprav, často trpí únavou z valivého kontaktu [1], která vede k odlupování povrchu [2-4], únavovým trhlinám [5,6] a lomům [7,8]. Tyto problémy vyžadují včasnou údržbu, aby bylo zajištěnobezpečný a spolehlivý provoz železničních sítí. Tradiční techniky broušení kolejnic mají za cíl řešit hluboce zakořeněné defekty, ale často vedou k neefektivitě, prodloužení doby údržby a tepelnému poškození. Vysokorychlostní broušení (HSG) se ukázalo jako efektivní alternativa, která nabízí vyšší rychlosti broušení (60–80 km/h) a snížená „údržbová okna“. Na rozdíl od konvenčního broušení pracuje HSG prostřednictvím kluzně-valivých kompozitních pohybů, poháněných třecími silami mezi brusnými kotouči (GW) a povrchem kolejnice [9]. Tento unikátní mechanismus umožňuje jak úběr materiálu, tak abrazivní samoostří. Souhra mezi posuvnými a valivými pohyby však nebyla dostatečně prozkoumána, což omezuje potenciál HSG pro optimalizaci údržby kolejnic. V této práci bylo použito domácí testovací zařízení HSG k simulaci podmínek broušení na místě. Experimenty byly prováděny pod různými kontaktními úhly (30°, 45° a 60°) a brusným zatížením (500 N, 700 N a 900 N) [10, 11].

1. Poměr Slide-roll.Výsledky ukazují, že posuvné a valivé kompozitní pohyby hrají zásadní roli při ovlivňování chování při broušení. Poměr posuvného odvalování (SRR), definovaný jako poměr rychlosti posuvu k rychlosti válcování, jak je znázorněno na obr. 1, se zvyšoval jak s kontaktním úhlem, tak se zatížením při broušení, což intuitivně odráželo změny v kompozitním pohybu posuvně a odvalovacích brusných párů. Například SRR vzrostl z 0,18 při 30° kontaktním úhlu na 0,81 při 60°. Tento posun od pohybu s převahou odvalování k rovnováze mezi posuvem a odvalováním výrazně zlepšil výsledky broušení. Studie zjistila, že kontaktní úhel 45° poskytuje nejvyšší účinnost broušení, zatímco kontaktní úhel 60° poskytuje nejlepší kvalitu povrchu, Drsnost povrchu (Ra) se podstatně snižovala, jak se kontaktní úhel zvětšoval, z 12,9 μm při 30° na 3,5 μm při 60°, jak je znázorněno na Obr.2 až Obr.4.

2. WEL indukované broušením.Během procesu broušení dochází v důsledku termomechanických vazebných účinků, včetně vysokého kontaktního napětí, zvýšených teplot a rychlého ochlazování, k metalurgickým přeměnám a plastické deformaci na povrchu kolejnice. Tyto změny vedou k vytvoření křehké bílé leptací vrstvy (WEL), která je náchylná k prasknutí při cyklickém namáhání z kontaktu kolo-kolejnice. Všechny výsledky ukazují, že průměrná tloušťka WEL je menší než 8 μm, což je tenčí než aktivní WEL indukovaný broušením (~40 μm) [12, 13], jak je znázorněno na Obr. Tento jev pravděpodobně souvisí s jedinečnými vlastnostmi metody HSG. Ve srovnání s tradičním aktivním broušením se u HSG jediná brusná částice zapojí do procesu broušení pouze na krátkou dobu během jednoho cyklu otáčení, a to i při vysokých kontaktních úhlech. Po většinu času je abrazivní částice po broušení v období rozptylu tepla. To zajišťuje, že abrazivní částice má dostatek času na rozptýlení tepla před opětovným zapojením do broušení, což má za následek zlepšené tepelné podmínky na rozhraní broušení.

3. Nečistoty z broušení.Analýza úlomků broušení poskytla další pohled na mechanismy odstraňování materiálu, jak je znázorněno na obr. 6 a obr. 7. Úlomky ve tvaru toku a nože, které znamenají efektivní brusný výkon, byly více rozšířené při vyšších SRR. Naproti tomu blokové a nakrájené úlomky byly dominantní při nižších kontaktních úhlech, což odráželo neadekvátní brusný výkon. Přítomnost kulovitých úlomků se zvýšila se zatížením při broušení, což ukazuje na zvýšené teploty broušení. Tato pozorování zdůrazňují důležitost optimalizace parametrů mletí pro vyvážení účinnosti a tepelných podmínek.

4. Mechanismus posuvného valivého pohybu směsi.Studie také odhalila dynamickou souhru mezi posuvnými a valivými pohyby v procesu broušení, jak je znázorněno na obr.8. Posouvání usnadnilo odstraňování materiálu z povrchu kolejnice, zatímco válcování zlepšilo odvod úlomků a abrazivní samoostří. Tato dynamická rovnováha je nezbytná pro dosažení účinného broušení s minimálním tepelným poškozením. Nadměrný důraz na kterýkoli pohyb však může vést k neoptimálním výsledkům: pohyb s převahou odvalování zvyšuje drsnost povrchu, zatímco pohyb s převahou smyku může mít za následek sníženou abrazivní obnovu a zvýšené tepelné poškození.

5. Komplexní hodnocení.Komplexní hodnocení výkonu broušení, včetně účinnosti broušení, drsnosti povrchu a tloušťky WEL, zdůraznilo výhody optimalizace posuvně-valovacích kompozitních pohybů, jak ukazuje obr.9. Radarové grafy brusného výkonu při různém zatížení a kontaktních úhlech ukázaly, že kontaktní úhel 45° poskytuje nejlepší celkovou rovnováhu mezi účinností a kvalitou. Kontaktní úhel 60° však trvale produkoval nejhladší povrchy, takže je ideální pro finální broušení. Tato zjištění naznačují, že cílené úpravy parametrů broušení mohou účinně řešit různá poškození povrchu kolejnic.

Tento výzkum nabízí praktické důsledky pro údržbu vysokorychlostních železnic. Při počátečních brusných průchodech 45° kontaktní úhel maximalizuje účinnost úběru materiálu, zatímco 60° úhel zajišťuje vynikající kvalitu povrchu při dokončovacích fázích. Studie podtrhuje důležitost dynamického vyvažování posuvných a valivých pohybů pro zlepšení brusného výkonu, zlepšení kvality povrchu a prodloužení životnosti brusných kotoučů.

Na závěr studie zdůrazňuje kritickou roli kluzně-valcových kompozitních pohybů při vysokorychlostním broušení kolejnic. Optimalizací podílu kluzných a odvalovacích účinků může HSG dosáhnout vynikající účinnosti broušení a kvality povrchu při minimalizaci tepelného poškození. Tato zjištění poskytují teoretický základ pro pokrok v technologii HSG a praktické pokyny pro zlepšení postupů údržby železnic.

Obr. 1Trend kolísání SRR, COF a rychlosti otáčení s brusným zatížením a kontaktními úhly.

Obr. 2Účinnost broušení při různých kontaktních úhlech a brusném zatížení.

Obr.Morfologie povrchu kolejnicových vzorků pod různými kontaktními úhly a brusným zatížením.

Obr.Drsnost povrchu a3D morfologievzorků kolejnic pod různými kontaktními úhly a brusným zatížením.

Obr.Průřezové optické a SEM metalografické snímky vzorků kolejnic.

Obr.Druh a podílbrusné zbytkypod různými kontaktními úhly a brusným zatížením.

Obr. 7SEM snímky a EDS spektra pro různé typy brusných úlomků.

Obr. 8Schematický diagram vlivu kluzně-valivého složeného pohybu na HSG.

Tato práce byla publikována v Journal of Tribology International.

Reference

[1] Fan W, Wu C, Wu Z a kol. Statický kontaktní mechanismus mezi ozubeným kontaktním kolem a kolejnicí při broušení kolejnic brusným pásem[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ a kol. Mechanismus šíření trhliny a odlupování povrchu kolejnice založený na peridynamice[J]. Journal of Tongji University, 2023, 51 (6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L a kol. Simulace konečných prvků odezvy nárazu kola-kolejnice vyvolané odlupováním běhounu kola vysokorychlostních vlaků[J]. Exploze a rázové vlny, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F a kol. Studie poškození pásu WEA opotřebením a únavového odlupování kolejnicového materiálu U71MnG ošetřením laserovým kalením[J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Víceúrovňová charakterizace iniciace kontroly hlavy na kolejích při únavě z valivého kontaktu: Mechanická a mikrostrukturní analýza[J]. Opotřebení, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV a kol. Stanovení rychlosti a času růstu únavové trhliny v kolejnicích pomocí únavových makročar[J]. Ruská metalurgie (kovy), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H, et al. Mikrostrukturní vyšetření poruchy lomu kolejnice spojené s defekty dřepu[J]. Engineering Failure Analysis, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Mikrostrukturní analýza a chování při únavovém lomu kolejové oceli[J]. Mechanika pokročilých materiálů a struktur, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Snížení hluku při vysokorychlostním broušení kolejnic pravidelným broušením kolejnic bez přerušení provozu[C]//INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference ProceedinGW. Ústav protihlukové techniky, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W, et al. Analýza opotřebení vysokorychlostního brusného vozidla HSG-2: validace, simulace a porovnání s měřeními[M]//Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks Vol 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Snížení hluku vysokorychlostním broušením kolejnic pravidelným broušením kolejnic bez přerušení provozu[C]//INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference ProceedinGW. Ústav protihlukové techniky, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF a kol. Hodnocení po poli broušení různých jakostí kolejnic v laboratorních testech kola/kolejnice v plném měřítku[J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S, et al. Tvorba povrchových trhlin na kolejnicích při broušení indukovaných martenzitových bílých leptaných vrstev[J]. Opotřebení, 2017, 384: 8-14.