Schienenschleifen ist ein Verfahren zum Materialabtrag durch rotierende Schleifscheiben. Die Schleifleistung ist recht hoch. Der Einsatz von Kühlschmierstoff erhöht nicht nur die Wartungskosten, sondern verursacht auch erhebliche Umweltverschmutzung. Ohne Kühlung und Schmierung kann die beim Schleifen entstehende Wärme nicht rechtzeitig abgeführt werden. Daher kommt es nach dem Schleifen aufgrund der trockenen Bedingungen, der hohen Drehzahl der Schleifscheiben (~3600 U/min) und der Schleiflast (~2000 N) häufig zu Schienenbrand [1-4], wie in Abb. 1 dargestellt. Um die Schleifleistung weiter zu verbessern und eine gute Oberflächenintegrität zu erzielen, ist die Gestaltung und Herstellung von Poren in Schleifscheiben eine wirtschaftliche und effektive Methode [5].
Abb.1.Durch das Schleifen entstanden Verbrennungen und weiße Ätzschichten auf dem Schienenkopf.
Chinesische Wissenschaftler haben poröse Schleifscheiben hergestellt und deren Schleifleistung auf einer selbst entwickelten Anlage charakterisiert [5]. Es zeigte sich, dass sich die maximale Druckfestigkeit nach der Erzeugung der Poren in den Schleifscheiben um 35 % von 83,74 MPa auf 54,53 MPa reduzierte. Schleifexperimente zeigten, dass sich mit zunehmender Porosität der Schleifscheiben das Schleifvolumen leicht verbesserte, die Schleiftemperatur sank und die Scheibenbelastung reduzierte. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Schleifscheiben mit höherer Porosität eine bessere Selbstabrichtungsfähigkeit besitzen, was einer Scheibenbelastung entgegenwirkt.
Abb. 2.Oberflächenmorphologie von Schleifscheiben vor und nach dem Test mit unterschiedlicher Porosität: 8,12 % (a) und (e), 15,81 % (b) und (f), 18,60 % (c) und (g) und 21,18 % (d) und (h).
Aufgrund der Schleifhitze wurde auf allen geschliffenen Schienenköpfen eine harte und spröde weiße Ätzschicht beobachtet, und die dickste WEL wurde durch die geringste Porosität der Schleifräder verursacht, wie in Abb. 3 und Abb. 4 zu sehen ist. Unter der WEL befindet sich eine deformierte Perlitschicht, die durch Deformation unter Scherspannung von Schleifkörnern gebildet wird. Die Härte der WEL beträgt 5,77 GPa und ist damit etwa 2-3 Mal härter als die Perlitmatrix. Viele Wissenschaftler sind zu dem Schluss gekommen, dass die WEL eng mit Schienenbrüchen zusammenhängt [6-8]. Durch die gemischte Zug- und Scherspannung der Räder während des Schienenbetriebs können Risse auf der Oberfläche entstehen. Der gebildete Riss würde sich wegen der spröden Beschaffenheit der WEL-Schicht schnell durch diese ausbreiten, sich an der Grenzfläche zwischen WEL und Perlit fortsetzen oder sogar in die Perlitmatrix hinein vordringen und schwerwiegendere Schienendefekte bilden [9]. Die harte und spröde Schicht würde daher den vorzeitigen Ausfall der geschliffenen Schiene verursachen und kann wirksam durch die Porosität der Schleifräder kontrolliert werden.
Abb. 3.Härte der WEL und der verformten Schicht.
Abb. 4.OM der Querschnitte der Schiene, die mit Schleifscheiben unterschiedlicher Porosität geschliffen wurden: 8,12 % (a), 15,81 % (b), 18,60 % (c) und 21,18 % (d).
Der Schleifmechanismus einer Schleifscheibe mit Porenstruktur ist in Abb. 5 dargestellt. Aufgrund des hohen negativen Spanwinkels und der relativ hohen aktiven Korndichte schmelzen die Schleifspäne bei hohen Temperaturen zunächst und bleiben dann an der Scheibenoberfläche hängen. Dies beeinträchtigt die Schleifleistung der Schleifscheibe und erhöht die Schleifwärme. Im Gegensatz dazu besitzt die poröse Schleifscheibe eine bessere Selbstabrichtung und trägt zu einer geringeren Beschädigung der Schienenoberfläche bei [8]. Einerseits vergrößert die Porenstruktur den Abstand zwischen den Schleifkörnern, wodurch ausreichend Platz für die Spänespeicherung und Wärmeabgabe geschaffen wird. Die Späne können sich in den Poren verformen und durch die anschließende Interaktion der Schleifmittel entfernt werden. Zudem kann ein Teil der Wärme aus der Kontaktzone abgeführt werden. Andererseits sind die Spannung und die Überstandshöhe jedes aktiven Korns größer als bei herkömmlichen Schleifscheiben. Dies erhöht die Rohspandicke und reduziert den Reibeffekt zwischen Schleifkorn und Schienenoberfläche. Dies reduziert die durch das Schienenschleifen verursachte Vorermüdung, wie bereits erwähnt. Aufgrund ihrer hervorragenden Schleifleistung und der entsprechend geringeren Schädigungswirkung auf die Schienenoberfläche verfügt die Schleifscheibe mit Porenstruktur aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit und der Trockenschleifbedingungen über großes Potenzial für den Einsatz in der Schienenschleiftechnik.
Abb. 5.Schleifmechanismus einer Schleifscheibe mit Porenstrukturen.
Verweise
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[9] Zhang ZY, Shang W, Ding HH, Guo J, Wang HY, Liu QY, et al. Thermisches Modell und Temperaturfeld im Schienenschleifprozess basierend auf einer bewegten Wärmequelle. Appl Therm Eng 2016;106:855–64.
