Herausforderungen bei der Schleifsteinlokalisierung

Der obige Überblick über den aktuellen Forschungsstand zu Schleifsteinen hinsichtlich Schleifsteinformung (Rohmaterial und Verfahren), Methoden zur Leistungsbewertung von Schleifsteinen, Schienenbrand usw. zeigt, dass Design und Herstellung von Schleifsteinen eine multidisziplinäre (Mechanik, Werkstoffe, Mechanik usw.) und multifaktorielle (Komponenten, Verfahren, Schnittstellen, Arbeitsbedingungen usw.) Interaktion komplexer technischer Herausforderungen darstellen. Daher folgt eine Zusammenfassung der Schwierigkeiten und Herausforderungen im Forschungs- und Entwicklungsprozess von Schleifsteinen aus drei Blickwinkeln: Schleifsteinformung, Verhalten der Schnittstelle Schleifstein/Schiene und Leistungsbewertung von Schleifsteinen (Abbildung 1), um Wissenschaftlern und Praktikern relevante Referenzen zu bieten.

(1) Mühlsteinformung

Die Leistung eines Schleifsteins wird von seiner Zusammensetzung (Harz, Füllstoff, Schleifmittel usw.), dem Formgebungsprozess (Mischen, Aushärten usw.), seiner Struktur (Porosität und Porengröße, Schleifmittelkonzentration usw.) und der Bindungsstärke heterogener Grenzflächen (Harz/Schleifmittel, Harz/Füllstoff usw.) sowie weiteren Faktoren beeinflusst, wie in Abbildung 1 (a) dargestellt. Der Bindungsmechanismus der heterogenen Grenzflächen des Schleifsystems ist derzeit noch nicht geklärt. Der Regulierungsmechanismus für Mikro-/Nanofüllstoffe hinsichtlich Bindungszähigkeit, Hitzebeständigkeit und Verschleißfestigkeit muss noch geklärt werden. Der Mechanismus der Auswirkung der komplexen Schleifsteinstruktur auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Schleifsteins und seine Leistung ist noch nicht klar. Die oben genannten wissenschaftlichen und technischen Schwierigkeiten erschweren die Regulierung der Leistung von Schleifsteinen erheblich.

Yuan Yongjie [1] nutzte Abaqus und Python, um ein virtuelles Mühlsteinmodell zu erstellen. Er führte mithilfe der Finite-Elemente-Methode Mühlsteinforschung durch, die eine wichtige Inspiration für die Konstruktion von Mühlsteinen mit mehr Variablen und komplexeren Prozessen lieferte. Daher können wir zukünftig mithilfe von Finite-Elementen und anderen Methoden Mühlsteinmodelle schnell und effizient erstellen und ein feineres Spektrum synergistischer Wirkungsbeziehungen zwischen verschiedenen Faktoren als Orientierung für die Mühlsteinkonstruktion festlegen. Das Modell wird durch eine Vielzahl grundlegender experimenteller Daten gestützt.

(2) Verhalten der Schnittstelle zwischen abrasivem Stein und Schiene

Die Geometrie und räumliche Ausrichtung des Schleifmittels sind zufällig, wodurch sich die vorderen Winkel beim Schleifen (Gleiten, Pflügen, Schneiden) stark unterscheiden. Daher ist auch die Wirkung jedes Schleifmittels auf das Materialverhalten der Schiene (mechanische Kraft, Schleiftemperatur usw.) zufällig, wodurch sich die Versagensmechanismen des Steins unterscheiden und die Oberflächenqualität der Schiene beeinflusst wird. Im Idealfall kann das Schleifmittel nach vielen Schleifzyklen durch den Selbstschärfeinprozess seine Schneidfunktion voll entfalten. Durch Verschleiß und Ablösen der Bindung wird das passivierte Schleifmittel abgelöst und der Schleifstein schärft sich selbst. Übermäßiger Verschleiß der Bindung führt jedoch zu vorzeitigem Ablösen des Schleifmittels, wodurch die Schleifmittelnutzungsrate verringert wird und die Verschleißfestigkeit des Schleifsteins sinkt, was seine Lebensdauer verkürzt. Daher müssen Verschleiß und Selbstschärfen des Schleifsteins ausgewogen sein, damit der Schleifstein sowohl eine starke Schneidleistung als auch eine lange Lebensdauer aufweist. Gleichzeitig wirkt sich der Verschleiß des Schleifsteins direkt auf den Zustand der Schleifkante und den Schnittwinkel aus, was wiederum die beim Schleifen entstehende Wärme und die Qualität der Schienenoberfläche beeinflusst. Somit ist ersichtlich, dass sich beim Schienenschleifen unter der thermisch-mechanischen Kopplung der Schnittstelle zwischen Schleifstein und Schiene Materialabtrag und Versagen des Schleifsteins gegenseitig beeinflussen und in enger Beziehung zueinander stehen, was sich letztendlich auf die Oberflächenqualität der Schiene nach dem Schleifen auswirkt.

Der Wechselwirkungsmechanismus zwischen Materialabtrag und Schleifsteinversagen beim Schienenschleifen sowie dessen Einfluss auf die Oberflächenqualität der Schiene sind derzeit noch unklar, was die Konstruktion des Schleifsteins erschwert (siehe Abb. 1(b). Daher ist es wichtig, den Mechanismus des Materialabtrags beim Schienenschleifen, den Verschleißmechanismus des Schleifsteins und die Entwicklung der Schienenoberflächenqualität zu untersuchen und ein physikalisches Beziehungsmodell zu erstellen: Schleifsteinstruktur – mechanische Eigenschaften des Schleifsteins – Schleifleistung – Versagensmechanismus des Schleifsteins – Oberflächenqualität der Schiene. Dies ist für die Konstruktion und Herstellung von Schleifsteinen von großer Bedeutung.

(3) Bewertung der Schleifsteinleistung

Die wissenschaftliche und umfassende Bewertung der Leistung von Schleifsteinen (insbesondere der Schleifleistung), der Schleifsteinformel und der Prozessgestaltung ist eine wichtige Referenz. Derzeit gibt es verschiedene Methoden zur Leistungsbewertung von Schleifsteinen, und es fehlen einheitliche Bewertungsstandards für die Leistung von Schleifsteinen. Dies erschwert den Austausch von Forschungsergebnissen zu Schleifsteinen (siehe Abbildung 1 (c). Viele Forscher führen derzeit entsprechende Forschungen durch, indem sie große Mühlsteine ​​in Originalgröße herstellen. Diese sind jedoch nicht für die spätere Makro-/Mikrocharakterisierung und -analyse geeignet und ermöglichen keine genaueren experimentellen Daten. Die experimentellen Ergebnisse der Mühlsteine ​​bieten daher nur begrenzte Hinweise zur Leistungsregulierung. Dies mindert die Forschungs- und Entwicklungseffizienz, erhöht die Forschungskosten und führt zu Energie- und Rohstoffverschwendung. Daher kann ein mehrdimensionaler Bewertungsansatz verfolgt werden, um die Prüfgeräte für Schleifsteine ​​wissenschaftlich zu entwickeln und Bewertungsrichtlinien für die Leistung von Schleifsteinen verschiedener Dimensionen zu erstellen. Dies schafft die Grundlage für die Förderung von Schleifsteinen im Schienenverkehr.

Feige.1 Die wichtigsten Probleme für die Entwicklung von GS

(a) Schleifsteinbildung [2,3,1]; (b) Beziehungen zwischen Materialabtragsmechanismen, Schleifsteinverschleißmechanismen und Schienenoberflächenqualität [4,5,6,7,8]; (c) Methoden zur Bewertung der Schleifsteinleistung [9,2,10].

[1] YUAN Yongjie. Die Leistungsregulierungsmechanismen von Schienenschleifsteinen mit Porenstruktur[J]. Chengdu: Südwest-Jiaotong-Universität, 2021.

[2] ZHANG Wulin. Studie zu den Leistungsregulierungsmechanismen von Hochgeschwindigkeits-Schleifsteinen mittels Korund-Schleifmitteln[D]. Chengdu: Südwest-Jiaotong-Universität, 2021.

[3] ZHANG Pengfei, ZHANG Wulin, YUAN Yongjie, et al. Untersuchung des Einflusses der Schleifwärme auf den Materialabtragsmechanismus beim Schienenschleifen[J]. Tribology International, 2020, 147:105942.

[4] JI Yuan, TIAN Changhai, PEI Dingfeng. Vergleichende Analyse chinesischer Normen für Schienenschleifscheiben und ausländischer internationaler Normen[J]. Railway Quality Control, 2018, 46(9): 5-8.

[5] ZHOU Kun, DING Haohao, WANG Wenjian, et al. Einfluss des Schleifdrucks auf das Abtragsverhalten von Schienenmaterial[J]. Tribology International, 2019, 134: 417-426.

[6] ZHOU Kun, DING Haohao, WANG Ruixiang, et al. Experimentelle Untersuchung des Materialabtragsmechanismus beim Schienenschleifen bei unterschiedlichen Vorwärtsgeschwindigkeiten[J]. Tribology International, 2020, 143: 106040.

[7] ZHANG Wulin, ZHANG Pengfei, ZHANG Jun, et al. Untersuchung des Einflusses der Schleifkorngröße auf das Schienenschleifverhalten[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2020, 53: 388-395.

[8] JOACHIM Mayer, ROBERT Engelhorn, ROSEMARIE Rot, et al. Verschleißeigenschaften von zweitphasenverstärkten Sol-Gel-Korund-Schleifmitteln[J]. Acta Materialia, 2006, 54(13): 3605-3615.

[9] XU Xiaotang. Studie zum Mechanismus des Hochgeschwindigkeitsschienenschleifens[D]. Chengdu: Südwest-Jiaotong-Universität, 2016.

[10] XU Xiaotang, WANG Hengyu, WU Lei, et al. Eine experimentelle Studie zum Hochgeschwindigkeits-Schienenschleifen unter nassen Bedingungen[J]. Lubrication Engineering, 2016, 41(11): 41-44.