Das selbstadaptive Schleifverhalten beim Hochgeschwindigkeits-Schienenschleifen unter Gleit- und Rollbewegungen

Das selbstadaptive Schleifverhalten von Hochgeschwindigkeitszügen unter Gleit- und Rollbewegungen konzentrierte sich auf die Optimierung der Schleifleistung und Oberflächenqualität. Hochgeschwindigkeitszüge, die durch hohe Betriebsgeschwindigkeiten und geringe Achslasten gekennzeichnet sind, leiden häufig unter Rollkontaktermüdung [1], die zu Oberflächenabplatzungen [2-4], Ermüdungsrissen [5,6] und Brüchen [7,8] führt. Diese Probleme erfordern eine rechtzeitige Wartung, um diesicheren und zuverlässigen Betrieb von SchienennetzenHerkömmliche Schienenschleiftechniken zielen darauf ab, tiefsitzende Defekte zu beheben, führen jedoch häufig zu Ineffizienz, längeren Wartungszeiten und thermischen Schäden. Das Hochgeschwindigkeitsschleifen (HSG) hat sich als effektive Alternative herausgestellt, da es höhere Schleifgeschwindigkeiten (60–80 km/h) und kürzere Wartungsfenster bietet. Anders als beim konventionellen Schleifen erfolgt das HSG durch eine zusammengesetzte Gleit-Roll-Bewegung, die durch Reibungskräfte zwischen den Schleifscheiben (GW) und der Schienenoberfläche angetrieben wird [9]. Dieser einzigartige Mechanismus ermöglicht sowohl Materialabtrag als auch Selbstschärfung des Schleifmittels. Das Zusammenspiel zwischen Gleit- und Rollbewegungen ist jedoch noch nicht ausreichend erforscht, was das Potenzial des HSG zur Optimierung der Schieneninstandhaltung einschränkt. In dieser Arbeit wurde ein selbstgebauter HSG-Prüfstand eingesetzt, um die Schleifbedingungen vor Ort zu simulieren. Die Experimente wurden mit unterschiedlichen Kontaktwinkeln (30°, 45° und 60°) und Schleiflasten (500 N, 700 N und 900 N) durchgeführt [10, 11].

1. Das Verhältnis von Gleiten und Rollen.Die Ergebnisse zeigen, dass die kombinierten Gleit- und Rollbewegungen das Schleifverhalten entscheidend beeinflussen. Das Gleit- und Rollverhältnis (SRR), definiert als das Verhältnis von Gleitgeschwindigkeit zu Rollgeschwindigkeit (siehe Abb. 1), stieg sowohl mit dem Kontaktwinkel als auch mit der Schleiflast an, was intuitiv Änderungen in der kombinierten Gleit- und Rollbewegung der Schleifpaare widerspiegelte. Beispielsweise stieg das SRR von 0,18 bei einem Kontaktwinkel von 30° auf 0,81 bei 60°. Dieser Wechsel von einer rolldominierten Bewegung zu einem Gleichgewicht zwischen Gleiten und Rollen verbesserte die Schleifergebnisse erheblich. Die Studie ergab, dass ein Kontaktwinkel von 45° die höchste Schleifleistung ergab, während ein Kontaktwinkel von 60° die beste Oberflächenqualität lieferte. Die Oberflächenrauheit (Ra) nahm mit zunehmendem Kontaktwinkel erheblich ab, von 12,9 μm bei 30° auf 3,5 μm bei 60°, wie in Abb. 2 bis Abb. 4 gezeigt.

2. Durch Schleifen verursachter WEL.Während des Schleifprozesses kommt es aufgrund der thermomechanischen Kopplungseffekte – einschließlich hoher Kontaktspannung, erhöhter Temperaturen und schneller Abkühlung – zu metallurgischen Umwandlungen und plastischen Verformungen auf der Schienenoberfläche. Diese Veränderungen führen zur Bildung einer spröden weiß geätzten Schicht (WEL), die unter den zyklischen Spannungen durch den Rad-Schiene-Kontakt zum Brechen neigt. Alle Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche Dicke der WEL weniger als 8 μm beträgt und damit dünner ist als die durch aktives Schleifen verursachte WEL (~40 μm) [12, 13], wie in Abb. 5 gezeigt. Dieses Phänomen hängt wahrscheinlich mit den einzigartigen Eigenschaften des HSG-Verfahrens zusammen. Im Vergleich zum herkömmlichen aktiven Schleifen ist beim HSG ein einzelnes Schleifkorn während eines Umdrehungszyklus nur für einen kurzen Zeitraum am Schleifprozess beteiligt, selbst bei großen Kontaktwinkeln. Die meiste Zeit befindet sich das Schleifkorn nach dem Schleifen in der Wärmeableitungsphase. Dadurch wird sichergestellt, dass das Schleifkorn ausreichend Zeit hat, die Wärme abzuleiten, bevor es erneut mit dem Schleifen beginnt. Dies führt zu verbesserten thermischen Bedingungen an der Schleifschnittstelle.

3. Schleifstaub.Die Analyse der Schleifpartikel lieferte zusätzliche Einblicke in die Materialabtragsmechanismen, wie in Abb. 6 und Abb. 7 dargestellt. Fließ- und messerförmige Partikel, die auf eine effektive Schleifleistung hindeuten, traten bei höheren Kontaktwinkeln häufiger auf. Im Gegensatz dazu dominierten bei niedrigeren Kontaktwinkeln block- und scheibenförmige Partikel, was auf eine unzureichende Schleifleistung hindeutet. Das Auftreten kugelförmiger Partikel nahm mit zunehmender Schleiflast zu, was auf erhöhte Schleiftemperaturen hindeutet. Diese Beobachtungen unterstreichen die Bedeutung der Optimierung der Schleifparameter, um Effizienz und thermische Bedingungen in Einklang zu bringen.

4. Mechanismus der gleitenden Rollverbindungsbewegung.Die Studie zeigte auch das dynamische Zusammenspiel von Gleit- und Rollbewegungen im Schleifprozess, wie in Abb. 8 dargestellt. Gleiten erleichtert den Materialabtrag von der Schienenoberfläche, während Rollbewegungen den Abtrag von Schleifstaub und die Selbstschärfung des Schleifmittels fördern. Dieses dynamische Gleichgewicht ist entscheidend für effizientes Schleifen mit minimalen thermischen Schäden. Eine übermäßige Betonung einer der beiden Bewegungen kann jedoch zu suboptimalen Ergebnissen führen: Rollbewegungen erhöhen die Oberflächenrauheit, während Gleitbewegungen zu einer verringerten Schleifmittelerneuerung und erhöhten thermischen Schäden führen können.

5. Umfassende Bewertung.Umfassende Bewertungen der Schleifleistung, einschließlich Schleifeffizienz, Oberflächenrauheit und WEL-Dicke, verdeutlichten die Vorteile der Optimierung von Gleit- und Rollbewegungen, wie in Abb. 9 dargestellt. Die Radardiagramme der Schleifleistung unter verschiedenen Belastungen und Kontaktwinkeln zeigten, dass ein Kontaktwinkel von 45° das beste Gesamtverhältnis zwischen Effizienz und Qualität bietet. Der Kontaktwinkel von 60° erzeugte jedoch durchweg die glattesten Oberflächen und war daher ideal für den letzten Schleifdurchgang. Diese Ergebnisse legen nahe, dass durch gezielte Anpassungen der Schleifparameter unterschiedliche Schäden an der Schienenoberfläche effektiv behoben werden können.

Diese Forschung bietet praktische Auswirkungen auf die Instandhaltung von Hochgeschwindigkeitszügen. Bei den ersten Schleifdurchgängen maximiert ein Kontaktwinkel von 45° die Materialabtragseffizienz, während ein Winkel von 60° eine hervorragende Oberflächenqualität in den Endbearbeitungsphasen gewährleistet. Die Studie unterstreicht die Bedeutung des dynamischen Ausgleichs von Gleit- und Rollbewegungen, um die Schleifleistung zu verbessern, die Oberflächenqualität zu steigern und die Lebensdauer der Schleifscheiben zu verlängern.

Zusammenfassend unterstreicht die Studie die entscheidende Rolle von Gleit- und Rollbewegungen beim Hochgeschwindigkeitsschleifen von Schienen. Durch die Optimierung des Gleit- und Rollanteils kann HSG eine überlegene Schleifleistung und Oberflächenqualität bei gleichzeitiger Minimierung thermischer Schäden erzielen. Diese Erkenntnisse bilden die theoretische Grundlage für die Weiterentwicklung der HSG-Technologie und bieten praktische Richtlinien zur Verbesserung der Schieneninstandhaltung.

Abb. 1.Variationstrend von SRR, COF und Rotationsgeschwindigkeit mit Schleiflasten und Kontaktwinkeln.

Abb. 2.Schleifleistung bei unterschiedlichen Kontaktwinkeln und Schleiflasten.

Abb. 3.Die Oberflächenmorphologien von Schienenproben unter verschiedenen Kontaktwinkeln und Schleifbelastungen.

Abb. 4.Oberflächenrauheit und3D-Morphologienvon Schienenproben unter verschiedenen Kontaktwinkeln und Schleifbelastungen.

Abb. 5.Optische und SEM-metallografische Querschnittsbilder der Schienenproben.

Abb. 6.Die Art und der AnteilSchleifstaubunter verschiedenen Kontaktwinkeln und Schleiflasten.

Abb. 7.SEM-Bilder und EDS-Spektren für verschiedene Arten von Schleifstaub.

Abb. 8.Schematische Darstellung der Auswirkung der Gleit-Roll-Verbundbewegung auf HSG.

Über diese Arbeit wurde im Journal of Tribology International berichtet.

Verweise

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