رفتارهای خود-تطبیقی ​​سنگ‌زنی ریل پرسرعت تحت حرکات ترکیبی لغزشی-غلتان

رفتارهای خود تطبیقی ​​سنگ‌زنی ریل‌های پرسرعت تحت حرکات ترکیبی لغزشی-غلتان بر بهینه‌سازی عملکرد سنگ‌زنی و کیفیت سطح متمرکز بود. راه‌آهن‌های پرسرعت که با سرعت‌های عملیاتی بالا و بارهای محوری سبک مشخص می‌شوند، اغلب از خستگی تماس غلتشی [1] رنج می‌برند که منجر به پوسته‌پوسته شدن سطح [2-4]، ترک‌های خستگی [5،6] و شکستگی‌ها [7،8] می‌شود. این مسائل مستلزم نگهداری به موقع برای اطمینان از بهره‌برداری ایمن و مطمئن از شبکه‌های ریلیتکنیک‌های سنتی سنگ‌زنی ریل با هدف رفع عیوب عمیق انجام می‌شوند، اما اغلب منجر به ناکارآمدی، زمان طولانی تعمیر و نگهداری و آسیب حرارتی می‌شوند. سنگ‌زنی پرسرعت (HSG) به عنوان یک جایگزین مؤثر ظهور کرده است که سرعت سنگ‌زنی بالاتری (60-80 کیلومتر در ساعت) و "پنجره‌های تعمیر و نگهداری" کمتری را ارائه می‌دهد. برخلاف سنگ‌زنی معمولی، HSG از طریق حرکات ترکیبی لغزشی-غلتان، که توسط نیروهای اصطکاکی بین چرخ‌های سنگ‌زنی (GWs) و سطح ریل هدایت می‌شوند، عمل می‌کند [9]. این مکانیسم منحصر به فرد، هم حذف مواد و هم خود تیز کردن ساینده را امکان‌پذیر می‌کند. با این حال، تعامل بین حرکات لغزشی و غلتشی به اندازه کافی بررسی نشده است و پتانسیل HSG را برای بهینه‌سازی تعمیر و نگهداری ریل محدود می‌کند. در این کار، از یک دستگاه تست HSG خانگی برای شبیه‌سازی شرایط سنگ‌زنی در محل استفاده شد. آزمایش‌ها تحت زوایای تماس مختلف (30 درجه، 45 درجه و 60 درجه) و بارهای سنگ‌زنی (500 نیوتن، 700 نیوتن و 900 نیوتن) انجام شد [10، 11].

۱. نسبت اسلاید-رول.
  نتایج نشان می‌دهد که حرکات ترکیبی لغزشی-غلتان نقش مهمی در تأثیرگذاری بر رفتار سنگ‌زنی دارند. نسبت لغزشی-غلتان (SRR)، که به عنوان نسبت سرعت لغزشی به سرعت نورد تعریف می‌شود، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، با زاویه تماس و بار سنگ‌زنی افزایش یافت، که به طور شهودی تغییرات در حرکت ترکیبی لغزشی-غلتان جفت‌های سنگ‌زنی را منعکس می‌کرد. به عنوان مثال، SRR از 0.18 در زاویه تماس 30 درجه به 0.81 در زاویه 60 درجه افزایش یافت. این تغییر از حرکت غالب نورد به تعادل بین لغزش و نورد، نتایج سنگ‌زنی را به طور قابل توجهی بهبود بخشید. این مطالعه نشان داد که زاویه تماس 45 درجه بالاترین راندمان سنگ‌زنی را ایجاد می‌کند، در حالی که زاویه تماس 60 درجه بهترین کیفیت سطح را به همراه دارد. زبری سطح (Ra) با افزایش زاویه تماس، از 12.9 میکرومتر در زاویه 30 درجه به 3.5 میکرومتر در زاویه 60 درجه، همانطور که در شکل‌های 2 تا 4 نشان داده شده است، به طور قابل توجهی کاهش یافت.

۲. جوش الکتریکی ناشی از سنگ‌زنی.
در طول فرآیند سنگ‌زنی، به دلیل اثرات کوپلینگ ترمومکانیکی، از جمله تنش تماسی بالا، دمای بالا و خنک شدن سریع، دگرگونی‌های متالورژیکی و تغییر شکل پلاستیک روی سطح ریل رخ می‌دهد. این تغییرات منجر به تشکیل یک لایه اچینگ سفید شکننده (WEL) می‌شود که مستعد شکستگی تحت تنش‌های چرخه‌ای ناشی از تماس چرخ-ریل است. تمام نتایج نشان می‌دهد که ضخامت متوسط ​​WEL کمتر از 8 میکرومتر است که از WEL ناشی از سنگ‌زنی فعال (~40 میکرومتر) [12، 13] نازک‌تر است، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است. این پدیده احتمالاً به ویژگی‌های منحصر به فرد روش HSG مربوط می‌شود. در مقایسه با سنگ‌زنی فعال سنتی، در HSG، یک ذره ساینده تنها برای مدت کوتاهی در طول یک چرخه چرخش، حتی در زوایای تماس بالا، در فرآیند سنگ‌زنی درگیر می‌شود. در بیشتر مواقع، ذره ساینده پس از سنگ‌زنی در دوره اتلاف گرما قرار دارد. این امر تضمین می‌کند که ذره ساینده زمان کافی برای اتلاف گرما قبل از درگیر شدن مجدد در سنگ‌زنی داشته باشد و در نتیجه شرایط حرارتی بهبود یافته در فصل مشترک سنگ‌زنی ایجاد شود.

۳. آسیاب کردن خرده‌ها.
تجزیه و تحلیل بقایای سنگ‌زنی، بینش‌های بیشتری در مورد مکانیسم‌های حذف مواد ارائه داد، همانطور که در شکل‌های 6 و 7 نشان داده شده است. بقایای جریان‌مانند و چاقویی شکل، که نشان‌دهنده عملکرد مؤثر سنگ‌زنی هستند، در SRR های بالاتر شایع‌تر بودند. در مقابل، بقایای بلوکی و برش‌خورده در زوایای تماس پایین‌تر غالب بودند که نشان‌دهنده عملکرد نامناسب سنگ‌زنی است. وجود بقایای کروی با بارهای سنگ‌زنی افزایش یافت که نشان‌دهنده دمای بالای سنگ‌زنی است. این مشاهدات بر اهمیت بهینه‌سازی پارامترهای سنگ‌زنی برای ایجاد تعادل بین راندمان و شرایط حرارتی تأکید می‌کند.

۴. مکانیسم حرکت لغزشی مرکب غلتشی. این مطالعه همچنین تعامل پویا بین حرکات لغزشی و غلتشی را در فرآیند سنگ‌زنی نشان داد، همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است. لغزش، حذف مواد از سطح ریل را تسهیل کرد، در حالی که غلتش، تخلیه آوار و خود تیز شوندگی ساینده را افزایش داد. این تعادل پویا برای دستیابی به سنگ‌زنی کارآمد با حداقل آسیب حرارتی ضروری است. با این حال، تأکید بیش از حد بر هر یک از حرکات می‌تواند منجر به نتایج غیربهینه شود: حرکت غلتشی غالب، زبری سطح را افزایش می‌دهد، در حالی که حرکت لغزشی غالب می‌تواند منجر به کاهش تجدید ساینده و افزایش آسیب حرارتی شود.

۵. ارزیابی جامع. ارزیابی‌های جامع از عملکرد سنگ‌زنی، شامل راندمان سنگ‌زنی، زبری سطح و ضخامت WEL، مزایای بهینه‌سازی حرکات ترکیبی لغزشی-غلتان را برجسته کرد، همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است. نمودارهای رادار عملکرد سنگ‌زنی تحت بارها و زوایای تماس مختلف نشان داد که زاویه تماس 45 درجه بهترین تعادل کلی بین راندمان و کیفیت را فراهم می‌کند. با این حال، زاویه تماس 60 درجه به طور مداوم صاف‌ترین سطوح را ایجاد می‌کند و آن را برای مراحل نهایی سنگ‌زنی ایده‌آل می‌سازد. این یافته‌ها نشان می‌دهد که تنظیمات هدفمند پارامترهای سنگ‌زنی می‌تواند به طور مؤثر آسیب‌های مختلف سطح ریل را برطرف کند.

این تحقیق پیامدهای عملی برای نگهداری راه‌آهن‌های پرسرعت ارائه می‌دهد. برای مسیرهای اولیه سنگ‌زنی، زاویه تماس ۴۵ درجه، راندمان حذف مواد را به حداکثر می‌رساند، در حالی که زاویه ۶۰ درجه، کیفیت سطح برتر را در مراحل پایانی تضمین می‌کند. این مطالعه بر اهمیت متعادل‌سازی دینامیکی حرکات لغزشی و غلتشی برای افزایش عملکرد سنگ‌زنی، بهبود کیفیت سطح و افزایش عمر مفید چرخ‌های سنگ‌زنی تأکید می‌کند.

در نتیجه، این مطالعه نقش حیاتی حرکات ترکیبی لغزشی-غلتکی را در سنگ‌زنی ریل‌های پرسرعت برجسته می‌کند. با بهینه‌سازی نسبت حرکات لغزشی و غلتشی، HSG می‌تواند به راندمان سنگ‌زنی و کیفیت سطح برتر دست یابد و در عین حال آسیب حرارتی را به حداقل برساند. این یافته‌ها یک پایه نظری برای پیشرفت فناوری HSG و دستورالعمل‌های عملی برای بهبود شیوه‌های نگهداری ریل فراهم می‌کند.

شکل ۱. روند تغییرات SRR، COF و سرعت چرخش با بارهای سنگ‌زنی و زوایای تماس.

شکل ۲. راندمان سنگ‌زنی تحت زوایای تماس و بارهای سنگ‌زنی مختلف.

شکل ۳. مورفولوژی سطح نمونه‌های ریل تحت زوایای تماس مختلف و بارهای سنگ‌زنی

شکل ۴. زبری سطح و مورفولوژی‌های سه‌بعدی نمونه‌های ریل تحت زوایای تماس و بارهای سنگ‌زنی مختلف.

شکل ۵. تصاویر مقطعی نوری و متالوگرافی SEM از نمونه‌های ریل.

شکل ۶. نوع و نسبت ضایعات سنگ زنی تحت زوایای تماس و بارهای سنگ‌زنی مختلف.

شکل ۷. تصاویر SEM و طیف‌های EDS برای انواع مختلف خرده‌های سنگ‌زنی.

شکل ۸. نمودار شماتیک اثر حرکت ترکیبی لغزشی-غلتان بر HSG.

این کار در مجله Tribology International گزارش شده است.

منابع

[1] فن دبلیو، وو سی، وو زد و همکاران. مکانیسم تماس استاتیک بین چرخ تماسی دندانه‌دار و ریل در سنگ‌زنی ریل با تسمه ساینده [J]. مجله فرآیندهای تولید، 2022، 84: 1229-1245.

[2] چنگ ZN، ژو Y، لی PJ، و همکاران. مکانیسم انتشار ترک و پوسته پوسته شدن سطح ریل بر اساس پری دینامیک [J]. مجله دانشگاه تونگجی، 2023، 51(6): 912-922.

[3] وانگ جی ان، گوئو ایکس، جینگ ال، و همکاران. شبیه‌سازی‌های المان محدود پاسخ ضربه چرخ-ریل ناشی از پوسته پوسته شدن آج چرخ قطارهای پرسرعت [J]. انفجار و امواج ضربه‌ای، 2022، 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] هوآ جی، لیو جی، لیو اف، و همکاران. مطالعه آسیب سایش WEA نواری و پوسته پوسته شدن خستگی مواد ریلی U71MnG با عملیات کوئنچ لیزری [J]. Tribology International، 2022، 175: 107811.

[5] بنوا دی، سلیما بی، ماریون آر. توصیف چندمقیاسی شروع ترک خوردگی سر ریل‌ها تحت خستگی تماس غلتشی: تحلیل مکانیکی و ریزساختار [J]. سایش، 2016، 366: 383-391.

[6] شور ای ای، بورتس ای آی، بازانووا ال وی، و همکاران. تعیین نرخ و زمان رشد ترک خستگی در ریل‌ها با استفاده از ماکرولاین‌های خستگی [J]. متالورژی روسی (فلزی)، 2020، 2020: 477-482.

[7] الجبوری آ، ژو اچ، لی اچ و همکاران. بررسی ریزساختاری شکست ریل مرتبط با نقص‌های اسکات [J]. تحلیل شکست مهندسی، 2023، 151: 107411.

[8] مسعودی نژاد ر، فرهنگدوست ک، شریعتی م. تحلیل ریزساختاری و رفتار شکست خستگی فولاد ریل [J]. مکانیک مواد و سازه‌های پیشرفته، 2020، 27(2): 152-164.

[9] فون دیست کی، پوشل ای. کاهش سر و صدای راه آهن با سرعت بالا از طریق سنگ زنی منظم ریل بدون وقفه در ترافیک [C]//INTER-NOISE و NOISE-CON کنگره و کنفرانس ProceedinGW. موسسه مهندسی کنترل سر و صدا، 2013، 247(2): 5206-5212.

[10] فون دیست کی، فراروتی جی، کیک دبلیو و همکاران. تحلیل سایش خودروی سنگ‌زنی پرسرعت HSG-2: اعتبارسنجی، شبیه‌سازی و مقایسه با اندازه‌گیری‌ها [M]//دینامیک خودروها در جاده‌ها و مسیرها جلد 2. انتشارات CRC، 2017: 925-930.

[11] فون دیست کی، پوشل ای. کاهش سر و صدای راه آهن با سرعت بالا از طریق سنگ زنی منظم ریل بدون وقفه در ترافیک [C]//INTER-NOISE و NOISE-CON کنگره و کنفرانس ProceedinGW. موسسه مهندسی کنترل سر و صدا، 2013، 247(2): 5206-5212.

[12] مساریتیس ام، سانتا جی‌اف، مولینا ال‌اف و همکاران. ارزیابی سنگ‌زنی پس از عملیات درجات مختلف ریل در آزمایش‌های آزمایشگاهی چرخ/ریل در مقیاس کامل [J]. Tribology International، 2023، 177: 107980.

[13] راسموسن سی‌جی، فیستر اس، دار اس و همکاران. تشکیل ترک سطحی روی ریل‌ها در حین سنگ‌زنی ناشی از لایه‌های حکاکی سفید مارتنزیتی [J]. سایش، 2017، 384: 8-14.