A nagy sebességű vasúti köszörülés önadaptív köszörülési viselkedései csúszó-gördülő kompozit mozgások alatt

A nagy sebességű sín önadaptív köszörülési viselkedése csúszó-gördülő kompozit mozgások mellett a köszörülési teljesítmény és a felületminőség optimalizálására összpontosít. A nagy sebességgel és kis tengelyterheléssel jellemezhető nagysebességű vasutak gyakran szenvednek gördülési érintkezési kifáradástól [1], amely felületi repedésekhez [2-4], kifáradási repedésekhez [5,6] és törésekhez [7,8] vezet. Ezek a problémák időben történő karbantartást tesznek szükségessé, hogy biztosítsák aa vasúti hálózatok biztonságos és megbízható működése. A hagyományos síncsiszolási technikák célja a mélyen meghúzódó hibák kiküszöbölése, de gyakran eredménytelenséghez, meghosszabbodott karbantartási időhöz és hőkárosodáshoz vezetnek. A nagy sebességű köszörülés (HSG) hatékony alternatívaként jelent meg, amely nagyobb csiszolási sebességet (60-80 km/h) és csökkentett "karbantartási ablakokat" kínál. A hagyományos köszörüléssel ellentétben a HSG csúszó-gördülő kompozit mozgásokon keresztül működik, amelyeket a csiszolókorongok (GW) és a sínfelület közötti súrlódási erők hajtanak végre [9]. Ez az egyedülálló mechanizmus lehetővé teszi az anyag eltávolítását és a koptató önélezést. A csúszó és gördülő mozgások közötti kölcsönhatást azonban nem vizsgálták kellőképpen, ami korlátozza a HSG-ben rejlő lehetőségeket a sínkarbantartás optimalizálására. Ebben a munkában egy házi készítésű HSG tesztberendezést alkalmaztak a helyszíni köszörülési körülmények szimulálására. A kísérleteket változó érintkezési szögek (30°, 45° és 60°) és köszörülési terhelések (500 N, 700 N és 900 N) mellett végezték [10, 11].

1. A Slide-roll aránya.Az eredmények azt mutatják, hogy a csúszó-gördülő kompozit mozgások döntő szerepet játszanak a köszörülési viselkedés befolyásolásában. A csúszó-hengerlési arány (SRR), amelyet a csúszási sebesség és a hengerlési sebesség arányaként határoztak meg, ahogy az 1. ábrán látható, mind az érintkezési szög, mind a köszörülési terhelés hatására nőtt, ami intuitív módon tükrözte a csiszolópárok csúszó-hengerlési összetett mozgásának változásait. Például az SRR 0,18-ról 30°-os érintkezési szögnél 0,81-re nőtt 60°-nál. Ez az elmozdulás a hengerlés által dominált mozgásról a csúszás és a hengerlés közötti egyensúlyra jelentősen javította a köszörülési eredményeket. A tanulmány megállapította, hogy a 45°-os érintkezési szög a legmagasabb csiszolási hatékonyságot, míg a 60°-os érintkezési szög a legjobb felületminőséget eredményezte. A felületi érdesség (Ra) jelentősen csökkent az érintkezési szög növekedésével, 12,9 μm-ről 30°-nál 3,5 μm-re 60°-nál, amint az a 2. és 4. ábrákon látható.

2. Köszörülés által kiváltott WEL.A csiszolási folyamat során a termo-mechanikai kapcsolóhatások miatt, beleértve a nagy érintkezési feszültséget, a megemelkedett hőmérsékleteket és a gyors lehűlést, metallurgiai átalakulások és képlékeny deformációk lépnek fel a sín felületén. Ezek a változások egy rideg fehér maratási réteg (WEL) kialakulásához vezetnek, amely hajlamos a törésre a kerék-sín érintkezésből származó ciklikus feszültségek hatására. Az összes eredmény azt mutatja, hogy a WEL átlagos vastagsága kisebb, mint 8 μm, ami vékonyabb, mint az aktív köszörülés által kiváltott WEL (~40 μm) [12, 13], amint az az 5. ábrán látható. Ez a jelenség valószínűleg a HSG-módszer egyedi jellemzőivel függ össze. A hagyományos aktív köszörüléshez képest a HSG-ben egyetlen csiszolórészecske csak rövid ideig vesz részt a csiszolási folyamatban egy forgási ciklus alatt, még nagy érintkezési szögek esetén is. Az idő nagy részében a csiszolórészecske az őrlés utáni hőelvezetési periódusban van. Ez biztosítja, hogy a csiszolószemcséknek elegendő ideje legyen a hő elvezetésére, mielőtt újra bekapcsolná a csiszolást, ami javítja a hőviszonyokat a csiszolási határfelületen.

3. Köszörülési törmelék.A köszörülési törmelék elemzése további betekintést nyújtott az anyageltávolítási mechanizmusokba, amint az a 6. és a 7. ábrán látható. Az áramlásszerű és kés alakú törmelékek, amelyek a hatékony csiszolási teljesítményt jelzik, nagyobb SRR-nél gyakoribbak voltak. Ezzel szemben a blokk- és szeletelt törmelék domináns volt az alacsonyabb érintkezési szögeknél, ami a nem megfelelő csiszolási teljesítményt tükrözi. A gömb alakú törmelék jelenléte az őrlési terhelés növekedésével nőtt, ami magasabb őrlési hőmérsékletre utal. Ezek a megfigyelések rávilágítanak az őrlési paraméterek optimalizálásának fontosságára a hatékonyság és a hőviszonyok egyensúlya érdekében.

4. A csúszó gördülő keverék mozgásának mechanizmusa.A tanulmány feltárta a csúszó és gördülő mozgások dinamikus kölcsönhatását is a csiszolási folyamatban, amint az a 8. ábrán látható. A csúszás megkönnyítette az anyag eltávolítását a sín felületéről, miközben a hengerlés javítja a törmelékkiürítést és a koptató önélezést. Ez a dinamikus egyensúly elengedhetetlen a hatékony köszörülés eléréséhez minimális hőkárosodással. Bármelyik mozgás túlzott hangsúlyozása azonban szuboptimális eredményhez vezethet: a gördülési domináns mozgás növeli a felület érdességét, míg a csúsztatás által dominált mozgás csökkenti a kopásmegújulást és növeli a hőkárosodást.

5. Átfogó értékelés.A köszörülési teljesítmény átfogó értékelése, beleértve a csiszolási hatékonyságot, a felületi érdesség és a WEL vastagságot, rávilágított a csúszó-gördülő kompozit mozgások optimalizálásának előnyeire, amint az a 9. ábrán látható. A különböző terhelések és érintkezési szögek melletti csiszolási teljesítmény radardiagramjai azt mutatták, hogy a 45°-os érintkezési szög biztosítja a legjobb összhangot a hatékonyság és a minőség között. A 60°-os érintkezési szög azonban következetesen a legsimább felületeket eredményezte, így ideális az utolsó csiszolási lépésekhez. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a csiszolási paraméterek célzott módosítása hatékonyan kezelheti a sínfelület különböző károsodásait.

Ez a kutatás gyakorlati vonatkozásokat kínál a nagysebességű vasút karbantartására vonatkozóan. A kezdeti csiszolási lépéseknél a 45°-os érintkezési szög maximalizálja az anyageltávolítási hatékonyságot, míg a 60°-os szög kiváló felületminőséget biztosít a befejező szakaszokban. A tanulmány hangsúlyozza a csúszó és gördülő mozgások dinamikus kiegyensúlyozásának fontosságát a csiszolási teljesítmény fokozása, a felületminőség javítása és a köszörűkorongok élettartamának meghosszabbítása érdekében.

Összefoglalva, a tanulmány rávilágít a csúszó-gördülő kompozit mozgások kritikus szerepére a nagy sebességű sínek köszörülésében. A csúszási és gördülési hatások arányának optimalizálásával a HSG kiváló csiszolási hatékonyságot és felületminőséget érhet el, miközben minimálisra csökkenti a hőkárosodást. Ezek az eredmények elméleti alapot adnak a HSG technológia fejlesztéséhez, és gyakorlati iránymutatásokat adnak a vasúti karbantartási gyakorlatok javításához.

1. ábra.Az SRR, COF és forgási sebesség változási trendje köszörülési terhelésekkel és érintkezési szögekkel.

2. ábra.Köszörülési hatékonyság különböző érintkezési szögek és köszörülési terhelések mellett.

3. ábra.Sín próbatestek felületi morfológiái különböző érintkezési szögek és csiszolási terhelések mellett.

4. ábra.Felületi érdesség és3D morfológiáksínminták különböző érintkezési szögek és köszörülési terhelések mellett.

5. ábra.A sínpróbák keresztmetszeti optikai és SEM metallográfiai képei.

6. ábra.A típusa és arányaőrlési törmelékkülönböző érintkezési szögek és köszörülési terhelések mellett.

7. ábra.SEM-képek és EDS-spektrumok különböző típusú őrlési törmelékekhez.

8. ábra.A csúszó-gördülő kompozit mozgás HSG-re gyakorolt ​​hatásának sematikus diagramja.

Erről a munkáról a Journal of Tribology International számolt be.

Hivatkozások

[1] Fan W, Wu C, Wu Z et al. Statikus érintkezési mechanizmus a fogazott érintkezőkerék és a sín között síncsiszolásnál csiszolószalaggal[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ és mtsai. Repedésterjedési és sínfelületi repedés mechanizmusa peridinamikán [J]. Journal of Tongji University, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L és mások. A kerék-sín ütközési reakció végeselem-szimulációi, amelyeket a nagysebességű vonatok futófelületének kiszakadása okoz [J]. Robbanás és lökéshullámok, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F és mások. Vizsgálat az U71MnG sín anyagának lézeres oltókezeléssel végzett WEA kopáskárosodásával és kifáradási repedezettségével kapcsolatban[J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. A fejellenőrzés kezdetének többléptékű jellemzése a sínen gördülési érintkezési fáradtság alatt: Mechanical and microstructure analysis[J]. Wear, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV et al. A kifáradási repedések növekedési sebességének és időtartamának meghatározása sínekben fáradási makrovonalak [J] segítségével. Orosz Kohászat (fém), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H, et al. A guggoláshibákkal összefüggő síntörési hibák mikroszerkezeti vizsgálata[J]. Mérnöki hibaelemzés, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Sínacél mikroszerkezeti elemzése és fáradási törési viselkedése [J]. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Nagy sebességű csiszoló-vasúti zajcsökkentés rendszeres síncsiszolással forgalommegszakítás nélkül[C]//INTER-NOISE és NOISE-CON Kongresszus és Konferencia ProceedinGW. Zajszabályozó Műszaki Intézet, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W és mások. A HSG-2 nagysebességű csiszolójármű kopáselemzése: validálás, szimuláció és mérésekkel való összehasonlítás[M]//Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks Vol 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Nagy sebességű csiszoló-vasúti zajcsökkentés rendszeres síncsiszolással forgalom megszakítása nélkül[C]//INTER-NOISE és NOISE-CON Kongresszus és Konferencia ProceedinGW. Zajszabályozó Műszaki Intézet, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF és mások. Különböző sínminőségek terepi köszörülési kiértékelése teljes körű kerék/sín laboratóriumi vizsgálatokban[J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S et al. Felületi repedésképződés a síneken csiszolással indukált martenzitfehér maratási rétegeknél[J]. Wear, 2017, 384: 8-14.