滑り・転がり複合運動下における高速レール研削の自己適応研削挙動

滑り・転がり複合運動下における高速鉄道の自己適応研削挙動は、研削性能と表面品質の最適化に焦点を当てています。高速鉄道は、運行速度が高く、軸荷重が軽いため、転がり接触疲労[1]に悩まされることが多く、これが表面剥離[2-4]、疲労亀裂[5,6]、破損[7,8]につながります。これらの問題に対処するには、適切なタイミングでのメンテナンスが必要です。 鉄道網の安全で信頼できる運営従来のレール研削技術は、根深い欠陥の除去を目的としていますが、非効率性、メンテナンス期間の延長、熱損傷といった問題を引き起こす場合が多い。高速研削（HSG）は、より高速な研削速度（60～80 km/h）と「メンテナンス期間」の短縮を可能にするため、効果的な代替技術として登場した。従来の研削とは異なり、HSGは研削ホイール（GW）とレール表面との間の摩擦力によって駆動される滑りと転がりの複合運動によって作動する[9]。この独自のメカニズムは、材料除去と研磨による自己研磨の両方を可能にする。しかし、滑りと転がりの相互作用は十分に研究されておらず、レールメンテナンスの最適化におけるHSGの可能性は限られている。本研究では、現地での研削状況をシミュレートするために、自作のHSG試験装置を用いた。実験は、接触角（30°、45°、60°）と研削荷重（500N、700N、900N）を変えて行われた[10, 11]。

1. スライドロールの比率。
  結果は、滑り-転がり複合運動が研削挙動に影響を与える上で重要な役割を果たしていることを示しています。滑り-転がり比 (SRR) は、図 1 に示すように、滑り速度と転がり速度の比として定義され、接触角と研削荷重の両方とともに増加し、研削ペアの滑り-転がり複合運動の変化を直感的に反映しています。たとえば、SRR は 30° 接触角での 0.18 から 60° での 0.81 に増加しました。転がりが支配的な運動から滑りと転がりのバランスへのこの変化により、研削結果が大幅に改善されました。この研究では、45° 接触角で最高の研削効率が得られ、60° 接触角で最高の表面品質が得られることがわかりました。図 2 ～図 4 に示すように、表面粗さ (Ra) は接触角が増加するにつれて大幅に減少し、30° での 12.9 μm から 60° での 3.5 μm になりました。

2. 研削によるWEL。
研削プロセス中、高い接触応力、高温、急速冷却などの熱機械結合効果により、レール表面に冶金変態と塑性変形が発生します。これらの変化により脆い白色エッチング層（WEL）が形成され、車輪とレールの接触による周期的な応力によって破損しやすくなります。すべての結果から、WELの平均厚さは8μm未満であり、図5に示すように、アクティブ研削によって生じるWEL（約40μm）[12, 13]よりも薄いことがわかりました。この現象は、HSG法の独自の特性と関係していると考えられます。従来のアクティブ研削と比較して、HSGでは、単一の研磨粒子が、高い接触角であっても、1回転サイクル中の短い時間だけ研削プロセスに関与します。ほとんどの時間、研磨粒子は研削後の放熱期間にあります。これにより、研磨粒子が再び研削に入る前に十分な時間で熱を放散できるようになり、研削界面の熱条件が改善されます。

3. 研削屑。
研削屑の分析により、図6および図7に示すように、材料除去メカニズムに関する新たな知見が得られました。効果的な研削性能を示す流動状およびナイフ状の研削屑は、接触角が高いほど多く見られました。一方、接触角が低い場合は、ブロック状およびスライス状の研削屑が多く見られ、これは研削性能が不十分であることを反映しています。球状の研削屑の存在は、研削負荷の増加に伴い増加しており、これは研削温度の上昇を示唆しています。これらの観察結果は、効率と熱条件のバランスをとるために研削パラメータを最適化することの重要性を浮き彫りにしています。

4. 滑り転がり複合運動のメカニズム 本研究では、図8に示すように、研削プロセスにおける滑り運動と転がり運動の動的な相互作用も明らかにしました。滑り運動はレール表面からの材料除去を促進し、転がり運動は切削屑の排出と研磨剤の自己研磨を促進しました。この動的なバランスは、熱損傷を最小限に抑えながら効率的な研削を実現するために不可欠です。しかし、どちらかの運動を過度に重視すると、最適な結果が得られない可能性があります。転がり運動が支配的になると表面粗さが増大し、滑り運動が支配的になると研磨剤の再生が低下し、熱損傷が増大する可能性があります。

5.総合評価。 研削効率、表面粗さ、WEL厚さを含む研削性能の包括的な評価により、図9に示すように、滑り・転がり複合動作を最適化することの利点が明らかになりました。様々な荷重と接触角における研削性能のレーダーチャートは、45°の接触角が効率と品質の全体的なバランスにおいて最良の結果をもたらすことを示しています。しかし、60°の接触角では一貫して最も滑らかな表面が得られ、最終研削パスに最適でした。これらの結果は、研削パラメータを的確に調整することで、レール表面のさまざまな損傷に効果的に対処できることを示唆しています。

この研究は、高速鉄道のメンテナンスに実用的な示唆をもたらします。初期の研削パスでは、45°の接触角が材料除去効率を最大化し、仕上げ段階では60°の接触角が優れた表面品質を確保します。本研究は、研削性能の向上、表面品質の改善、そして研削ホイールの寿命延長のために、滑り運動と転がり運動の動的バランス調整の重要性を強調しています。

結論として、本研究は高速レール研削における滑りと転がりの複合動作の重要な役割を浮き彫りにしています。滑りと転がりの作用比率を最適化することで、HSGは熱損傷を最小限に抑えながら、優れた研削効率と表面品質を実現できます。これらの知見は、HSG技術の発展のための理論的根拠と、レール保守業務の改善のための実践的なガイドラインを提供します。

図1. 研削荷重と接触角による SRR、COF、回転速度の変化傾向。

図2. 異なる接触角と研削負荷下での研削効率。

図3. 異なる接触角と研削荷重下におけるレール試験片の表面形態。

図4. 表面粗さと 3D形態 異なる接触角と研削荷重下でのレールサンプルの摩耗。

図5. レール試験片の断面光学画像および SEM 金属組織画像。

図6. 種類と割合 研削残骸 異なる接触角と研削荷重下で。

図7. さまざまな種類の研削破片の SEM 画像と EDS スペクトル。

図8. 滑り-転がり複合運動がHSGに与える影響の模式図。

この研究はJournal of Tribology International に報告されました。

参考文献

[1] Fan W、Wu C、Wu Z、et al. 研磨ベルトを用いたレール研削における鋸歯状接触ホイールとレール間の静的接触メカニズム[J]. Journal of Manufacturing Processes、2022、84: 1229-1245。

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ, et al. ペリダイナミクスに基づく亀裂伝播とレール表面剥離メカニズム[J]. 同済大学誌, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L, et al. 高速列車の車輪踏面剥離によって引き起こされる車輪-レール衝撃応答の有限要素シミュレーション[J]. 爆発と衝撃波, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F, et al. レーザー焼入れ処理によるU71MnGレール材のストリップWEA摩耗損傷および疲労剥離に関する研究[J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. 転がり接触疲労下におけるレールのヘッドチェック発生のマルチスケール特性評価：機械的および微細構造解析[J]. Wear, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV, et al. 疲労マクロラインを用いたレールの疲労き裂成長速度と時間の測定[J]. ロシア冶金学（Metally）、2020年、2020年：477-482。

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H, et al. スクワット欠陥に関連するレール破壊の微細構造調査[J].エンジニアリング故障解析、2023、151: 107411。

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. レール鋼の微細構造解析と疲労破壊挙動[J]. 先端材料構造力学、2020年、27(2):152-164。

[9] Von Diest K, Puschel A. 高速研削 - 交通を中断することなく定期的なレール研削を行うことによる鉄道騒音の低減[C]//INTER-NOISEおよびNOISE-CON会議議事録GW. 騒音制御工学研究所、2013年、247(2):5206-5212。

[10] Von Diest K、Ferrarotti G、Kik W、et al. 高速研削車両HSG-2の摩耗解析：検証、シミュレーション、測定値との比較[M]//道路および軌道上の車両のダイナミクス第2巻。CRCプレス、2017：925-930。

[11] Von Diest K, Puschel A. 高速研削 - 交通を中断することなく定期的なレール研削を行うことによる鉄道騒音の低減[C]//INTER-NOISEおよびNOISE-CON会議議事録GW. 騒音制御工学研究所、2013年、247(2):5206-5212。

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF, et al. 実規模車輪/レール実験室試験における異なるレールグレードの現場研削後評価[J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S, et al. 研削誘起マルテンサイト白色エッチング層によるレールの表面亀裂形成[J]. Wear, 2017, 384: 8-14.