砥石の構造設計

現在、国産砥石の主な欠点の一つは、鋼レールの焼き付きやすいことである[1]。レール研削工程では、研磨材の研削作用（摺動、耕起、切削）とバインダーとレール界面の摩擦が研削熱の主な発生源となる[3]。熱（研削熱）と力（機械力）の相互作用により、レール材中のパーライトはオーステナイト変態を起こし、その後冷却中にマルテンサイトとフェライトを形成し、高硬度で脆い白色層構造を形成する。白色層とパーライトの境界で部分的な亀裂が進展し、レールの早期破損を引き起こす[1]（図1（a）参照）。研磨工程では、鋼レール表面の酸化度が異なり、研磨後のレールの色は黄色、青色、紫色などの異なる色になる。Linらは、レールの研磨工程において、様々な研磨工程で「焼き付き」と呼ばれる現象を報告している。 [9]は鋼レールに半人工熱電対を設置し、異なる研磨パラメータ下での研磨界面の温度をリアルタイムで監視した。彼らは研磨温度と鋼レール表面の焼けの程度を比較し、図1(b)に示すように、焼けの程度（色の変化）と研磨温度の関係モデルを確立した。これに基づいて、周ら[3]はレール研磨中の温度と白層の厚さおよび焼成度との関係モデルを確立し、図1(c)に示すように、レール研磨パラメータを最適化するための新しい方法を提供した。上記の研究結果は、研削パラメータの最適化と研削熱の低減がレール焼けの改善に重要な方法であることを示している。

図1 研削によるレールの焼損とホワイトエッチング層（WEL）

多くの学者が、レール研削焼けのメカニズムを砥石設計の観点から探究しています。張ら[2]の研究結果によると、白色コランダム砥石は自己鋭利性が最も高く、研削効果が最も大きく、研削温度が最も高く、白層の厚さが最も厚くなることが示されています。袁ら[4]は、砥石に細孔構造を予め作製しました。これは、研削屑の排出に有利であり、砥石の目詰まりを減らし、研削温度を下げ、研磨された鋼レールの表面品質を向上させます。王ら[5]は、砥石硬度（N、R、P、T）が鋼レールの表面品質に及ぼす影響について研究を行い、その結果、砥石硬度の増加に伴い白層の厚さが増加することが示されました。したがって、砥石構造（細孔、研磨剤組成）、硬度などを適切に調整することは、レールの焼けの改善にプラスの効果があります。

以上の研究結果から、レール研削焼けには、研削パラメータと砥石性能の2つの主な要因が影響していることがわかります。路線上の既存の研磨車両では、研磨効率を確保するために、既存の車両構造の動作パラメータを大幅に調整することは困難です。そのため、砥石構造の設計と性能制御は、レール焼けを改善する効果的な方法の1つです。Wuら[7,8]は、図2（a）に示すように、ろう付けされたダイヤモンドプレハブブロックを一定の配置で砥石に埋め込みました。研磨結果は、複合砥石がレール研磨の効率を効果的に向上させ、研磨レールの表面粗さを低減し、レール焼けを改善できることを示しました。Zhao Jinboら[9]は、CaF2とポリエーテルエーテルケトンを結合して自己潤滑ジョイントブロックを形成し、図2（b）に示すように、砥石胚に配置することで自己潤滑砥石を調製しました。研削結果によると、自己潤滑ジョイントブロックは、砥石が摩耗するにつれて、砥石とレールの界面で継続的に解放され、研削熱が減少し、レールの焼けが改善されます。 ろう付けされたプレハブブロック、自己潤滑ジョイントブロックなどを砥石マトリックスに埋め込むと、砥石構造が不均一になり、強度の低い界面（砥石マトリックス/インプラントブロック界面）が導入されるため、複合構造砥石の機械的特性（回転強度、動的バランスなど）を確保することが重要な課題です。 Wu et al。 [10]は、図2（c）に示すように、スリット付きのろう付けCBN研磨砥石を設計し、レールワークピースの焼けを改善しました。 しかし、砥石に使用されているろう付け層は、レール研削プロセス中の耐摩耗性が低く、砥石の耐用年数が非常に短いです。したがって、研削石構造の合理的な設計・調整は、研削熱の低減やレール焼けの改善にプラスの効果をもたらしますが、これは、研削石が良好な物理的・化学的性質と作業性を持つことを十分に考慮しなければならない前提条件です。

(a)プレセットダイヤモンドブロック砥石[7,8]

（b）プレセット自己潤滑ブロック砥石[9]（c）スリット構造砥石[10]

図2. 砥石の構造設計

参照

[1]A Al-Juboori、DAVID Wexler、LI Huijun、他「レール鋼表面におけるスクワット形成と2つの異なる白色エッチング層の発生[J]」国際疲労誌、2017年、104: 52-60。

[2]GUO Shuai, ZHAO Xiangji, HE Chenggang, et al. 水中環境下におけるレールの疲労損傷に対する研削痕の影響[J]. 中国機械工学, 2019, 30(08): 889-895.

[3]36[3] ZHOU Kun, DING Haohao, Steenbergen Michaël, et al. レール研削パラメータの関数としての温度場と材料応答[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2021, 175: 12366.

[4]袁勇傑、張武林、張鵬飛、他「レール研削における予疲労軽減と材料除去効率向上に向けた多孔質研削ホイール」[J].トライボロジーインターナショナル、2021年、154:106692

[5]WANG Ruixiang, ZHOU Kun, YANG Jinyu, et al. レール研削挙動に及ぼす研磨材と研削ホイールの硬度の影響[J]. Wear, 2020, 454-455: 203332.

[6]57[6] ZHANG Wulin、ZHANG Pengfei、ZHANG Jun、他「レール研削挙動に対する研磨剤粒度の影響の調査[J]。」製造プロセスジャーナル、2020年、53:388-395。

[7]XIAO Bing、XIAO Haozhong、XIAO Bo、他「高効率レール研削用研削ホイールおよびその製造方法：中国、CN 108453638 A[P]。」2018年8月28日

[8]WU Hengheng、XIAO Bing、XIAO Haozhong、他「研削時間の違いによるろう付けダイヤモンドシートの摩耗特性[J]。」Wear、2019、432-433: 202942。

[9]WU Hengheng、XIAO Bing、XIAO Haozhong、他「異なる圧力下におけるレール複合研削ホイール用ろう付けダイヤモンドシートの摩耗特性に関する研究[J]。」Wear、2019、424-​​425：183-192。

[10]LIN Bin, ZHOU Kun, GUO Jun, et al. 研削パラメータが研削レールの表面温度と燃焼挙動に及ぼす影響[J]. Tribology International, 2018, 122: 151-162.