슬라이딩-롤링 복합 운동 하에서 고속 레일 연삭의 자기 적응 연삭 거동

슬라이딩-롤링 복합 운동 하에서 고속철도의 자기 적응적 연삭 거동은 연삭 성능과 표면 품질 최적화에 초점을 맞추었습니다. 고속 운행과 가벼운 차축 하중을 특징으로 하는 고속철도는 종종 구름 접촉 피로[1]를 겪으며, 이는 표면 박리[2-4], 피로 균열[5,6], 그리고 파단[7,8]을 초래합니다. 이러한 문제들은 적절한 유지보수를 필요로 합니다.철도망의 안전하고 안정적인 운영기존의 레일 연삭 기술은 심층적인 결함을 해결하는 것을 목표로 하지만, 비효율성, 유지보수 시간 연장, 그리고 열 손상을 초래하는 경우가 많습니다. 고속 연삭(HSG)은 더 빠른 연삭 속도(60~80km/h)와 단축된 "유지보수 기간"을 제공하는 효과적인 대안으로 부상했습니다. 기존 연삭과 달리 HSG는 연삭 휠(GW)과 레일 표면 사이의 마찰력에 의해 구동되는 슬라이딩-롤링 복합 운동으로 작동합니다[9]. 이 독특한 메커니즘은 재료 제거와 연마재 자체 연마를 모두 가능하게 합니다. 그러나 슬라이딩 운동과 롤링 운동 사이의 상호작용에 대한 연구는 충분하지 않아 레일 유지보수 최적화를 위한 HSG의 잠재력이 제한적입니다. 본 연구에서는 자체 제작한 HSG 시험 장비를 사용하여 현장 연삭 조건을 시뮬레이션했습니다. 다양한 접촉각(30°, 45°, 60°)과 연삭 하중(500N, 700N, 900N)에서 실험이 수행되었습니다[10, 11].

1. 슬라이드-롤의 비율.결과는 슬라이딩-롤링 복합 운동이 연삭 거동에 영향을 미치는 데 중요한 역할을 한다는 것을 보여줍니다.그림 1에서 볼 수 있듯이 슬라이딩 속도 대 롤링 속도의 비율로 정의된 슬라이딩-롤링 비율(SRR)은 접촉각과 연삭 하중 모두에 따라 증가했으며, 이는 연삭 쌍의 슬라이딩-롤링 복합 운동의 변화를 직관적으로 반영했습니다.예를 들어, SRR은 접촉각이 30°일 때 0.18에서 60°일 때 0.81로 증가했습니다.롤링이 지배하는 운동에서 슬라이딩과 롤링의 균형으로의 이러한 변화는 연삭 결과를 크게 개선했습니다.이 연구에 따르면 45° 접촉각이 가장 높은 연삭 효율을 생성하는 반면 60° 접촉각은 가장 좋은 표면 품질을 생성합니다.표면 거칠기(Ra)는 그림 2~4에서 볼 수 있듯이 접촉각이 증가함에 따라 상당히 감소하여 30°에서 12.9μm에서 60°에서 3.5μm로 감소했습니다.

2. 연삭으로 인한 WEL.연삭 공정 중에 높은 접촉 응력, 높은 온도, 빠른 냉각을 포함한 열기계적 결합 효과로 인해 레일 표면에 금속 변형과 소성 변형이 발생합니다. 이러한 변화로 인해 취성 백색 에칭 층(WEL)이 형성되고, 이 층은 휠-레일 접촉의 반복 응력으로 인해 파괴되기 쉽습니다. 모든 결과에 따르면 WEL의 평균 두께는 8μm 미만으로, 그림 5에서 보듯이 활성 연삭으로 유도된 WEL(~40μm) [12, 13]보다 얇습니다. 이 현상은 HSG 방법의 고유한 특성과 관련이 있을 가능성이 높습니다. 기존의 활성 연삭과 비교하여 HSG에서 단일 연마 입자는 높은 접촉각에서도 한 회전 주기 동안 짧은 기간 동안만 연삭 공정에 참여합니다. 대부분의 시간 동안 연마 입자는 연삭 후 방열 기간에 있습니다. 이를 통해 연마 입자가 연삭에 다시 참여하기 전에 열을 발산할 충분한 시간을 확보할 수 있어 연삭 계면의 열 조건이 개선됩니다.

3. 분쇄 잔해.그림 6과 그림 7에서 볼 수 있듯이, 분쇄 잔여물 분석은 재료 제거 메커니즘에 대한 추가적인 통찰력을 제공했습니다. 효과적인 분쇄 성능을 나타내는 유동형 및 칼날형 잔여물은 높은 SRR에서 더 흔했습니다. 반대로, 낮은 접촉각에서는 블록형 및 슬라이스형 잔여물이 우세했는데, 이는 분쇄 성능이 부족함을 나타냅니다. 구형 잔여물의 존재는 분쇄 부하가 증가함에 따라 증가하여 분쇄 온도가 높아졌음을 나타냅니다. 이러한 관찰 결과는 효율과 열 조건의 균형을 맞추기 위해 분쇄 매개변수를 최적화하는 것이 중요함을 보여줍니다.

4. 슬라이딩 롤링 복합 운동의 메커니즘.이 연구는 또한 그림 8에서 볼 수 있듯이 연삭 공정에서 슬라이딩 운동과 롤링 운동 사이의 동적 상호작용을 밝혀냈습니다. 슬라이딩 운동은 레일 표면에서 재료 제거를 용이하게 하는 반면, 롤링 운동은 이물질 배출과 연마재의 자가 연마를 향상시켰습니다. 이러한 동적 균형은 열 손상을 최소화하면서 효율적인 연삭을 달성하는 데 필수적입니다. 그러나 두 운동 중 어느 운동에 지나치게 집중하면 최적의 결과를 얻을 수 없습니다. 롤링 운동이 우세한 운동은 표면 거칠기를 증가시키는 반면, 슬라이딩 운동이 우세한 운동은 연마재 재생을 감소시키고 열 손상을 증가시킬 수 있습니다.

5. 종합평가연삭 효율, 표면 거칠기, WEL 두께를 포함한 연삭 성능에 대한 종합적인 평가는 그림 9에서 볼 수 있듯이 슬라이딩-롤링 복합 운동 최적화의 이점을 강조했습니다. 다양한 하중과 접촉각에서 연삭 성능을 나타낸 레이더 차트는 45° 접촉각이 효율과 품질 측면에서 최상의 균형을 제공함을 보여주었습니다. 그러나 60° 접촉각은 일관되게 가장 매끄러운 표면을 생성하여 최종 연삭 패스에 이상적입니다. 이러한 결과는 연삭 매개변수를 목표에 맞게 조정함으로써 다양한 레일 표면 손상을 효과적으로 해결할 수 있음을 시사합니다.

본 연구는 고속철도 유지보수에 실질적인 시사점을 제공합니다. 초기 연삭 패스의 경우, 45° 접촉각은 재료 제거 효율을 극대화하고, 60° 접촉각은 마무리 단계에서 우수한 표면 품질을 보장합니다. 본 연구는 연삭 성능 향상, 표면 품질 개선, 그리고 연삭 휠의 수명 연장을 위해 슬라이딩 및 롤링 운동의 동적 균형을 맞추는 것의 중요성을 강조합니다.

결론적으로, 본 연구는 고속 레일 연삭에서 슬라이딩-롤링 복합 운동의 중요한 역할을 강조합니다. 슬라이딩 및 롤링 동작의 비율을 최적화함으로써 HSG는 열 손상을 최소화하면서 탁월한 연삭 효율과 표면 품질을 달성할 수 있습니다. 이러한 결과는 HSG 기술 발전을 위한 이론적 토대와 레일 유지보수 관행 개선을 위한 실질적인 지침을 제공합니다.

그림 1.연삭 하중과 접촉각에 따른 SRR, COF 및 회전 속도의 변화 추세.

그림 2.다양한 접촉각과 연삭 부하에 따른 연삭 효율성.

그림 3.다양한 접촉각과 연삭 하중 하에서 레일 시편의 표면 형태.

그림 4.표면 거칠기 및3D 형태학다양한 접촉각과 연삭 하중 하의 레일 샘플.

그림 5.레일 시편의 단면 광학 및 SEM 금속 조직 이미지입니다.

그림 6.의 종류와 비율분쇄 파편다양한 접촉각과 연삭 하중 하에서.

그림 7.다양한 유형의 분쇄 파편에 대한 SEM 이미지와 EDS 스펙트럼.

그림 8.HSG에 대한 슬라이딩-롤링 복합 운동의 효과에 대한 개략도.

이 연구는 Journal of Tribology International에 보고되었습니다.

참고문헌

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