Savaime prisitaikantis šlifavimo elgesys šlifuojant greitaeigiu bėgiu slankiojantis-valcavimo kompoziciniais judesiais

Savaime prisitaikantis greitųjų bėgių šlifavimo elgesys slydimo ir riedėjimo sudėtiniais judesiais orientuotas į šlifavimo efektyvumo ir paviršiaus kokybės optimizavimą. Greitieji geležinkeliai, pasižymintys dideliu važiavimo greičiu ir maža ašių apkrova, dažnai kenčia nuo riedėjimo kontaktinio nuovargio [1], dėl kurio atsiranda paviršiaus skilimų [2-4], nuovargio įtrūkimų [5,6] ir lūžimų [7,8]. Dėl šių problemų būtina laiku atlikti techninę priežiūrą, kad būtų užtikrintassaugiai ir patikimai eksploatuoti geležinkelių tinklus. Tradiciniais bėgių šlifavimo būdais siekiama pašalinti giliai įsišaknijusius defektus, tačiau dažnai jie neveiksmingi, pailgėja priežiūros laikas ir daroma šiluminė žala. Didelio greičio šlifavimas (HSG) pasirodė kaip veiksminga alternatyva, siūlanti didesnį šlifavimo greitį (60–80 km/h) ir sumažintą „priežiūros langus“. Skirtingai nuo įprasto šlifavimo, HSG veikia slydimo-riedėjimo kompoziciniais judesiais, kuriuos varo trinties jėgos tarp šlifavimo diskų (GW) ir bėgio paviršiaus [9]. Šis unikalus mechanizmas leidžia pašalinti medžiagą ir abrazyvinį savaiminį galandimą. Tačiau slydimo ir riedėjimo judesių sąveika nebuvo pakankamai ištirta, o tai riboja HSG galimybes optimizuoti bėgių priežiūrą. Šiame darbe buvo naudojamas namuose pagamintas HSG bandymo įrenginys, skirtas imituoti šlifavimo sąlygas vietoje. Eksperimentai buvo atlikti įvairiais kontaktiniais kampais (30°, 45° ir 60°) ir šlifavimo apkrovomis (500 N, 700 N ir 900 N) [10, 11].

1. Slide-roll santykis.Rezultatai rodo, kad slydimo-riedėjimo sudėtiniai judesiai turi lemiamą įtaką šlifavimo elgsenai. Slydimo ir riedėjimo santykis (SRR), apibrėžiamas kaip slydimo greičio ir valcavimo greičio santykis, kaip parodyta 1 pav., padidėjo tiek kontakto kampu, tiek šlifavimo apkrova, kuri intuityviai atspindėjo šlifavimo porų slydimo ir riedėjimo sudėtinio judesio pokyčius. Pavyzdžiui, SRR išaugo nuo 0,18 esant 30° kontaktiniam kampui iki 0,81 esant 60°. Šis perėjimas nuo judesio, kuriame dominuoja riedėjimas, prie pusiausvyros tarp slydimo ir riedėjimo žymiai pagerino šlifavimo rezultatus. Tyrimas parodė, kad 45° kontaktinis kampas užtikrina didžiausią šlifavimo efektyvumą, o 60° kontaktinis kampas – geriausią paviršiaus kokybę. Paviršiaus šiurkštumas (Ra) labai sumažėjo, kai kontaktinis kampas padidėjo nuo 12,9 μm esant 30° iki 3,5 μm esant 60°, kaip parodyta 2–4 ​​pav.

2. Šlifavimo sukeltas WEL.Šlifavimo proceso metu dėl termomechaninio sujungimo efektų, įskaitant didelį kontaktinį įtempį, aukštesnę temperatūrą ir greitą aušinimą, bėgio paviršiuje vyksta metalurginės transformacijos ir plastinė deformacija. Dėl šių pokyčių susidaro trapus baltas ėsdinimo sluoksnis (WEL), kuris yra linkęs lūžti veikiant cikliniams įtempiams dėl rato ir bėgio sąlyčio. Visi rezultatai rodo, kad vidutinis WEL storis yra mažesnis nei 8 μm, o tai yra plonesnis už aktyvaus šlifavimo sukeltą WEL (~40 μm) [12, 13], kaip parodyta 5 pav. Tikėtina, kad šis reiškinys yra susijęs su unikaliomis HSG metodo savybėmis. Palyginti su tradiciniu aktyviu šlifavimu, HSG, viena abrazyvinė dalelė dalyvauja šlifavimo procese tik trumpą laiką per vieną apsisukimo ciklą, net esant dideliam kontakto kampui. Didžiąją laiko dalį po šlifavimo abrazyvinė dalelė yra šilumos išsklaidymo laikotarpiu. Tai užtikrina, kad abrazyvinė dalelė turės pakankamai laiko išsklaidyti šilumą prieš vėl pradėdama šlifuoti, todėl šlifavimo sąsajoje pagerės šiluminės sąlygos.

3. Šlifavimo šiukšlės.Šlifavimo šiukšlių analizė suteikė papildomų įžvalgų apie medžiagos pašalinimo mechanizmus, kaip parodyta 6 ir 7 pav. Į srautą panašios ir peilio formos šiukšlės, kurios reiškia efektyvų šlifavimą, buvo labiau paplitusios esant aukštesnei SRR. Priešingai, mažesniais kontaktiniais kampais vyravo blokinės ir supjaustytos šiukšlės, atspindinčios netinkamą šlifavimo efektyvumą. Sferinių nuolaužų buvimas padidėjo šlifuojant apkrovas, o tai rodo padidėjusią šlifavimo temperatūrą. Šie stebėjimai pabrėžia šlifavimo parametrų optimizavimo svarbą siekiant subalansuoti efektyvumą ir šilumines sąlygas.

4. Slenkančio riedėjimo junginio judėjimo mechanizmas.Tyrimas taip pat atskleidė dinamišką slydimo ir riedėjimo judesių sąveiką šlifavimo procese, kaip parodyta 8 pav. Slydimas palengvino medžiagos pašalinimą nuo bėgio paviršiaus, o riedėjimas pagerino šiukšlių pašalinimą ir abrazyvinį savaiminį galandimą. Šis dinaminis balansas yra būtinas norint pasiekti efektyvų šlifavimą su minimaliomis šiluminės žalos. Tačiau per didelis bet kurio judesio akcentavimas gali lemti neoptimalius rezultatus: judesys, kuriame dominuoja riedėjimas, padidina paviršiaus šiurkštumą, o slydimas gali sumažinti abrazyvinį atsinaujinimą ir padidinti šiluminę žalą.

5. Išsamus vertinimas.Išsamūs šlifavimo efektyvumo vertinimai, įskaitant šlifavimo efektyvumą, paviršiaus šiurkštumą ir WEL storį, išryškino slydimo-valcavimo kompozitinių judesių optimizavimo pranašumus, kaip parodyta 9 pav. Šlifavimo efektyvumo radaro diagramos esant įvairioms apkrovoms ir kontakto kampams parodė, kad 45° kontaktinis kampas užtikrina geriausią bendrą efektyvumo ir kokybės pusiausvyrą. Tačiau dėl 60° kontaktinio kampo pastoviai buvo gaunami lygiausi paviršiai, todėl idealiai tinka galutiniam šlifavimui. Šios išvados rodo, kad tikslingai koreguojant šlifavimo parametrus galima veiksmingai pašalinti įvairius bėgių paviršiaus pažeidimus.

Šis tyrimas suteikia praktinių pasekmių greitųjų geležinkelių priežiūrai. Pradiniame šlifavimo procese 45° kontaktinis kampas maksimaliai padidina medžiagos pašalinimo efektyvumą, o 60° kampas užtikrina puikią paviršiaus kokybę apdailos etapuose. Tyrime pabrėžiama, kaip svarbu dinamiškai subalansuoti slydimo ir riedėjimo judesius, siekiant pagerinti šlifavimo efektyvumą, pagerinti paviršiaus kokybę ir pailginti šlifavimo diskų tarnavimo laiką.

Apibendrinant, tyrime pabrėžiamas esminis slydimo ir riedėjimo sudėtinių judesių vaidmuo greitųjų bėgių šlifavimo metu. Optimizuodamas slydimo ir riedėjimo proporcijas, HSG gali pasiekti puikų šlifavimo efektyvumą ir paviršiaus kokybę, tuo pačiu sumažinant šiluminę žalą. Šios išvados suteikia teorinį HSG technologijos tobulinimo pagrindą ir praktines gaires, kaip pagerinti geležinkelių priežiūros praktiką.

1 pav.SRR, COF ir sukimosi greičio kitimo tendencija atsižvelgiant į šlifavimo apkrovas ir kontaktinius kampus.

2 pav.Šlifavimo efektyvumas esant skirtingiems sąlyčio kampams ir šlifavimo apkrovoms.

3 pav.Bėgių bandinių paviršiaus morfologijos esant skirtingiems sąlyčio kampams ir šlifavimo apkrovoms.

4 pav.Paviršiaus šiurkštumas ir3D morfologijosbėgių pavyzdžiai, esant skirtingiems sąlyčio kampams ir šlifavimo apkrovoms.

5 pav.Bėgio bandinių skerspjūvio optiniai ir SEM metalografiniai vaizdai.

6 pav.Tipas ir proporcijašlifavimo šiukšlesesant skirtingiems sąlyčio kampams ir šlifavimo apkrovoms.

7 pav.SEM vaizdai ir EDS spektrai įvairių tipų šlifavimo šiukšlėms.

8 pav.Slydimo-riedėjimo sudėtinio judesio poveikio HSG schema.

Apie šį darbą buvo pranešta žurnale „Journal of Tribology International“.

Nuorodos

[1] Fan W, Wu C, Wu Z ir kt. Statinis kontaktinis mechanizmas tarp dantyto kontaktinio rato ir bėgio šlifuojant bėgių šlifavimo juosta[J]. Gamybos procesų žurnalas, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ ir kt. Plyšių plitimo ir bėgio paviršiaus skilimo mechanizmas, pagrįstas peridinamika[J]. Tongji universiteto žurnalas, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L ir kt. Greitųjų traukinių rato protektoriaus skilimo sukelto atsako į ratą ir bėgią reakcijos baigtinių elementų modeliavimas [J]. Sprogimas ir smūginės bangos, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F ir kt. Juostos WEA nusidėvėjimo pažeidimo ir U71MnG bėgių medžiagos nuovargio atskilimo tyrimas naudojant gesinimo lazeriu metodą [J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Daugialypis galvos patikrinimo inicijavimo ant bėgių charakteristika esant riedėjimo kontaktiniam nuovargiui: mechaninė ir mikrostruktūros analizė [J]. Nešioti, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV ir kt. Nuovargio įtrūkimų augimo greičio ir laiko bėgiuose nustatymas naudojant nuovargio makrolinijas[J]. Rusijos metalurgija (metalas), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H ir kt. Bėgio lūžio, susijusio su pritūpimo defektais, mikrostruktūrinis tyrimas [J]. Inžinerinių gedimų analizė, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Bėgių plieno mikrostruktūrinė analizė ir nuovargio lūžių elgsena [J]. Pažangių medžiagų ir konstrukcijų mechanika, 2020, 27(2): 152–164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Didelio greičio šlifavimo ir bėgių triukšmo mažinimas reguliariai šlifuojant bėgius nenutrūkstant eismui[C]//INTER-NOISE ir NOISE-CON Kongreso ir konferencijos procesas GW. Triukšmo valdymo inžinerijos institutas, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W ir kt. Greitaeigių šlifavimo transporto priemonių HSG-2 nusidėvėjimo analizė: patvirtinimas, modeliavimas ir palyginimas su matavimais[M]//Transporto priemonių dinamika keliuose ir bėgiuose, 2 tomas. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Didelio greičio šlifavimo ir bėgių triukšmo mažinimas reguliariai šlifuojant bėgius nenutrūkstant eismui[C]//INTER-NOISE ir NOISE-CON Kongreso ir konferencijos procesas GW. Triukšmo valdymo inžinerijos institutas, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF ir kt. Įvairių bėgių klasių šlifavimo po lauko įvertinimas atliekant pilno masto ratų/bėgelių laboratorinius bandymus[J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S ir kt. Paviršiaus įtrūkimų susidarymas ant bėgių šlifuojant martensito balto ėsdinimo sluoksnius[J]. Wear, 2017, 384: 8-14.