Ātrgaitas sliežu slīpēšanas pašadaptīvās slīpēšanas darbības slīdošās-velmēšanas kompozītmateriālu kustībās

Ātrgaitas sliedes pašpielāgojošās slīpēšanas darbības ar slīdošām-velmējošām kompozītmateriāla kustībām ir vērstas uz slīpēšanas veiktspējas un virsmas kvalitātes optimizēšanu. Ātrgaitas dzelzceļi, kam raksturīgi lieli ekspluatācijas ātrumi un neliela ass slodze, bieži cieš no rites kontakta noguruma [1], kas izraisa virsmas plaisāšanu [2-4], noguruma plaisas [5,6] un lūzumus [7,8]. Šo problēmu dēļ nepieciešama savlaicīga apkope, lai nodrošinātudroša un uzticama dzelzceļa tīklu darbība. Tradicionālo sliežu slīpēšanas metožu mērķis ir novērst dziļi iesakņojušos defektus, taču tie bieži vien rada neefektivitāti, pagarina apkopes laiku un termiskus bojājumus. Ātrgaitas slīpēšana (HSG) ir kļuvusi par efektīvu alternatīvu, piedāvājot lielāku slīpēšanas ātrumu (60–80 km/h) un samazinātus "apkopes logus". Atšķirībā no parastās slīpēšanas, HSG darbojas ar slīdošām-velmējošām kompozītmateriāla kustībām, ko virza berzes spēki starp slīpripām (GW) un sliedes virsmu [9]. Šis unikālais mehānisms nodrošina gan materiāla noņemšanu, gan abrazīvu pašasināšanu. Tomēr mijiedarbība starp bīdāmām un ripošām kustībām nav pietiekami izpētīta, ierobežojot HSG potenciālu sliežu apkopes optimizācijā. Šajā darbā tika izmantota mājās gatavota HSG testa iekārta, lai modelētu slīpēšanas apstākļus uz vietas. Eksperimenti tika veikti ar dažādiem kontakta leņķiem (30°, 45° un 60°) un slīpēšanas slodzēm (500 N, 700 N un 900 N) [10, 11].

1. Slide-roll attiecība.Rezultāti parāda, ka slīdošām-velmējošām kompozītmateriāla kustībām ir izšķiroša nozīme slīpēšanas uzvedības ietekmēšanā. Slīdēšanas-velmēšanas koeficients (SRR), kas definēts kā slīdēšanas ātruma attiecība pret velmēšanas ātrumu, kā parādīts 1. attēlā, pieauga gan ar saskares leņķi, gan slīpēšanas slodzi, kas intuitīvi atspoguļoja slīpēšanas pāru slīdēšanas-velmēšanas saliktās kustības izmaiņas. Piemēram, SRR pieauga no 0, 18 30 ° kontakta leņķī līdz 0, 81 60 ° leņķī. Šī pāreja no kustības, kurā dominē velmēšana, uz līdzsvaru starp slīdēšanu un velmēšanu ievērojami uzlaboja slīpēšanas rezultātus. Pētījumā konstatēts, ka 45° kontakta leņķis nodrošināja augstāko slīpēšanas efektivitāti, savukārt 60° kontaktleņķis nodrošināja vislabāko virsmas kvalitāti. Virsmas raupjums (Ra) būtiski samazinājās, palielinoties kontakta leņķim, no 12,9 μm pie 30° līdz 3,5 μm pie 60°, kā parādīts 2. līdz 4. attēlā.

2. Slīpēšanas izraisīts WEL.Slīpēšanas procesā, pateicoties termomehāniskās sakabes efektiem, tostarp lielam kontakta spriegumam, paaugstinātai temperatūrai un ātrai dzesēšanai, uz sliedes virsmas notiek metalurģiskas pārvērtības un plastiskā deformācija. Šīs izmaiņas noved pie trausla balta kodināšanas slāņa (WEL) veidošanās, kas ir pakļauta lūzumam ciklisku spriegumu ietekmē, ko rada riteņa un sliedes kontakts. Visi rezultāti atklāj, ka vidējais WEL biezums ir mazāks par 8 μm, kas ir plānāks nekā aktīvās slīpēšanas izraisītais WEL (~40 μm) [12, 13], kā parādīts 5. attēlā. Šī parādība, visticamāk, ir saistīta ar HSG metodes unikālajām īpašībām. Salīdzinot ar tradicionālo aktīvo slīpēšanu, HSG gadījumā viena abrazīvā daļiņa iesaistās slīpēšanas procesā tikai īsu laiku viena apgriezienu cikla laikā, pat pie lieliem kontakta leņķiem. Lielāko daļu laika abrazīvā daļiņa atrodas siltuma izkliedes periodā pēc slīpēšanas. Tas nodrošina, ka abrazīvām daļiņām ir pietiekami daudz laika, lai izkliedētu siltumu pirms atkārtotas slīpēšanas, kā rezultātā tiek uzlaboti termiskie apstākļi slīpēšanas saskarnē.

3. Slīpēšanas gruveši.Slīpēšanas gružu analīze sniedza papildu ieskatu materiāla noņemšanas mehānismos, kā parādīts 6. un 7. attēlā. Plūsmai līdzīgi un naža formas gruveši, kas norāda uz efektīvu slīpēšanas veiktspēju, bija vairāk izplatīti pie augstākiem SRR. Turpretim bloki un sagriezti gruveši dominēja zemākos kontakta leņķos, atspoguļojot nepietiekamu slīpēšanas veiktspēju. Sfērisku gružu klātbūtne palielinājās līdz ar slīpēšanas slodzi, norādot uz paaugstinātu slīpēšanas temperatūru. Šie novērojumi parāda, cik svarīgi ir optimizēt slīpēšanas parametrus, lai līdzsvarotu efektivitāti un termiskos apstākļus.

4. Slīdošās rites savienojuma kustības mehānisms.Pētījums atklāja arī dinamisko mijiedarbību starp slīdēšanas un velmēšanas kustībām slīpēšanas procesā, kā parādīts 8. attēlā. Slīdēšana atviegloja materiāla noņemšanu no sliedes virsmas, vienlaikus velmējot, uzlabota gružu izvadīšana un abrazīvā pašasināšana. Šis dinamiskais līdzsvars ir būtisks, lai panāktu efektīvu slīpēšanu ar minimāliem termiskiem bojājumiem. Tomēr pārmērīgs uzsvars uz kādu no kustībām var novest pie neoptimālākiem rezultātiem: kustība, kurā dominē ripošana, palielina virsmas raupjumu, savukārt kustība, kurā dominē slīdēšana, var samazināt abrazīvo atjaunošanos un palielināt termiskos bojājumus.

5. Visaptverošs novērtējums.Visaptveroši slīpēšanas veiktspējas novērtējumi, tostarp slīpēšanas efektivitāte, virsmas raupjums un WEL biezums, iezīmēja slīdēšanas-velmēšanas kompozītmateriālu kustību optimizēšanas priekšrocības, kā parādīts 9. attēlā. Slīpēšanas veiktspējas radara diagrammas dažādās slodzēs un saskares leņķos parādīja, ka 45° kontakta leņķis nodrošina vislabāko kopējo efektivitātes un kvalitātes līdzsvaru. Tomēr 60° kontakta leņķis konsekventi radīja gludākās virsmas, padarot to ideāli piemērotu pēdējai slīpēšanai. Šie atklājumi liecina, ka slīpēšanas parametru mērķtiecīga pielāgošana var efektīvi novērst dažādus sliežu virsmas bojājumus.

Šis pētījums piedāvā praktiskas sekas ātrgaitas dzelzceļu uzturēšanai. Sākotnējās slīpēšanas gaitās 45° kontakta leņķis palielina materiāla noņemšanas efektivitāti, savukārt 60° leņķis nodrošina izcilu virsmas kvalitāti apdares posmos. Pētījumā uzsvērts, cik svarīgi ir dinamiski līdzsvarot slīdēšanas un rites kustības, lai uzlabotu slīpēšanas veiktspēju, uzlabotu virsmas kvalitāti un pagarinātu slīpripu kalpošanas laiku.

Visbeidzot, pētījums izceļ bīdāmo-velmīgo kompozītmateriālu kustību kritisko lomu ātrgaitas sliežu slīpēšanā. Optimizējot slīdēšanas un velmēšanas darbību proporciju, HSG var sasniegt izcilu slīpēšanas efektivitāti un virsmas kvalitāti, vienlaikus samazinot termiskos bojājumus. Šie atklājumi nodrošina teorētisku pamatu HSG tehnoloģijas attīstībai un praktiskas vadlīnijas sliežu uzturēšanas prakses uzlabošanai.

1. att.SRR, COF un rotācijas ātruma izmaiņu tendence ar slīpēšanas slodzēm un saskares leņķiem.

2. att.Slīpēšanas efektivitāte pie dažādiem saskares leņķiem un slīpēšanas slodzēm.

3. att.Sliežu paraugu virsmas morfoloģijas pie dažādiem saskares leņķiem un slīpēšanas slodzēm.

4. att.Virsmas raupjums un3D morfoloģijassliežu paraugiem pie dažādiem saskares leņķiem un slīpēšanas slodzēm.

5. att.Sliežu paraugu šķērsgriezuma optiskie un SEM metalogrāfiskie attēli.

6. att.Veids un proporcijaslīpēšanas gruvešipie dažādiem saskares leņķiem un slīpēšanas slodzēm.

7. att.SEM attēli un EDS spektri dažāda veida slīpēšanas gružiem.

8. att.Shematiska diagramma par slīdēšanas-velšanas kompozītmateriālu kustības ietekmi uz HSG.

Par šo darbu ir ziņots žurnālā Journal of Tribology International.

Atsauces

[1] Fan W, Wu C, Wu Z u.c. Statiskais kontakta mehānisms starp zobaino kontaktripu un sliedi sliedes slīpēšanā ar abrazīvo lenti[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ u.c. Plaisu izplatīšanās un sliežu virsmas plaisāšanas mehānisms, kas balstīts uz peridinamiku[J]. Tongji Universitātes žurnāls, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L u.c. Riteņa un sliedes trieciena reakcijas galīgo elementu simulācijas, ko izraisa ātrgaitas vilcienu riteņu protektora plaisāšana[J]. Sprādziens un triecienviļņi, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F u.c. Pētījums par sloksnes WEA nodiluma bojājumiem un U71MnG sliežu materiāla noguruma plaisāšanu ar lāzera dzēšanas apstrādi[J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Daudzskalu raksturojums galvas pārbaudes uzsākšanai uz sliedēm rites kontakta noguruma apstākļos: mehāniskā un mikrostruktūras analīze [J]. Wear, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV u.c. Noguruma plaisu augšanas ātruma un laika noteikšana sliedēs, izmantojot noguruma makrolīnijas[J]. Krievijas metalurģija (metāls), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H u.c. Sliežu lūzuma defekta mikrostrukturālā izmeklēšana, kas saistīta ar tupu defektiem[J]. Inženiertehnisko kļūdu analīze, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Sliežu tērauda mikrostrukturālā analīze un noguruma lūzuma uzvedība [J]. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Ātrgaitas slīpēšanas un dzelzceļa trokšņa samazināšana, izmantojot regulāru sliežu slīpēšanu bez satiksmes pārtraukumiem[C]//INTER-NOISE un NOISE-CON Kongresa un konferences noriseGW. Trokšņa kontroles inženierijas institūts, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W u.c. Ātrgaitas slīpēšanas transportlīdzekļa HSG-2 nodiluma analīze: validācija, simulācija un salīdzināšana ar mērījumiem[M]//Transportlīdzekļu dinamika uz ceļiem un sliedēm, 2. sējums. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Ātrgaitas slīpēšanas un dzelzceļa trokšņa samazināšana, izmantojot regulāru sliežu slīpēšanu bez satiksmes traucējumiem[C]//INTER-NOISE un NOISE-CON kongresa un konferences noriseGW. Trokšņa kontroles inženierijas institūts, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF u.c. Dažādu sliežu marku pēclauka slīpēšanas novērtējums pilna mēroga riteņu/sliežu laboratorijas testos[J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussens CJ, Fæster S, Dhar S u.c. Virsmas plaisu veidošanās uz sliedēm pie slīpēšanas izraisītiem martensīta baltajiem kodināšanas slāņiem[J]. Wear, 2017, 384: 8-14.