Tingkah Laku Pengisaran Adaptif Kendiri Pengisaran Rel Berkelajuan Tinggi di bawah Gerakan Komposit Gelongsor-Gelongsor

Tingkah laku pengisaran penyesuaian diri rel berkelajuan tinggi di bawah gerakan komposit gelongsor-guling tertumpu pada pengoptimuman prestasi pengisaran dan kualiti permukaan. Landasan kereta api berkelajuan tinggi, yang dicirikan oleh kelajuan operasi yang tinggi dan beban gandar yang ringan, sering mengalami keletihan sentuhan gulungan [1], yang menyebabkan permukaan tergelincir [2-4], retakan keletihan [5,6], dan keretakan [7,8]. Isu-isu ini memerlukan penyelenggaraan yang tepat pada masanya untuk memastikan operasi rangkaian rel yang selamat dan boleh dipercayaiTeknik pengisaran rel tradisional bertujuan untuk menangani kecacatan yang mendalam tetapi sering mengakibatkan ketidakcekapan, masa penyelenggaraan yang lebih lama, dan kerosakan haba. Pengisaran berkelajuan tinggi (HSG) telah muncul sebagai alternatif yang berkesan, menawarkan kelajuan pengisaran yang lebih tinggi (60–80 km/j) dan "tingkap penyelenggaraan" yang dikurangkan. Tidak seperti pengisaran konvensional, HSG beroperasi melalui gerakan komposit gelongsor-guling, didorong oleh daya geseran antara roda pengisaran (GW) dan permukaan rel [9]. Mekanisme unik ini membolehkan penyingkiran bahan dan pengasahan sendiri yang kasar. Walau bagaimanapun, interaksi antara gerakan gelongsor dan guling belum diterokai dengan secukupnya, mengehadkan potensi HSG untuk pengoptimuman penyelenggaraan rel. Dalam kajian ini, pelantar ujian HSG buatan sendiri telah digunakan untuk mensimulasikan keadaan pengisaran di tapak. Eksperimen telah dijalankan di bawah pelbagai sudut sentuhan (30°, 45°, dan 60°) dan beban pengisaran (500 N, 700 N, dan 900 N) [10, 11].

1. Nisbah Gelongsor-gulung.
  Keputusan menunjukkan bahawa gerakan komposit gelongsor-guling memainkan peranan penting dalam mempengaruhi tingkah laku pengisaran. Nisbah gelongsor-guling (SRR), yang ditakrifkan sebagai nisbah kelajuan gelongsor kepada kelajuan pengisaran, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, meningkat dengan kedua-dua sudut sentuhan dan beban pengisaran, yang secara intuitif mencerminkan perubahan dalam gerakan komposit gelongsor-guling pasangan pengisaran. Contohnya, SRR meningkat daripada 0.18 pada sudut sentuhan 30° kepada 0.81 pada 60°. Peralihan daripada gerakan yang didominasi pengisaran kepada keseimbangan antara gelongsor dan pengisaran ini meningkatkan hasil pengisaran dengan ketara. Kajian mendapati bahawa sudut sentuhan 45° menghasilkan kecekapan pengisaran tertinggi, manakala sudut sentuhan 60° menghasilkan kualiti permukaan yang terbaik. Kekasaran permukaan (Ra) menurun dengan ketara apabila sudut sentuhan meningkat, daripada 12.9 μm pada 30° kepada 3.5 μm pada 60°, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 hingga Rajah 4.

2. WEL yang disebabkan oleh pengisaran.
Semasa proses pengisaran, disebabkan oleh kesan gandingan termo-mekanikal, termasuk tekanan sentuhan yang tinggi, suhu tinggi, dan penyejukan yang cepat, transformasi metalurgi dan ubah bentuk plastik berlaku pada permukaan rel. Perubahan ini membawa kepada pembentukan lapisan etsa putih rapuh (WEL), yang terdedah kepada keretakan di bawah tekanan kitaran daripada sentuhan roda-rel. Semua keputusan menunjukkan bahawa ketebalan purata WEL adalah kurang daripada 8 μm, yang lebih nipis daripada WEL yang disebabkan oleh pengisaran aktif (~40 μm) [12, 13], seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5. Fenomena ini mungkin berkaitan dengan ciri-ciri unik kaedah HSG. Berbanding dengan pengisaran aktif tradisional, dalam HSG, satu zarah kasar terlibat dalam proses pengisaran hanya untuk tempoh yang singkat semasa satu kitaran putaran, walaupun pada sudut sentuhan yang tinggi. Untuk sebahagian besar masa, zarah kasar berada dalam tempoh pelesapan haba selepas pengisaran. Ini memastikan bahawa zarah kasar mempunyai masa yang mencukupi untuk menghilangkan haba sebelum terlibat semula dalam pengisaran, menghasilkan keadaan haba yang lebih baik pada antara muka pengisaran.

3. Mengisar serpihan.
Analisis serpihan pengisaran memberikan pandangan tambahan tentang mekanisme penyingkiran bahan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6 dan Rajah 7. Serpihan seperti aliran dan berbentuk pisau, yang menandakan prestasi pengisaran yang berkesan, lebih lazim pada SRR yang lebih tinggi. Sebaliknya, serpihan blok dan hirisan dominan pada sudut sentuhan yang lebih rendah, mencerminkan prestasi pengisaran yang tidak mencukupi. Kehadiran serpihan sfera meningkat dengan beban pengisaran, menunjukkan suhu pengisaran yang tinggi. Pemerhatian ini menekankan kepentingan mengoptimumkan parameter pengisaran untuk mengimbangi kecekapan dan keadaan terma.

4. Mekanisme gerakan majmuk gelongsor bergolek. Kajian ini juga mendedahkan interaksi dinamik antara gerakan gelongsor dan guling dalam proses pengisaran, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8. Gelongsor memudahkan penyingkiran bahan dari permukaan rel, sementara penggulingan meningkatkan pelepasan serpihan dan pengasahan sendiri yang kasar. Keseimbangan dinamik ini penting untuk mencapai pengisaran yang cekap dengan kerosakan haba yang minimum. Walau bagaimanapun, penekanan yang berlebihan pada mana-mana gerakan boleh menyebabkan hasil yang tidak optimum: gerakan yang didominasi penggulingan meningkatkan kekasaran permukaan, sementara gerakan yang didominasi gelongsor boleh mengakibatkan pengurangan pembaharuan kasar dan peningkatan kerosakan haba.

5. Penilaian yang komprehensif. Penilaian komprehensif terhadap prestasi pengisaran, termasuk kecekapan pengisaran, kekasaran permukaan dan ketebalan WEL, mengetengahkan kelebihan mengoptimumkan gerakan komposit gelongsor-guling, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 9. Carta radar prestasi pengisaran di bawah pelbagai beban dan sudut sentuhan menunjukkan bahawa sudut sentuhan 45° memberikan keseimbangan keseluruhan kecekapan dan kualiti yang terbaik. Walau bagaimanapun, sudut sentuhan 60° secara konsisten menghasilkan permukaan yang paling licin, menjadikannya sesuai untuk laluan pengisaran akhir. Penemuan ini menunjukkan bahawa pelarasan yang disasarkan pada parameter pengisaran boleh menangani kerosakan permukaan rel yang berbeza-beza dengan berkesan.

Kajian ini menawarkan implikasi praktikal untuk penyelenggaraan rel berkelajuan tinggi. Untuk laluan pengisaran awal, sudut sentuhan 45° memaksimumkan kecekapan penyingkiran bahan, manakala sudut 60° memastikan kualiti permukaan yang unggul dalam peringkat kemasan. Kajian ini menggariskan kepentingan mengimbangi gerakan gelongsor dan penggelek secara dinamik untuk meningkatkan prestasi pengisaran, meningkatkan kualiti permukaan dan memanjangkan hayat perkhidmatan roda pengisar.

Kesimpulannya, kajian ini mengetengahkan peranan penting gerakan komposit gelongsor-guling dalam pengisaran rel berkelajuan tinggi. Dengan mengoptimumkan perkadaran tindakan gelongsor dan guling, HSG boleh mencapai kecekapan pengisaran dan kualiti permukaan yang unggul sambil meminimumkan kerosakan haba. Penemuan ini menyediakan asas teori untuk memajukan teknologi HSG dan garis panduan praktikal untuk menambah baik amalan penyelenggaraan rel.

Rajah 1. Trend variasi SRR, COF dan kelajuan putaran dengan beban pengisaran dan sudut sentuhan.

Rajah 2. Kecekapan pengisaran di bawah sudut sentuhan dan beban pengisaran yang berbeza.

Rajah 3. Morfologi permukaan spesimen rel di bawah sudut sentuhan dan beban pengisaran yang berbeza.

Rajah 4. Kekasaran permukaan dan Morfologi 3D sampel rel di bawah sudut sentuhan dan beban pengisaran yang berbeza.

Rajah 5. Imej optik dan metalografi SEM keratan rentas bagi spesimen rel.

Rajah 6. Jenis dan perkadaran serpihan pengisaran di bawah sudut sentuhan dan beban pengisaran yang berbeza.

Rajah 7. Imej SEM dan spektrum EDS untuk pelbagai jenis serpihan pengisaran.

Rajah 8. Gambarajah skematik kesan gerakan komposit gelongsor-gulingan pada HSG.

Kerja ini telah dilaporkan dalam Journal of Tribology International.

Rujukan

[1] Fan W, Wu C, Wu Z, dsb. Mekanisme sentuhan statik antara roda sentuhan bergerigi dan rel dalam pengisaran rel dengan tali sawat kasar[J]. Jurnal Proses Pembuatan, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ, dsb. Perambatan retakan dan mekanisme pemecahan permukaan rel berdasarkan peridinamik[J]. Jurnal Universiti Tongji, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L, dsb. Simulasi unsur terhingga bagi tindak balas hentaman roda-rel yang disebabkan oleh keruntuhan tapak roda kereta api berkelajuan tinggi[J]. Letupan dan Gelombang Kejutan, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F, dkk. Kajian tentang kerosakan haus WEA jalur dan kemerosotan lesu bahan rel U71MnG melalui rawatan pelindapkejutan laser[J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Pencirian berbilang skala bagi permulaan pemeriksaan kepala pada rel di bawah keletihan sentuhan bergolek: Analisis mekanikal dan mikrostruktur[J]. Haus, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV, dsb. Penentuan kadar pertumbuhan retakan lesu dan masa dalam rel menggunakan makrolin lesu[J]. Metalurgi Rusia (Metally), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H, dkk. Penyiasatan mikrostruktur ke atas kegagalan patah rel yang berkaitan dengan kecacatan jongkok[J]. Analisis Kegagalan Kejuruteraan, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Analisis mikrostruktur dan kelakuan patah lesu keluli rel[J]. Mekanik Bahan dan Struktur Termaju, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Pengisaran berkelajuan tinggi-pengurangan hingar landasan kereta api melalui pengisaran landasan kereta api biasa tanpa gangguan lalu lintas[C]//Prosiding Kongres dan Persidangan INTER-NOISE dan NOISE-CONGW. Institut Kejuruteraan Kawalan Bunyi, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W, dsb. Analisis haus kenderaan pengisaran berkelajuan tinggi HSG-2: pengesahan, simulasi dan perbandingan dengan pengukuran[M]//Dinamik Kenderaan di Jalan Raya dan Trek Vol 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Pengisaran berkelajuan tinggi-pengurangan hingar landasan kereta api melalui pengisaran landasan kereta api biasa tanpa gangguan lalu lintas[C]//Prosiding Kongres dan Persidangan INTER-NOISE dan NOISE-CONGW. Institut Kejuruteraan Kawalan Bunyi, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF, dkk. Penilaian pengisaran pasca lapangan bagi gred rel yang berbeza dalam ujian makmal roda/rel berskala penuh[J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S, dsb. Pembentukan retakan permukaan pada rel semasa pengisaran lapisan etsa martensit putih [J]. Wear, 2017, 384: 8-14.