Uitdagingen bij het lokaliseren van slijpstenen

Bovenstaand overzicht van de huidige onderzoeksstatus van wetstenen vanuit de aspecten van het vormen van wetstenen (grondstof en proces), methoden voor het evalueren van de prestaties van wetstenen, spoorslijtage, enz., vat samen dat het ontwerp en de productie van wetstenen een multidisciplinaire (mechanica, materialen, mechanica, enz.), multifactoriële (componenten, processen, interfaces, werkomstandigheden, enz.) interactie is van complexe technische uitdagingen. Daarom volgt hieronder een samenvatting van de moeilijkheden en uitdagingen in het onderzoeks- en ontwikkelingsproces van wetstenen vanuit drie aspecten: het vormen van wetstenen, het gedrag van de wetsteen/spoor-interface en de evaluatie van de prestaties van wetstenen (Figuur 1). Het doel is om wetenschappers en professionals in de praktijk te voorzien van referentiemateriaal.

(1) Molensteenlijst

De prestaties van de slijpsteen worden beïnvloed door de formulering (hars, vulstof, schuurmiddel, enz.), het gietproces (mengen, uitharden, enz.), de structuur (porositeit en poriegrootte, schuurmiddelconcentratie, enz.), de heterogene grensvlakken (hars/schuurmiddel, hars/vulstof, enz.), de bindingssterkte en andere factoren, zoals weergegeven in figuur 1 (a). Momenteel is het heterogene bindingsmechanisme van het schuursysteem nog niet duidelijk; de invloed van micro-/nanovulstof op de bindingstaaiheid, hittebestendigheid en slijtvastheid van het regulatiemechanisme moet nog worden onthuld; de complexe structuur van de slijpsteen, de fysische en chemische eigenschappen ervan, en het mechanisme van de impact op de prestaties van de gebruiksprestaties zijn nog niet duidelijk. Bovenstaande wetenschappelijke en technische problemen vormen een grote uitdaging voor de regulering van de prestaties van slijpstenen.

Yuan Yongjie [1] gebruikte Abaqus en Python om een ​​virtueel molensteenmodel op te zetten en voerde molensteengerelateerd onderzoek uit met behulp van de methode van eindige-elementenberekening, wat een belangrijke inspiratiebron is voor het ontwerp van molenstenen met meer variabelen en complexe processen. Daarom kunnen we in de toekomst eindige-elementenberekening en andere methoden gebruiken om het molensteenmodel snel en efficiënt te construeren en een fijnmaziger spectrum van synergetische responsrelaties tussen verschillende factoren te bepalen om het ontwerp van molenstenen te sturen. Bovendien wordt het model gerechtvaardigd door een grote hoeveelheid experimentele basisgegevens.

(2) Gedrag van de grensvlakverbinding tussen schurende steen en rails

De geometrie en ruimtelijke oriëntatie van het schuurmiddel zijn willekeurig, wat resulteert in grote verschillen in de voorhoek van het schuurmiddel (glijden, ploegen, snijden). De rol van elk schuurmiddel op het materiaalgedrag van de rail (mechanische kracht, slijptemperatuur, enz.) is dus ook willekeurig. Er zijn dus verschillen in het faalmechanisme van de steen en de invloed van de oppervlaktekwaliteit van de rail. Idealiter: het schuurmiddel na vele schuurcycli - een zelf-slijpend proces - kan zijn snijfunctie volledig vervullen; slijtage en afstoting van de binding, waardoor het gepassiveerde schuurmiddel afneemt en de slijpsteen zichzelf slijpt; maar overmatige slijtage van de binding, wat resulteert in voortijdig afstoting van het schuurmiddel, vermindert de benuttingsgraad van het schuurmiddel, vermindert de slijtvastheid van de slijpsteen en verkort de levensduur. Daarom moeten de slijtage en zelf-slijping van de slijpsteen in evenwicht zijn om zowel sterke snijprestaties als een lange levensduur te garanderen. Tegelijkertijd heeft de slijtage van de slijpsteen een directe invloed op de conditie van de slijprand en de snijhoek, wat op zijn beurt van invloed is op de slijpwarmte en de oppervlaktekwaliteit van de rail. Zo blijkt dat tijdens het slijpen van rails, onder invloed van de thermisch-mechanische koppeling tussen de slijpsteen en de rail, de materiaalafname en het falen van de slijpsteen elkaar beïnvloeden en nauw met elkaar samenhangen, wat uiteindelijk de oppervlaktekwaliteit van de rail na het slijpen beïnvloedt.

Momenteel zijn het interactiemechanisme tussen materiaalverwijdering en slijpsteenbreuk tijdens het slijpen van rails en de invloed hiervan op de oppervlaktekwaliteit van de rail nog onduidelijk, wat de ontwerpmoeilijkheden van de slijpsteen vergroot, zoals weergegeven in figuur 1(b). Daarom is het belangrijk om het mechanisme van materiaalverwijdering tijdens het slijpen van rails, het slijtagemechanisme van de slijpsteen en de evolutie van de oppervlaktekwaliteit van de rail te bestuderen en een model te construeren van de fysieke relatie tussen de slijpsteenstructuur, de mechanische eigenschappen van de slijpsteen, de slijpprestaties, het slijpmechanisme van de slijpsteen en de oppervlaktekwaliteit van de rail. Dit is van groot belang voor het ontwerp en de productie van slijpstenen.

(3) Evaluatie van de prestaties van de slijpsteen

Een wetenschappelijke en uitgebreide evaluatie van de prestaties van slijpstenen (met name de slijpcapaciteit), de formule voor slijpstenen en het procesontwerp vormen een belangrijke referentie. Momenteel bestaan ​​er verschillende methoden om de prestaties van wetstenen te evalueren, maar er is een gebrek aan uniforme evaluatienormen voor de prestaties van wetstenen. Dit maakt het moeilijk om onderzoeksresultaten met betrekking tot wetstenen te delen, zoals weergegeven in figuur 1(c). Veel onderzoekers voeren gerelateerd onderzoek uit door molenstenen op ware grootte te maken. Deze molenstenen hebben een groot formaat, wat niet bevorderlijk is voor latere macro-/microkarakterisering en -analyse. Bovendien kunnen ze geen nauwkeurigere experimentele gegevens verkrijgen. Dit resulteert in experimentele resultaten met molenstenen die beperkte richtlijnen bieden voor de regulering van de prestaties van de molenstenen. Dit vermindert de R&D-efficiëntie van de molenstenen, verhoogt de kosten van het onderzoek en leidt tot verspilling van energie en grondstoffen. Daarom kan een multidimensionale evaluatietechnologieroute worden toegepast om de evaluatieapparatuur voor slijpstenen wetenschappelijk te ontwerpen en de evaluatierichtlijnen voor de prestaties van slijpstenen in verschillende afmetingen op te stellen, om zo de basis te leggen voor de promotie van slijpstenen op spoorlijnen.

Afbeelding.1 De belangrijkste problemen voor de ontwikkeling van GS

(a) Vorming van slijpstenen [2,3,1]; (b) Relaties tussen mechanismen voor materiaalverwijdering, mechanismen voor slijtage van slijpstenen en de kwaliteit van het railoppervlak [4,5,6,7,8]; (c) Methoden voor de evaluatie van de prestaties van slijpstenen [9,2,10].

[1] YUAN Yongjie. De prestatieregulerende mechanismen van spoorslijpsteen met poriënstructuur [J]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2021.

[2] ZHANG Wulin. Studie naar de prestatieregulerende mechanismen van hogesnelheidsspoorwegslijpsteen met behulp van korundschuurmiddelen [D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2021.

[3] ZHANG Pengfei, ZHANG Wulin, YUAN Yongjie, et al. Onderzoek naar het effect van slijpwarmte op het materiaalverwijderingsmechanisme bij het slijpen van rails [J]. Tribology International, 2020, 147:105942.

[4] JI Yuan, TIAN Changhai, PEI Dingfeng. Vergelijkende analyse van Chinese normen voor slijpwielen voor spoorwegen en buitenlandse internationale normen[J]. Railway Quality Control, 2018, 46(9): 5-8.

[5] ZHOU Kun, DING Haohao, WANG Wenjian, et al. Invloed van slijpdruk op het verwijderingsgedrag van railmateriaal [J]. Tribology International, 2019, 134: 417-426.

[6] ZHOU Kun, DING Haohao, WANG Ruixiang, et al. Experimenteel onderzoek naar het materiaalverwijderingsmechanisme tijdens het slijpen van rails bij verschillende voorwaartse snelheden [J]. Tribology International, 2020, 143: 106040.

[7] ZHANG Wulin, ZHANG Pengfei, ZHANG Jun, et al. Onderzoek naar het effect van de korrelgrootte van het schuurmiddel op het slijpgedrag van rails [J]. Journal of Manufacturing Processes, 2020, 53: 388-395.

[8] JOACHIM Mayer, ROBERT Engelhorn, ROSEMARIE Rot, et al. Slijtagekenmerken van tweede-fase-versterkte Sol-gel korund schuurmiddelen [J]. Acta Materialia, 2006, 54(13): 3605-3615.

[9] XU Xiaotang. Studie naar het mechanisme van hogesnelheidsspoorslijpen [D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2016.

[10] XU Xiaotang, WANG Hengyu, WU Lei, et al. Een experimentele studie naar het slijpen van hogesnelheidsrails onder natte omstandigheden [J]. Lubrication Engineering, 2016, 41(11): 41-44.