De spoorwegslijpstrategieën

2024-10-28

Regelmatig slijpen van rails vermindert of verwijdert schade aan de rails en verlengt hun levensduur. Het wordt algemeen erkend als een van de meest effectieve onderhoudsmethoden in het spoorvervoer. Gezien het gedrag van railschade en de behoeften aan transportcapaciteit, ontwikkelen de technologie en apparatuur voor het slijpen van rails zich op verschillende niveaus en in diverse vormen. De belangrijkste strategieën voor het slijpen van rails zijn voorslijpen, preventief slijpen en reparatieslijpen.

VoorvermalenTijdens het warmwalsen van rails intensiveren hoge temperaturen de oxidatie van koolstof- en ijzerelementen aan het oppervlak van de rails. Wanneer de oxidatiesnelheid van koolstof groter is dan die van ijzer, transformeert een deel van het cementiet in perliet in ferriet, wat leidt tot de vorming van een ontkolingslaag, zoals weergegeven in Fig. 1. De hardheid, sterkte en slijtvastheid van de ontkolingslaag op de rail zijn lager dan die van het substraat [1]. Tijdens gebruik verspreiden scheuren zich voornamelijk langs het ferriet, wat de kans op ernstige schade aan de rail vergroot [2]. Tijdens de aanleg van een nieuwe lijn kunnen frequent starten en stoppen van bouwvoertuigen gemakkelijk krassen op de rails en andere problemen veroorzaken. Krassen op de rails zijn in een vroeg stadium niet gemakkelijk te detecteren door inspectiepersoneel, maar de wrijvingswarmte tussen wiel en rail veroorzaakt metallografische veranderingen in het bekraste gebied van de rail, die zich in een later stadium snel kunnen ontwikkelen tot ernstige schade [3]. Daarom moet bij de aanleg van nieuwe lijnen en het leggen van nieuwe rails in secties, na de ingebruikname en vóór de opening voor het gebruik, een voorslijpbehandeling worden uitgevoerd om de ontkolingslaag van circa 0,2 mm op het oppervlak en de schade veroorzaakt door het bouwproces te verwijderen. Voor lijnen die reeds in gebruik zijn genomen, is het vereist dat de voorslijpbehandeling wordt voltooid voordat een totale massa van 10 ton wordt verwerkt.

Afbeelding 1. De ontkolingslaag op de railkop.

Preventief slijpenBij ernstige defecten zoals golfvorming, delaminatie, zijdelingse slijtage en verbrijzeling is het nodig om een grotere slijpdiepte te gebruiken om de defecten te verwijderen en tegelijkertijd het railprofiel te corrigeren en te repareren. In dit geval zijn de hoeveelheid verwijderd railmateriaal en de slijpdiepte groot, en deze slijpstrategie wordt reparatieslijpen genoemd. Vanwege de ontwerptolerantie voor slijtage van de railtop is de frequentie van railvervanging tijdens reparatieslijpen toegenomen, wat resulteert in een slechte slijpeconomie.

China heeft duidelijke voorschriften opgesteld voor het slijpen van reparaties aan spoorlijnen: (a) Bij het slijpen van reparaties moeten de juiste slijpapparatuur en operationele parameters worden gekozen op basis van de kenmerken van de raildefecten, de raildefecten worden verwijderd en de railprofielen worden hersteld; (b) Op gewone lijnen moet bij defecten zoals een golfslijpdiepte of een breedte van de dikke rand van meer dan 0,3 mm tijdig een slijpbeurt worden uitgevoerd; (c) Op hogesnelheidslijnen moet, wanneer er sprake is van trillingen van de hogesnelheidstrein, een laterale acceleratiealarm van het dwarsframe, een slechte lichtstrip in secties, een visschubbendiepte van de wisselrail van 0,5 mm, een spoorimpactresponsindex die de beheerswaarde overschrijdt, of raildefecten die de herstellimiet bereiken, tijdig reparatie en slijpen van de rails worden uitgevoerd.

Reparatie van slijpenDe rail wordt periodiek belast door de wielen, waardoor een rolcontactvermoeidheidslaag (RCF) ontstaat op het oppervlak van de rail als gevolg van het "ratel-effect" [4,5]. In deze rolcontactvermoeidheidslaag nemen de hardheid en brosheid van het railmateriaal aanzienlijk toe, en de microstructuur vertoont een toename in dislocatiedichtheid en de initiatie van microscheuren [5]. De laterale en longitudinale voortplanting van microscheuren kan schade veroorzaken zoals delaminatie en railbreuk [1]. In de scheurontwikkelingscyclus (kiemvorming, initiatie en voortplanting) nemen de kiemvorming en initiatietijd een groot deel in beslag. Slijpen wordt meestal uitgevoerd wanneer de scheurvoortplantingsdiepte niet meer dan 0,2 mm bedraagt. Dit is het optimale moment om de voortplanting van railscheuren te stoppen en verdere aantasting van de rail te voorkomen, zoals weergegeven in Fig. 2. Op basis van het mechanisme van rolcontactvermoeidheid op het railoppervlak en de wetmatigheid van scheurvoortplanting wordt een preventieve slijpstrategie voorgesteld, waarbij de rolcontactvermoeidheidslaag op het railoppervlak regelmatig wordt verwijderd. Preventief slijpen heeft een kleinere slijpdiepte, wat de levensduur van de rails verlengt en economisch voordeliger is dan reparatieslijpen.

China Railway Corporation heeft duidelijke eisen gesteld aan de uitvoering van preventief slijpen van spoorrails. (a) Voor hogesnelheidslijnen moet preventief slijpen worden uitgevoerd om de 30-50 ton totaalgewicht, met een slijpinterval van maximaal 2 jaar. (b) Voor rechte en bochtige trajecten met een grote radius (>1200 m) van gewone spoorlijnen wordt doorgaans eenmaal een slijpbeurt uitgevoerd voor een totaalgewicht van 100 ton; voor trajecten met een kleine radius (

Figuur 2 toont de evolutiewet van de levensduur van rails onder verschillende slijpstrategieën. De resultaten laten zien dat slijpen de levensduur van rails effectief kan verlengen. Volgens rapporten is de kans op defecten aan het oppervlak van rails na niet-slijpen, reparatieslijpen en preventief slijpen respectievelijk 15%, 8% en 4% [6]. Dit wijst erop dat preventief slijpen een significant voordeel biedt bij het verminderen van de kans op raildefecten. Bovendien is er bij preventief slijpen een kleinere verwijderingsdikte, wat de levensduur van rails aanzienlijk kan verlengen in vergelijking met reparatieslijpen. In de huidige, snelle economische ontwikkeling en de dringende behoefte aan transportcapaciteit in het Chinese spoorvervoer, kan preventief slijpen de vervangingscyclus van rails effectief verlengen en een hogere slijpeconomie opleveren. Voorspellend preventief slijpen is de belangrijkste ontwikkelingsrichting voor toekomstige railslijptechnologie.

Afbeelding 2. Het voortplantingsgedrag van rollende contactvermoeidheidsscheuren

Afbeelding 3. De relatie tussen slijpstrategieën en de levensduur van rails

[1] ZHAO Xiangji, GUO Jun, WANG Hengyu, et al. Effecten van ontkoling op de slijtvastheid en schademechanismen van rails onderworpen aan contactvermoeidheid[J]. Wear, 2016, 364-365:130-143.

[2] ZHAO Xiangji, WANG Hengyu, Guo Jun, et al. Het effect van een ontkoolde laag op de rolcontactvermoeidheid van railmaterialen onder droge-natte omstandigheden[J]. Engineering Failure Analysis, 2018, 91: 58-71.

[3] LIU Fengshou, LI Chuang, TIAN Changhai. Onderzoek naar vroege schade aan Chinese hogesnelheidsspoorrails. Spoorwegtechniek, 2018, 58(1): 138-140.

[4] Reza Masoudi Nejad, Shariati Mahmoud, Farhangdoost Khalil. Effect of Wear on Rolling Contact Fatigue Crack Growth in Rails[J]. Tribology International, 2016, 94: 118-13.

[5] HU Yue, ZHOU Lang, DING Haohao, et al. Microstructuurontwikkeling van perlietwielen voor spoorwegen onder rol-glijdende contactbelasting[J]. Tribology International, 2021, 154: 106685.

[6] ZAREMBSKI Allan M., PALESE Joseph. Vermindert het slijpen van rails het aantal raildefecten?[J]. Railway Track & Structure, 2011, 107(2): 32-35.