Het zelf-adaptieve slijpgedrag van hogesnelheidsrailslijpen onder glijdende-rollende composietbewegingen

Het zelf-adaptieve slijpgedrag van hogesnelheidstreinen onder glijdende-rollende composietbewegingen was gericht op het optimaliseren van de slijpprestaties en oppervlaktekwaliteit. Hogesnelheidsspoorwegen, gekenmerkt door hoge operationele snelheden en lage aslasten, hebben vaak last van rolcontactvermoeidheid [1], wat leidt tot afbrokkeling van het oppervlak [2-4], vermoeiingsscheuren [5,6] en breuken [7,8]. Deze problemen vereisen tijdig onderhoud om deveilige en betrouwbare exploitatie van spoorwegnetwerkenTraditionele railslijptechnieken zijn gericht op het aanpakken van diepgewortelde defecten, maar resulteren vaak in inefficiëntie, langere onderhoudstijden en thermische schade. Hogesnelheidsslijpen (HSG) is een effectief alternatief gebleken, met hogere slijpsnelheden (60-80 km/u) en kortere "onderhoudsvensters". In tegenstelling tot conventioneel slijpen, werkt HSG via glijdende-rollende composietbewegingen, aangedreven door wrijvingskrachten tussen slijpschijven (GW's) en het railoppervlak [9]. Dit unieke mechanisme maakt zowel materiaalverwijdering als zelfslijpend schuren mogelijk. De wisselwerking tussen glijdende en rollende bewegingen is echter onvoldoende onderzocht, waardoor het potentieel van HSG voor de optimalisatie van railonderhoud beperkt is. In dit werk werd een zelfgemaakte HSG-testopstelling gebruikt om slijpomstandigheden op locatie te simuleren. Experimenten werden uitgevoerd onder verschillende contacthoeken (30°, 45° en 60°) en slijpbelastingen (500 N, 700 N en 900 N) [10, 11].

1. De verhouding van Slide-roll.De resultaten tonen aan dat glijdende-rollende composietbewegingen een cruciale rol spelen bij het beïnvloeden van het slijpgedrag. De glijdende-rollende verhouding (SRR), gedefinieerd als de verhouding tussen glijsnelheid en rolsnelheid, zoals weergegeven in Afb. 1, nam toe met zowel de contacthoek als de slijpbelasting, wat intuïtief veranderingen in de glijdende-rollende composietbeweging van de slijpparen weerspiegelde. Zo nam de SRR toe van 0,18 bij een contacthoek van 30° naar 0,81 bij 60°. Deze verschuiving van een door rollen gedomineerde beweging naar een balans tussen glijden en rollen verbeterde de slijpresultaten aanzienlijk. Uit het onderzoek bleek dat een contacthoek van 45° de hoogste slijpefficiëntie opleverde, terwijl een contacthoek van 60° de beste oppervlaktekwaliteit opleverde. De oppervlakteruwheid (Ra) nam aanzienlijk af naarmate de contacthoek toenam, van 12,9 μm bij 30° naar 3,5 μm bij 60°, zoals weergegeven in Afb. 2 tot en met Afb. 4.

2. Door slijpen veroorzaakte WEL.Tijdens het slijpproces vinden er door de thermomechanische koppelingseffecten, waaronder hoge contactspanning, verhoogde temperaturen en snelle afkoeling, metallurgische transformaties en plastische vervormingen plaats op het railoppervlak. Deze veranderingen leiden tot de vorming van een brosse witte etslaag (WEL), die gevoelig is voor breuk onder cyclische spanningen door contact tussen wiel en rail. Alle resultaten laten zien dat de gemiddelde dikte van de WEL minder dan 8 μm is, wat dunner is dan de door actief slijpen geïnduceerde WEL (~40 μm) [12, 13], zoals weergegeven in Afb. 5. Dit fenomeen houdt waarschijnlijk verband met de unieke kenmerken van de HSG-methode. Vergeleken met traditioneel actief slijpen, is bij HSG één enkel schuurdeeltje slechts gedurende een korte periode tijdens één omwentelingscyclus betrokken bij het slijpproces, zelfs bij grote contacthoeken. Het grootste deel van de tijd bevindt het schuurdeeltje zich in de warmteafvoerfase na het slijpen. Hierdoor krijgen de schuurdeeltjes voldoende tijd om hun warmte af te voeren voordat ze weer gaan slijpen. Hierdoor worden de thermische omstandigheden bij het slijpen verbeterd.

3. Maalafval.Analyse van slijpafval leverde aanvullende inzichten op in de mechanismen voor materiaalverwijdering, zoals weergegeven in figuur 6 en figuur 7. Vloeistofachtig en mesvormig afval, wat wijst op effectieve slijpprestaties, kwam vaker voor bij hogere SRR's. Blok- en gesneden afval daarentegen waren dominant bij lagere contacthoeken, wat wijst op onvoldoende slijpprestaties. De aanwezigheid van bolvormig afval nam toe met de slijpbelasting, wat wijst op hogere slijptemperaturen. Deze observaties benadrukken het belang van het optimaliseren van slijpparameters om efficiëntie en thermische omstandigheden in evenwicht te brengen.

4. Mechanisme van de glijdende rollende samengestelde beweging.De studie onthulde ook de dynamische wisselwerking tussen glijdende en rollende bewegingen tijdens het slijpproces, zoals weergegeven in figuur 8. Glijden vergemakkelijkte de materiaalverwijdering van het railoppervlak, terwijl rollen de afvoer van gruis en de zelfscherping van het schuurmiddel verbeterde. Deze dynamische balans is essentieel voor efficiënt slijpen met minimale thermische schade. Een te grote nadruk op een van beide bewegingen kan echter leiden tot suboptimale resultaten: een rollende beweging verhoogt de oppervlakteruwheid, terwijl een glijdende beweging kan leiden tot verminderde schuurmiddelvernieuwing en meer thermische schade.

5. Uitgebreide evaluatie.Uitgebreide evaluaties van de slijpprestaties, waaronder slijpefficiëntie, oppervlakteruwheid en WEL-dikte, benadrukten de voordelen van het optimaliseren van glijdende-rollende composietbewegingen, zoals weergegeven in figuur 9. De radargrafieken van de slijpprestaties onder verschillende belastingen en contacthoeken lieten zien dat een contacthoek van 45° de beste algehele balans tussen efficiëntie en kwaliteit opleverde. De contacthoek van 60° produceerde echter consistent de gladste oppervlakken, waardoor deze ideaal is voor de laatste slijpbeurten. Deze bevindingen suggereren dat gerichte aanpassingen van de slijpparameters effectief kunnen bijdragen aan het aanpakken van wisselende schade aan het railoppervlak.

Dit onderzoek biedt praktische implicaties voor het onderhoud van hogesnelheidstreinen. Bij de eerste slijpgangen maximaliseert een contacthoek van 45° de materiaalverwijderingsefficiëntie, terwijl een hoek van 60° zorgt voor een superieure oppervlaktekwaliteit in de afwerkingsfase. De studie onderstreept het belang van het dynamisch balanceren van glijdende en rollende bewegingen om de slijpprestaties te verbeteren, de oppervlaktekwaliteit te verbeteren en de levensduur van slijpschijven te verlengen.

Concluderend benadrukt de studie de cruciale rol van glijdende-rollende composietbewegingen bij het slijpen van hogesnelheidsrails. Door de verhouding tussen glijdende en rollende bewegingen te optimaliseren, kan HSG een superieure slijpefficiëntie en oppervlaktekwaliteit bereiken, terwijl thermische schade wordt geminimaliseerd. Deze bevindingen vormen een theoretische basis voor de verdere ontwikkeling van HSG-technologie en praktische richtlijnen voor het verbeteren van spooronderhoud.

Afbeelding 1.Variatietrend van SRR, COF en rotatiesnelheid met slijpbelastingen en contacthoeken.

Afbeelding 2.Slijprendement onder verschillende contacthoeken en slijpbelastingen.

Afbeelding 3.Oppervlaktemorfologieën van railmonsters onder verschillende contacthoeken en slijpbelastingen.

Afbeelding 4.Oppervlakteruwheid en3D-morfologieënvan spoorstaafmonsters onder verschillende contacthoeken en slijpbelastingen.

Afbeelding 5.Optische dwarsdoorsnede- en SEM-metallografische beelden van de spoorstaafmonsters.

Afbeelding 6.Het type en de verhouding vanslijpafvalonder verschillende contacthoeken en slijpbelastingen.

Afbeelding 7.SEM-beelden en EDS-spectra van verschillende soorten slijpstof.

Afbeelding 8.Schematisch diagram van het effect van glijdende-rollende composietbeweging op HSG.

Dit werk is gerapporteerd in het Journal of Tribology International.

Referenties

[1] Fan W, Wu C, Wu Z, et al. Statisch contactmechanisme tussen gekarteld contactwiel en rail bij het slijpen van rails met een schuurband[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ, et al. Scheurvoortplanting en afbrokkelingsmechanisme van het spooroppervlak op basis van peridynamica [J]. Journal of Tongji University, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L, et al. Eindige-elementensimulaties van de reactie van wiel-rail-botsingen veroorzaakt door afbrokkeling van het loopvlak van hogesnelheidstreinen[J]. Explosion and Shock Waves, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F, et al. Onderzoek naar slijtageschade door WEA-strips en vermoeiingsafbrokkeling van U71MnG-railmateriaal door middel van laserblusbehandeling[J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Multischaalkarakterisering van het initiëren van kopcontrole op rails onder rolcontactvermoeidheid: mechanische en microstructuuranalyse[J]. Wear, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV, et al. Bepaling van de groeisnelheid en -tijd van vermoeiingsscheuren in rails met behulp van vermoeiingsmacrolijnen[J]. Russian Metallurgy (Metally), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H, et al. Microstructureel onderzoek naar een spoorbreuk in verband met squatdefecten [J]. Engineering Failure Analysis, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Microstructurele analyse en vermoeiingsbreukgedrag van railstaal [J]. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Hoge snelheid slijpen - vermindering van spoorweglawaai door regelmatig slijpen van het spoor zonder verkeersonderbrekingen [C] // INTER-NOISE en NOISE-CON Congres- en conferentieverslagen GW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247 (2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W, et al. Slijtageanalyse van het hogesnelheids-slijpvoertuig HSG-2: validatie, simulatie en vergelijking met metingen[M]//Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks Vol 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Hoge snelheid slijpen - vermindering van spoorweglawaai door regelmatig slijpen van het spoor zonder verkeersonderbrekingen [C] // INTER-NOISE en NOISE-CON Congres- en conferentieverslagen GW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247 (2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF, et al. Evaluatie van het slijpen van verschillende spoorstaven na het veld in laboratoriumtests met wielen en rails op ware grootte [J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S, et al. Oppervlaktescheurvorming op rails bij door slijpen geïnduceerde martensietwitte etslagen[J]. Wear, 2017, 384: 8-14.