Strategie szlifowania szyn

2024-10-28

Regularne szlifowanie szyn redukuje lub usuwa uszkodzenia szyn i wydłuża ich żywotność, co jest powszechnie uznawane za jedną z efektywnych metod konserwacji w systemach transportu szynowego. W oparciu o charakterystykę uszkodzeń szyn i w połączeniu z potrzebami przepustowości transportu kolejowego, technologia i urządzenia do szlifowania szyn rozwijają się wielopoziomowo i w zróżnicowany sposób. Główne strategie szlifowania szyn obejmują szlifowanie wstępne, szlifowanie zapobiegawcze i szlifowanie naprawcze.

Wstępne mieleniePodczas procesu walcowania na gorąco szyn wysokie temperatury intensyfikują utlenianie węgla i elementów żelaznych na powierzchni szyn. Gdy szybkość utleniania węgla jest większa niż żelaza, część cementytu w perlicie przekształca się w ferryt, co prowadzi do utworzenia warstwy odwęglonej, jak pokazano na rys. 1. Twardość, wytrzymałość i odporność na zużycie warstwy odwęglonej na szynie są niższe niż podłoża [1]. Podczas eksploatacji pęknięcia rozprzestrzeniają się głównie wzdłuż ferrytu, co z większym prawdopodobieństwem spowoduje poważne uszkodzenia szyny [2]. Podczas budowy nowej linii częste uruchamianie i zatrzymywanie pojazdów budowlanych może łatwo spowodować zarysowania szyn i inne problemy. Zarysowania szyn nie są łatwo wykrywane przez personel inspekcyjny na wczesnym etapie, ale ciepło tarcia między kołem a szyną powoduje przemianę metalograficzną w zarysowanym obszarze szyny, która może szybko przekształcić się w poważne uszkodzenia w późniejszej eksploatacji [3]. Dlatego też, w przypadku budowy nowych linii i układania nowych szyn w odcinkach, wstępne szlifowanie powinno być przeprowadzone po uruchomieniu i przed oddaniem do eksploatacji, aby usunąć warstwę odwęglenia o grubości około 0,2 mm na powierzchni oraz uszkodzenia powstałe w trakcie budowy. W przypadku linii, które zostały już oddane do eksploatacji, wymagane jest zakończenie wstępnego szlifowania przed przejechaniem łącznej masy 10 Mt.

Rys. 1. Warstwa odwęglona na główce szyny.

Szlifowanie zapobiegawczeW przypadku poważnych wad, takich jak pofalowanie, rozwarstwienie, ścieranie boczne i zgniecenia, konieczne jest zastosowanie większej głębokości szlifowania, aby usunąć wady, a jednocześnie skorygować i naprawić profil szyny. W tym momencie ilość usuniętego materiału i głębokość szlifowania są duże, a ta strategia szlifowania nazywana jest szlifowaniem naprawczym. Ze względu na projektową tolerancję zużycia wierzchniej warstwy szyny, częstotliwość wymiany szyny wzrosła podczas szlifowania naprawczego, co skutkuje niską ekonomicznością szlifowania.

Chiny wprowadziły jasne regulacje dotyczące operacji szlifowania naprawczego na liniach tranzytowych: (a) Szlifowanie naprawcze powinno polegać na doborze odpowiedniego sprzętu szlifierskiego i parametrów roboczych w oparciu o charakterystykę wad szyn, usuwaniu wad szyn i naprawie profili szyn; (b) Na zwykłych liniach, w przypadku wad, takich jak głębokość szlifowania falowego lub szerokość grubej krawędzi przekraczająca 0,3 mm, należy zorganizować terminowe szlifowanie naprawcze; (c) Na liniach kolejowych dużych prędkości, gdy występuje drżenie pociągu dużych prędkości, alarm przyspieszenia bocznego ramy poprzecznej, słaby pas świetlny na odcinkach, głębokość łuski rybiej szyny rozjazdu osiągająca 0,5 mm, wskaźnik reakcji toru na uderzenie przekraczający wartość zarządzającą lub wady szyn osiągające granicę naprawy, należy zorganizować terminową naprawę i szlifowanie szyny.

Naprawa szlifowaniaSzyna jest poddawana okresowym obciążeniom od kół, a na jej powierzchni tworzy się warstwa zmęczenia tocznego (RCF) w wyniku „efektu zapadki” [4,5]. W warstwie zmęczenia tocznego znacząco wzrasta twardość i kruchość materiału szyny, a mikrostruktura wykazuje wzrost gęstości dyslokacji i inicjacji mikropęknięć [5]. Boczna i podłużna propagacja mikropęknięć może powodować uszkodzenia, takie jak rozwarstwienie i pękanie szyn [1]. W cyklu rozwoju pęknięcia (zarodkowanie, inicjacja i propagacja) zarodkowanie i czas inicjacji stanowią dużą część. Szlifowanie jest zwykle przeprowadzane, gdy głębokość propagacji pęknięcia nie przekracza 0,2 mm, co jest najlepszym momentem na zablokowanie propagacji pęknięć szyny i uniknięcie dalszego pogorszenia stanu szyny, jak pokazano na rys. 2. W oparciu o mechanizm zmęczenia tocznego na powierzchni szyn oraz prawo propagacji pęknięć, zaproponowano strategię szlifowania zapobiegawczego, która polega na regularnym usuwaniu warstwy zmęczenia tocznego z powierzchni szyn. Szlifowanie zapobiegawcze charakteryzuje się mniejszą głębokością szlifowania, co korzystniej wpływa na wydłużenie żywotności szyn i zapewnia lepszą ekonomikę szlifowania w porównaniu ze szlifowaniem naprawczym.

China Railway Corporation przedstawiła jasne wymagania dotyczące wdrażania zapobiegawczego szlifowania szyn kolejowych. (a) W przypadku kolei dużych prędkości, zapobiegawcze szlifowanie powinno być przeprowadzane co 30–50 Mt całkowitej masy, przy czym odstęp między szlifowaniami nie powinien być dłuższy niż 2 lata. (b) W przypadku prostych odcinków i odcinków o dużym promieniu łuku (>1200 m) zwykłych linii kolejowych, proces szlifowania jest zwykle przeprowadzany jeden raz dla całkowitej masy 100 Mt; w przypadku odcinków o małym promieniu (

Prawo ewolucji żywotności szyn przy różnych strategiach szlifowania pokazano na rys. 2, a wyniki wskazują, że szlifowanie może skutecznie wydłużyć żywotność szyn. Według doniesień, prawdopodobieństwo wystąpienia defektów na powierzchni szyn po braku szlifowania, szlifowaniu naprawczym i szlifowaniu zapobiegawczym wynosi odpowiednio 15%, 8% i 4% [6], co wskazuje, że szlifowanie zapobiegawcze ma znaczną przewagę w zmniejszaniu prawdopodobieństwa wystąpienia defektów szyn. Ponadto materiały do szlifowania zapobiegawczego mają mniejszą grubość usuwania, co może znacznie wydłużyć żywotność szyn w porównaniu ze szlifowaniem naprawczym. W obliczu trudnej sytuacji szybkiego rozwoju gospodarczego i pilnego zapotrzebowania na przepustowość chińskiego transportu kolejowego, przyjęcie szlifowania zapobiegawczego może skutecznie wydłużyć cykl wymiany szyn i zapewnić wyższą ekonomikę szlifowania. Predykcyjne szlifowanie zapobiegawcze jest głównym kierunkiem rozwoju przyszłej technologii szlifowania szyn.

Rys.2. Zachowanie się pęknięć zmęczeniowych w kontakcie tocznym

Rys.3. Związek między strategiami szlifowania a trwałością szyn

[1] ZHAO Xiangji, GUO Jun, WANG Hengyu i in. Wpływ dekarburizacji na odporność na zużycie i mechanizmy uszkodzeń szyn poddanych zmęczeniu kontaktowemu [J]. Wear, 2016, 364-365:130-143.

[2] ZHAO Xiangji, WANG Hengyu, Guo Jun i in. Wpływ warstwy odwęglonej na zmęczenie styku tocznego materiałów szynowych w warunkach sucho-mokrych [J]. Analiza uszkodzeń inżynieryjnych, 2018, 91: 58-71.

[3] LIU Fengshou, LI Chuang, TIAN Changhai. Badania wczesnych uszkodzeń szyn chińskich kolei dużych prędkości. Inżynieria kolejowa, 2018, 58(1): 138-140.

[4] Reza Masoudi Nejad, Shariati Mahmoud, Farhangdoost Khalil. Wpływ zużycia na wzrost pęknięć zmęczeniowych w szynach [J]. Tribology International, 2016, 94: 118-13.

[5] HU Yue, ZHOU Lang, DING Haohao i in. Ewolucja mikrostruktury kół perlitycznych kolejowych pod obciążeniem kontaktowym toczno-ślizgowym [J]. Tribology International, 2021, 154: 106685.

[6] ZAREMBSKI Allan M., PALESE Joseph. Czy szlifowanie szyn zmniejsza ich uszkodzenia? [J]. Railway Track&Structure, 2011, 107(2): 32-35.