Samoadaptacyjne zachowania szlifierskie podczas szlifowania szyn o dużej prędkości w ruchu ślizgowo-tocznym elementów kompozytowych

Samoadaptacyjne zachowania szlifowania szyn dużych prędkości w ruchu ślizgowo-tocznym kompozytów koncentrowały się na optymalizacji wydajności szlifowania i jakości powierzchni. Koleje dużych prędkości, charakteryzujące się wysokimi prędkościami eksploatacyjnymi i niewielkimi obciążeniami osi, często cierpią na zmęczenie styku tocznego [1], co prowadzi do łuszczenia się powierzchni [2-4], pęknięć zmęczeniowych [5,6] i pęknięć [7,8]. Problemy te wymagają terminowej konserwacji w celu zapewnienia bezpieczne i niezawodne funkcjonowanie sieci kolejowychTradycyjne techniki szlifowania szyn mają na celu usuwanie głęboko osadzonych defektów, ale często prowadzą do nieefektywności, wydłużonych czasów konserwacji i uszkodzeń termicznych. Szlifowanie wysokoobrotowe (HSG) stało się skuteczną alternatywą, oferując wyższe prędkości szlifowania (60–80 km/h) i skrócone „okna konserwacyjne”. W przeciwieństwie do szlifowania konwencjonalnego, HSG działa poprzez ruchy ślizgowo-toczne kompozytu, napędzane siłami tarcia między tarczami ściernymi (GW) a powierzchnią szyny [9]. Ten unikalny mechanizm umożliwia zarówno usuwanie materiału, jak i samoostrzenie ścierniwa. Jednakże wzajemne oddziaływanie między ruchami ślizgowymi i tocznymi nie zostało wystarczająco zbadane, co ogranicza potencjał HSG w optymalizacji konserwacji szyn. W niniejszej pracy wykorzystano domowej roboty stanowisko testowe HSG do symulacji warunków szlifowania na miejscu. Eksperymenty przeprowadzono przy różnych kątach styku (30°, 45° i 60°) i obciążeniach szlifowania (500 N, 700 N i 900 N) [10, 11].

1. Stosunek Slide-roll.
  Wyniki pokazują, że ruchy ślizgowo-toczne kompozytu odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu zachowania szlifowania. Współczynnik ślizgowo-toczny (SRR), zdefiniowany jako stosunek prędkości ślizgania do prędkości toczenia, jak pokazano na rys. 1, wzrastał zarówno wraz z kątem styku, jak i obciążeniem szlifowania, co intuicyjnie odzwierciedlało zmiany w ruchu ślizgowo-tocznym kompozytu par szlifierskich. Na przykład, SRR wzrósł z 0,18 przy kącie styku 30° do 0,81 przy 60°. To przejście od ruchu zdominowanego przez toczenie do równowagi między ślizganiem a toczeniem znacząco poprawiło wyniki szlifowania. Badanie wykazało, że kąt styku 45° zapewnił najwyższą wydajność szlifowania, podczas gdy kąt styku 60° zapewnił najlepszą jakość powierzchni. Chropowatość powierzchni (Ra) znacznie zmniejszyła się wraz ze wzrostem kąta styku, z 12,9 μm przy 30° do 3,5 μm przy 60°, jak pokazano na rys. 2 do rys. 4.

2. WEL wywołany szlifowaniem.
Podczas procesu szlifowania, z powodu efektów sprzężenia termomechanicznego, w tym wysokiego naprężenia stykowego, podwyższonych temperatur i szybkiego chłodzenia, na powierzchni szyny zachodzą przemiany metalurgiczne i odkształcenia plastyczne. Zmiany te prowadzą do powstania kruchej białej warstwy trawionej (WEL), która jest podatna na pękanie pod wpływem cyklicznych naprężeń od kontaktu koło-szyna. Wszystkie wyniki pokazują, że średnia grubość WEL wynosi mniej niż 8 μm, co jest wartością cieńszą niż WEL wywołana aktywnym szlifowaniem (~40 μm) [12, 13], jak pokazano na rys. 5. Zjawisko to jest prawdopodobnie związane z unikalnymi cechami metody HSG. W porównaniu do tradycyjnego aktywnego szlifowania, w HSG pojedyncza cząstka ścierna angażuje się w proces szlifowania tylko przez krótki okres podczas jednego cyklu obrotowego, nawet przy dużych kątach styku. Przez większość czasu cząstka ścierna znajduje się w okresie rozpraszania ciepła po szlifowaniu. Dzięki temu cząstka ścierna ma wystarczająco dużo czasu na rozproszenie ciepła przed ponownym zajęciem się szlifowaniem, co skutkuje poprawą warunków cieplnych na styku powierzchni szlifowania.

3. Odłamki powstałe w wyniku szlifowania.
Analiza zanieczyszczeń powstających podczas szlifowania dostarczyła dodatkowych informacji na temat mechanizmów usuwania materiału, jak pokazano na rys. 6 i 7. Zanieczyszczenia w kształcie strumienia i noży, które świadczą o efektywnej wydajności szlifowania, były bardziej powszechne przy wyższych wartościach współczynnika SRR. Natomiast, przy niższych kątach styku dominowały zanieczyszczenia blokowe i krojone, co świadczy o niewystarczającej wydajności szlifowania. Obecność zanieczyszczeń kulistych wzrastała wraz z obciążeniami szlifierskimi, co wskazuje na podwyższoną temperaturę szlifowania. Obserwacje te podkreślają wagę optymalizacji parametrów szlifowania w celu zrównoważenia wydajności i warunków termicznych.

4. Mechanizm ruchu ślizgowo-tocznego. Badanie ujawniło również dynamiczną interakcję między ruchami ślizgowymi i tocznymi w procesie szlifowania, jak pokazano na rys. 8. Poślizg ułatwiał usuwanie materiału z powierzchni szyny, podczas gdy toczenie usprawniało usuwanie zanieczyszczeń i samoostrzenie się ścierniwa. Ta równowaga dynamiczna jest niezbędna do osiągnięcia wydajnego szlifowania przy minimalnych uszkodzeniach termicznych. Jednak nadmierne skupienie się na którymkolwiek z tych ruchów może prowadzić do suboptymalnych rezultatów: ruch z przewagą toczenia zwiększa chropowatość powierzchni, podczas gdy ruch z przewagą ślizgu może prowadzić do zmniejszenia odnowy ścierniwa i zwiększenia uszkodzeń termicznych.

5. Ocena kompleksowa. Kompleksowe oceny wydajności szlifowania, obejmujące wydajność szlifowania, chropowatość powierzchni i grubość warstwy WEL, uwypukliły zalety optymalizacji ruchów ślizgowo-tocznych kompozytów, jak pokazano na rys. 9. Wykresy radarowe wydajności szlifowania przy różnych obciążeniach i kątach styku wykazały, że kąt styku 45° zapewnia najlepszą ogólną równowagę między wydajnością a jakością. Natomiast kąt styku 60° konsekwentnie zapewniał najgładsze powierzchnie, co czyni go idealnym do końcowych przejść szlifierskich. Odkrycia te sugerują, że ukierunkowane dostosowanie parametrów szlifowania może skutecznie przeciwdziałać zmiennym uszkodzeniom powierzchni szyn.

Badania te mają praktyczne implikacje dla konserwacji kolei dużych prędkości. W przypadku początkowych przejść szlifierskich kąt styku 45° maksymalizuje wydajność usuwania materiału, a kąt 60° zapewnia doskonałą jakość powierzchni w etapach obróbki wykańczającej. Badania podkreślają znaczenie dynamicznego równoważenia ruchów ślizgowych i tocznych w celu zwiększenia wydajności szlifowania, poprawy jakości powierzchni i wydłużenia żywotności ściernic.

Podsumowując, badanie podkreśla kluczową rolę kompozytowych ruchów ślizgowo-tocznych w szlifowaniu szyn z dużą prędkością. Optymalizując proporcje ślizgu i toczenia, HSG pozwala osiągnąć wyższą wydajność szlifowania i jakość powierzchni, minimalizując jednocześnie uszkodzenia termiczne. Odkrycia te stanowią podstawę teoretyczną dla rozwoju technologii HSG oraz praktyczne wytyczne dotyczące usprawniania praktyk konserwacji szyn.

Rys. 1. Trend zmian SRR, COF i prędkości obrotowej w zależności od obciążeń szlifierskich i kątów styku.

Rys. 2. Wydajność szlifowania przy różnych kątach kontaktu i obciążeniach szlifierskich.

Rys. 3. Morfologia powierzchni próbek szyn pod różnymi kątami kontaktu i przy różnych obciążeniach ściernych.

Rys. 4. Chropowatość powierzchni i Morfologie 3D próbek szyn pod różnymi kątami kontaktu i przy różnych obciążeniach ściernych.

Rys. 5. Obrazy optyczne i metalograficzne SEM przekroju poprzecznego próbek szyn.

Rys. 6. Rodzaj i proporcje gruz szlifierski przy różnych kątach kontaktu i obciążeniach szlifierskich.

Rys. 7. Obrazy SEM i widma EDS dla różnych typów zanieczyszczeń powstających podczas szlifowania.

Rys. 8. Schematyczny diagram przedstawiający wpływ ruchu ślizgowo-tocznego kompozytu na HSG.

Wyniki tej pracy opublikowano w czasopiśmie Journal of Tribology International.

Odniesienia

[1] Fan W, Wu C, Wu Z i in. Mechanizm kontaktu statycznego między kołem stykowym ząbkowanym a szyną podczas szlifowania szyn za pomocą pasa ściernego [J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ i in. Mechanizm propagacji pęknięć i łuszczenia się powierzchni szyny oparty na perydynamice [J]. Journal of Tongji University, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L i in. Symulacje metodą elementów skończonych reakcji koła na uderzenie w szynę wywołane odpryskiwaniem bieżnika kół pociągów dużych prędkości [J]. Explosion and Shock Waves, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F i in. Badanie uszkodzeń spowodowanych zużyciem taśmy WEA i odpryskiwaniem zmęczeniowym materiału szynowego U71MnG w wyniku hartowania laserowego [J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Wieloskalowa charakterystyka inicjacji kontroli główki szyn w warunkach zmęczenia styku tocznego: analiza mechaniczna i mikrostrukturalna [J]. Wear, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV i in. Określanie szybkości i czasu wzrostu pęknięć zmęczeniowych w szynach przy użyciu makrolinii zmęczeniowych [J]. Russian Metallurgy (Metally), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H i in. Badanie mikrostrukturalne pęknięcia szyny związanego z defektami w postaci przysiadów [J]. Engineering Failure Analysis, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Analiza mikrostrukturalna i zachowanie się stali szynowej pod wpływem pękania zmęczeniowego [J]. Mechanika zaawansowanych materiałów i struktur, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Redukcja hałasu kolejowego przy szlifowaniu z dużą prędkością poprzez regularne szlifowanie szyn bez zakłócania ruchu [C]//INTER-NOISE i NOISE-CON Materiały kongresowe i konferencyjne w GW. Instytut Inżynierii Kontroli Hałasu, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W i in. Analiza zużycia pojazdu szlifierskiego HSG-2: walidacja, symulacja i porównanie z pomiarami [M]//Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks Vol 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Redukcja hałasu kolejowego przy szybkim szlifowaniu poprzez regularne szlifowanie szyn bez zakłócania ruchu [C]//INTER-NOISE i NOISE-CON Materiały kongresowe i konferencyjne w GW. Instytut Inżynierii Kontroli Hałasu, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF i in. Ocena szlifowania różnych rodzajów szyn po zakończeniu prac w warunkach polowych w pełnoskalowych laboratoryjnych testach koła/szyny [J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S i in. Powstawanie pęknięć powierzchniowych na szynach podczas szlifowania warstw białego trawienia martenzytu [J]. Wear, 2017, 384: 8-14.