Comportamentele de șlefuire auto-adaptative ale șlefuirii șinei de mare viteză sub mișcările compozite de alunecare-rulare

Comportamentele de șlefuire auto-adaptative ale șinei de mare viteză în cadrul mișcărilor compozite de alunecare-rulare s-au concentrat pe optimizarea performanței de șlefuire și a calității suprafeței. Căile ferate de mare viteză, caracterizate prin viteze mari de exploatare și sarcini ușoare pe osie, suferă adesea de oboseală de contact de rulare [1], ceea ce duce la ruperea suprafeței [2-4], fisuri de oboseală [5,6] și fracturi [7,8]. Aceste probleme necesită întreținere în timp util pentru a asiguraoperarea sigură și fiabilă a rețelelor feroviare. Tehnicile tradiționale de șlefuire a șinelor urmăresc să abordeze defectele adânci, dar adesea duc la ineficiențe, timpi de întreținere prelungiți și daune termice. Slefuirea de mare viteză (HSG) a apărut ca o alternativă eficientă, oferind viteze de șlefuire mai mari (60–80 km/h) și „ferestre de întreținere” reduse. Spre deosebire de șlefuirea convențională, HSG funcționează prin mișcări compozite de alunecare-rulare, conduse de forțele de frecare dintre roțile de șlefuire (GWs) și suprafața șinei [9]. Acest mecanism unic permite atât îndepărtarea materialului, cât și autoascuțirea abrazivă. Cu toate acestea, interacțiunea dintre mișcările de alunecare și de rulare a fost insuficient explorată, limitând potențialul HSG pentru optimizarea întreținerii șinei. În această lucrare, a fost utilizată o instalație de testare HSG de casă pentru a simula condițiile de șlefuire la fața locului. Experimentele au fost efectuate sub diferite unghiuri de contact (30°, 45° și 60°) și sarcini de măcinare (500 N, 700 N și 900 N) [10, 11].

1. Raportul Slide-roll.Rezultatele demonstrează că mișcările compozite de alunecare-rulare joacă un rol crucial în influențarea comportamentului de șlefuire. Raportul de alunecare-rulare (SRR), definit ca raportul dintre viteza de alunecare și viteza de rulare, așa cum se arată în Fig.1, a crescut atât cu unghiul de contact, cât și cu sarcina de șlefuire, care reflectă intuitiv modificările mișcării compozite de alunecare-rulare a perechilor de măcinare. De exemplu, SRR a crescut de la 0,18 la un unghi de contact de 30° la 0,81 la 60°. Această trecere de la mișcarea dominată de rulare la un echilibru între alunecare și rostogolire a îmbunătățit semnificativ rezultatele de șlefuire. Studiul a constatat că un unghi de contact de 45 ° a produs cea mai mare eficiență de șlefuire, în timp ce un unghi de contact de 60 ° a dat cea mai bună calitate a suprafeței, rugozitatea suprafeței (Ra) a scăzut substanțial pe măsură ce unghiul de contact a crescut, de la 12,9 μm la 30° la 3,5 μm la 60°, așa cum se arată în Fig.2 până în Fig.4.

2. WEL indus de măcinare.În timpul procesului de măcinare, datorită efectelor de cuplare termo-mecanice, inclusiv tensiuni de contact ridicate, temperaturi ridicate și răcire rapidă, pe suprafața șinei apar transformări metalurgice și deformare plastică. Aceste modificări duc la formarea unui strat de gravare alb fragil (WEL), care este predispus la rupere sub solicitări ciclice din contactul roată-șină. Toate rezultatele arată că grosimea medie a WEL este mai mică de 8 μm, care este mai subțire decât WEL-ul indus de măcinare activă (~40 μm) [12, 13], așa cum se arată în Fig.5. Acest fenomen este probabil legat de caracteristicile unice ale metodei HSG, în comparație cu șlefuirea activă tradițională, în HSG, o singură particulă abrazivă se angajează în procesul de măcinare doar pentru o perioadă scurtă în timpul unui ciclu de rotație, chiar și la unghiuri de contact mari. În cea mai mare parte a timpului, particulele abrazive se află în perioada de disipare a căldurii după măcinare. Acest lucru asigură că particulele abrazive au timp suficient pentru a disipa căldura înainte de a se reangaja în măcinare, rezultând condiții termice îmbunătățite la interfața de măcinare.

3. Resturile de măcinare.Analiza reziduurilor de măcinare a oferit informații suplimentare asupra mecanismelor de îndepărtare a materialului, așa cum se arată în Fig.6 și Fig.7. Resturile în formă de curgere și în formă de cuțit, care înseamnă performanță eficientă de măcinare, au fost mai răspândite la SRR mai mari. În schimb, blocurile și resturile tăiate au fost dominante la unghiuri de contact mai mici, reflectând o performanță inadecvată de măcinare. Prezența resturilor sferice a crescut cu sarcinile de măcinare, indicând temperaturi ridicate de măcinare. Aceste observații subliniază importanța optimizării parametrilor de măcinare pentru a echilibra eficiența și condițiile termice.

4. Mecanism al mișcării compuse de rulare alunecare.Studiul a relevat, de asemenea, interacțiunea dinamică dintre mișcările de alunecare și de rulare în procesul de măcinare, așa cum se arată în Fig.8. Alunecarea a facilitat îndepărtarea materialului de pe suprafața șinei, în timp ce rularea a îmbunătățit evacuarea reziduurilor și auto-ascuțirea abrazivă. Acest echilibru dinamic este esențial pentru a obține o șlefuire eficientă cu daune termice minime. Cu toate acestea, un accent excesiv asupra fiecărei mișcări poate duce la rezultate suboptime: mișcarea dominată de rulare crește rugozitatea suprafeței, în timp ce mișcarea dominată de alunecare poate duce la o reînnoire abrazivă redusă și o deteriorare termică crescută.

5. Evaluare cuprinzătoare.Evaluările cuprinzătoare ale performanței de șlefuire, inclusiv eficiența șlefuirii, rugozitatea suprafeței și grosimea WEL, au evidențiat avantajele optimizării mișcărilor compozite de alunecare-laminare, așa cum se arată în Fig.9. Diagramele radar ale performanței de șlefuire sub diferite sarcini și unghiuri de contact au arătat că un unghi de contact de 45° a oferit cel mai bun echilibru general între eficiență și calitate. Cu toate acestea, unghiul de contact de 60° a produs în mod constant cele mai netede suprafețe, făcându-l ideal pentru trecerile finale de șlefuire. Aceste constatări sugerează că ajustările direcționate ale parametrilor de șlefuire pot aborda în mod eficient diferitele daune ale suprafeței șinei.

Această cercetare oferă implicații practice pentru întreținerea căilor ferate de mare viteză. Pentru trecerile inițiale de șlefuire, un unghi de contact de 45° maximizează eficiența de îndepărtare a materialului, în timp ce un unghi de 60° asigură o calitate superioară a suprafeței în etapele de finisare. Studiul subliniază importanța echilibrării dinamice a mișcărilor de alunecare și de rulare pentru a îmbunătăți performanța de șlefuire, a îmbunătăți calitatea suprafeței și a prelungi durata de viață a roților de șlefuit.

În concluzie, studiul evidențiază rolul critic al mișcărilor compozite de alunecare-rulare în șlefuirea șinelor de mare viteză. Prin optimizarea proporției acțiunilor de alunecare și de rulare, HSG poate obține o eficiență superioară de șlefuire și o calitate superioară a suprafeței, minimizând în același timp daunele termice. Aceste constatări oferă o bază teoretică pentru avansarea tehnologiei HSG și ghiduri practice pentru îmbunătățirea practicilor de întreținere a căilor ferate.

Fig. 1.Tendința de variație a SRR, COF și viteza de rotație cu sarcinile de șlefuire și unghiurile de contact.

Fig. 2.Eficiența șlefuirii sub diferite unghiuri de contact și sarcini de șlefuire.

Fig. 3.Morfologiile suprafeței probelor de șină sub diferite unghiuri de contact și sarcini de șlefuire.

Fig. 4.Rugozitatea suprafeţei şiMorfologii 3Dde mostre de șină sub diferite unghiuri de contact și sarcini de șlefuire.

Fig. 5.Imagini optice în secțiune transversală și metalografice SEM ale specimenelor de șină.

Fig. 6.Tipul și proporția deresturi de măcinaresub diferite unghiuri de contact și sarcini de șlefuire.

Fig. 7.Imagini SEM și spectre EDS pentru diferite tipuri de resturi de măcinare.

Fig. 8.Diagrama schematică a efectului mișcării compozite de alunecare-rulare asupra HSG.

Această lucrare a fost raportată în Journal of Tribology International.

Referințe

[1] Fan W, Wu C, Wu Z și colab. Mecanism de contact static între roata de contact zimțată și șină în șlefuirea șinei cu bandă abrazivă[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ și colab. Mecanismul de propagare a fisurilor și de desfacere a suprafeței șinei bazat pe peridinamică[J]. Jurnalul Universității Tongji, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L și colab. Simulări cu elemente finite ale răspunsului la impact roată-șină indus de ruperea benzii de rulare a roții a trenurilor de mare viteză[J]. Explosion and Shock Waves, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F și colab. Studiu asupra deteriorării prin uzură a benzilor WEA și a deformarii prin oboseală a materialului șinelor U71MnG prin tratament de călire cu laser[J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Caracterizarea multiscale a inițierii verificării capului pe șine sub oboseală de contact de rulare: Analiză mecanică și microstructură[J]. Wear, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV, et al. Determinarea vitezei de creștere a fisurilor de oboseală și a timpului în șine folosind macrolinii de oboseală[J]. Metalurgia Rusă (Metally), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H și colab. Investigație microstructurală asupra unei ruperi de șină asociată cu defecte de ghemuire[J]. Engineering Failure Analysis, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Microstructural analysis and fatigue fracture behavior of rail steel[J]. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Reducerea zgomotului de măcinare a căii ferate de mare viteză prin măcinarea obișnuită a căilor ferate fără întreruperi de trafic[C]//INTER-NOISE și NOISE-CON Congress and Conference ProceedingGW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W, et al. Analiza uzurii vehiculului de șlefuire de mare viteză HSG-2: validare, simulare și comparare cu măsurători[M]//Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks Vol 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Reducerea zgomotului de măcinare a căii ferate de mare viteză prin măcinarea obișnuită a căilor ferate fără întreruperi de trafic[C]//INTER-NOISE și NOISE-CON Congres și Conferință ProceedingGW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF, et al. Evaluare după șlefuire în câmp a diferitelor calități șine în teste de laborator la scară completă roți/șină[J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S, și colab. Formarea de fisuri la suprafață pe șine la șlefuirea indusă de straturile de gravare albă martensită[J]. Wear, 2017, 384: 8-14.