Шлифование рельсов представляет собой процесс удаления материала вращающимися шлифовальными кругами. Пробег шлифования довольно большой, использование смазочно-охлаждающей жидкости не только увеличит стоимость обслуживания, но и вызовет широкомасштабное загрязнение. Без охлаждения и смазки тепло, выделяемое в процессе шлифования, не может быть отведено вовремя, поэтому после процессов шлифования рельсов часто наблюдаются ожоги рельсов из-за сухих условий, высокой скорости вращения шлифовальных кругов (~3600 об/мин) и нагрузки шлифования (~2000 Н) [1-4], как показано на рис. 1. Для дальнейшего повышения эффективности шлифования и получения хорошей целостности поверхности проектирование и изготовление пор в шлифовальных кругах является экономичным и эффективным способом [5].
Рис.1.В результате шлифования на головке рельса образовались ожоги и белые слои травления.
Китайские ученые подготовили пористые шлифовальные круги и охарактеризовали их шлифовальные характеристики на самодельной установке [5]. Можно заметить, что после того, как в шлифовальных кругах образовались поры, максимальная прочность на сжатие снизилась на 35% с 83,74 МПа до 54,53 МПа. Результаты экспериментов по шлифованию показали, что с увеличением пористости шлифовальных кругов объем шлифования немного улучшился, температура шлифования снизилась, а нагрузка на круг уменьшилась. Результаты показывают, что шлифовальный круг с более высокой пористостью обладает лучшей способностью к самозатачиванию, что позволяет предотвратить загрузку круга.
Рис. 2.Морфология поверхности шлифовальных кругов до и после испытания с различной пористостью: 8,12%(a) и (e), 15,81%(b) и (f), 18,60%(c) и (g) и 21,18%(d) и (h).
Твердый и хрупкий белый слой травления наблюдался на всех шлифованных головках рельсов из-за нагрева при шлифовании, а самый толстый WEL был получен из-за самой низкой пористости шлифовальных кругов, как показано на рис. 3 и рис. 4. Ниже WEL представляет собой деформированный перлитный слой, образованный деформацией под напряжением сдвига абразивных зерен. Твердость WEL составляет 5,77 ГПа, что примерно в 2–3 раза тверже матрицы перлита. Многие ученые пришли к выводу, что WEL тесно связан с разрушением рельсов [6–8]. Вызванные смешанными растягивающими и сдвиговыми напряжениями колес во время эксплуатации рельсов, на поверхности могут появляться трещины. Образовавшаяся трещина будет быстро распространяться через слой WEL из-за своей хрупкой природы, распространяться на интерфейс WEL и перлита или даже распространяться вниз в перлитную матрицу, образуя более серьезные дефекты рельса [9]. Следовательно, твердость и хрупкость вызовут преждевременный выход из строя шлифовального рельса и могут эффективно контролироваться пористостью шлифовальных кругов.
Рис. 3.Твердость WEL и деформированного слоя.
Рис. 4.ОМ поперечных сечений рельса, отшлифованного различной пористостью шлифовальных кругов: 8,12%(а), 15,81%(б), 18,60%(в) и 21,18%(г).
Механизм шлифования шлифовального круга с пористыми структурами можно проиллюстрировать на рис. 5. Из-за высокого отрицательного переднего угла и относительно высокой плотности активных зерен шлифовальная стружка сначала плавится при такой высокой температуре, а затем застревает на поверхности круга, ухудшая шлифовальную способность шлифовального круга и увеличивая теплоту шлифования. Напротив, пористый шлифовальный круг обладает лучшей способностью к самозачистке и способствует более мягкому повреждению поверхности рельса[8]. С одной стороны, пористые структуры увеличивают пространство между абразивными зернами, что обеспечивает достаточное пространство для хранения стружки и высвобождения тепла. Стружка может закручиваться в порах и удаляться последующим взаимодействием абразивов, а также может передавать часть тепла из зоны контакта. С другой стороны, напряжение и высота выступа для каждого активного зерна больше, чем у обычного шлифовального круга, что увеличивает толщину неразрезанной стружки и уменьшает эффект трения между абразивным зерном и поверхностью рельса, чтобы уменьшить предварительную усталость, вызванную шлифованием рельса, как обсуждалось. Таким образом, благодаря выдающимся характеристикам шлифования и соответственно меньшему повреждению поверхности рельса, шлифовальный круг с пористой структурой имеет большой потенциал для применения в технологии шлифования рельсов при высокоскоростном и сухом шлифовании.
Рис. 5.Механизм шлифования шлифовального круга с пористой структурой.
Ссылки
[1] Чжан В., Чжан П., Чжан Дж., Фань Х., Чжу М. Исследование влияния размера абразивного зерна на поведение шлифования рельсов. J Manuf Process 2020;53:388–95.
[2] Линь Б., Чжоу К., Го Дж., Лю К.Й., Ван В.Дж. Влияние параметров шлифования на температуру поверхности и характеристики горения шлифовального рельса. Tribol Int 2018;122:151–62.
[3] Чжоу К., Дин Х. Х., Ван В. Дж., Ван Р. Х., Го Дж., Лю К. Й. Влияние давления шлифования на характеристики удаления материала рельса. Tribol Int 2019;134:417–26.
[4] Таваколи Т., Весткемпер Э., Рабей М. Сухое измельчение с помощью специального кондиционирования. Int J Adv Manuf Technol 2007;33:419–24.
[5] Юань И., Чжан В., Чжан П., Фань Х., Чжу М. Пористые шлифовальные круги для снижения предварительной усталости и повышения эффективности удаления материала при шлифовании рельсов. Tribol Int 2021; 154: 106692.
[6] Magel E, Roney M, Kalousek J, Sroba P. Сочетание теории и практики в современном шлифовании рельсов. Fatigue Fract Eng Mater Struct 2003;26:921–9.
[7] Куэрво П.А., Санта Дж.Ф., Торо А. Корреляции между механизмами износа и операциями шлифования рельсов на коммерческой железной дороге. Tribol Int 2015;82:265–73.
[8] Агарвал С. О механизме и механике нагрузки круга при шлифовании. J Manuf Process 2019;41:36–47.
[9] Чжан ZY, Шан В, Дин ХХ, Го Дж, Ван ХЙ, Лю КЙ и др. Тепловая модель и температурное поле в процессе шлифования рельсов на основе движущегося источника тепла. Appl Therm Eng 2016;106:855–64.
