Новости
0102030405
Стратегии шлифования рельсов
2024-10-28
Регулярная шлифовка рельсов уменьшает или устраняет повреждения рельсов и продлевает срок их службы, что широко признано одним из эффективных методов обслуживания в системах железнодорожного транспорта. Основываясь на поведении повреждений рельсов и в сочетании с потребностями железнодорожных перевозок, технологии и оборудование для шлифовки рельсов развиваются многоуровневым и диверсифицированным образом. Основные стратегии шлифовки рельсов включают предварительную шлифовку, профилактическую шлифовку и ремонтную шлифовку.
Предварительное измельчение. В процессе горячей прокатки рельсов высокие температуры усиливают окисление элементов углерода и железа на поверхности рельсов. Когда скорость окисления углерода выше, чем у железа, часть цементита в перлите превращается в феррит, что приводит к образованию обезуглероженного слоя, как показано на рис. 1. Твердость, прочность и износостойкость обезуглероживающего слоя на рельсе ниже, чем у подложки [1]. Во время эксплуатации трещины в основном распространяются вдоль феррита, что с большей вероятностью может вызвать серьезные повреждения рельса [2]. Во время строительства новой линии частые запуски/остановки строительных транспортных средств могут легко вызвать царапины на рельсах и другие проблемы. Царапины на рельсах нелегко обнаружить инспекторам на ранней стадии, но тепло трения между колесом и рельсом вызывает металлографическое преобразование в поцарапанной области рельса, что может быстро перерасти в серьезные повреждения при дальнейшей эксплуатации [3]. Поэтому при строительстве новых линий и укладке новых рельсов на участках предварительная шлифовка должна проводиться после ввода в эксплуатацию и перед открытием в эксплуатацию для удаления слоя обезуглероживания около 0,2 мм на поверхности и повреждений, вызванных процессом строительства. Для линий, которые уже введены в эксплуатацию, требуется завершить предварительную шлифовку перед пропуском общей массы 10 Мт.
Рис. 1.Обезуглероживающий слой на головке рельса.
Профилактическая шлифовка. Для серьезных дефектов, таких как гофрирование, расслоение, боковое истирание и смятие, необходимо использовать большую глубину шлифования, чтобы удалить дефекты, и в то же время исправить и отремонтировать профиль рельса. На этом этапе количество удаленного материала рельса и глубина шлифования велики, и эта стратегия шлифования называется восстановительным шлифованием. Из-за проектного допуска на износ головки рельса частота замены рельса увеличилась во время ремонтного шлифования, что приводит к плохой экономичности шлифования.
Китай установил четкие правила для операций по ремонтной шлифовке на железнодорожных транзитных линиях: (a) При ремонтной шлифовке следует выбирать соответствующее шлифовальное оборудование и рабочие параметры на основе характеристик дефектов рельсов, устранять дефекты рельсов и ремонтировать профили рельсов; (b) На обычных линиях при таких дефектах, как глубина волнообразной шлифовки или ширина толстой кромки, превышающая 0,3 мм, следует организовать своевременную ремонтную шлифовку; (c) На высокоскоростных железнодорожных линиях при тряске высокоскоростного поезда, срабатывании сигнализации о боковом ускорении поперечной рамы, плохой световой полосе на участках, глубине чешуи стрелочного рельса, достигающей 0,5 мм, индексе реакции на удар о рельсы, превышающем контрольное значение, или дефектах рельсов, достигающих предела устранения, следует организовать своевременный ремонт и шлифовку рельсов.
Ремонт шлифовки. Рельс подвергается периодическим нагрузкам от колес, и на поверхности рельса образуется слой контактной усталости качения (RCF) из-за «эффекта храповика» [4,5]. В слое контактной усталости качения значительно увеличиваются твердость и хрупкость материала рельса, а микроструктура показывает увеличение плотности дислокаций и зарождение микротрещин [5]. Поперечное и продольное распространение микротрещин может вызвать такие повреждения, как расслоение и поломка рельса в рельсах [1]. В цикле развития трещины (зарождение, зарождение и распространение) время зарождения и зарождения составляет большую долю. Шлифование обычно проводят, когда глубина распространения трещины не превышает 0,2 мм, что является наилучшим временем для блокировки распространения трещин рельса и предотвращения дальнейшего ухудшения состояния рельса, как показано на рис.2. На основе механизма контактной усталости качения на поверхности рельсов и закона распространения трещин предложена стратегия профилактического шлифования, которая заключается в регулярном удалении слоя контактной усталости качения на поверхности рельсов. Профилактическое шлифование имеет меньшую глубину шлифования, что в большей степени способствует продлению срока службы рельсов и имеет лучшую экономичность шлифования по сравнению с ремонтным шлифованием.
Китайская железнодорожная корпорация выдвинула четкие требования к внедрению профилактической шлифовки железнодорожных рельсов. (а) Для высокоскоростных железных дорог профилактическая шлифовка должна проводиться каждые 30–50 МТ общего веса, с интервалом шлифовки не более 2 лет. (б) Для прямых и криволинейных участков большого радиуса (>1200 м) обычных скоростных линий процесс шлифовки обычно проводится один раз для общего веса 100 МТ; для участков малого радиуса ( 
Закон эволюции срока службы рельсов при различных стратегиях шлифования показан на рис. 2, и результаты показывают, что шлифование может эффективно продлить срок службы рельсов. Согласно отчетам, вероятность возникновения дефектов на поверхности рельсов после нешлифовки, ремонтной шлифовки и профилактической шлифовки составляет 15%, 8% и 4% соответственно [6], что указывает на то, что профилактическая шлифовка имеет значительное преимущество в снижении вероятности дефектов рельсов. Кроме того, материалы для профилактической шлифовки имеют меньшую толщину снятия, что может значительно продлить срок службы рельсов по сравнению с ремонтной шлифовкой. В тяжелой ситуации быстрого экономического развития и срочного спроса на пропускную способность железнодорожного транзита Китая принятие профилактической шлифовки может эффективно продлить цикл замены рельсов и иметь более высокую экономичность шлифования. Прогностическое профилактическое шлифование является основным направлением развития будущей технологии шлифования рельсов.
Рис.2.Характер распространения усталостных трещин в контакте качения
Рис.3.Взаимосвязь между стратегиями шлифования и сроком службы рельсов
[1] ЧЖАО Сянцзи, ГО Цзюнь, ВАН Хэнъюй и др. Влияние обезуглероживания на износостойкость и механизмы повреждения рельсов, подверженных контактной усталости [J]. Износ, 2016, 364-365:130-143.
[2] ЧЖАО Сянцзи, ВАН Хэнъюй, Го Цзюнь и др. Влияние обезуглероженного слоя на усталость при контакте качения рельсовых материалов в условиях сухого и мокрого контакта [J]. Анализ инженерных отказов, 2018, 91: 58-71.
[3] ЛЮ Фэншоу, ЛИ Чуан, ТЯН Чанхай. Исследование раннего повреждения рельсов китайских высокоскоростных железных дорог. Железнодорожное машиностроение, 2018, 58(1): 138-140.
[4] Реза Масуди Неджад, Шариати Махмуд, Фархангдост Халил. Влияние износа на рост усталостных трещин при контактном качении в рельсах [J]. Tribology International, 2016, 94: 118-13.
[5] ХУ Юэ, ЧЖОУ Лан, ДИН Хаохао и др. Эволюция микроструктуры железнодорожных перлитных колес при контактной нагрузке качения-скольжения [J]. Tribology International, 2021, 154: 106685.
[6] ЗАРЕМБСКИ Аллан М., ПАЛЕС Джозеф. Уменьшает ли шлифовка рельсов дефекты рельсов [J]. Железнодорожные пути и конструкции, 2011, 107(2): 32-35.