Samoprispôsobivé brúsne správanie pri vysokorýchlostnom koľajnicovom brúsení pri kĺzavých-valcovacích kompozitných pohyboch

Samoprispôsobivé brúsne správanie vysokorýchlostnej koľajnice pri klzných a valivých kompozitných pohyboch sa zameralo na optimalizáciu brúsneho výkonu a kvality povrchu. Vysokorýchlostné železničné trate, vyznačujúce sa vysokou prevádzkovou rýchlosťou a malým zaťažením náprav, často trpia únavou z valivého kontaktu [1], ktorá vedie k odlupovaniu povrchu [2-4], únavovým trhlinám [5,6] a lomom [7,8]. Tieto problémy si vyžadujú včasnú údržbu na zabezpečeniebezpečná a spoľahlivá prevádzka železničných sietí. Tradičné techniky brúsenia koľajníc sú zamerané na riešenie hlboko zakorenených defektov, ale často vedú k neefektívnosti, predĺženiu doby údržby a tepelnému poškodeniu. Vysokorýchlostné brúsenie (HSG) sa ukázalo ako efektívna alternatíva, ktorá ponúka vyššie rýchlosti brúsenia (60 – 80 km/h) a znížené „údržbové okná“. Na rozdiel od konvenčného brúsenia, HSG funguje prostredníctvom klzných a valivých kompozitných pohybov, poháňaných trecími silami medzi brúsnymi kotúčmi (GW) a povrchom koľajnice [9]. Tento jedinečný mechanizmus umožňuje odstraňovanie materiálu a abrazívne samoostrenie. Vzájomné pôsobenie medzi posuvnými a valivými pohybmi však nebolo dostatočne preskúmané, čo obmedzuje potenciál HSG pre optimalizáciu údržby koľajníc. V tejto práci sa použilo domáce testovacie zariadenie HSG na simuláciu podmienok brúsenia na mieste. Experimenty sa uskutočňovali pri rôznych kontaktných uhloch (30°, 45° a 60°) a brúsnom zaťažení (500 N, 700 N a 900 N) [10, 11].

1. Pomer Slide-roll.Výsledky ukazujú, že posuvné a valivé kompozitné pohyby zohrávajú kľúčovú úlohu pri ovplyvňovaní správania pri brúsení. Pomer posuvného valcovania (SRR), definovaný ako pomer rýchlosti posuvu k rýchlosti valcovania, ako je znázornené na obr. 1, sa zvýšil s kontaktným uhlom aj zaťažením pri brúsení, čo intuitívne odrážalo zmeny v zloženom pohybe párov brúsenia. Napríklad SRR vzrástla z 0,18 pri 30° kontaktnom uhle na 0,81 pri 60°. Tento posun od pohybu s prevahou valcovania k rovnováhe medzi kĺzaním a valcovaním výrazne zlepšil výsledky brúsenia. Štúdia zistila, že kontaktný uhol 45° priniesol najvyššiu účinnosť brúsenia, zatiaľ čo kontaktný uhol 60° priniesol najlepšiu kvalitu povrchu, Drsnosť povrchu (Ra) sa podstatne znížila so zvyšovaním kontaktného uhla, z 12,9 μm pri 30° na 3,5 μm pri 60°, ako je znázornené na obr.2 až obr.4.

2. WEL vyvolané brúsením.Počas procesu brúsenia dochádza v dôsledku termomechanických väzobných účinkov, vrátane vysokého kontaktného napätia, zvýšených teplôt a rýchleho ochladzovania, k metalurgickým premenám a plastickej deformácii na povrchu koľajnice. Tieto zmeny vedú k vytvoreniu krehkej bielej leptej vrstvy (WEL), ktorá je náchylná na prasknutie pri cyklickom namáhaní pri kontakte kolesa a koľajnice. Všetky výsledky ukazujú, že priemerná hrúbka WEL je menšia ako 8 μm, čo je tenšia ako WEL indukovaná aktívnym brúsením (~40 μm) [12, 13], ako je znázornené na Obr. Tento jav pravdepodobne súvisí s jedinečnými charakteristikami metódy HSG. V porovnaní s tradičným aktívnym brúsením v HSG sa jedna abrazívna častica zapája do procesu brúsenia len na krátku dobu počas jedného cyklu otáčania, a to aj pri vysokých kontaktných uhloch. Väčšinu času je brúsna častica po brúsení v období rozptylu tepla. To zaisťuje, že brúsna častica má dostatočný čas na rozptýlenie tepla pred opätovným zapojením do brúsenia, čo vedie k zlepšeným tepelným podmienkam na rozhraní brúsenia.

3. Brúsny odpad.Analýza úlomkov z brúsenia poskytla ďalší pohľad na mechanizmy odstraňovania materiálu, ako je znázornené na obr. 6 a obr. 7. Úlomky v tvare toku a noža, ktoré znamenajú efektívny výkon brúsenia, boli častejšie pri vyšších SRR. Naproti tomu blokové a rezané úlomky boli dominantné pri nižších kontaktných uhloch, čo odrážalo neadekvátny brúsny výkon. Prítomnosť guľovitých úlomkov sa zvýšila so záťažou pri brúsení, čo naznačuje zvýšené teploty brúsenia. Tieto pozorovania zdôrazňujú dôležitosť optimalizácie parametrov mletia na vyváženie účinnosti a tepelných podmienok.

4. Mechanizmus posuvného valivého pohybu zmesi.Štúdia tiež odhalila dynamickú súhru medzi posuvnými a valivými pohybmi v procese brúsenia, ako je znázornené na obr.8. Kĺzanie uľahčilo odstraňovanie materiálu z povrchu koľajnice, zatiaľ čo valcovanie zlepšilo odvod úlomkov a abrazívne samoostrenie. Táto dynamická rovnováha je nevyhnutná na dosiahnutie efektívneho brúsenia s minimálnym tepelným poškodením. Nadmerný dôraz na ktorýkoľvek z týchto pohybov však môže viesť k neoptimálnym výsledkom: pohyb s prevahou valenia zvyšuje drsnosť povrchu, zatiaľ čo pohyb s prevahou kĺzania môže mať za následok zníženú abrazívnu obnovu a zvýšené tepelné poškodenie.

5. Komplexné hodnotenie.Komplexné hodnotenia brúsneho výkonu, vrátane účinnosti brúsenia, drsnosti povrchu a hrúbky WEL, zvýraznili výhody optimalizácie posuvno-valcovacích kompozitných pohybov, ako je znázornené na obr.9. Radarové grafy výkonu brúsenia pri rôznych zaťaženiach a kontaktných uhloch ukázali, že kontaktný uhol 45° poskytuje najlepšiu celkovú rovnováhu účinnosti a kvality. Avšak kontaktný uhol 60° trvalo vytváral najhladšie povrchy, vďaka čomu je ideálny pre finálne brúsne prechody. Tieto zistenia naznačujú, že cielené úpravy parametrov brúsenia môžu účinne riešiť rôzne poškodenia povrchu koľajníc.

Tento výskum ponúka praktické dôsledky pre údržbu vysokorýchlostných železníc. Pri počiatočnom brúsení 45° kontaktný uhol maximalizuje účinnosť odstraňovania materiálu, zatiaľ čo 60° uhol zaisťuje vynikajúcu kvalitu povrchu vo fázach dokončovania. Štúdia podčiarkuje dôležitosť dynamického vyvažovania klzných a valivých pohybov na zlepšenie brúsneho výkonu, zlepšenie kvality povrchu a predĺženie životnosti brúsnych kotúčov.

Štúdia na záver zdôrazňuje kritickú úlohu posuvných a valivých kompozitných pohybov pri vysokorýchlostnom brúsení koľajníc. Optimalizáciou pomeru kĺzania a valenia môže HSG dosiahnuť vynikajúcu účinnosť brúsenia a kvalitu povrchu pri minimalizácii tepelného poškodenia. Tieto zistenia poskytujú teoretický základ pre pokrok v technológii HSG a praktické pokyny na zlepšenie postupov údržby koľajníc.

Obr.Trend variácie SRR, COF a rýchlosti otáčania s brúsnym zaťažením a kontaktnými uhlami.

Obr.Účinnosť brúsenia pri rôznych kontaktných uhloch a brúsnych zaťaženiach.

Obr.Morfológie povrchu vzoriek koľajníc pri rôznych kontaktných uhloch a brúsnych zaťaženiach.

Obr.Drsnosť povrchu a3D morfológievzoriek koľajníc pri rôznych kontaktných uhloch a zaťaženiach pri brúsení.

Obr.Prierezové optické a SEM metalografické snímky vzoriek koľajníc.

Obr.Druh a podielbrúsny odpadpri rôznych kontaktných uhloch a brúsnom zaťažení.

Obr. 7.SEM snímky a EDS spektrá pre rôzne typy brúsneho odpadu.

Obr. 8.Schematický diagram účinku klzno-valcového zloženého pohybu na HSG.

Táto práca bola publikovaná v časopise Journal of Tribology International.

Referencie

[1] Fan W, Wu C, Wu Z a kol. Statický kontaktný mechanizmus medzi ozubeným kontaktným kotúčom a koľajnicou pri brúsení koľajníc brúsnym pásom[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ a kol. Mechanizmus šírenia trhlín a odlupovania povrchu koľajníc založený na peridynamike[J]. Journal of Tongji University, 2023, 51 (6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L a kol. Simulácie konečných prvkov odozvy nárazu kolesa na koľajnicu vyvolanej odlupovaním behúňa kolesa vysokorýchlostných vlakov[J]. Explózie a rázové vlny, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F a kol. Štúdia poškodenia pásu WEA opotrebovaním a únavového odlupovania koľajnicového materiálu U71MnG spracovaním laserovým kalením[J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Viacúrovňová charakterizácia iniciácie kontroly hlavy na koľajniciach pri únave z valivého kontaktu: Mechanická a mikroštruktúrna analýza[J]. Wear, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV a kol. Stanovenie rýchlosti a času rastu únavových trhlín v koľajniciach pomocou únavových makrolínií[J]. Ruská metalurgia (metal), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H a kol. Mikroštrukturálne vyšetrenie poruchy lomu koľajnice spojenej s defektmi drepu[J]. Analýza technických porúch, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Mikroštrukturálna analýza a únavové lomové správanie koľajovej ocele[J]. Mechanika pokročilých materiálov a štruktúr, 2020, 27 (2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Znižovanie hluku pri vysokorýchlostnom brúsení koľajníc pravidelným brúsením koľajníc bez prerušenia premávky[C]//INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference ProceedinGW. Ústav zvukovej techniky, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W, et al. Analýza opotrebovania vysokorýchlostného brúsneho vozidla HSG-2: validácia, simulácia a porovnanie s meraniami[M]//Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks Vol 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Znižovanie hluku pri vysokorýchlostnom brúsení koľajníc pravidelným brúsením koľajníc bez prerušenia dopravy[C]//INTER-NOISE a NOISE-CON Congress and Conference ProceedinGW. Ústav zvukovej techniky, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF a kol. Hodnotenie rôznych tried koľajníc po brúsení v teréne v laboratórnych testoch kolesa/koľajnice v plnom rozsahu[J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S, et al. Tvorba povrchových trhlín na koľajniciach pri brúsení indukovaných martenzitových bielych leptaných vrstiev[J]. Opotrebenie, 2017, 384: 8-14.