Det självanpassande slipbeteendet vid höghastighetsrälslipning under de glidande rullande kompositrörelserna

De självanpassningsbara slipbeteendena hos höghastighetsräls under glidande rullande kompositrörelser fokuserade på att optimera slipprestanda och ytkvalitet. Höghastighetsjärnvägar, som kännetecknas av höga driftshastigheter och lätta axellaster, lider ofta av rullkontaktsutmattning [1], vilket leder till ytsprickor [2-4], utmattningssprickor [5,6] och sprickor [7,8]. Dessa problem kräver underhåll i tid för att säkerställasäker och tillförlitlig drift av järnvägsnäten. Traditionella rälslipningstekniker syftar till att åtgärda djupt liggande defekter men resulterar ofta i ineffektivitet, förlängda underhållstider och termiska skador. Höghastighetsslipning (HSG) har dykt upp som ett effektivt alternativ, som erbjuder högre sliphastigheter (60–80 km/h) och minskade "underhållsfönster". Till skillnad från konventionell slipning fungerar HSG genom glidande rullande kompositrörelser, drivna av friktionskrafter mellan slipskivor (GW) och rälsytan [9]. Denna unika mekanism möjliggör både materialavlägsning och självslipning. Samspelet mellan glidande och rullande rörelser har dock inte undersökts tillräckligt, vilket begränsar potentialen för HSG för optimering av järnvägsunderhåll. I detta arbete användes en hemmagjord HSG-testrigg för att simulera malningsförhållanden på plats. Experiment utfördes under varierande kontaktvinklar (30°, 45° och 60°) och slipbelastningar (500 N, 700 N och 900 N) [10, 11].

1. Förhållandet mellan Slide-roll.Resultaten visar att glidande rullande kompositrörelser spelar en avgörande roll för att påverka slipbeteendet. Glidvalsningsförhållandet (SRR), definierat som förhållandet mellan glidhastighet och rullningshastighet, som visas i Fig. 1, ökade med både kontaktvinkel och slipbelastning, vilket intuitivt återspeglade förändringar i glid-valsningskompositrörelsen hos slipparen. Till exempel växte SRR från 0,18 vid en 30° kontaktvinkel till 0,81 vid 60°. Denna förändring från rullande dominerad rörelse till en balans mellan glidning och rullning förbättrade avsevärt slipresultaten. Studien fann att en 45° kontaktvinkel gav den högsta slipeffektiviteten, medan en 60° kontaktvinkel gav den bästa ytkvaliteten, Ytjämnheten (Ra) minskade avsevärt när kontaktvinkeln ökade, från 12,9 μm vid 30° till 3,5 μm vid 60°, som visas i Fig.2 till Fig.

2. Slipningsinducerad WEL.Under slipprocessen, på grund av de termomekaniska kopplingseffekterna, inklusive hög kontaktspänning, förhöjda temperaturer och snabb kylning, sker metallurgiska omvandlingar och plastisk deformation på rälsytan. Dessa förändringar leder till bildandet av ett sprött vitt etsskikt (WEL), som är benäget att spricka under cykliska påfrestningar från kontakt mellan hjul och räl. Alla resultat visar att den genomsnittliga tjockleken på WEL är mindre än 8 μm, vilket är tunnare än den aktiva slipinducerade WEL (~40 μm) [12, 13], som visas i Fig.5. Detta fenomen är sannolikt relaterat till de unika egenskaperna hos HSG-metoden. Jämfört med traditionell aktiv slipning, i HSG, engagerar sig en enda slipande partikel i malningsprocessen under endast en kort period under en varvcykel, även vid höga kontaktvinklar. Under större delen av tiden befinner sig den slipande partikeln i värmeavledningsperioden efter slipning. Detta säkerställer att den slipande partikeln har tillräckligt med tid för att avleda värme innan den åter går in i slipning, vilket resulterar i förbättrade termiska förhållanden vid slipgränssnittet.

3. Slipskräp.Analys av slipskräp gav ytterligare insikter om mekanismerna för borttagning av material, som visas i Fig. 6 och Fig. 7. Flödesliknande och knivformade skräp, som betyder effektiv slipprestanda, var vanligare vid högre SRR. Däremot var block och skivat skräp dominerande vid lägre kontaktvinklar, vilket återspeglar otillräcklig slipprestanda. Närvaron av sfäriskt skräp ökade med slipbelastningar, vilket indikerar förhöjda sliptemperaturer. Dessa observationer understryker vikten av att optimera slipparametrar för att balansera effektivitet och termiska förhållanden.

4. Mekanism för glidande rörelse av rullmassa.Studien avslöjade också det dynamiska samspelet mellan glidande och rullande rörelser i slipprocessen, som visas i Fig.8. Glidningen underlättade borttagningen av material från skenans yta, samtidigt som rullningen förbättrade skräputsläppet och självslipande slipmedel. Denna dynamiska balans är avgörande för att uppnå effektiv slipning med minimal termisk skada. En överdriven betoning på båda rörelserna kan dock leda till suboptimala resultat: rulldominerad rörelse ökar ytans ojämnhet, medan gliddominerad rörelse kan resultera i minskad abrasiv förnyelse och ökad termisk skada.

5. Omfattande utvärdering.Omfattande utvärderingar av slipprestanda, inklusive slipeffektivitet, ytjämnhet och WEL-tjocklek, framhävde fördelarna med att optimera glidande rullande kompositrörelser, som visas i Fig.9. Radardiagrammen över slipprestanda under olika belastningar och kontaktvinklar visade att en 45° kontaktvinkel gav den bästa övergripande balansen mellan effektivitet och kvalitet. Kontaktvinkeln på 60° gav dock konsekvent de jämnaste ytorna, vilket gör den idealisk för slutliga slippassager. Dessa fynd tyder på att riktade justeringar av slipparametrar kan hantera varierande rälsyta på ett effektivt sätt.

Denna forskning ger praktiska konsekvenser för underhåll av höghastighetståg. För initiala slippassager maximerar en 45° kontaktvinkel materialavlägsningseffektiviteten, medan en 60° vinkel säkerställer överlägsen ytkvalitet i efterbehandlingsstadier. Studien understryker vikten av att dynamiskt balansera glidande och rullande rörelser för att förbättra slipprestandan, förbättra ytkvaliteten och förlänga livslängden på slipskivor.

Sammanfattningsvis belyser studien den kritiska rollen av glidande rullande kompositrörelser vid höghastighetsrälslipning. Genom att optimera andelen glidande och rullande åtgärder kan HSG uppnå överlägsen slipeffektivitet och ytkvalitet samtidigt som termisk skada minimeras. Dessa resultat ger en teoretisk grund för att utveckla HSG-teknik och praktiska riktlinjer för att förbättra praxis för järnvägsunderhåll.

Fig. 1.Variationstrend för SRR, COF och rotationshastighet med slipbelastningar och kontaktvinklar.

Fig. 2.Slipeffektivitet under olika kontaktvinklar och slipbelastningar.

Fig. 3.Ytmorfologierna hos rälsexemplar under olika kontaktvinklar och slipbelastningar.

Fig. 4.Ytjämnhet och3D-morfologierav rälsprover under olika kontaktvinklar och slipbelastningar.

Fig. 5.Tvärsnitts optiska och SEM-metallografiska bilder av rälsexemplaren.

Fig. 6.Typen och andelen avmalande skräpunder olika kontaktvinklar och slipbelastningar.

Fig. 7.SEM-bilder och EDS-spektra för olika typer av slipskräp.

Fig. 8.Schematiskt diagram över effekten av glidande rullande kompositrörelse på HSG.

Detta arbete har rapporterats i Journal of Tribology International.

Referenser

[1] Fan W, Wu C, Wu Z, et al. Statisk kontaktmekanism mellan tandade kontakthjul och skena vid rälslipning med slipband[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ, et al. Sprickutbredning och spjälkningsmekanism baserad på peridynamik[J]. Journal of Tongji University, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L, et al. Finita element-simuleringar av stötreaktion på hjul och räl inducerad av slitbanan på höghastighetståg[J]. Explosion och chockvågor, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F, et al. Studie av remsor WEA-nötningsskador och utmattningsspjälkning av U71MnG-rälsmaterial genom lasersläckningsbehandling[J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Flerskalig karakterisering av initiering av huvudkontroll på räls under rullande utmattning: Mekanisk och mikrostrukturanalys[J]. Wear, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV, et al. Bestämning av utmattningssprickans tillväxthastighet och tid i skenor med hjälp av utmattningsmakrolinjer[J]. Rysk metallurgi (Metally), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H, et al. Mikrostrukturell undersökning av ett rälsfrakturfel i samband med knäböjsdefekter[J]. Engineering Failure Analysis, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Mikrostrukturanalys och utmattningsbrottbeteende hos rälsstål[J]. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Höghastighetsslipning-järnvägsbullerreducering genom vanlig järnvägsslipning utan trafikavbrott[C]//INTER-NOISE och NOISE-CON Congress and Conference ProceedinGW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W, et al. Slitageanalys av det höghastighetsslipande fordonet HSG-2: validering, simulering och jämförelse med mätningar[M]//Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks Vol 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Höghastighetsslipning-järnvägsbullerreducering genom vanlig järnvägsslipning utan trafikavbrott[C]//INTER-NOISE och NOISE-CON Congress and Conference ProceedinGW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF, et al. Utvärdering efter fältslipning av olika rälskvaliteter i fullskaliga hjul/räls laboratorietester[J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S, et al. Ytsprickbildning på skenor vid slipinducerade martensitvita etsskikt[J]. Wear, 2017, 384: 8-14.