พฤติกรรมการเจียรแบบปรับตัวได้เองของการเจียรรางความเร็วสูงภายใต้การเคลื่อนที่แบบผสมผสานระหว่างการเลื่อนและการหมุน

พฤติกรรมการเจียรแบบปรับตัวได้เองของรางรถไฟความเร็วสูงภายใต้การเคลื่อนที่แบบผสมผสานระหว่างการเลื่อนและการหมุน มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มประสิทธิภาพการเจียรและคุณภาพพื้นผิว ทางรถไฟความเร็วสูง ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือความเร็วในการใช้งานสูงและน้ำหนักบรรทุกเพลาเบา มักประสบปัญหาความล้าจากการสัมผัสแบบหมุน [1] ซึ่งนำไปสู่การหลุดลอกของพื้นผิว [2-4] รอยแตกจากความล้า [5,6] และการแตกหัก [7,8] ปัญหาเหล่านี้จำเป็นต้องมีการบำรุงรักษาอย่างทันท่วงทีเพื่อให้มั่นใจได้ว่า การดำเนินงานเครือข่ายทางรถไฟที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้เทคนิคการเจียรางแบบดั้งเดิมมุ่งเน้นไปที่การแก้ไขข้อบกพร่องที่ฝังลึก แต่บ่อยครั้งส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลง ระยะเวลาการบำรุงรักษานานขึ้น และเกิดความเสียหายจากความร้อน การเจียรางความเร็วสูง (HSG) ได้กลายเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพ โดยให้ความเร็วในการเจียรางที่สูงขึ้น (60–80 กม./ชม.) และลด "ช่วงเวลาการบำรุงรักษา" ลง แตกต่างจากการเจียรางแบบทั่วไป HSG ทำงานผ่านการเคลื่อนที่แบบผสมผสานระหว่างการเลื่อนและการหมุน โดยขับเคลื่อนด้วยแรงเสียดทานระหว่างล้อเจียร (GWs) และพื้นผิวราง [9] กลไกที่เป็นเอกลักษณ์นี้ช่วยให้สามารถกำจัดวัสดุและลับคมตัวเองได้ อย่างไรก็ตาม ปฏิสัมพันธ์ระหว่างการเคลื่อนที่แบบเลื่อนและการหมุนยังไม่ได้รับการสำรวจอย่างเพียงพอ ซึ่งจำกัดศักยภาพของ HSG ในการเพิ่มประสิทธิภาพการบำรุงรักษาราง ในงานนี้ ได้ใช้แท่นทดสอบ HSG ที่สร้างขึ้นเองเพื่อจำลองสภาวะการเจียรางในสถานที่จริง การทดลองดำเนินการภายใต้มุมสัมผัสที่แตกต่างกัน (30°, 45° และ 60°) และภาระการเจียร (500 N, 700 N และ 900 N) [10, 11]

1. อัตราส่วนระหว่างการเลื่อนและการหมุน
  ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนที่แบบผสมผสานระหว่างการเลื่อนและการหมุนมีบทบาทสำคัญในการส่งผลต่อพฤติกรรมการเจียร อัตราส่วนการเลื่อนต่อการหมุน (SRR) ซึ่งกำหนดเป็นอัตราส่วนของความเร็วในการเลื่อนต่อความเร็วในการหมุน ดังแสดงในรูปที่ 1 เพิ่มขึ้นตามมุมสัมผัสและภาระการเจียร ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงในการเคลื่อนที่แบบผสมผสานระหว่างการเลื่อนและการหมุนของคู่เจียรอย่างชัดเจน ตัวอย่างเช่น SRR เพิ่มขึ้นจาก 0.18 ที่มุมสัมผัส 30° เป็น 0.81 ที่ 60° การเปลี่ยนแปลงจากการเคลื่อนที่ที่เน้นการหมุนเป็นหลักไปสู่ความสมดุลระหว่างการเลื่อนและการหมุนช่วยปรับปรุงผลลัพธ์การเจียรได้อย่างมีนัยสำคัญ การศึกษาพบว่ามุมสัมผัส 45° ให้ประสิทธิภาพการเจียรสูงสุด ในขณะที่มุมสัมผัส 60° ให้คุณภาพพื้นผิวที่ดีที่สุด ความหยาบผิว (Ra) ลดลงอย่างมากเมื่อมุมสัมผัสเพิ่มขึ้น จาก 12.9 μm ที่ 30° เป็น 3.5 μm ที่ 60° ดังแสดงในรูปที่ 2 ถึงรูปที่ 4

2. รอยสึกกร่อนที่เกิดจากการเจียร
ในระหว่างกระบวนการเจียร เนื่องจากผลกระทบของการเชื่อมโยงทางความร้อนและกลไก รวมถึงความเค้นสัมผัสสูง อุณหภูมิสูง และการระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว การเปลี่ยนแปลงทางโลหะวิทยาและการเสียรูปพลาสติกจึงเกิดขึ้นบนพื้นผิวราง การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ทำให้เกิดชั้นกัดกร่อนสีขาวที่เปราะ (WEL) ซึ่งมีแนวโน้มที่จะแตกหักภายใต้ความเค้นแบบวัฏจักรจากการสัมผัสระหว่างล้อและราง ผลลัพธ์ทั้งหมดแสดงให้เห็นว่าความหนาเฉลี่ยของ WEL น้อยกว่า 8 μm ซึ่งบางกว่า WEL ที่เกิดจากการเจียรแบบแอคทีฟ (~40 μm) [12, 13] ดังแสดงในรูปที่ 5 ปรากฏการณ์นี้อาจเกี่ยวข้องกับลักษณะเฉพาะของวิธีการ HSG เมื่อเปรียบเทียบกับการเจียรแบบแอคทีฟแบบดั้งเดิม ใน HSG อนุภาคขัดถูเพียงอนุภาคเดียวจะเข้าร่วมในกระบวนการเจียรเพียงช่วงเวลาสั้นๆ ในระหว่างรอบการหมุนหนึ่งรอบ แม้กระทั่งที่มุมสัมผัสสูง ในช่วงเวลาส่วนใหญ่ อนุภาคขัดถูจะอยู่ในช่วงการระบายความร้อนหลังจากเจียรเสร็จ วิธีนี้ช่วยให้อนุภาคขัดมีเวลาเพียงพอในการระบายความร้อนก่อนที่จะเริ่มการขัดอีกครั้ง ส่งผลให้สภาวะความร้อนบริเวณพื้นผิวการขัดดีขึ้น

3. เศษวัสดุจากการเจียร
การวิเคราะห์เศษวัสดุจากการเจียรให้ข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกการกำจัดวัสดุ ดังแสดงในรูปที่ 6 และรูปที่ 7 เศษวัสดุที่มีลักษณะคล้ายการไหลและรูปทรงคล้ายมีด ซึ่งบ่งชี้ถึงประสิทธิภาพการเจียรที่ดีนั้น พบได้มากในอัตราส่วนการเจียรสูง (SRR) ในทางตรงกันข้าม เศษวัสดุที่เป็นก้อนและชิ้นบางๆ พบได้มากในมุมสัมผัสที่ต่ำกว่า ซึ่งสะท้อนถึงประสิทธิภาพการเจียรที่ไม่เพียงพอ การปรากฏของเศษวัสดุทรงกลมเพิ่มขึ้นตามภาระการเจียร ซึ่งบ่งชี้ถึงอุณหภูมิการเจียรที่สูงขึ้น ข้อสังเกตเหล่านี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของการปรับพารามิเตอร์การเจียรให้เหมาะสมเพื่อสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและสภาวะความร้อน

4. กลไกการเคลื่อนที่แบบผสมผสานระหว่างการเลื่อนและการกลิ้ง การศึกษาครั้งนี้ยังเผยให้เห็นถึงปฏิสัมพันธ์แบบไดนามิกระหว่างการเคลื่อนที่แบบเลื่อนและแบบหมุนในกระบวนการเจียร ดังแสดงในรูปที่ 8 การเลื่อนช่วยให้การกำจัดวัสดุออกจากพื้นผิวรางทำได้ง่ายขึ้น ในขณะที่การหมุนช่วยเพิ่มการระบายเศษวัสดุและการลับคมตัวเองของสารขัดถู ความสมดุลแบบไดนามิกนี้มีความสำคัญต่อการเจียรที่มีประสิทธิภาพโดยมีผลกระทบจากความร้อนน้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม การเน้นการเคลื่อนที่แบบใดแบบหนึ่งมากเกินไปอาจนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ไม่เหมาะสม การเคลื่อนที่ที่เน้นการหมุนจะเพิ่มความหยาบของพื้นผิว ในขณะที่การเคลื่อนที่ที่เน้นการเลื่อนอาจส่งผลให้การสร้างสารขัดถูใหม่ลดลงและเพิ่มความเสียหายจากความร้อน

5. การประเมินผลอย่างครอบคลุม การประเมินประสิทธิภาพการเจียรอย่างครอบคลุม รวมถึงประสิทธิภาพการเจียร ความหยาบของพื้นผิว และความหนาของ WEL เน้นให้เห็นถึงข้อดีของการปรับการเคลื่อนที่แบบผสมผสานระหว่างการเลื่อนและการหมุนให้เหมาะสม ดังแสดงในรูปที่ 9 แผนภูมิเรดาร์ของประสิทธิภาพการเจียรภายใต้ภาระและมุมสัมผัสต่างๆ แสดงให้เห็นว่ามุมสัมผัส 45° ให้ความสมดุลโดยรวมที่ดีที่สุดระหว่างประสิทธิภาพและคุณภาพ อย่างไรก็ตาม มุมสัมผัส 60° ให้พื้นผิวที่เรียบที่สุดอย่างสม่ำเสมอ ทำให้เหมาะสำหรับการเจียรขั้นสุดท้าย ผลการค้นพบเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าการปรับพารามิเตอร์การเจียรอย่างเหมาะสมสามารถจัดการกับความเสียหายของพื้นผิวรางที่แตกต่างกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ

งานวิจัยนี้เสนอข้อคิดที่เป็นประโยชน์สำหรับการบำรุงรักษาทางรถไฟความเร็วสูง สำหรับการเจียรขั้นต้น มุมสัมผัส 45° จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการกำจัดวัสดุให้สูงสุด ในขณะที่มุม 60° จะช่วยให้ได้คุณภาพพื้นผิวที่ดีเยี่ยมในขั้นตอนการเจียรตกแต่ง งานวิจัยนี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของการปรับสมดุลระหว่างการเลื่อนและการหมุนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเจียร ปรับปรุงคุณภาพพื้นผิว และยืดอายุการใช้งานของล้อเจียร

โดยสรุปแล้ว การศึกษานี้เน้นย้ำถึงบทบาทสำคัญของการเคลื่อนที่แบบผสมผสานระหว่างการเลื่อนและการหมุนในการเจียรรางรถไฟความเร็วสูง การปรับสัดส่วนของการเลื่อนและการหมุนให้เหมาะสม จะช่วยให้ HSG บรรลุประสิทธิภาพการเจียรและคุณภาพพื้นผิวที่เหนือกว่า ในขณะเดียวกันก็ลดความเสียหายจากความร้อนให้น้อยที่สุด ผลการค้นพบเหล่านี้เป็นพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยี HSG และแนวทางปฏิบัติสำหรับการปรับปรุงการบำรุงรักษารางรถไฟ

รูปที่ 1. แนวโน้มการเปลี่ยนแปลงของ SRR, COF และความเร็วรอบเมื่อเทียบกับภาระการเจียรและมุมสัมผัส

รูปที่ 2. ประสิทธิภาพการเจียรภายใต้มุมสัมผัสและแรงเจียรที่แตกต่างกัน

รูปที่ 3. ลักษณะพื้นผิวของชิ้นงานรางรถไฟภายใต้มุมสัมผัสและแรงขัดถูที่แตกต่างกัน

รูปที่ 4. ความหยาบของพื้นผิวและ สัณฐานวิทยา 3 มิติ ตัวอย่างรางรถไฟภายใต้มุมสัมผัสและแรงขัดถูที่แตกต่างกัน

รูปที่ 5. ภาพตัดขวางจากกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนของชิ้นงานรางรถไฟ

รูปที่ 6. ประเภทและสัดส่วนของ เศษวัสดุจากการบด ภายใต้มุมสัมผัสและแรงบดที่แตกต่างกัน

รูปที่ 7. ภาพถ่าย SEM และสเปกตรัม EDS สำหรับเศษวัสดุจากการเจียรประเภทต่างๆ

รูปที่ 8. แผนภาพแสดงผลกระทบของการเคลื่อนที่แบบผสมผสานระหว่างการเลื่อนและการหมุนต่อ HSG

ผลงานนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Tribology International แล้ว

เอกสารอ้างอิง

[1] Fan W, Wu C, Wu Z และคณะ กลไกการสัมผัสแบบคงที่ระหว่างล้อสัมผัสแบบฟันเลื่อยกับรางในการเจียรรางด้วยสายพานขัด[J]. วารสารกระบวนการผลิต, 2022, 84: 1229-1245

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ และคณะ การแพร่กระจายของรอยแตกและกลไกการหลุดลอกของพื้นผิวรางตามหลักพลศาสตร์เชิงปริพลศาสตร์[J] วารสารมหาวิทยาลัย Tongji, 2023, 51(6): 912-922

[3] Wang JN, Guo X, Jing L และคณะ การจำลององค์ประกอบจำกัดของการตอบสนองการกระแทกระหว่างล้อและรางที่เกิดจากการแตกของดอกยางล้อของรถไฟความเร็วสูง[J] การระเบิดและคลื่นกระแทก, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15

[4] Hua J, Liu J, Liu F และคณะ การศึกษาความเสียหายจากการสึกหรอของแถบ WEA และการแตกร้าวจากความล้าของวัสดุราง U71MnG โดยการบำบัดด้วยการดับด้วยเลเซอร์[J]. Tribology International, 2022, 175: 107811

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. การกำหนดลักษณะหลายระดับของการเริ่มต้นของการตรวจสอบหัวบนรางภายใต้ความล้าจากการสัมผัสแบบหมุน: การวิเคราะห์เชิงกลและโครงสร้างจุลภาค[J]. Wear, 2016, 366: 383-391

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV และคณะ การกำหนดอัตราการเติบโตของรอยแตกจากความล้าและเวลาในรางโดยใช้เส้นมาโครความล้า[J] โลหะวิทยาของรัสเซีย (Metally), 2020, 2020: 477-482

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H และคณะ การตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคของความล้มเหลวการแตกหักของรางที่เกี่ยวข้องกับข้อบกพร่องแบบสควอท[J] การวิเคราะห์ความล้มเหลวทางวิศวกรรม 2023, 151: 107411

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. การวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคและพฤติกรรมการแตกหักจากความล้าของเหล็กราง[J]. กลศาสตร์ของวัสดุและโครงสร้างขั้นสูง, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. การลดเสียงรบกวนทางรถไฟด้วยการเจียรางความเร็วสูงโดยไม่หยุดการจราจร[C]//INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference ProceedinGW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W และคณะ การวิเคราะห์การสึกหรอของยานพาหนะบดความเร็วสูง HSG-2: การตรวจสอบความถูกต้อง การจำลอง และการเปรียบเทียบกับการวัด[M]//พลศาสตร์ของยานพาหนะบนถนนและราง Vol 2. CRC Press, 2017: 925-930

[11] Von Diest K, Puschel A. การลดเสียงรบกวนทางรถไฟความเร็วสูงด้วยการเจียรางเป็นประจำโดยไม่ขัดจังหวะการจราจร[C]//INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference ProceedinGW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF และคณะ การประเมินหลังการเจียรรางเกรดต่างๆ ในการทดสอบล้อ/รางขนาดเต็มในห้องปฏิบัติการ[J]. Tribology International, 2023, 177: 107980

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S และคณะ การก่อตัวของรอยแตกบนพื้นผิวรางที่ชั้นกัดกร่อนสีขาวของมาร์เทนไซต์ที่เกิดจากการเจียร[J]. Wear, 2017, 384: 8-14