Hành vi mài tự thích ứng của quá trình mài ray tốc độ cao dưới tác động của chuyển động trượt-lăn kết hợp.

Hành vi mài tự thích ứng của đường ray cao tốc dưới chuyển động hỗn hợp trượt-lăn tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất mài và chất lượng bề mặt. Đường sắt cao tốc, đặc trưng bởi tốc độ vận hành cao và tải trọng trục nhẹ, thường bị mỏi do tiếp xúc lăn [1], dẫn đến bong tróc bề mặt [2-4], nứt mỏi [5,6] và gãy [7,8]. Những vấn đề này đòi hỏi phải bảo trì kịp thời để đảm bảo vận hành an toàn và đáng tin cậy của mạng lưới đường sắtCác kỹ thuật mài ray truyền thống nhằm giải quyết các khuyết tật nằm sâu bên trong nhưng thường dẫn đến sự kém hiệu quả, thời gian bảo trì kéo dài và hư hỏng do nhiệt. Mài tốc độ cao (HSG) đã nổi lên như một giải pháp thay thế hiệu quả, mang lại tốc độ mài cao hơn (60–80 km/h) và giảm "khoảng thời gian bảo trì". Không giống như mài thông thường, HSG hoạt động thông qua chuyển động kết hợp trượt-lăn, được thúc đẩy bởi lực ma sát giữa bánh mài (GW) và bề mặt ray [9]. Cơ chế độc đáo này cho phép cả việc loại bỏ vật liệu và tự mài sắc chất mài mòn. Tuy nhiên, sự tương tác giữa chuyển động trượt và lăn vẫn chưa được khám phá đầy đủ, hạn chế tiềm năng của HSG trong việc tối ưu hóa bảo trì ray. Trong công việc này, một thiết bị thử nghiệm HSG tự chế đã được sử dụng để mô phỏng các điều kiện mài tại chỗ. Các thí nghiệm được tiến hành dưới các góc tiếp xúc khác nhau (30°, 45° và 60°) và tải trọng mài (500 N, 700 N và 900 N) [10, 11].

1. Tỷ lệ trượt-lăn.
  Kết quả cho thấy chuyển động kết hợp trượt-lăn đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến hành vi mài. Tỷ lệ trượt-lăn (SRR), được định nghĩa là tỷ lệ giữa tốc độ trượt và tốc độ lăn, như thể hiện trong Hình 1, tăng lên cùng với cả góc tiếp xúc và tải trọng mài, điều này phản ánh trực quan sự thay đổi trong chuyển động kết hợp trượt-lăn của các cặp mài. Ví dụ, SRR tăng từ 0,18 ở góc tiếp xúc 30° lên 0,81 ở 60°. Sự chuyển dịch từ chuyển động chủ yếu là lăn sang sự cân bằng giữa trượt và lăn đã cải thiện đáng kể kết quả mài. Nghiên cứu cho thấy góc tiếp xúc 45° tạo ra hiệu quả mài cao nhất, trong khi góc tiếp xúc 60° mang lại chất lượng bề mặt tốt nhất. Độ nhám bề mặt (Ra) giảm đáng kể khi góc tiếp xúc tăng, từ 12,9 μm ở 30° xuống 3,5 μm ở 60°, như thể hiện trong Hình 2 đến Hình 4.

2. WEL do quá trình mài mòn gây ra.
Trong quá trình mài, do tác động của sự kết hợp nhiệt-cơ học, bao gồm ứng suất tiếp xúc cao, nhiệt độ cao và làm nguội nhanh, các biến đổi luyện kim và biến dạng dẻo xảy ra trên bề mặt đường ray. Những thay đổi này dẫn đến sự hình thành lớp ăn mòn trắng giòn (WEL), dễ bị gãy dưới ứng suất chu kỳ từ sự tiếp xúc giữa bánh xe và đường ray. Tất cả các kết quả cho thấy độ dày trung bình của WEL nhỏ hơn 8 μm, mỏng hơn WEL do mài chủ động gây ra (~40 μm) [12, 13], như thể hiện trong Hình 5. Hiện tượng này có thể liên quan đến các đặc điểm độc đáo của phương pháp HSG. So với mài chủ động truyền thống, trong HSG, một hạt mài duy nhất chỉ tham gia vào quá trình mài trong một khoảng thời gian ngắn trong một chu kỳ quay, ngay cả ở góc tiếp xúc cao. Trong phần lớn thời gian, hạt mài ở trong giai đoạn tản nhiệt sau khi mài. Điều này đảm bảo rằng hạt mài có đủ thời gian để tản nhiệt trước khi tham gia mài trở lại, dẫn đến điều kiện nhiệt được cải thiện tại giao diện mài.

3. Nghiền vụn.
Phân tích mảnh vụn mài đã cung cấp thêm thông tin chi tiết về cơ chế loại bỏ vật liệu, như thể hiện trong Hình 6 và Hình 7. Các mảnh vụn dạng dòng chảy và hình dao, biểu thị hiệu suất mài tốt, xuất hiện nhiều hơn ở tốc độ quay nghiền (SRR) cao hơn. Ngược lại, các mảnh vụn dạng khối và dạng lát cắt chiếm ưu thế ở góc tiếp xúc thấp hơn, phản ánh hiệu suất mài không đủ. Sự hiện diện của các mảnh vụn hình cầu tăng lên theo tải trọng mài, cho thấy nhiệt độ mài tăng cao. Những quan sát này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tối ưu hóa các thông số mài để cân bằng hiệu quả và điều kiện nhiệt.

4. Cơ chế chuyển động trượt của tổ hợp lăn. Nghiên cứu cũng cho thấy sự tương tác năng động giữa chuyển động trượt và chuyển động lăn trong quá trình mài, như thể hiện trong Hình 8. Chuyển động trượt giúp loại bỏ vật liệu khỏi bề mặt ray, trong khi chuyển động lăn tăng cường khả năng thải mảnh vụn và tự mài sắc của vật liệu mài. Sự cân bằng năng động này rất cần thiết để đạt được hiệu quả mài tối ưu với mức độ hư hại do nhiệt tối thiểu. Tuy nhiên, việc quá chú trọng vào một trong hai chuyển động có thể dẫn đến kết quả không tối ưu: chuyển động chủ yếu là lăn làm tăng độ nhám bề mặt, trong khi chuyển động chủ yếu là trượt có thể dẫn đến giảm khả năng làm mới vật liệu mài và tăng hư hại do nhiệt.

5. Đánh giá toàn diện. Các đánh giá toàn diện về hiệu suất mài, bao gồm hiệu quả mài, độ nhám bề mặt và độ dày WEL, đã làm nổi bật những lợi thế của việc tối ưu hóa chuyển động kết hợp trượt-lăn, như thể hiện trong Hình 9. Biểu đồ radar về hiệu suất mài dưới các tải trọng và góc tiếp xúc khác nhau cho thấy góc tiếp xúc 45° mang lại sự cân bằng tốt nhất giữa hiệu quả và chất lượng. Tuy nhiên, góc tiếp xúc 60° luôn tạo ra bề mặt nhẵn nhất, lý tưởng cho các bước mài cuối cùng. Những phát hiện này cho thấy việc điều chỉnh có mục tiêu các thông số mài có thể giải quyết hiệu quả các hư hại khác nhau trên bề mặt ray.

Nghiên cứu này mang lại những ứng dụng thực tiễn cho việc bảo trì đường sắt cao tốc. Đối với các bước mài ban đầu, góc tiếp xúc 45° tối đa hóa hiệu quả loại bỏ vật liệu, trong khi góc 60° đảm bảo chất lượng bề mặt vượt trội ở các giai đoạn hoàn thiện. Nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cân bằng động giữa chuyển động trượt và lăn để nâng cao hiệu suất mài, cải thiện chất lượng bề mặt và kéo dài tuổi thọ của đá mài.

Tóm lại, nghiên cứu này nhấn mạnh vai trò quan trọng của chuyển động kết hợp trượt-lăn trong mài ray tốc độ cao. Bằng cách tối ưu hóa tỷ lệ giữa chuyển động trượt và lăn, HSG có thể đạt được hiệu quả mài và chất lượng bề mặt vượt trội đồng thời giảm thiểu hư hại do nhiệt. Những phát hiện này cung cấp nền tảng lý thuyết để phát triển công nghệ HSG và hướng dẫn thực tiễn để cải thiện các hoạt động bảo trì đường ray.

Hình 1. Xu hướng biến thiên của SRR, COF và tốc độ quay theo tải trọng mài và góc tiếp xúc.

Hình 2. Hiệu quả mài dưới các góc tiếp xúc và tải trọng mài khác nhau.

Hình 3. Hình thái bề mặt của các mẫu ray dưới các góc tiếp xúc và tải trọng mài khác nhau.

Hình 4. Độ nhám bề mặt và Hình thái 3D các mẫu ray dưới các góc tiếp xúc và tải mài khác nhau.

Hình 5. Hình ảnh quang học và hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) mặt cắt ngang của các mẫu ray.

Hình 6. Loại và tỷ lệ của mảnh vụn mài dưới các góc tiếp xúc và tải trọng mài khác nhau.

Hình 7. Ảnh SEM và phổ EDS của các loại mảnh vụn mài khác nhau.

Hình 8. Sơ đồ minh họa tác động của chuyển động kết hợp trượt-lăn lên HSG.

Công trình nghiên cứu này đã được công bố trên Tạp chí Tribology International.

Tài liệu tham khảo

[1] Fan W, Wu C, Wu Z, et al. Cơ chế tiếp xúc tĩnh giữa bánh xe tiếp xúc có răng cưa và ray trong quá trình mài ray bằng đai mài mòn[J]. Tạp chí Quy trình Sản xuất, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng ZN, Zhou Y, Li PJ, et al. Cơ chế lan truyền vết nứt và bong tróc bề mặt đường ray dựa trên peridynamics[J]. Tạp chí Đại học Tongji, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang JN, Guo X, Jing L, et al. Mô phỏng phần tử hữu hạn phản ứng va chạm bánh xe-đường ray do bong tróc mặt bánh xe của tàu cao tốc[J]. Sóng nổ và sóng xung kích, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F, et al. Nghiên cứu về hư hỏng mài mòn WEA dạng dải và bong tróc mỏi của vật liệu ray U71MnG bằng phương pháp xử lý tôi bằng laser[J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Đặc điểm đa quy mô của sự khởi đầu kiểm tra đầu ray dưới tác động mỏi tiếp xúc lăn: Phân tích cơ học và vi cấu trúc[J]. Wear, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur EA, Borts AI, Bazanova LV, et al. Xác định tốc độ và thời gian phát triển vết nứt mỏi trong đường ray bằng cách sử dụng các đường vĩ mô mỏi[J]. Luyện kim Nga (Metally), 2020, 2020: 477-482.

[7] Al-Juboori A, Zhu H, Li H, et al. Điều tra vi cấu trúc về sự hỏng hóc do gãy ray liên quan đến khuyết tật dạng ngồi xổm[J]. Phân tích hỏng hóc kỹ thuật, 2023, 151: 107411.

[8] Masoudi Nejad R, Farhangdoost K, Shariati M. Phân tích vi cấu trúc và hành vi gãy mỏi của thép đường ray[J]. Cơ học vật liệu và cấu trúc tiên tiến, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Von Diest K, Puschel A. Giảm tiếng ồn đường sắt mài tốc độ cao thông qua mài đường ray thường xuyên mà không gây gián đoạn giao thông[C]//Kỷ yếu Hội nghị và Đại hội INTER-NOISE và NOISE-CON tại GW. Viện Kỹ thuật Kiểm soát Tiếng ồn, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Von Diest K, Ferrarotti G, Kik W, et al. Phân tích mài mòn của xe mài tốc độ cao HSG-2: xác thực, mô phỏng và so sánh với các phép đo[M]//Động lực học của xe trên đường bộ và đường ray Tập 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Von Diest K, Puschel A. Giảm tiếng ồn đường sắt mài tốc độ cao thông qua mài đường ray thường xuyên mà không gây gián đoạn giao thông[C]//Kỷ yếu Hội nghị và Đại hội INTER-NOISE và NOISE-CON tại GW. Viện Kỹ thuật Kiểm soát Tiếng ồn, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Mesaritis M, Santa JF, Molina LF, et al. Đánh giá mài sau thực địa của các loại ray khác nhau trong các thử nghiệm phòng thí nghiệm bánh xe/ray quy mô đầy đủ[J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Rasmussen CJ, Fæster S, Dhar S, et al. Sự hình thành vết nứt bề mặt trên đường ray tại các lớp ăn mòn trắng mactenxit do mài mòn [J]. Wear, 2017, 384: 8-14.