Thiết kế cấu trúc của đá mài

Một trong những nhược điểm chính của đá mài sản xuất trong nước hiện nay là xu hướng làm cháy ray thép [1]. Trong quá trình mài ray, tác dụng mài của chất mài mòn (trượt, cày, cắt) và ma sát giữa chất kết dính và giao diện ray là nguồn nhiệt mài chính [3]. Dưới tác động kết hợp của nhiệt (nhiệt mài) và lực (lực cơ học), perlit trong vật liệu ray trải qua quá trình chuyển hóa austenit và sau đó hình thành martenxit và ferit trong quá trình làm nguội, dẫn đến cấu trúc lớp trắng có độ cứng cao và giòn. Các vết nứt cục bộ sẽ lan truyền ở ranh giới giữa lớp trắng và perlit, gây ra sự hỏng hóc sớm của ray [1], như thể hiện trong Hình 1 (a). Trong quá trình đánh bóng, bề mặt của ray thép trải qua quá trình oxy hóa ở các mức độ khác nhau, dẫn đến màu sắc khác nhau của ray được đánh bóng. Màu vàng, xanh lam và tím thường được gọi là "cháy". Lin et al. [9] đã đặt một cặp nhiệt điện bán nhân tạo trong ray thép để theo dõi nhiệt độ của giao diện đánh bóng theo thời gian thực dưới các thông số đánh bóng khác nhau. Họ đã so sánh nhiệt độ đánh bóng với mức độ cháy trên bề mặt đường ray thép và thiết lập mô hình quan hệ giữa mức độ cháy (thay đổi màu sắc) và nhiệt độ đánh bóng, như thể hiện trong Hình 1 (b). Trên cơ sở này, Zhou et al. [3] đã thiết lập mô hình quan hệ giữa nhiệt độ và độ dày cũng như mức độ nung của lớp trắng trong quá trình đánh bóng đường ray, cung cấp một phương pháp mới để tối ưu hóa các thông số đánh bóng đường ray, như thể hiện trong Hình 1 (c). Các kết quả nghiên cứu trên cho thấy việc tối ưu hóa các thông số mài và giảm nhiệt độ mài là những phương pháp quan trọng để cải thiện tình trạng cháy đường ray.

Hình 1. Lớp cháy ray và ăn mòn trắng do mài (WEL)

Nhiều học giả nghiên cứu cơ chế cháy mài ray từ góc độ thiết kế đá mài. Kết quả nghiên cứu của Zhang et al. [2] chỉ ra rằng đá mài corundum trắng có độ sắc bén tự nhiên tốt nhất và hiệu quả mài đáng kể nhất, dẫn đến nhiệt độ mài cao nhất và độ dày lớp trắng lớn nhất. Yuan et al. [4] đã chế tạo sẵn cấu trúc lỗ rỗng trong đá mài, có lợi cho việc thải bỏ mảnh vụn mài, giảm tắc nghẽn đá mài, hạ thấp nhiệt độ mài và cải thiện chất lượng bề mặt của ray thép được đánh bóng. Wang et al. [5] đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của độ cứng đá mài (N, R, P, T) đến chất lượng bề mặt của ray thép, và kết quả cho thấy độ dày của lớp trắng tăng lên khi độ cứng đá mài tăng. Do đó, việc điều chỉnh hợp lý cấu trúc đá mài (lỗ rỗng, thành phần chất mài mòn), độ cứng, v.v. có tác động tích cực đến việc cải thiện tình trạng cháy ray.

Kết quả nghiên cứu trên chỉ ra rằng các thông số mài và hiệu suất đá mài là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến hiện tượng cháy ray khi mài. Đối với các phương tiện đánh bóng hiện có trên tuyến đường, việc điều chỉnh đáng kể các thông số vận hành trên cấu trúc phương tiện hiện có để đảm bảo hiệu quả đánh bóng là rất khó. Do đó, thiết kế và kiểm soát hiệu suất của cấu trúc đá mài là một trong những cách hiệu quả để cải thiện hiện tượng cháy ray. Wu et al. [7, 8] đã cấy các khối kim cương hàn sẵn theo một bố trí nhất định vào đá mài, như thể hiện trong Hình 2 (a). Kết quả đánh bóng cho thấy đá mài composite có thể cải thiện hiệu quả đánh bóng ray một cách hiệu quả, giảm độ nhám bề mặt của ray được đánh bóng và cải thiện hiện tượng cháy ray. Zhao Jinbo et al. [9] đã liên kết CaF2 với polyetheretherketone để tạo thành các khối khớp tự bôi trơn, và chuẩn bị đá mài tự bôi trơn bằng cách đặt chúng vào phôi đá mài, như thể hiện trong Hình 2 (b). Kết quả mài cho thấy khối khớp tự bôi trơn có thể liên tục giải phóng tại giao diện giữa đá mài và ray khi đá mài bị mòn, làm giảm nhiệt khi mài và cải thiện hiện tượng cháy ray. Việc cấy ghép các khối đúc sẵn được hàn, các khối khớp tự bôi trơn, v.v. vào ma trận đá mài dẫn đến cấu trúc đá mài không đồng đều và tạo ra giao diện có độ bền thấp (giao diện ma trận đá mài/khối cấy ghép), do đó việc đảm bảo các tính chất cơ học (độ bền quay, cân bằng động, v.v.) của đá mài cấu trúc composite là một thách thức quan trọng. Wu et al. [10] đã thiết kế một bánh mài mài mòn CBN được hàn có rãnh như thể hiện trong Hình 2 (c), giúp cải thiện khả năng chống cháy của phôi ray. Tuy nhiên, lớp hàn được sử dụng trong đá mài có khả năng chống mài mòn kém trong quá trình mài ray, và tuổi thọ của đá mài cực kỳ ngắn. Do đó, việc thiết kế/điều chỉnh hợp lý cấu trúc đá mài có tác động tích cực đến việc giảm nhiệt mài và cải thiện khả năng chống cháy của ray, nhưng đây là điều kiện tiên quyết cần được xem xét đầy đủ để đảm bảo đá mài có các tính chất vật lý và hóa học tốt cũng như khả năng gia công.

(a) Đá mài khối kim cương được đặt sẵn [7,8]

(b) Đá mài khối tự bôi trơn được thiết lập sẵn[9](c) Đá mài có cấu trúc khe [10]

Hình 2. Thiết kế cấu trúc của đá mài.

Thẩm quyền giải quyết

[1]A Al-Juboori, DAVID Wexler, LI Huijun, et al. Sự hình thành vết lõm và sự xuất hiện của hai loại lớp ăn mòn trắng khác nhau trên bề mặt thép đường ray[J]. Tạp chí quốc tế về mỏi, 2017, 104: 52-60.

[2]GUO Shuai, ZHAO Xiangji, HE Chenggang, et al. Ảnh hưởng của vết mài lên hư hỏng do mỏi của đường ray trong điều kiện nước[J]. Kỹ thuật Cơ khí Trung Quốc, 2019, 30(08): 889-895.

[3]36[3] ZHOU Kun, DING Haohao, Steenbergen Michaël, et al. Trường nhiệt độ và phản ứng vật liệu theo các thông số mài ray[J]. Tạp chí quốc tế về truyền nhiệt và khối lượng, 2021, 175: 12366.

[4]YUAN Yongjie, ZHANG Wulin, ZHANG Pengfei, et al. Đá mài xốp nhằm giảm thiểu hiện tượng mỏi trước và tăng hiệu quả loại bỏ vật liệu trong quá trình mài ray[J]. Tribology International, 2021, 154: 106692

[5]WANG Ruixiang, ZHOU Kun, YANG Jinyu, et al. Ảnh hưởng của vật liệu mài mòn và độ cứng của đá mài đến hành vi mài ray[J]. Mài mòn, 2020, 454-455: 203332.

[6]57[6] ZHANG Wulin, ZHANG Pengfei, ZHANG Jun, et al. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt mài mòn đến hành vi mài ray[J]. Tạp chí Quy trình Sản xuất, 2020, 53: 388-395.

[7]XIAO Bing, XIAO Haozhong, XIAO Bo, et al. Đá mài dùng cho mài ray hiệu suất cao và phương pháp sản xuất của nó: Trung Quốc, CN 108453638 A[P]. 2018-08-28.

[8]WU Hengheng, XIAO Bing, XIAO Haozhong, et al. Đặc tính mài mòn của tấm kim cương hàn với thời gian mài khác nhau[J]. Mài mòn, 2019, 432-433: 202942.

[9]WU Hengheng, XIAO Bing, XIAO Haozhong, et al. Nghiên cứu về đặc tính mài mòn của tấm kim cương hàn cho bánh mài composite đường ray dưới các áp suất khác nhau[J]. Mài mòn, 2019, 424-425: 183-192.

[10]LIN Bin, ZHOU Kun, GUO Jun, et al. Ảnh hưởng của các thông số mài đến nhiệt độ bề mặt và hành vi cháy của đường ray mài[J]. Tribology International, 2018, 122: 151-162.