Самоадаптивные характеристики шлифования высокоскоростных рельсов при скользяще-качающихся составных движениях

Самоадаптивное шлифовальное поведение высокоскоростного рельса при скользяще-качающихся составных движениях направлено на оптимизацию производительности шлифования и качества поверхности. Высокоскоростные железные дороги, характеризующиеся высокими рабочими скоростями и небольшими осевыми нагрузками, часто страдают от усталости при качении [1], что приводит к скалыванию поверхности [2-4], усталостным трещинам [5,6] и изломам [7,8]. Эти проблемы требуют своевременного обслуживания для обеспечения безопасная и надежная эксплуатация железнодорожных сетей Традиционные методы шлифования рельсов направлены на устранение глубоко укоренившихся дефектов, но часто приводят к неэффективности, увеличению времени обслуживания и термическим повреждениям. Высокоскоростное шлифование (HSG) стало эффективной альтернативой, предлагая более высокие скорости шлифования (60–80 км/ч) и сокращенные «окна обслуживания». В отличие от обычного шлифования, HSG работает посредством скользяще-качающихся составных движений, приводимых в действие силами трения между шлифовальными кругами (GW) и поверхностью рельса [9]. Этот уникальный механизм обеспечивает как удаление материала, так и абразивную самозаточку. Однако взаимодействие между скользящими и катящимися движениями изучено недостаточно, что ограничивает потенциал HSG для оптимизации обслуживания рельсов. В этой работе для моделирования условий шлифования на месте использовался самодельный испытательный стенд HSG. Эксперименты проводились при различных углах контакта (30°, 45° и 60°) и нагрузках шлифования (500 Н, 700 Н и 900 Н) [10, 11].

1. Соотношение скольжения-качения. Результаты показывают, что составные движения скольжения-качения играют решающую роль в влиянии на поведение шлифования. Соотношение скольжения-качения (SRR), определяемое как отношение скорости скольжения к скорости качения, как показано на рис. 1, увеличивалось как с углом контакта, так и с нагрузкой шлифования, что интуитивно отражало изменения в составном движении скольжения-качения шлифовальных пар. Например, SRR увеличивалось с 0,18 при угле контакта 30° до 0,81 при 60°. Этот переход от движения с преобладанием качения к балансу между скольжением и качением значительно улучшал результаты шлифования. Исследование показало, что угол контакта 45° обеспечивал самую высокую эффективность шлифования, в то время как угол контакта 60° давал наилучшее качество поверхности. Шероховатость поверхности (Ra) существенно уменьшалась с увеличением угла контакта, с 12,9 мкм при 30° до 3,5 мкм при 60°, как показано на рис. 2–4.
2. WEL, вызванный шлифованием.В процессе шлифования из-за термомеханических эффектов сопряжения, включая высокое контактное напряжение, повышенные температуры и быстрое охлаждение, на поверхности рельса происходят металлургические превращения и пластическая деформация. Эти изменения приводят к образованию хрупкого белого слоя травления (WEL), который склонен к разрушению под действием циклических напряжений от контакта колеса с рельсом. Все результаты показывают, что средняя толщина WEL составляет менее 8 мкм, что тоньше, чем WEL, вызванный активным шлифованием (~40 мкм) [12, 13], как показано на рис. 5. Это явление, вероятно, связано с уникальными характеристиками метода HSG. По сравнению с традиционным активным шлифованием, в HSG одна абразивная частица участвует в процессе шлифования только в течение короткого периода времени в течение одного цикла оборота, даже при больших углах контакта. Большую часть времени абразивная частица находится в периоде рассеивания тепла после шлифования. Это гарантирует, что абразивная частица имеет достаточно времени для рассеивания тепла перед повторным включением в процесс шлифования, что приводит к улучшению тепловых условий на границе шлифования.
3. Шлифовальный мусор. Анализ шлифовального мусора предоставил дополнительную информацию о механизмах удаления материала, как показано на рис. 6 и рис. 7. Потокообразный и ножевидный мусор, который свидетельствует об эффективной производительности шлифования, был более распространен при более высоких SRR. Напротив, блочный и нарезанный мусор доминировал при более низких углах контакта, что отражает недостаточную производительность шлифования. Наличие сферического мусора увеличивалось с нагрузками шлифования, что указывает на повышенные температуры шлифования. Эти наблюдения подчеркивают важность оптимизации параметров шлифования для баланса эффективности и тепловых условий.
4. Механизм скользящего движения прокатного состава. Исследование также выявило динамическое взаимодействие между скользящими и прокатными движениями в процессе шлифования, как показано на рис. 8. Скольжение облегчало удаление материала с поверхности рельса, в то время как прокатка усиливала выброс стружки и самозатачивание абразива. Этот динамический баланс необходим для достижения эффективного шлифования с минимальным термическим повреждением. Однако чрезмерный акцент на любом движении может привести к неоптимальным результатам: движение с преобладанием прокатки увеличивает шероховатость поверхности, в то время как движение с преобладанием скольжения может привести к снижению обновления абразива и увеличению термического повреждения.
5. Комплексная оценка. Комплексная оценка производительности шлифования, включая эффективность шлифования, шероховатость поверхности и толщину WEL, выявила преимущества оптимизации составных движений скольжения-качения, как показано на рис. 9. Радарные диаграммы производительности шлифования при различных нагрузках и углах контакта показали, что угол контакта 45° обеспечивает наилучший общий баланс эффективности и качества. Однако угол контакта 60° неизменно обеспечивает самые гладкие поверхности, что делает его идеальным для чистовых проходов шлифования. Эти результаты свидетельствуют о том, что целенаправленная корректировка параметров шлифования может эффективно решать различные повреждения поверхности рельса.
   Это исследование предлагает практические выводы для обслуживания высокоскоростных рельсов. Для начальных проходов шлифования угол контакта 45° максимизирует эффективность удаления материала, в то время как угол 60° обеспечивает превосходное качество поверхности на этапах финишной обработки. Исследование подчеркивает важность динамической балансировки скользящих и качения движений для повышения производительности шлифования, улучшения качества поверхности и продления срока службы шлифовальных кругов.
   В заключение, исследование подчеркивает важную роль составных движений скольжения-качения в высокоскоростном шлифовании рельсов. Оптимизируя соотношение скользящих и прокатных действий, HSG может достичь превосходной эффективности шлифования и качества поверхности, минимизируя при этом термические повреждения. Эти результаты дают теоретическую основу для развития технологии HSG и практические рекомендации по улучшению практики обслуживания рельсов.

Рис. 1. Тенденция изменения SRR, COF и скорости вращения в зависимости от шлифовальных нагрузок и углов контакта.

Рис. 2. Эффективность шлифования при различных углах контакта и шлифовальных нагрузках.

Рис. 3. Морфология поверхности образцов рельсов при различных углах контакта и нагрузках шлифования.

Рис. 4. Шероховатость поверхности и трехмерная морфология образцов рельсов при различных углах контакта и нагрузках шлифования.

Рис. 5. Оптические и металлографические изображения поперечного сечения образцов рельсов, полученные с помощью СЭМ.

Рис. 6. Тип и доля шлифовальных отходов при различных углах контакта и шлифовальных нагрузках.

Рис. 7. Снимки СЭМ и спектры ЭДС для различных типов шлифовальных отходов.

Рис. 8. Схематическая диаграмма влияния скользяще-качающегося составного движения на HSG.

Эта работа была опубликована в Journal of Tribology International.

Ссылки

[1] Fan W, Wu C, Wu Z, et al. Статический механизм контакта между зубчатым контактным колесом и рельсом при шлифовании рельсов абразивной лентой [J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 84: 1229-1245.

[2] Cheng Z N, Zhou Y, Li P J, et al. Механизм распространения трещин и скалывания поверхности рельса на основе перидинамики [J]. Journal of Tongji University, 2023, 51(6): 912-922.

[3] Wang J N, Guo X, Jing L, et al. Конечно-элементное моделирование реакции удара колеса о рельс, вызванного скалыванием поверхности катания колес высокоскоростных поездов [J]. Explosion and Shock Waves, 2022, 42(4): 045103-1-045103-15.

[4] Hua J, Liu J, Liu F и др. Исследование износа WEA полосы и усталостного выкрашивания материала рельса U71MnG с помощью лазерной закалки [J]. Tribology International, 2022, 175: 107811.

[5] Benoît D, Salima B, Marion R. Многомасштабная характеристика возникновения трещины головки на рельсах при усталости контакта качения: механический и микроструктурный анализ [J]. Wear, 2016, 366: 383-391.

[6] Shur E A, Borts A I, Bazanova L V и др. Определение скорости и времени роста усталостной трещины в рельсах с использованием усталостных макролиний [J]. Российская металлургия (Metally), 2020, 2020: 477-482.

[7] Аль-Джубури А., Чжу Х., Ли Х. и др. Микроструктурное исследование разрушения рельса, связанного с дефектами приседания [J]. Engineering Failure Analysis, 2023, 151: 107411.

[8] Масуди Неджад Р., Фархангдост К., Шариати М. Микроструктурный анализ и поведение усталостного разрушения рельсовой стали [J]. Механика современных материалов и конструкций, 2020, 27(2): 152-164.

[9] Фон Дист К., Пушель А. Снижение шума высокоскоростной шлифовки на железной дороге за счет регулярной шлифовки рельсов без перерывов в движении [C] // Труды конгресса и конференции INTER-NOISE и NOISE-CON в GW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247(2): 5206-5212.

[10] Фон Дист К, Ферраротти Г, Кик В и др. Анализ износа высокоскоростного шлифовального транспортного средства HSG-2: проверка, моделирование и сравнение с измерениями[M]// Динамика транспортных средств на дорогах и путях, том 2. CRC Press, 2017: 925-930.

[11] Фон Дист К, Пушель А. Снижение шума высокоскоростной шлифовки на железной дороге за счет регулярной шлифовки рельсов без прерывания движения[C]// Труды конгресса и конференции INTER-NOISE и NOISE-CON в GW. Institute of Noise Control Engineering, 2013, 247(2): 5206-5212.

[12] Месаритис М, Санта Дж. Ф., Молина Л. Ф. и др. Оценка после полевой шлифовки различных марок рельсов в полномасштабных лабораторных испытаниях колес/рельсов[J]. Tribology International, 2023, 177: 107980.

[13] Расмуссен К. Дж., Фэстер С., Дхар С. и др. Образование поверхностных трещин на рельсах при шлифовке, вызванное белыми слоями травления мартенсита[J]. Wear, 2017, 384: 8-14.