Evaluierungstechnologie zur verschleißfesten Verstärkung und nahtlosen Nachrüstung von Laschenverbindungen
Was sind die wichtigsten Verschleißarten der Laschengelenke und welche Mechanismen wirken sich auf den Fahrkomfort aus?
Zu den Kernarten des Laschengelenkverschleißes gehören drei Hauptkategorien: Rad-Schienenschlagverschleiß, Reibverschleiß und Korrosionsverschleiß. Rad-Schienenaufprallverschleiß tritt auf, wenn der Zug über die Verbindungsstelle fährt, wodurch der Radsatz an der Verbindungsstelle mit der Schiene und der Lasche zusammenstößt, was zu Metallabplatzungen von der Schienenoberfläche mit einer Verschleißtiefe von 1-2 mm führt. An der Kontaktfläche zwischen der Lasche und der Schiene tritt Reibverschleiß auf, wo sie unter der Zugbelastung ein leichtes relatives Gleiten erfahren, was zu Oxidationsverschleiß des Kontaktflächenmetalls und der Ansammlung von Verschleißrückständen führt. Korrosionsverschleiß entsteht durch elektrochemische Korrosion durch Wasseransammlung und Feuchtigkeit an der Verbindungsstelle; Korrosionsgruben beschleunigen den Verschleißprozess und erhöhen die Gelenkverschleißrate um mehr als das Doppelte. Der Mechanismus, der den Fahrkomfort beeinträchtigt, besteht darin, dass Gelenkverschleiß zu einer unebenen Schienenoberfläche führt, wodurch ein „Stufeneffekt“ entsteht. Wenn der Zug darüber fährt, erzeugt er vertikale Aufprallvibrationen mit einer Beschleunigung von mehr als 0,5 g, was weit über dem Fahrkomfortstandard von 0,1 g für Hochgeschwindigkeitszüge liegt. Aufprallvibrationen verschärfen die dynamische Interaktion zwischen Rad und Schiene, erhöhen den Rad-Schiene-Geräusch, verringern den Fahrgastkomfort und beschleunigen das Ermüdungsversagen von Gleiskomponenten.
Welche Auswirkungen haben Oberflächenhärtungsverfahren und die Verbesserung der Verschleißfestigkeit auf hochbelastbare Laschenverbindungen?
Hochleistungs-Laschenverbindungen nutzen einen zusammengesetzten Oberflächenhärtungsprozess aus Laserabschrecken und Plasmaspritzen. Beim Laserhärten wird ein 10-kW-Faserlaser mit einer Scangeschwindigkeit von 5 mm/s eingesetzt, der eine 2 mm tiefe Härteschicht auf der Laschenschienenoberfläche bildet, eine Härte von HRC58-62 erreicht und die Verschleißfestigkeit um das Dreifache verbessert. Beim Plasmaspritzen wird ein Legierungspulver auf Eisenbasis mit einer 3 mm dicken Sprühschicht verwendet, die sich metallurgisch mit dem Laschensubstrat verbindet und eine Verbindungsfestigkeit von mindestens 30 MPa sowie eine hervorragende Schlag- und Verschleißfestigkeit erreicht. Nach dem Verbundprozess weist die Laschenverbindung eine Oberflächenrauheit Ra von weniger als oder gleich 1,6 μm und eine Abweichung von der Ebenheit der Schienenoberfläche von weniger als oder gleich 0,1 mm auf, wodurch ein reibungsloser Übergang zur Schienenoberfläche gewährleistet und der „Stufen“-Effekt vermieden wird. Verschleißfestigkeitstests zeigten, dass nach 1 Million Rad-Schienen-Aufpralltests die Verbindungsverschleißtiefe nur 0,2 mm betrug, was 1/5 der Tiefe herkömmlicher Laschen entspricht, und damit die Betriebsanforderungen von 10.000 {24}Tonnen-Schwerlastzügen vollständig erfüllt. Nachdem die verstärkte Laschenverbindung auf Schwerlaststrecken angewendet wurde, wurde die Vibrationsbeschleunigung des Zuges um 40 % reduziert, was die Laufruhe deutlich verbesserte.
Was sind die Kernprozesse und Qualitätskontrollpunkte für die nahtlose Änderung von Hochgeschwindigkeits-Laschenverbindungen?
Die nahtlose Modifikation von Hochgeschwindigkeits-Laschenverbindungen übernimmt den Kernprozess des aluminothermischen Schweißens + Schleifens und Endbearbeitens. Das beim aluminothermischen Schweißen verwendete Flussmittel ist eine spezielle Qualität für Hochgeschwindigkeitsschienen, und die chemische Zusammensetzung des Schweißguts stimmt mit der der Schiene überein, wodurch sichergestellt wird, dass die Schweißnahtfestigkeit mit dem Schienenkörper übereinstimmt. Vor dem Schweißen muss die Schienenverbindung vorgewärmt werden, wobei die Vorwärmtemperatur auf 300 -350 Grad geregelt wird und der Vorwärmbereich auf jeder Seite der Verbindung 100 mm beträgt, um Kaltrisse während des Schweißens zu vermeiden. Während des Schweißprozesses wird die Verbrennungstemperatur des Flussmittels streng kontrolliert. Wenn die Temperatur 2500 Grad erreicht, füllt das geschmolzene Metall den Verbindungsspalt und bildet eine vollständige Schweißnaht. Nach dem Schweißen wird die Schweißnaht mit einer CNC-Schleifmaschine nachbearbeitet. Nach dem Schleifen beträgt die Ebenheitsabweichung der Schienenoberfläche höchstens 0,05 mm und die Rauheit Ra höchstens 1,6 μm, wodurch eine nahtlose Verbindung mit der Schienenoberfläche gewährleistet ist. Zu den wichtigsten Qualitätskontrollpunkten gehört die Erkennung von Schweißfehlern. Mit einem Ultraschallprüfgerät wird die Schweißnaht auf interne Fehler überprüft. Defekte mit einer Länge von mehr als oder gleich 3 mm gelten als inakzeptabel und müssen erneut geschweißt werden. Gleichzeitig wird der Härtegradient der Schweißnaht überprüft, um sicherzustellen, dass der Härtewert mit dem Schienenkörper übereinstimmt und Spannungskonzentrationen durch plötzliche Härteänderungen vermieden werden.
Was sind die Kernabmessungen und Bewertungsindikatoren für die Nachrüstung nahtloser Laschenverbindungen?
Die Kerndimensionen für die Nachrüstung nahtloser Laschenverbindungen umfassen drei Hauptkategorien: mechanische Leistung, Fahrkomfort und Lebensdauer. Zu den Bewertungsindikatoren für die mechanische Leistungsdimension gehören die Zugfestigkeit der Schweißnaht, die Streckgrenze und die Schlagzähigkeit. Die Anforderungen sind Schweißzugfestigkeit größer oder gleich 980 MPa, Streckgrenze größer oder gleich 880 MPa und Schlagzähigkeit größer oder gleich 30 J/cm², im Einklang mit der Leistung des Schienenkörpers. Zu den Bewertungsindikatoren für den Fahrkomfort gehören die Rad-{6}}Schienenvibrationsbeschleunigung und die Unebenheit der Schienenoberfläche. Die Vibrationsbeschleunigung muss kleiner oder gleich 0,1 g sein und die Unebenheit der Schienenoberfläche muss kleiner oder gleich 0,05 mm/m sein, um den Komfortstandards für Hochgeschwindigkeitszüge zu entsprechen. Zu den Bewertungsindikatoren für die Lebensdauer zählen die Schweißnahtverschleißrate und die Ermüdungslebensdauer. Die Verschleißrate muss kleiner oder gleich 0,05 mm/Jahr sein und die Ermüdungslebensdauer muss größer oder gleich 8 Millionen Zyklen sein, dreimal so viel wie bei herkömmlichen Laschenverbindungen. Darüber hinaus müssen die Wartungskosten nach der Änderung bewertet werden, was einen verlängerten Wartungszyklus von über 5 Jahren und eine Reduzierung der Wartungskosten um 50 % erfordert, um ein Gleichgewicht zwischen wirtschaftlichen und sozialen Vorteilen zu erreichen.
Welche Prüfmethoden und Wirksamkeitskriterien gibt es zur Bewertung der fugenlosen Modifikation von Laschenverbindungen?
Die Kernprüfmethode zur Bewertung der nahtlosen Modifikation von Laschenverbindungen ist die Ultraschallprüfung, die Mängel wie Porosität, Schlackeneinschlüsse und Risse innerhalb der Schweißnaht erkennt. Ein Fehleräquivalent von kleiner oder gleich φ2 mm gilt als akzeptabel. Die zusätzliche Testmethode ist die dynamische Gleisinspektionsfahrzeugprüfung, bei der Daten wie Unregelmäßigkeiten der Schienenoberfläche und Rad-{3}}Schienenvibrationsbeschleunigung erfasst werden, um den Fahrkomfort zu bewerten. Die mechanische Leistungsprüfung wurde mit einer Universalprüfmaschine durchgeführt. Zugversuche ermittelten die Zugfestigkeit der Schweißnaht, Schlagversuche ermittelten die Schlagzähigkeit und Härteversuche ermittelten die Härtegradientenverteilung. Die Bewertungskriterien waren: Alle mechanischen Leistungsindikatoren entsprachen den Standards und die Schweißnaht wies keine über die Standards hinausgehenden Mängel auf; Die Laufruhe entsprach den Standards für den Hochgeschwindigkeitsbahnbetrieb mit einer Vibrationsbeschleunigung von höchstens 0,1 g. Die Lebensdauer entsprach den Designanforderungen mit einer Verschleißrate von höchstens 0,05 mm/Jahr. und die Wartungskosten wurden um mehr als oder gleich 50 % reduziert. Wenn ein Bewertungsindikator den Standard nicht erfüllte, musste die Ursache analysiert und Korrekturmaßnahmen umgesetzt werden. Beispielsweise erforderte eine unzureichende Schweißnahthärte ein erneutes Abschrecken und unebene Schienenoberflächen erforderten ein erneutes Schleifen und Endbearbeiten, um sicherzustellen, dass der Modifikationseffekt den Designanforderungen entsprach.