Vliv minerálních částic pro zvyšování trakce na adhezi a poškození kol a kolejnic

Adhesion and damage characteristics of wheel/rail using different mineral particles as adhesion enhancers

journal article in Web of Science

en

Mineral particles are used to improve adhesion between wheel and rail, but they might lead to severe damages of wheel and rail surfaces. To investigate the adhesion enhancement phenomena and damages of both wheel and rail induced by adhesion enhancers, the crushing strengths of four types of mineral particles (zinc oxide, sand, spinel and alumina) were firstly explored on a uniaxial compression tester. Then the adhesion, wear and damage of wheel/rail were studied on a twin-disc machine under the wet condition. The results show that the characteristic crushing strength was 24 MPa for zinc oxide, 40 MPa for sand, 51 MPa for spinel and 73 MPa for alumina, respectively. For particle with the lowest crushing strength (zinc oxide), the adhesion coefficient was the lowest (around 0.20). With the increase in the crushing strength to 40 MPa, the adhesion coefficient was improved to around 0.28. The particles with higher crushing strengths induced larger wheel/rail wear rates and severer rolling contact fatigue (RCF) damages on wheel and rail. The RCF cracks were large in lengths but small in angles, which finally developed into large pieces of material peeling off from the surface. Sand was the most suitable adhesion enhancer considering its good adhesion enhancement and the relatively mild damage on wheel/rail materials.

Minerální částice jsou v kolejové dopravě využívány pro zvyšování adheze mezi kolem a kolejnicí. Aplikace těchto částice však může vést k závažnému poškození povrchů. Cílem této studie bylo objasnit zavilost mezi pevnostní v tlaku testovaných částic a opotřebením a poškozením povrchu, ke kterému dochází v důsledku aplikace částic. Studovanými částicemi byly částice oxidu zinečnatého, křemičitého písku, spinelu a oxidu hlinitého. Nejdříve byly pomocí jednoosého zkušebního stroje stanoveny hodnoty pevnosti v tlaku pro testované částice, přičemž částice dosahovaly následujících hodnot pevnosti v tlaku: 20 MPa – oxid zinečnatý, 40 MPa – křemičitý písek, 51 MPa – spinel a 73 MPa – oxid hlinitý. Poté byly pomocí dvoudiskového zařízení provedeny adhezní testy za mokrých podmínek. Po ukončení těchto testů byla vyhodnocena míra opotřebení a poškození kontaktních těles. Tyto testy ukázaly, že částice s nejnižší hodnotou pevnosti v tlaku vykazovaly nejnižší schopnost obnovy adheze. Součinitel adheze se během testu pohyboval okolo hodnoty 0,2. V případě dalších částic bylo pozorováno, že s rostoucí hodnotou pevnosti v tlaku rostla také schopnost obnovy adheze. Nejvyšší dosažené hodnota součinitele adheze ve vodou kontaminovaném kontaktu byla 0,28. Následná analýza těles však ukázala, že částice s vyšší pevností v tlaku způsobují významné opotřebení a také únavové poškození kontaktních povrchů. Na kontaktních površích byly pozorovány dlouhé trhliny s malým úhlem růstu, což vedlo k odlupování materiálu z povrchu. Na základě těchto výsledku se zdá být nejvhodnějším materiálem pro zvyšování trakce křemičitý písek, který má dobrou schopnost obnovy adheze při relativně malém poškození kontaktní těles.

Mineral particles are used to improve adhesion between wheel and rail, but they might lead to severe damages of wheel and rail surfaces. To investigate the adhesion enhancement phenomena and damages of both wheel and rail induced by adhesion enhancers, the crushing strengths of four types of mineral particles (zinc oxide, sand, spinel and alumina) were firstly explored on a uniaxial compression tester. Then the adhesion, wear and damage of wheel/rail were studied on a twin-disc machine under the wet condition. The results show that the characteristic crushing strength was 24 MPa for zinc oxide, 40 MPa for sand, 51 MPa for spinel and 73 MPa for alumina, respectively. For particle with the lowest crushing strength (zinc oxide), the adhesion coefficient was the lowest (around 0.20). With the increase in the crushing strength to 40 MPa, the adhesion coefficient was improved to around 0.28. The particles with higher crushing strengths induced larger wheel/rail wear rates and severer rolling contact fatigue (RCF) damages on wheel and rail. The RCF cracks were large in lengths but small in angles, which finally developed into large pieces of material peeling off from the surface. Sand was the most suitable adhesion enhancer considering its good adhesion enhancement and the relatively mild damage on wheel/rail materials.

minerální částice; pevnost v tlaku, adheze mezi kolem a kolejnicí; opotřebení, únava materiálu

mineral particles; crushing strength; wheel/rail adhesion; wear; rolling contact fatigue

18.07.2021

Elsevier

Nizozemsko

0043-1648

477

8

203796–203796

12