Werkzeug- und prozessseitige Grundlagen des Schienenschleifens und der Wechselwirkung mit dem Einsatzverhalten der Schiene
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Hauptziel des Forschungsvorhabens war der Aufbau einer Wissensbasis zum Schienenschleifen und die Untersuchung des aus der Bearbeitung resultierenden Einsatzverhaltens unter Berücksichtigung externer Einflussfaktoren. Dabei stand zunächst die Quantifizierung der Spanungsmechanismen und der Schleifbarkeit in Abhängigkeit externer Einflüsse wie der Umgebungstemperatur im Fokus der Untersuchungen. Es konnte ein signifikanter Einfluss der Prozessstellgrößen und der Schienentemperatur auf die Spanungsmechanismen festgestellt werden. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass die Spanbildung bei geringeren Schienentemperaturen durch ein verändertes Materialverhalten beeinträchtigt wird. Diese Untersuchungsergebnisse wurden durch Schleifversuche an Schienensegmenten bestätigt. Es konnte festgestellt werden, dass bei geringeren Schienentemperaturen deutlich größere Schleifkräfte entstehen, die einen Anstieg der Schleifenergie und damit der in die Schiene induzierten Wärmeenergie zur Folge haben. Infolgedessen wurden Randzonenbeeinflussung in Form von white etching layers (WEL) festgestellt, deren Existenz und Dicke durch Barkhausenrauschen-Messungen festgestellt werden konnten, und deren Dicke im Zusammenhang mit der Schienentemperatur und der Prozessführung stand. Darauf aufbauend wurde untersucht, inwieweit sich die nicht beeinflussbaren Umwelteinflüsse durch eine geeignete Prozessführung kompensieren lassen. Durch die Qualifizierung von nicht-zerstörenden Messverfahren, wie der Messung des Barkhausenrauschens, sowie der Quantifizierung von Prozesskenngrößen, wie den Schleifkräften und der Spindelleistung wurde ein Modell abgeleitet, mit dem der Schleifprozess in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur angepasst werden kann. Unter unterschiedlichen Bedingungen hergestellte Schienensegmente wurden anschließend tribologisch untersucht. Dazu wurde neben der Entwicklung eines FEM-Modells zur Untersuchung der Reibung im Rad / Schiene-Kontakt ein Versuchsstand entwickelt mit das Einsatzverhalten der geschliffenen Schienensegmente qualifiziert werden kann. Es konnte ein deutlicher Zusammenhang zwischen den Schleifkenngrößen und dem Randzonenzustand der geschliffenen Schiene einerseits und dem Verschleißverhalten der Schienensegmente andererseits festgestellt werden. So wiesen die Schienen, die mit höheren Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeiten oder bei geringerer Schienentemperatur geschliffen wurden, ein deutlich schlechteres Verschleißverhalten auf. Der Masseverschleiß an den geschliffenen Schienensegmenten zeigte eine deutliche Korrelation mit der Dicke des WEL. Da das Randzonengefüge und insbesondere die Dicke des WEL mit der Barkhausenrauschen-Messung quantifizierbar war, konnte eine Korrelation zwischen dem Verschleißverhalten der geschliffenen Schienen und der Barkhausenrauschen-Messung festgestellt werden. Vor diesem Hintergrund konnte unter Verwendung des o.g. Prozessmodells ein Grenzwert für die Barkhausenrauschen-Messung festgelegt werden, mit dem eine Optimierung des Schienenschleifprozesses unter Berücksichtigung der Schienentemperatur möglich ist. Dadurch kann sowohl die Prozessproduktivität als auch die Schienenliegedauer maximiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Werkzeug- und prozessseitige Grundlagen des Schienenschleifens unter Berücksichtigung der Schienentemperatur und der Wechselwirkung mit dem Einsatzverhalten der Schiene. Berichte aus dem Produktionstechnischen Zentrum Berlin. Hrsg.: Uhlmann, E., Stuttgart: Fraunhofer IRB, 2018
Lypovka, P.
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Influence of railway-track grinding on the track material condition and tribological behaviour. Advanced Material Letters 10 (2019) 7, S. 449 – 454
Uhlmann, E.; Bobyr M.; Borody, Y.; Lypovka, P.; Protsenko, P.; Thalau, J.
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The wear resistance research of the rail contact surface depending on the grinding process. Mechanics and Advanced Technology 86 (2019) 2, S. 14 – 22
Bobyr, M.; Borodiy, Y.; Protsenko, P.; Uhlmann, E.; Lypovka, P.; Thalau, J.
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Einfluss der Spanentstehungsmechanismen beim Schienenschleifen auf das tribologische Einsatzverhalten in Abhängigkeit der Schienentemperatur. In: Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen und Polieren - 69. Auflage. Hrsg.: Hoffmeister, H. W.; Denkena, B. Essen: Vulkan, 2020, S. 101 - 114
Uhlmann; E.; Thalau, J.; Bobyr, M.; Borodiy, Y.; Protschenko, P.
