En sektion av begagnad räls visar hur mycket stål som har slitits bort på vänster sida av rälshuvudet efter cirka 4 års testning. Kredit:ORNL/Genevieve Martin
Järnvägsskenor är designade för att klara år av tunga belastningar och olika driftsförhållanden. Dock, över tid, kontaktkrafter mellan rälsen och hjulen på tåg kan orsaka betydande slitage på rälsen, som sedan måste bytas ut för att säkerställa säkerhet och tillförlitlighet.
Forskare från Transportation Technology Center Inc. (TTCI) analyserar nya och begagnade järnvägssegment med neutroner vid Department of Energys (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL). TTCI är Association of American Railroads forskningsdotterbolag i Nordamerika, betjänar hela den nordamerikanska järnvägsindustrin. Efter att ha studerat rälsen vid dess 2,7 mil långa testslinga för tunga godstransporter utanför Pueblo, Colorado, TTCI använder neutroner för att bättre förstå hur stressrelaterade effekter på atomär skala påverkar räls hållbarhet och prestanda över tid.
"Dessa skenor testas i kurvor, för det är där vi får mer slitage på rälsen, som ett resultat av att hjulen skaver mot rälsen vid höga krafter, " sa TTCI:s huvudforskare Dr. Ananyo Banerjee. "Hjulet kommer i kontakt med sidan och toppen av skenan och sliter långsamt ner det."
Under tillverkningen, stål pressas och deformeras för att forma skenan, vilket skapar restspänningar i materialets mikrostruktur under uppvärmnings- och kylprocesserna. Neutroner är idealiska verktyg för att studera skenor eftersom de kan penetrera täta metaller djupare än liknande metoder som röntgendiffraktion.
TTCI-forskaren Dr. Ananyo Banerjee använder HFIR:s HB-2B-instrument för att analysera kvarvarande spänningar på en sliten rälsektion, som syftar till att utveckla nya förbättringar för järnvägens tillförlitlighet. Kredit:ORNL/Genevieve Martin
"En av anledningarna till att vi tittar på dessa påfrestningar är att över tid, skenan slits inte bara, det utvecklar också defekter inuti som utmattningssprickor, liknande det vi ibland ser i metallkomponenter som utsätts för cyklisk belastning i andra applikationer, ", sa Banerjee. "Genom att använda neutronspridningsmetoden här, vi kan kvantifiera dessa påfrestningar."
Genom att använda kartläggningsanläggningen för neutronrestspänning, strållinje HB-2B vid ORNL:s högflödesisotopreaktor (HFIR), Banerjee kunde kartlägga platserna och storleken på kvarvarande spänningar i rälsproverna han studerar. Den informationen ger möjliga insikter om hur spänningar skapades under tillverkningsprocessen som kan påverka skenans mekaniska egenskaper under drift.
Banerjee sa att neutronspridningsdata kommer att hjälpa TTCI att utveckla förbättrade järnvägssimuleringsmodeller och andra applikationer för att förbättra järnvägens hållbarhet för ökad säkerhet och prestanda.
