Comportamientos de rectificado autoadaptativos del rectificado de rieles de alta velocidad bajo movimientos compuestos de deslizamiento y rodadura

Los comportamientos de rectificado autoadaptativos de los rieles de alta velocidad bajo movimientos de deslizamiento y rodadura de materiales compuestos se centraron en optimizar el rendimiento del rectificado y la calidad de la superficie. Los ferrocarriles de alta velocidad, caracterizados por altas velocidades operativas y cargas ligeras en los ejes, a menudo sufren fatiga por contacto de rodadura [1], lo que conduce al desconchado de la superficie [2-4], grietas por fatiga [5,6] y fracturas [7,8]. Estos problemas requieren un mantenimiento oportuno para garantizar laOperación segura y confiable de redes ferroviariasLas técnicas tradicionales de rectificado de rieles apuntan a abordar defectos profundamente arraigados, pero a menudo resultan en ineficiencias, tiempos de mantenimiento prolongados y daño térmico. El rectificado de alta velocidad (HSG) ha surgido como una alternativa eficaz, que ofrece velocidades de rectificado más altas (60–80 km/h) y "ventanas de mantenimiento" reducidas. A diferencia del rectificado convencional, HSG opera a través de movimientos compuestos de deslizamiento y rodadura, impulsados ​​por fuerzas de fricción entre las muelas de rectificado (GW) y la superficie del riel [9]. Este mecanismo único permite tanto la eliminación de material como el autoafilado abrasivo. Sin embargo, la interacción entre los movimientos de deslizamiento y rodadura no se ha explorado lo suficiente, lo que limita el potencial de HSG para la optimización del mantenimiento de rieles. En este trabajo, se empleó un banco de pruebas HSG casero para simular las condiciones de rectificado en el sitio. Los experimentos se llevaron a cabo bajo diferentes ángulos de contacto (30°, 45° y 60°) y cargas de rectificado (500 N, 700 N y 900 N) [10, 11].

1. La relación de deslizamiento-rodamiento.Los resultados demuestran que los movimientos de deslizamiento-rodamiento de los compuestos desempeñan un papel crucial a la hora de influir en el comportamiento del rectificado. La relación de deslizamiento-rodamiento (SRR), definida como la relación entre la velocidad de deslizamiento y la velocidad de rodadura, como se muestra en la figura 1, aumentó tanto con el ángulo de contacto como con la carga de rectificado, lo que reflejó intuitivamente los cambios en el movimiento de deslizamiento-rodamiento de los pares de rectificado. Por ejemplo, la SRR aumentó de 0,18 con un ángulo de contacto de 30° a 0,81 con 60°. Este cambio del movimiento dominado por el rodamiento a un equilibrio entre deslizamiento y rodadura mejoró significativamente los resultados del rectificado. El estudio descubrió que un ángulo de contacto de 45° producía la mayor eficiencia de rectificado, mientras que un ángulo de contacto de 60° producía la mejor calidad de superficie. La rugosidad de la superficie (Ra) disminuyó sustancialmente a medida que aumentaba el ángulo de contacto, de 12,9 μm con 30° a 3,5 μm con 60°, como se muestra en las figuras 2 a 4.

2. WEL inducida por molienda.Durante el proceso de rectificado, debido a los efectos de acoplamiento termomecánico, que incluyen alta tensión de contacto, temperaturas elevadas y enfriamiento rápido, se producen transformaciones metalúrgicas y deformación plástica en la superficie del riel. Estos cambios conducen a la formación de una capa de grabado blanca frágil (WEL), que es propensa a fracturarse bajo tensiones cíclicas del contacto rueda-riel. Todos los resultados revelan que el espesor promedio de la WEL es menor a 8 μm, que es más delgado que la WEL inducida por rectificado activo (~40 μm) [12, 13], como se muestra en la Fig. 5. Este fenómeno probablemente esté relacionado con las características únicas del método HSG. En comparación con el rectificado activo tradicional, en HSG, una sola partícula abrasiva participa en el proceso de rectificado solo durante un breve período durante un ciclo de revolución, incluso en ángulos de contacto altos. Durante la mayor parte del tiempo, la partícula abrasiva está en el período de disipación de calor después del rectificado. Esto garantiza que la partícula abrasiva tenga tiempo suficiente para disipar el calor antes de volver a participar en el pulido, lo que da como resultado mejores condiciones térmicas en la interfaz de pulido.

3. Residuos de molienda.El análisis de los residuos de molienda proporcionó información adicional sobre los mecanismos de eliminación de material, como se muestra en las figuras 6 y 7. Los residuos en forma de flujo y de cuchillo, que indican un rendimiento de molienda eficaz, fueron más frecuentes en los SRR más altos. Por el contrario, los residuos en forma de bloque y en rodajas fueron dominantes en los ángulos de contacto más bajos, lo que refleja un rendimiento de molienda inadecuado. La presencia de residuos esféricos aumentó con las cargas de molienda, lo que indica temperaturas de molienda elevadas. Estas observaciones resaltan la importancia de optimizar los parámetros de molienda para equilibrar la eficiencia y las condiciones térmicas.

4. Mecanismo de movimiento compuesto de rodadura deslizante.El estudio también reveló la interacción dinámica entre los movimientos de deslizamiento y rodadura en el proceso de rectificado, como se muestra en la Fig. 8. El deslizamiento facilitó la eliminación de material de la superficie del riel, mientras que la rodadura mejoró la descarga de residuos y el autoafilado abrasivo. Este equilibrio dinámico es esencial para lograr un rectificado eficiente con un daño térmico mínimo. Sin embargo, un énfasis excesivo en cualquiera de los dos movimientos puede conducir a resultados subóptimos: el movimiento dominado por la rodadura aumenta la rugosidad de la superficie, mientras que el movimiento dominado por el deslizamiento puede resultar en una renovación abrasiva reducida y un mayor daño térmico.

5. Evaluación integral.Evaluaciones exhaustivas del rendimiento del rectificado, incluida la eficiencia del rectificado, la rugosidad de la superficie y el espesor de la WEL, destacaron las ventajas de optimizar los movimientos de deslizamiento y rodadura de los compuestos, como se muestra en la Fig. 9. Los gráficos de radar del rendimiento del rectificado bajo diversas cargas y ángulos de contacto mostraron que un ángulo de contacto de 45° proporcionó el mejor equilibrio general de eficiencia y calidad. Sin embargo, el ángulo de contacto de 60° produjo consistentemente las superficies más lisas, lo que lo hace ideal para las pasadas de rectificado finales. Estos hallazgos sugieren que los ajustes específicos a los parámetros de rectificado pueden abordar eficazmente los daños variables en la superficie del riel.

Esta investigación ofrece implicaciones prácticas para el mantenimiento de los ferrocarriles de alta velocidad. Para las pasadas iniciales de rectificado, un ángulo de contacto de 45° maximiza la eficiencia de remoción de material, mientras que un ángulo de 60° garantiza una calidad superior de la superficie en las etapas de acabado. El estudio subraya la importancia de equilibrar dinámicamente los movimientos de deslizamiento y rodadura para mejorar el rendimiento del rectificado, mejorar la calidad de la superficie y extender la vida útil de las muelas de rectificado.

En conclusión, el estudio destaca el papel fundamental de los movimientos de deslizamiento y rodadura en el rectificado de rieles de alta velocidad. Al optimizar la proporción de acciones de deslizamiento y rodadura, HSG puede lograr una eficiencia de rectificado y una calidad de superficie superiores, al tiempo que minimiza el daño térmico. Estos hallazgos proporcionan una base teórica para el avance de la tecnología HSG y pautas prácticas para mejorar las prácticas de mantenimiento de rieles.

Figura 1.Tendencia de variación de SRR, COF y velocidad de rotación con cargas de rectificado y ángulos de contacto.

Figura 2.Eficiencia de rectificado bajo diferentes ángulos de contacto y cargas de rectificado.

Figura 3.Morfologías superficiales de muestras de rieles bajo diferentes ángulos de contacto y cargas de rectificado.

Figura 4.Rugosidad de la superficie yMorfologías 3Dde muestras de rieles bajo diferentes ángulos de contacto y cargas de molienda.

Figura 5.Imágenes metalográficas SEM y ópticas de secciones transversales de las muestras de riel.

Figura 6.El tipo y la proporción deescombros de moliendabajo diferentes ángulos de contacto y cargas de molienda.

Figura 7.Imágenes SEM y espectros EDS para diferentes tipos de residuos de molienda.

Figura 8.Diagrama esquemático del efecto del movimiento compuesto de deslizamiento-rodamiento sobre HSG.

Este trabajo ha sido publicado en el Journal of Tribology International.

Referencias

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