Comportements de meulage auto-adaptatifs des rails à grande vitesse soumis aux mouvements composites de glissement-roulement

Les comportements de meulage auto-adaptatifs des rails à grande vitesse sous des mouvements composites de glissement-roulement se sont concentrés sur l'optimisation des performances de meulage et de la qualité de surface. Les chemins de fer à grande vitesse, caractérisés par des vitesses opérationnelles élevées et des charges par essieu légères, souffrent souvent de fatigue de contact de roulement [1], ce qui entraîne un écaillage de surface [2-4], des fissures de fatigue [5,6] et des fractures [7,8]. Ces problèmes nécessitent une maintenance en temps opportun pour garantir laexploitation sûre et fiable des réseaux ferroviairesLes techniques traditionnelles de meulage des rails visent à remédier aux défauts profonds, mais elles entraînent souvent des inefficacités, des temps de maintenance prolongés et des dommages thermiques. Le meulage à grande vitesse (HSG) est apparu comme une alternative efficace, offrant des vitesses de meulage plus élevées (60-80 km/h) et des « fenêtres de maintenance » réduites. Contrairement au meulage conventionnel, le HSG fonctionne grâce à des mouvements composites de glissement-roulement, entraînés par des forces de frottement entre les meules (GW) et la surface du rail [9]. Ce mécanisme unique permet à la fois l'enlèvement de matière et l'auto-affûtage abrasif. Cependant, l'interaction entre les mouvements de glissement et de roulement n'a pas été suffisamment explorée, ce qui limite le potentiel du HSG pour l'optimisation de la maintenance des rails. Dans ce travail, un banc d'essai HSG fabriqué maison a été utilisé pour simuler les conditions de meulage sur site. Des expériences ont été menées sous différents angles de contact (30°, 45° et 60°) et charges de meulage (500 N, 700 N et 900 N) [10, 11].

1. Le rapport glissement-roulement.Les résultats démontrent que les mouvements composites de glissement-roulement jouent un rôle crucial dans l'influence du comportement de meulage. Le rapport de glissement-roulement (SRR), défini comme le rapport entre la vitesse de glissement et la vitesse de roulement, comme indiqué dans la Fig. 1, a augmenté avec l'angle de contact et la charge de meulage, ce qui reflète intuitivement les changements dans le mouvement composite de glissement-roulement des paires de meulage. Par exemple, le SRR est passé de 0,18 à un angle de contact de 30° à 0,81 à 60°. Ce passage d'un mouvement dominé par le roulement à un équilibre entre glissement et roulement a considérablement amélioré les résultats de meulage. L'étude a révélé qu'un angle de contact de 45° produisait l'efficacité de meulage la plus élevée, tandis qu'un angle de contact de 60° produisait la meilleure qualité de surface. La rugosité de surface (Ra) a diminué considérablement à mesure que l'angle de contact augmentait, de 12,9 μm à 30° à 3,5 μm à 60°, comme indiqué dans les Fig. 2 à Fig. 4.

2. WEL induit par le broyage.Français Au cours du processus de meulage, en raison des effets de couplage thermomécanique, notamment des contraintes de contact élevées, des températures élevées et un refroidissement rapide, des transformations métallurgiques et une déformation plastique se produisent sur la surface du rail. Ces changements conduisent à la formation d'une couche de gravure blanche cassante (WEL), qui est sujette à la fracture sous les contraintes cycliques du contact roue-rail. Tous les résultats révèlent que l'épaisseur moyenne de la WEL est inférieure à 8 μm, ce qui est plus mince que la WEL induite par le meulage actif (~40 μm) [12, 13], comme le montre la figure 5. Ce phénomène est probablement lié aux caractéristiques uniques de la méthode HSG. Par rapport au meulage actif traditionnel, dans le HSG, une seule particule abrasive s'engage dans le processus de meulage pendant une brève période seulement au cours d'un cycle de révolution, même à des angles de contact élevés. Pendant la majeure partie du temps, la particule abrasive est dans la période de dissipation thermique après le meulage. Cela garantit que la particule abrasive a suffisamment de temps pour dissiper la chaleur avant de se réengager dans le meulage, ce qui améliore les conditions thermiques à l'interface de meulage.

3. Débris de broyage.L'analyse des débris de meulage a fourni des informations supplémentaires sur les mécanismes d'élimination de matière, comme le montrent les figures 6 et 7. Les débris en forme d'écoulement et de couteau, qui signifient une performance de meulage efficace, étaient plus fréquents à des SRR plus élevés. En revanche, les débris en blocs et en tranches étaient dominants à des angles de contact plus faibles, ce qui reflète une performance de meulage inadéquate. La présence de débris sphériques augmentait avec les charges de meulage, indiquant des températures de meulage élevées. Ces observations soulignent l'importance d'optimiser les paramètres de meulage pour équilibrer l'efficacité et les conditions thermiques.

4. Mécanisme du mouvement de glissement du composé roulant.L'étude a également révélé l'interaction dynamique entre les mouvements de glissement et de roulement dans le processus de meulage, comme le montre la figure 8. Le glissement facilite l'élimination de la matière de la surface du rail, tandis que le roulement améliore l'évacuation des débris et l'auto-affûtage de l'abrasif. Cet équilibre dynamique est essentiel pour obtenir un meulage efficace avec un minimum de dommages thermiques. Cependant, une importance excessive accordée à l'un ou l'autre mouvement peut conduire à des résultats sous-optimaux : le mouvement dominé par le roulement augmente la rugosité de la surface, tandis que le mouvement dominé par le glissement peut entraîner un renouvellement abrasif réduit et une augmentation des dommages thermiques.

5. Évaluation complète.Des évaluations complètes des performances de meulage, notamment l'efficacité de meulage, la rugosité de surface et l'épaisseur de la couche de roulement, ont mis en évidence les avantages de l'optimisation des mouvements composites de glissement-roulement, comme le montre la figure 9. Les graphiques radar des performances de meulage sous différentes charges et angles de contact ont montré qu'un angle de contact de 45° offrait le meilleur équilibre global entre efficacité et qualité. Cependant, l'angle de contact de 60° produisait systématiquement les surfaces les plus lisses, ce qui le rendait idéal pour les passes de meulage finales. Ces résultats suggèrent que des ajustements ciblés des paramètres de meulage peuvent traiter efficacement les différents dommages à la surface des rails.

Cette recherche offre des implications pratiques pour la maintenance des trains à grande vitesse. Pour les passes de meulage initiales, un angle de contact de 45° maximise l'efficacité de l'enlèvement de matière, tandis qu'un angle de 60° assure une qualité de surface supérieure dans les étapes de finition. L'étude souligne l'importance d'équilibrer dynamiquement les mouvements de glissement et de roulement pour améliorer les performances de meulage, améliorer la qualité de surface et prolonger la durée de vie des meules.

En conclusion, l'étude met en évidence le rôle essentiel des mouvements composites de glissement et de roulement dans le meulage des rails à grande vitesse. En optimisant la proportion d'actions de glissement et de roulement, HSG peut atteindre une efficacité de meulage et une qualité de surface supérieures tout en minimisant les dommages thermiques. Ces résultats fournissent une base théorique pour faire progresser la technologie HSG et des lignes directrices pratiques pour améliorer les pratiques de maintenance des rails.

Fig. 1.Tendance de variation du SRR, du COF et de la vitesse de rotation avec les charges de meulage et les angles de contact.

Fig. 2.Efficacité de meulage sous différents angles de contact et charges de meulage.

Fig. 3.Les morphologies de surface des échantillons de rail sous différents angles de contact et charges de meulage.

Fig. 4.Rugosité de surface etMorphologies 3Dd'échantillons de rails sous différents angles de contact et charges de meulage.

Fig. 5.Images métallographiques optiques et SEM en coupe transversale des échantillons de rail.

Fig. 6.Le type et la proportion dedébris de broyagesous différents angles de contact et charges de meulage.

Fig. 7.Images SEM et spectres EDS pour différents types de débris de broyage.

Fig. 8.Diagramme schématique de l'effet du mouvement composite glissement-roulement sur HSG.

Ce travail a été rapporté dans le Journal of Tribology International.

Références

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