Comportamenti di rettifica autoadattativi della rettifica di rotaie ad alta velocità sotto i movimenti compositi di scorrimento e rotolamento

I comportamenti di rettifica auto-adattivi delle ferrovie ad alta velocità sotto movimenti compositi di scorrimento-rotolamento si sono concentrati sull'ottimizzazione delle prestazioni di rettifica e della qualità della superficie. Le ferrovie ad alta velocità, caratterizzate da elevate velocità operative e carichi assiali leggeri, spesso soffrono di fatica da contatto di rotolamento [1], che porta a scheggiature superficiali [2-4], cricche da fatica [5,6] e fratture [7,8]. Questi problemi richiedono una manutenzione tempestiva per garantire lafunzionamento sicuro e affidabile delle reti ferroviarie. Le tecniche tradizionali di rettifica delle rotaie mirano a risolvere difetti profondi, ma spesso causano inefficienze, tempi di manutenzione prolungati e danni termici. La rettifica ad alta velocità (HSG) è emersa come un'alternativa efficace, offrendo velocità di rettifica più elevate (60-80 km/h) e "finestre di manutenzione" ridotte. A differenza della rettifica convenzionale, l'HSG funziona tramite movimenti compositi di scorrimento-rotolamento, guidati da forze di attrito tra mole abrasive (GW) e la superficie della rotaia [9]. Questo meccanismo unico consente sia la rimozione del materiale che l'autoaffilatura abrasiva. Tuttavia, l'interazione tra movimenti di scorrimento e rotolamento non è stata sufficientemente esplorata, limitando il potenziale dell'HSG per l'ottimizzazione della manutenzione delle rotaie. In questo lavoro, è stato utilizzato un banco di prova HSG fatto in casa per simulare le condizioni di rettifica in loco. Sono stati condotti esperimenti con angoli di contatto variabili (30°, 45° e 60°) e carichi di rettifica (500 N, 700 N e 900 N) [10, 11].

1. Il rapporto tra scorrimento e rollio.I risultati dimostrano che i movimenti compositi di scorrimento-rotolamento svolgono un ruolo cruciale nell'influenzare il comportamento di rettifica. Il rapporto di scorrimento-rotolamento (SRR), definito come il rapporto tra velocità di scorrimento e velocità di rotolamento, come mostrato in Fig. 1, è aumentato sia con l'angolo di contatto che con il carico di rettifica, il che rifletteva intuitivamente i cambiamenti nel movimento composito di scorrimento-rotolamento delle coppie di rettifica. Ad esempio, l'SRR è cresciuto da 0,18 con un angolo di contatto di 30° a 0,81 a 60°. Questo passaggio dal movimento dominato dal rotolamento a un equilibrio tra scorrimento e rotolamento ha migliorato significativamente i risultati di rettifica. Lo studio ha scoperto che un angolo di contatto di 45° ha prodotto la massima efficienza di rettifica, mentre un angolo di contatto di 60° ha prodotto la migliore qualità superficiale. La rugosità superficiale (Ra) è diminuita sostanzialmente all'aumentare dell'angolo di contatto, da 12,9 μm a 30° a 3,5 μm a 60°, come mostrato in Fig. 2 a Fig. 4.

2. WEL indotto dalla macinazione.Durante il processo di rettifica, a causa degli effetti di accoppiamento termo-meccanico, tra cui elevato stress da contatto, temperature elevate e rapido raffreddamento, si verificano trasformazioni metallurgiche e deformazione plastica sulla superficie della rotaia. Questi cambiamenti portano alla formazione di uno strato di incisione bianca fragile (WEL), che è soggetto a frattura sotto stress ciclici dal contatto ruota-rotaia. Tutti i risultati rivelano che lo spessore medio del WEL è inferiore a 8 μm, che è più sottile del WEL indotto dalla rettifica attiva (~40 μm) [12, 13], come mostrato in Fig. 5. Questo fenomeno è probabilmente correlato alle caratteristiche uniche del metodo HSG. Rispetto alla rettifica attiva tradizionale, nell'HSG, una singola particella abrasiva si impegna nel processo di rettifica solo per un breve periodo durante un ciclo di rivoluzione, anche ad angoli di contatto elevati. Per la maggior parte del tempo, la particella abrasiva si trova nel periodo di dissipazione del calore dopo la rettifica. Ciò garantisce che la particella abrasiva abbia tempo sufficiente per dissipare il calore prima di impegnarsi nuovamente nella rettifica, con conseguenti condizioni termiche migliorate all'interfaccia di rettifica.

3. Detriti di macinazione.L'analisi dei detriti di macinazione ha fornito ulteriori approfondimenti sui meccanismi di rimozione del materiale, come mostrato in Fig.6 e Fig.7. I detriti simili a flussi e a forma di coltello, che indicano prestazioni di macinazione efficaci, erano più diffusi a SRR più elevati. Al contrario, i detriti a blocchi e a fette erano dominanti ad angoli di contatto inferiori, riflettendo prestazioni di macinazione inadeguate. La presenza di detriti sferici aumentava con i carichi di macinazione, indicando temperature di macinazione elevate. Queste osservazioni evidenziano l'importanza di ottimizzare i parametri di macinazione per bilanciare efficienza e condizioni termiche.

4. Meccanismo del moto di scorrimento-rotolamento del composto.Lo studio ha inoltre rivelato l'interazione dinamica tra movimenti di scorrimento e rotolamento nel processo di rettifica, come mostrato nella Fig. 8. Lo scorrimento ha facilitato la rimozione del materiale dalla superficie della rotaia, mentre il rotolamento ha migliorato lo scarico dei detriti e l'autoaffilatura dell'abrasivo. Questo equilibrio dinamico è essenziale per ottenere una rettifica efficiente con danni termici minimi. Tuttavia, un'eccessiva enfasi su uno dei due movimenti può portare a risultati non ottimali: il movimento dominato dal rotolamento aumenta la rugosità della superficie, mentre il movimento dominato dallo scorrimento può comportare un ridotto rinnovo dell'abrasivo e un aumento dei danni termici.

5. Valutazione completa.Valutazioni complete delle prestazioni di rettifica, tra cui efficienza di rettifica, rugosità superficiale e spessore WEL, hanno evidenziato i vantaggi dell'ottimizzazione dei movimenti compositi di scorrimento-rotolamento, come mostrato nella Fig. 9. I grafici radar delle prestazioni di rettifica sotto vari carichi e angoli di contatto hanno mostrato che un angolo di contatto di 45° ha fornito il miglior equilibrio complessivo di efficienza e qualità. Tuttavia, l'angolo di contatto di 60° ha prodotto costantemente le superfici più lisce, rendendolo ideale per le passate di rettifica finali. Questi risultati suggeriscono che regolazioni mirate ai parametri di rettifica possono affrontare efficacemente i danni variabili alla superficie della rotaia.

Questa ricerca offre implicazioni pratiche per la manutenzione delle ferrovie ad alta velocità. Per le passate iniziali di rettifica, un angolo di contatto di 45° massimizza l'efficienza di rimozione del materiale, mentre un angolo di 60° assicura una qualità superficiale superiore nelle fasi di finitura. Lo studio sottolinea l'importanza di bilanciare dinamicamente i movimenti di scorrimento e rotolamento per migliorare le prestazioni di rettifica, migliorare la qualità della superficie e prolungare la durata utile delle mole.

In conclusione, lo studio evidenzia il ruolo critico dei movimenti compositi di scorrimento-rotolamento nella rettifica delle rotaie ad alta velocità. Ottimizzando la proporzione di azioni di scorrimento e rotolamento, l'HSG può ottenere un'efficienza di rettifica e una qualità superficiale superiori, riducendo al minimo i danni termici. Questi risultati forniscono una base teorica per far progredire la tecnologia HSG e linee guida pratiche per migliorare le pratiche di manutenzione delle rotaie.

Figura 1.Andamento della variazione di SRR, COF e velocità di rotazione con carichi di rettifica e angoli di contatto.

Figura 2.Efficienza di rettifica con diversi angoli di contatto e carichi di rettifica.

Figura 3.Morfologie superficiali di campioni di rotaie sottoposti a diversi angoli di contatto e carichi di rettifica.

Figura 4.Rugosità superficiale eMorfologie 3Ddi campioni di rotaie sottoposti a diversi angoli di contatto e carichi di rettifica.

Figura 5.Immagini metallografiche ottiche e SEM trasversali dei campioni di rotaie.

Figura 6.Il tipo e la proporzione didetriti di macinazionesotto diversi angoli di contatto e carichi di rettifica.

Figura 7.Immagini SEM e spettri EDS per diversi tipi di detriti di macinazione.

Figura 8.Diagramma schematico dell'effetto del moto composito di scorrimento-rotolamento sull'HSG.

Questo lavoro è stato pubblicato sulla rivista Journal of Tribology International.

Riferimenti

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