Los daños del Common Rail

El riel es uno de los elementos de soporte más importantes del sistema ferroviario. La tracción y el frenado de los trenes se realizan mediante la fricción entre las ruedas y el riel. Por lo tanto, un buen estado del riel es fundamental para garantizar la seguridad y la fluidez de la circulación. Sin embargo, debido a las tensiones de contacto alternas, el material del riel suele sufrir desgaste o daños por fatiga. Como se muestra en la Figura 1, los principales tipos de daños en el riel incluyen: grietas por fatiga, descascarillado, desgaste por corrugación, aplastamiento y desgaste lateral del riel, que representan más del 80% de todos los daños en el riel. Con el aumento de la velocidad de circulación de los trenes y la carga por eje, los problemas de fatiga y desgaste del riel se agravan, lo que aumenta considerablemente la demanda de tecnologías de rectificado de rieles.

1. Grieta por fatiga por contacto rodante. La grieta por fatiga por contacto rodante es uno de los daños más comunes en los rieles de alta velocidad [1], como se muestra en la Figura 2. Generalmente, las grietas no se extienden completamente hacia abajo, sino que se extienden hacia la superficie del riel formando un arco, formando un desprendimiento, como se muestra en la Figura 2. La superficie superior del riel se deprime debido al desprendimiento, y la tensión de impacto se genera al pasar las ruedas del tren, lo que agrava la vibración y el ruido. En algunos casos, las grietas secundarias en el desprendimiento pueden expandirse por debajo del riel y provocar su fractura, lo que puede causar accidentes graves que afectan la seguridad [2].

2. Desgaste de la corrugación del rielEl desgaste por corrugación del riel se refiere al fenómeno de la superficie desgastada irregular periódica en el riel dentro de un cierto rango longitudinal [3, 4], como se muestra en la Figura 3. El desgaste por corrugación aumentará la vibración y el ruido del tren, afectará la comodidad del viaje y reducirá la vida útil por fatiga de las piezas de la locomotora y el vehículo. Según la longitud de onda del desgaste por corrugación, se divide en corrugación de onda corta (longitud de onda de 25 a 80 mm) y de onda larga (longitud de onda mayor de 100 mm). Las principales causas de la corrugación incluyen teorías dinámicas y no dinámicas. La teoría dinámica cree que la vibración del sistema rueda-riel conduce a la corrugación, incluyendo vibración autoexcitada, resonancia y vibración de retroalimentación [5]. La teoría no dinámica que la formación de corrugación está relacionada principalmente con los materiales del riel y el proceso de fundición, etc.; e incluso si la interfuerza rueda-riel es constante, el riel también ocurrirá corrugación debido a su flujo plástico desigual [6,7].

3. Aplastamiento de rieles. El aplastamiento del riel es un fenómeno en el que el material superior del riel sufre una deformación plástica y la banda de rodadura se aplana. Este fenómeno se observa comúnmente en los rieles de tramos curvos de ferrocarriles de servicio pesado [8], como se muestra en la Figura 4. El aplastamiento del riel altera la forma de la cabeza del riel y la fuerza de contacto rueda-riel, lo que agrava la vibración y el ruido durante la marcha. Además, el aplastamiento del riel suele ir acompañado de desgaste o grietas por fatiga. El límite de estabilidad se utiliza a menudo como criterio para determinar si se producen daños por aplastamiento en el riel, y el aumento del límite elástico de los materiales puede prevenir o ralentizar este tipo de daño.

4. Desgaste del lado del riel. El desgaste lateral del riel es la principal causa de daño en rieles con curvas de radio pequeño [9], como se muestra en la Figura 5. En los ferrocarriles chinos, el 98% de los rieles con curvas de radio pequeño se desechan debido al excesivo desgaste lateral. Cuando la locomotora y el vehículo entran en la sección de curva, el tren avanza debido a la inercia, pero la vía obliga a la carrocería del tren a girar. En este caso, las ruedas impactarán el riel y se producirá un grave desgaste lateral. Especialmente, cuando la fuerza centrífuga y la fuerza centrípeta del tren están desequilibradas, la carga del riel interior y exterior se desviará, lo que agravará considerablemente el desgaste lateral [10, 11]. Se cree ampliamente que el desgaste lateral del riel acorta la vida útil del riel, y el cambio de perfil del riel empeora la interacción rueda/riel, afectando la estabilidad del tren al pasar la curva.

Fig. 1 Grietas por fatiga.

Fig. 2 Pelado del riel.

Fig. 3 Desgaste de la corrugación del riel.

Fig. 4 Aplastamiento de rieles.

Fig. 5 Desgaste lateral del riel.

Referencias

1. K. Zhou. Investigación sobre las reglas y mecanismos de remoción de material durante el rectificado de rieles [D]. Chengdu: Tesis doctoral de la Universidad Jiaotong del Suroeste, 2020.
2. X. Zhao, ZL Li. Solución tridimensional de elementos finitos para el contacto de rodadura por fricción rueda-carril en elastoplasticidad [J]. Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos, Parte J: Revista de Tribología en Ingeniería, 2015, 229(1): 86-100.
3. W. Zhong, J. Hu, P. Shen, et al. Investigación experimental entre la fatiga por contacto rodante y el desgaste de ferrocarriles de alta velocidad y de transporte pesado, y selección del material del riel [J]. Wear, 2011, 271(9-10): 2485-2493.
4. S. Grassie, J. Kalousek. Corrugación ferroviaria: características, causas y tratamientos [J]. Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos, Parte F: Revista de Ferrocarril y Tránsito Rápido, 1993, 207(1): 57-68.
5. Y. Gu. Estudio sobre el mecanismo de ondulación de los rieles en vías ferroviarias de alta velocidad sin balasto [D]. Pekín: Tesis doctoral de la Universidad Jiaotong de Pekín, 2017.
6. X. Jin, X. Li, W. Li, et al. Revisión del progreso de la corrugación ferroviaria [J]. Revista de la Universidad Jiaotong del Suroeste, 2016, 51(2-3): 264-273.
7. S. Li, D. Liu, P. Liu, et al. Formación de corrugaciones y evolución de la microestructura del acero para rieles U75V [J]. Revista de la Universidad Jiaotong de Dalian, 2019, 40(5): 66-71.
8. Z. Li, Z. Yan, S. Li. Influencia de la corrugación del riel en el rendimiento dinámico de un sistema de desvío de vehículos de alta velocidad [J]. Revista de la Universidad Central del Sur (Ciencia y Tecnología), 2003, 25(1): 104-108.
9. W. Wang, H. Guo, X. Du, et al. Investigación sobre el mecanismo de daño y la prevención de fallas en ferrocarriles de transporte pesado [J]. Análisis de fallas de ingeniería, 2013, 35: 206-218.
10. Y. Zhou, S. Wang, T. Wang, et al. Investigación de campo y laboratorio sobre la relación entre el agrietamiento de la cabeza del riel y el desgaste en un ferrocarril de transporte pesado [J]. Wear, 2014, 315(1-2): 68-77.
11. I. Povilaitiene, I. Kamaitis, I. Podagelis. Influencia del ancho de vía en el desgaste lateral del carril en curvas [J]. Revista de Ingeniería Civil y Gestión, 2006, 12(3): 255-260.
12. W. Zhai, J. Gao, P. Liu, et al. Reducción del desgaste lateral del carril en curvas de ferrocarriles de transporte pesado basada en la interacción dinámica rueda-carril [J]. Dinámica de sistemas de vehículos, 2014, 52(sup1): 440-454.