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

El comportamiento autoadaptativo del rectificado de rieles de alta velocidad bajo movimientos de deslizamiento-rodamiento de materiales compuestos se centró en optimizar el rendimiento del rectificado y la calidad superficial. Los ferrocarriles de alta velocidad, caracterizados por altas velocidades operativas y cargas ligeras por eje, a menudo sufren fatiga por contacto de rodadura [1], lo que provoca desconchado superficial [2-4], grietas por fatiga [5,6] y fracturas [7,8]. Estos problemas requieren un mantenimiento oportuno para garantizar laOperación segura y confiable de las redes ferroviariasLas técnicas tradicionales de rectificado de rieles buscan corregir defectos profundos, pero a menudo resultan en ineficiencias, tiempos de mantenimiento prolongados y daños térmicos. El rectificado de alta velocidad (HSG) se ha convertido en una alternativa eficaz, ofreciendo velocidades de rectificado más altas (60–80 km/h) y ventanas de mantenimiento más cortas. A diferencia del rectificado convencional, el HSG funciona mediante movimientos compuestos de deslizamiento y rodadura, impulsados ​​por las fuerzas de fricción entre las muelas de rectificado (MDR) 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 del HSG para optimizar el mantenimiento de los rieles. En este trabajo, se empleó un banco de pruebas de HSG de fabricación casera para simular las condiciones de rectificado in situ. Se realizaron experimentos con 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-balanceo.Los resultados demuestran que los movimientos compuestos de deslizamiento-rodamiento desempeñan un papel crucial en la influencia del 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 Fig.1, aumentó tanto con el ángulo de contacto como con la carga de rectificado, lo que reflejó intuitivamente los cambios en el movimiento compuesto 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 de un movimiento dominado por la rodadura a un equilibrio entre deslizamiento y rodadura mejoró significativamente los resultados del rectificado. El estudio encontró que un ángulo de contacto de 45° produjo la mayor eficiencia de rectificado, mientras que un ángulo de contacto de 60° produjo la mejor calidad de superficie. La rugosidad superficial (Ra) disminuyó sustancialmente al aumentar el ángulo de contacto, de 12,9 μm con 30° a 3,5 μm con 60°, como se muestra en las Fig.2 a Fig.4.

2. WEL inducida por molienda.Durante el proceso de rectificado, debido a los efectos de acoplamiento termomecánico, incluyendo alta tensión de contacto, temperaturas elevadas y enfriamiento rápido, transformaciones metalúrgicas y deformación plástica ocurren 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 el WEL inducido por rectificado activo (~40 μm) [12, 13], como se muestra en la Fig.5. Este fenómeno está probablemente 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 por un breve período durante un ciclo de revolución, incluso en ángulos de contacto altos. Para 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 utilizarse para moler, lo que da como resultado mejores condiciones térmicas en la interfaz de molido.

3. Residuos de molienda.El análisis de los residuos de rectificado 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 cuchilla, que indican un rendimiento de rectificado eficaz, fueron más frecuentes a mayores SRR. Por el contrario, los residuos en bloque y en rodajas predominaron a menores ángulos de contacto, lo que refleja un rendimiento de rectificado deficiente. La presencia de residuos esféricos aumentó con las cargas de rectificado, lo que indica temperaturas de rectificado elevadas. Estas observaciones resaltan la importancia de optimizar los parámetros de rectificado 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 del abrasivo. Este equilibrio dinámico es esencial para lograr un rectificado eficiente con mínimo daño térmico. Sin embargo, un énfasis excesivo en cualquiera de los dos movimientos puede generar resultados subóptimos: el movimiento predominantemente rodante aumenta la rugosidad superficial, mientras que el movimiento predominantemente deslizante puede resultar en una menor renovación del abrasivo y un mayor daño térmico.

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

Esta investigación ofrece implicaciones prácticas para el mantenimiento de trenes de alta velocidad. En 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 superficial superior en las etapas de acabado. El estudio subraya la importancia de equilibrar dinámicamente los movimientos de deslizamiento y rodadura para optimizar el rendimiento del rectificado, mejorar la calidad superficial y prolongar la vida útil de las muelas.

En conclusión, el estudio destaca el papel crucial de los movimientos compuestos de deslizamiento y rodadura en el rectificado de rieles de alta velocidad. Al optimizar la proporción de deslizamiento y rodadura, la HSG puede lograr una eficiencia de rectificado superior y una calidad superficial superior, a la vez que minimiza el daño térmico. Estos hallazgos proporcionan una base teórica para el avance de la tecnología HSG y directrices prácticas para mejorar las prácticas de mantenimiento ferroviario.

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 rectificado.

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

Figura 6.El tipo y proporción deresiduos de moliendabajo diferentes ángulos de contacto y cargas de rectificado.

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 en HSG.

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

Referencias

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