Amélioration de la combustion des rails induite par le meulage grâce à des meules poreuses

Le meulage des rails est un procédé d'enlèvement de matière par meules rotatives. Le kilométrage des rails étant important, l'utilisation d'un fluide de coupe augmente non seulement les coûts de maintenance, mais engendre également une pollution considérable. Sans refroidissement ni lubrification, la chaleur générée lors du meulage ne peut être dissipée à temps, ce qui provoque fréquemment des brûlures sur les rails. Ces brûlures sont dues à la sécheresse, à la vitesse de rotation élevée des meules (environ 3 600 tr/min) et à la charge de meulage (environ 2 000 N) [1-4], comme illustré sur la figure 1. Pour améliorer l'efficacité du meulage et obtenir une bonne intégrité de surface, la conception et la fabrication de pores dans les meules constituent une solution économique et efficace [5].

Fig. 1Le meulage a provoqué des brûlures et des dépôts blanchâtres sur le champignon du rail.

Des chercheurs chinois ont préparé des meules poreuses et caractérisé leurs performances de meulage sur un banc d'essai qu'ils ont eux-mêmes conçu [5]. Ils ont constaté que la formation de pores dans les meules entraînait une diminution de 35 % de la résistance à la compression maximale, passant de 83,74 MPa à 54,53 MPa. Les résultats des essais de meulage ont montré qu'une augmentation de la porosité des meules améliorait légèrement le volume de meulage, diminuait la température de meulage et réduisait la charge sur la meule. Ces résultats indiquent qu'une meule à porosité plus élevée possède une meilleure capacité d'auto-affûtage, ce qui contribue à prévenir l'encrassement.

Fig. 2.Morphologie de surface des meules avant et après test avec différentes porosités : 8,12 % (a) et (e), 15,81 % (b) et (f), 18,60 % (c) et (g) et 21,18 % (d) et (h).

Une couche de corrosion blanche, dure et cassante, a été observée sur toutes les surfaces de rail rectifiées, due à la chaleur de rectification. L'épaisseur maximale de cette couche correspondait à la plus faible porosité des meules, comme illustré sur les figures 3 et 4. Sous cette couche se trouve une couche de perlite déformée par la contrainte de cisaillement des grains abrasifs. Sa dureté est de 5,77 GPa, soit environ 2 à 3 fois supérieure à celle de la matrice perlitique. De nombreux chercheurs ont conclu à une corrélation étroite entre la couche de corrosion blanche et la rupture des rails [6-8]. Sous l'effet des contraintes mixtes de traction et de cisaillement exercées par les meules lors du service des rails, des fissures peuvent apparaître en surface. La fragilité de la couche de corrosion blanche provoque une propagation rapide de celle-ci, son extension à l'interface entre la couche et la perlite, voire sa pénétration dans la matrice perlitique, engendrant des défauts plus importants sur le rail [9]. Ainsi, cette dureté et cette fragilité peuvent entraîner une rupture prématurée des rails rectifiés, un phénomène qui peut être efficacement contrôlé par la porosité des meules.

Fig. 3. Dureté de la couche WEL et de la couche déformée.

Fig. 4. OM des sections transversales du rail rectifié par différentes porosités de meules : 8,12 % (a), 15,81 % (b), 18,60 % (c) et 21,18 % (d).

Le mécanisme de meulage d'une meule à structure poreuse est illustré à la figure 5. En raison de l'angle de dépouille négatif élevé et de la densité de grains actifs relativement importante, les copeaux fondent d'abord sous l'effet de la température élevée, puis adhèrent à la surface de la meule, ce qui détériore son pouvoir de meulage et augmente la chaleur dégagée. À l'inverse, la meule poreuse possède une meilleure capacité d'auto-affûtage et contribue à limiter l'endommagement de la surface du rail [8]. D'une part, la structure poreuse accroît l'espace entre les grains abrasifs, offrant ainsi un volume suffisant pour le stockage des copeaux et la dissipation de la chaleur. Les copeaux peuvent s'enrouler dans les pores et être éliminés par l'interaction ultérieure des abrasifs, et peuvent également évacuer une partie de la chaleur de la zone de contact. D'autre part, la contrainte et la hauteur de saillie de chaque grain actif sont supérieures à celles d'une meule ordinaire, ce qui augmente l'épaisseur des copeaux non coupés et réduit le frottement entre les grains abrasifs et la surface du rail, diminuant ainsi la pré-fatigue induite par le meulage du rail, comme expliqué précédemment. Par conséquent, compte tenu de ses performances de rectification exceptionnelles et de son faible impact sur la surface du rail, la meule à structure poreuse présente un fort potentiel d'application dans la technologie de rectification des rails, notamment grâce à sa vitesse élevée et à ses conditions de rectification à sec.

Fig. 5Mécanisme de broyage d'une meule à structure poreuse.

Références

• Zhang W, Zhang P, Zhang J, Fan X, Zhu M. Étude de l'effet de la taille des grains abrasifs sur le comportement du meulage des rails. J Manuf Process 2020;53:388–95.
• Lin B, Zhou K, Guo J, Liu QY, Wang WJ. Influence des paramètres de rectification sur la température de surface et le comportement à la brûlure d'un rail de rectification. Tribol Int 2018;122:151–62.
• Zhou K, Ding HH, Wang WJ, Wang RX, Guo J, Liu QY. Influence de la pression de meulage sur le comportement d'enlèvement de matière des rails. Tribol Int 2019;134:417–26.
• Tawakoli T, Westkaemper E, Rabiey M. Broyage à sec par conditionnement spécial. Int J Adv Manuf Technol 2007;33:419–24.
• YuanY, Zhang W, Zhang P, Fan X, Zhu M. Meules poreuses pour atténuer la pré-fatigue et augmenter l'efficacité d'enlèvement de matière lors du meulage des rails. Tribol Int 2021; 154: 106692.
• Magel E, Roney M, Kalousek J, Sroba P. Le mélange de la théorie et de la pratique dans le meulage moderne des rails. Fatigue Fract Eng Mater Struct 2003;26:921–9.
• Cuervo PA, Santa JF, Toro A. Corrélations entre les mécanismes d'usure et les opérations de rectification des rails dans un réseau ferroviaire commercial. Tribol Int 2015;82:265–73.
• Agarwal S. Sur le mécanisme et la mécanique du chargement de la meule en rectification. J Manuf Process 2019;41:36–47.

Zhang ZY, Shang W, Ding HH, Guo J, Wang HY, Liu QY, et al. Modèle thermique et champ de température dans le processus de rectification des rails basé sur une source de chaleur mobile. Appl Therm Eng 2016;106:855–64.