Le meulage des rails est un procédé d'enlèvement de matière par rotation des meules. La durée de meulage étant relativement longue, l'utilisation de liquide de coupe augmente non seulement les coûts de maintenance, mais engendre également une pollution importante. Sans refroidissement ni lubrification, la chaleur générée lors du meulage ne peut être évacuée à temps. Des brûlures de rails sont donc souvent observées après le meulage, en raison de l'humidité ambiante, de la vitesse de rotation élevée des meules (environ 3 600 tr/min) et de la charge de meulage (environ 2 000 N) [1-4], comme illustré à la figure 1. Pour améliorer encore 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.1.Le meulage a provoqué des brûlures et des couches de gravure blanche sur le champignon du rail.
Des chercheurs chinois ont préparé des meules poreuses et ont caractérisé leurs performances de meulage sur un banc d'essai de conception interne [5]. On constate qu'une fois les pores formés dans les meules, la résistance maximale à la compression a diminué de 35 %, passant de 83,74 MPa à 54,53 MPa. Les résultats des expériences de meulage ont montré qu'avec l'augmentation de la porosité des meules, le volume de meulage a légèrement augmenté, la température de meulage a diminué et la charge de la meule a été réduite. Les résultats indiquent qu'une meule à porosité plus élevée possède une meilleure capacité d'auto-dressage, ce qui contribue à prévenir la charge de la meule.
Fig. 2.Morphologie de surface des meules avant et après essai 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 gravure blanche, dure et cassante, a été observée sur tous les champignons de rail au sol en raison de la chaleur de meulage. Les WEL les plus épaisses ont été obtenues par la plus faible porosité des meules, comme indiqué dans les figures 3 et 4. Sous la WEL se trouve une couche de perlite déformée, formée par déformation sous contrainte de cisaillement des grains abrasifs. La dureté de la WEL est de 5,77 GPa, soit environ 2 à 3 fois plus dure que la matrice de perlite. De nombreux chercheurs ont conclu que la WEL est étroitement liée à la rupture du rail [6-8]. Causées par les contraintes mixtes de traction et de cisaillement des roues pendant le service des rails, des fissures peuvent apparaître en surface. La fissure formée se propagerait rapidement à travers la couche de WEL en raison de sa nature cassante, s'étendrait à l'interface WEL et perlite, voire se propagerait dans la matrice de perlite, formant des défauts de rail plus graves [9]. Par conséquent, la dureté et la fragilité provoqueraient une défaillance prématurée du rail au sol et peuvent être efficacement contrôlées par la porosité des meules.
Fig. 3.Dureté du 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 poreuse est illustré à la figure 5. En raison de l'angle de coupe négatif élevé et de la densité relativement élevée des grains actifs, les copeaux fondent d'abord à haute température, puis se fixent à la surface de la meule, ce qui détériore sa capacité de meulage et augmente la chaleur de meulage. En revanche, la meule poreuse présente une meilleure capacité d'auto-dressage et contribue à atténuer les dommages à la surface du rail[8]. D'une part, les pores augmentent l'espace entre les grains abrasifs, offrant ainsi un espace suffisant pour stocker les copeaux et libérer la chaleur. Les copeaux peuvent s'enrouler dans les pores et être éliminés par l'interaction ultérieure des abrasifs, et peuvent également transférer 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 l'effet de frottement entre les grains abrasifs et la surface du rail, réduisant ainsi la préfatigue causée par le meulage des rails, comme indiqué précédemment. Par conséquent, en fonction des performances de meulage exceptionnelles et de l'effet de dommage respectivement plus faible sur la surface du rail, la meule à structure poreuse a un grand potentiel pour être appliquée dans la technologie de meulage des rails dans ses conditions de meulage à grande vitesse et à sec.
Fig. 5.Mécanisme de meulage d'une meule à structures poreuse.
Références
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[3] Zhou K, Ding HH, Wang WJ, Wang RX, Guo J, Liu QY. Influence de la pression de meulage sur les comportements d'enlèvement du matériau du rail. Tribol Int 2019;134:417–26.
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[8] Agarwal S. Sur le mécanisme et la mécanique du chargement des roues dans le meulage. J Manuf Process 2019 ; 41 : 36–47.
[9] Zhang ZY, Shang W, Ding HH, Guo J, Wang HY, Liu QY, et al. Modèle thermique et champ de température dans le processus de meulage des rails basé sur une source de chaleur mobile. Appl Therm Eng 2016 ; 106 : 855–64.
