Comportements de meulage auto-adaptatifs du meulage de rails à grande vitesse sous les mouvements composites de glissement-roulement

L'étude du comportement auto-adaptatif du meulage des rails à grande vitesse soumis à des mouvements composites de glissement-roulement a porté sur l'optimisation des performances de meulage et de la qualité de surface. Les voies ferrées à grande vitesse, caractérisées par des vitesses opérationnelles élevées et des charges par essieu faibles, souffrent souvent de fatigue de contact de roulement [1], qui entraîne un écaillage de surface [2-4], des fissures de fatigue [5,6] et des fractures [7,8]. Ces problèmes nécessitent une maintenance régulière pour garantir laexploitation sûre et fiable des réseaux ferroviairesLes techniques traditionnelles de meulage des rails visent à corriger les défauts profonds, mais entraînent souvent des inefficacités, des temps de maintenance prolongés et des dommages thermiques. Le meulage à grande vitesse (HSG) s'est imposé comme une alternative efficace, offrant des vitesses de meulage plus élevées (60 à 80 km/h) et des fenêtres de maintenance réduites. Contrairement au meulage conventionnel, le HSG fonctionne grâce à des mouvements composites de glissement-roulement, entraînés par les forces de frottement entre les meules (GW) et la surface du rail [9]. Ce mécanisme unique permet à la fois l'enlèvement de matière et l'auto-affûtage abrasif. Cependant, l'interaction entre les mouvements de glissement et de roulement n'a pas été suffisamment explorée, ce qui limite le potentiel du HSG pour l'optimisation de la maintenance des rails. Dans ce travail, un banc d'essai HSG fabriqué maison a été utilisé pour simuler les conditions de meulage sur site. Les expériences ont été menées sous différents angles de contact (30°, 45° et 60°) et charges de meulage (500 N, 700 N et 900 N) [10, 11].

1. Le rapport glissement-roulement.Français Les résultats démontrent que les mouvements composites de glissement-roulement jouent un rôle crucial dans l'influence du comportement de meulage. Le rapport de glissement-roulement (SRR), défini comme le rapport entre la vitesse de glissement et la vitesse de laminage, comme illustré à la Fig. 1, augmentait avec l'angle de contact et la charge de meulage, ce qui reflétait intuitivement les changements dans le mouvement composite de glissement-roulement des paires de meulage. Par exemple, le SRR est passé de 0,18 à un angle de contact de 30° à 0,81 à 60°. Ce passage d'un mouvement dominé par le roulement à un équilibre entre glissement et roulement a considérablement amélioré les résultats de meulage. L'étude a révélé qu'un angle de contact de 45° produisait l'efficacité de meulage la plus élevée, tandis qu'un angle de contact de 60° produisait la meilleure qualité de surface. La rugosité de surface (Ra) diminuait considérablement avec l'augmentation de l'angle de contact, passant de 12,9 μm à 30° à 3,5 μm à 60°, comme illustré aux Fig. 2 à Fig. 4.

2. WEL induit par le broyage.Lors du meulage, en raison des effets de couplage thermomécanique, notamment des contraintes de contact élevées, des températures élevées et un refroidissement rapide, des transformations métallurgiques et des déformations plastiques se produisent à la surface du rail. Ces changements conduisent à la formation d'une couche blanche de gravure (CGB) cassante, sujette à la fracture sous les contraintes cycliques dues au contact roue-rail. Tous les résultats révèlent que l'épaisseur moyenne de la CGB est inférieure à 8 μm, soit une épaisseur inférieure à celle induite par le meulage actif (~40 μm) [12, 13], comme illustré à la figure 5. Ce phénomène est probablement lié aux caractéristiques uniques de la méthode HSG. Comparativement au meulage actif traditionnel, dans le HSG, une seule particule abrasive n'intervient dans le processus de meulage que pendant une courte période au cours d'un cycle de rotation, même à des angles de contact élevés. La plupart du temps, la particule abrasive se trouve en phase de dissipation thermique après le meulage. Cela garantit que la particule abrasive a suffisamment de temps pour dissiper la chaleur avant de se réengager dans le meulage, ce qui améliore les conditions thermiques à l'interface de meulage.

3. Débris de broyage.L'analyse des débris de meulage a apporté des informations supplémentaires sur les mécanismes d'enlèvement de matière, comme le montrent les figures 6 et 7. Les débris en forme d'écoulement et de couteau, qui témoignent d'une bonne performance de meulage, étaient plus fréquents à des SRR plus élevés. En revanche, les débris en blocs et en tranches étaient dominants à des angles de contact plus faibles, ce qui reflète une performance de meulage insuffisante. La présence de débris sphériques augmentait avec les charges de meulage, indiquant des températures de meulage élevées. Ces observations soulignent l'importance d'optimiser les paramètres de meulage pour équilibrer efficacité et conditions thermiques.

4. Mécanisme du mouvement de glissement-roulement du composé.L'étude a également révélé l'interaction dynamique entre les mouvements de glissement et de roulement lors du meulage, comme illustré à la figure 8. Le glissement facilite l'enlèvement de matière de la surface du rail, tandis que le roulement améliore l'évacuation des débris et l'auto-affûtage de l'abrasif. Cet équilibre dynamique est essentiel pour obtenir un meulage efficace avec un minimum de dommages thermiques. Cependant, une insistance excessive sur l'un ou l'autre mouvement peut conduire à des résultats sous-optimaux : le mouvement dominé par le roulement augmente la rugosité de la surface, tandis que le mouvement dominé par le glissement peut entraîner une réduction du renouvellement de l'abrasif et une augmentation des dommages thermiques.

5. Évaluation complète.Des évaluations complètes des performances de meulage, notamment l'efficacité du meulage, la rugosité de surface et l'épaisseur de la couche d'usure, ont mis en évidence les avantages de l'optimisation des mouvements composites de glissement-roulement, comme illustré à la figure 9. Les courbes radar des performances de meulage sous différentes charges et angles de contact ont montré qu'un angle de contact de 45° offrait le meilleur équilibre global entre efficacité et qualité. En revanche, un angle de contact de 60° produisait systématiquement les surfaces les plus lisses, ce qui le rendait idéal pour les passes de meulage finales. Ces résultats suggèrent qu'un ajustement ciblé des paramètres de meulage peut permettre de traiter efficacement les différents types de dommages à la surface des rails.

Cette recherche offre des implications pratiques pour la maintenance des trains à grande vitesse. Pour les premières passes de meulage, un angle de contact de 45° maximise l'efficacité d'enlèvement de matière, tandis qu'un angle de 60° assure une qualité de surface supérieure lors des étapes de finition. L'étude souligne l'importance d'un équilibrage dynamique des mouvements de glissement et de roulement pour améliorer les performances de meulage, la qualité de surface et la durée de vie des meules.

En conclusion, l'étude souligne le rôle crucial des mouvements composites de glissement et de roulement dans le meulage des rails à grande vitesse. En optimisant la proportion d'actions de glissement et de roulement, le HSG permet d'obtenir une efficacité de meulage et une qualité de surface supérieures tout en minimisant les dommages thermiques. Ces résultats fournissent une base théorique pour le développement de la technologie HSG et des lignes directrices pratiques pour améliorer les pratiques de maintenance ferroviaire.

Fig. 1.Tendance de variation du SRR, du COF et de la vitesse de rotation avec les charges de meulage et les angles de contact.

Fig. 2.Efficacité de meulage sous différents angles de contact et charges de meulage.

Fig. 3.Les morphologies de surface des échantillons de rail sous différents angles de contact et charges de meulage.

Fig. 4.Rugosité de surface etMorphologies 3Dd'échantillons de rails sous différents angles de contact et charges de meulage.

Fig. 5.Images optiques et métallographiques MEB en coupe transversale des échantillons de rail.

Fig. 6.Le type et la proportion dedébris de broyagesous différents angles de contact et charges de meulage.

Fig. 7.Images SEM et spectres EDS pour différents types de débris de broyage.

Fig. 8.Diagramme schématique de l'effet du mouvement composite de glissement-roulement sur HSG.

Ce travail a été publié dans le Journal of Tribology International.

Références

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