I danni del Common Rail

La rotaia è uno degli elementi portanti più importanti del sistema ferroviario. La trazione e la frenatura dei treni sono garantite dall'attrito tra ruote e rotaia. Pertanto, un buon stato delle rotaie è un prerequisito per garantire la sicurezza e il regolare funzionamento dei treni. Tuttavia, a causa delle sollecitazioni di contatto alternate, il materiale delle rotaie subisce spesso danni da usura o fatica. Come mostrato nella Figura 1, i principali tipi di danni alle rotaie includono: cricche da fatica, spellature, usura delle corrugazioni, schiacciamento e usura laterale delle rotaie, che rappresentano oltre l'80% di tutti i danni alle rotaie. Con l'aumento della velocità di marcia dei treni e del carico per asse, i problemi di fatica e usura delle rotaie diventano sempre più gravi, il che fa sì che la domanda di tecnologie di rettifica delle rotaie aumenti notevolmente.

1. Cricca da fatica da contatto volvente. La cricca da fatica da contatto volvente è una delle forme di danno più comuni delle rotaie ferroviarie ad alta velocità [1], come mostrato nella Figura 2. Generalmente, le cricche non si estendono fino in fondo, ma si estendono alla superficie della rotaia in un arco per formare un aspetto di sbucciatura della rotaia, come mostrato nella Figura 2. La superficie superiore della rotaia è depressa a causa dello sbucciamento e lo stress da impatto si forma quando passano le ruote del treno, il che aggrava le vibrazioni e il rumore. In alcuni casi, le cricche diramate nella fossa di sbucciatura possono espandersi sotto la rotaia e portare alla frattura della rotaia, che può causare gravi incidenti di sicurezza [2].

2. Usura delle ondulazioni delle rotaieL'usura da ondulazione delle rotaie si riferisce al fenomeno di usura irregolare periodica della superficie della rotaia entro un certo intervallo longitudinale [3, 4], come mostrato in Figura 3. L'usura da ondulazione aumenterà le vibrazioni e il rumore del treno, influirà sul comfort di viaggio e ridurrà la durata a fatica delle parti della locomotiva e del veicolo. In base alla lunghezza d'onda dell'usura da ondulazione, si divide in ondulazione a onde corte (lunghezza d'onda 25~80 mm) e a onde lunghe (lunghezza d'onda superiore a 100 mm). Le principali cause di ondulazione includono teorie dinamiche e non dinamiche. La teoria dinamica ritiene che la vibrazione del sistema ruota-rotaia porti all'ondulazione, comprese vibrazioni autoeccitate, risonanza e vibrazioni di feedback [5]. La teoria non dinamica ritiene che la formazione di ondulazione sia principalmente correlata ai materiali della rotaia e al processo di fusione, ecc.; e anche se l'interforza ruota-rotaia è costante, la rotaia presenterà comunque ondulazione a causa del suo flusso plastico irregolare [6,7].

3. Schiacciamento delle rotaie. Lo schiacciamento delle rotaie è il fenomeno per cui il materiale della superficie della rotaia subisce una deformazione plastica e il battistrada si appiattisce, fenomeno comunemente osservato sulle rotaie nella sezione curva delle ferrovie pesanti [8], come mostrato in Figura 4. Lo schiacciamento delle rotaie modifica la forma della testa della rotaia, modificando la forza di contatto ruota-rotaia, il che aggraverà le vibrazioni e il rumore di scorrimento. Inoltre, lo schiacciamento delle rotaie è spesso accompagnato da danni da spaccatura o da cricche da fatica. Il limite di stabilità è spesso utilizzato come criterio per valutare se si verificano danni da schiacciamento nelle rotaie e l'aumento del limite di snervamento dei materiali può prevenire o rallentare questo tipo di danno.

4. Usura laterale della rotaia. L'usura laterale delle rotaie è la principale forma di danno alle rotaie con curve a piccolo raggio [9], come mostrato in Figura 5. Nelle ferrovie cinesi, il 98% delle rotaie con curve a piccolo raggio viene rottamato a causa dell'eccessiva usura laterale. Quando la locomotiva e il veicolo entrano nella sezione curva, il treno avanza per inerzia, ma il binario costringe la cassa del treno a girare. In questo caso, le ruote impatteranno sulla rotaia e si verificherà una grave usura laterale. In particolare, quando la forza centrifuga e la forza centripeta del treno sono sbilanciate, il carico della rotaia interna ed esterna sarà sbilanciato, il che aggrava notevolmente l'usura laterale [10, 11]. È opinione diffusa che l'usura laterale delle rotaie ne riduca la durata utile e che la modifica del profilo della rotaia peggiori l'interazione ruota/rotaia, compromettendo la stabilità del treno in curva.

Fig. 1 Crepe da fatica.

Fig. 2 Sbucciatura delle rotaie.

Fig. 3 Usura delle ondulazioni delle rotaie.

Fig. 4 Schiacciamento delle rotaie.

Fig. 5 Usura laterale della rotaia.

Riferimenti

1. K. Zhou. Ricerca sulle regole e i meccanismi di rimozione del materiale durante la rettifica delle rotaie [D]. Chengdu: Tesi di dottorato della Southwest Jiaotong University, 2020.
2. X. Zhao, ZL Li. Una soluzione tridimensionale agli elementi finiti del contatto volvente ruota-rotaia per attrito in elastoplasticità [J]. Atti dell'Institution of Mechanical Engineers, Parte J: Journal of Engineering Tribology, 2015, 229(1): 86-100.
3. W. Zhong, J. Hu, P. Shen e altri. Indagine sperimentale tra fatica da contatto volvente e usura di ferrovie ad alta velocità e ad alto trasporto e selezione del materiale ferroviario [J]. Usura, 2011, 271(9-10): 2485-2493.
4. S. Grassie, J. Kalousek. Ondulazione delle rotaie: caratteristiche, cause e trattamenti [J]. Atti dell'Institution of Mechanical Engineers, Parte F: Journal of Rail and Rapid Transit, 1993, 207(1): 57-68.
5. Y. Gu. Studio sul meccanismo di ondulazione delle rotaie su binari ferroviari ad alta velocità senza massicciata [D]. Pechino: Tesi di dottorato della Beijing Jiaotong University, 2017.
6. X. Jin, X. Li, W. Li, et al. Revisione dei progressi nella corrugazione delle rotaie [J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2016, 51(2-3): 264-273.
7. S. Li, D. Liu, P. Liu e altri. Formazione di ondulazioni ed evoluzione della microstruttura dell'acciaio ferroviario U75V [J]. Journal of Dalian Jiaotong University, 2019, 40(5): 66-71.
8. Z. Li, Z. Yan, S. Li. Influenza dell'ondulazione della rotaia sulle prestazioni dinamiche del sistema veicolo-scambio ad alta velocità [J]. Journal of Central South University (Scienza e tecnologia), 2003, 25(1): 104-108.
9. W. Wang, H. Guo, X. Du, et al. Indagine sul meccanismo di danneggiamento e prevenzione delle rotaie ferroviarie ad alto trasporto [J]. Engineering Failure Analysis, 2013, 35: 206-218.
10. Y. Zhou, S. Wang, T. Wang e altri. Indagine sul campo e in laboratorio sulla relazione tra il controllo della testa della rotaia e l'usura in una ferrovia ad alto trasporto [J]. Wear, 2014, 315(1-2): 68-77.
11. I. Povilaitiene, I. Kamaitis, I. Podagelis. Influenza della larghezza dello scartamento sull'usura laterale della rotaia sulle curve dei binari [J]. Journal of Civil Engineering and Management, 2006, 12(3): 255-260.
12. W. Zhai, J. Gao, P. Liu e altri. Riduzione dell'usura laterale della rotaia nelle curve ferroviarie per trasporto pesante basata sull'interazione dinamica ruota-rotaia [J]. Vehicle System Dynamics, 2014, 52(sup1): 440-454.