Comportamenti di rettifica autoadattativi della rettifica ferroviaria ad alta velocità sotto i movimenti compositi di scorrimento e rotolamento

I comportamenti di rettifica autoadattativi delle ferrovie ad alta velocità sottoposte a movimenti compositi di scorrimento e rotolamento si sono concentrati sull'ottimizzazione delle prestazioni di rettifica e della qualità superficiale. Le ferrovie ad alta velocità, caratterizzate da elevate velocità operative e carichi assiali leggeri, spesso soffrono di fatica da contatto di rotolamento [1], che porta a scheggiature superficiali [2-4], cricche da fatica [5,6] e fratture [7,8]. Questi problemi richiedono una manutenzione tempestiva per garantirefunzionamento sicuro e affidabile delle reti ferroviarieLe tecniche tradizionali di rettifica delle rotaie mirano a correggere difetti profondi, ma spesso si traducono in inefficienze, tempi di manutenzione prolungati e danni termici. La rettifica ad alta velocità (HSG) si è affermata come un'alternativa efficace, offrendo velocità di rettifica più elevate (60-80 km/h) e "finestre di manutenzione" ridotte. A differenza della rettifica convenzionale, l'HSG opera attraverso movimenti compositi di scorrimento e rotolamento, guidati dalle forze di attrito tra le mole abrasive (GW) e la superficie della rotaia [9]. Questo meccanismo unico consente sia la rimozione del materiale che l'autoaffilatura dell'abrasivo. Tuttavia, l'interazione tra movimenti di scorrimento e rotolamento non è stata sufficientemente esplorata, limitando il potenziale dell'HSG per l'ottimizzazione della manutenzione delle rotaie. In questo lavoro, è stato utilizzato un banco di prova HSG autocostruito per simulare le condizioni di rettifica in loco. Gli esperimenti sono stati condotti con angoli di contatto variabili (30°, 45° e 60°) e carichi di rettifica (500 N, 700 N e 900 N) [10, 11].

1. Il rapporto tra scorrimento e rollio.I risultati dimostrano che i movimenti compositi di scorrimento-rotolamento svolgono un ruolo cruciale nell'influenzare il comportamento di rettifica. Il rapporto di scorrimento-rotolamento (SRR), definito come il rapporto tra la velocità di scorrimento e la velocità di rotolamento, come mostrato in Fig. 1, è aumentato sia con l'angolo di contatto che con il carico di rettifica, il che rifletteva intuitivamente le variazioni nel movimento composito di scorrimento-rotolamento delle coppie di rettificatrici. Ad esempio, l'SRR è cresciuto da 0,18 con un angolo di contatto di 30° a 0,81 con un angolo di contatto di 60°. Questo passaggio da un movimento dominato dal rotolamento a un equilibrio tra scorrimento e rotolamento ha migliorato significativamente i risultati di rettifica. Lo studio ha rilevato che un angolo di contatto di 45° produceva la massima efficienza di rettifica, mentre un angolo di contatto di 60° produceva la migliore qualità superficiale. La rugosità superficiale (Ra) è diminuita sostanzialmente all'aumentare dell'angolo di contatto, da 12,9 μm a 30° a 3,5 μm a 60°, come mostrato nelle Fig. 2 e Fig. 4.

2. WEL indotto dalla macinazione.Durante il processo di rettifica, a causa degli effetti di accoppiamento termomeccanico, tra cui elevato stress di contatto, temperature elevate e rapido raffreddamento, si verificano trasformazioni metallurgiche e deformazione plastica sulla superficie della rotaia. Questi cambiamenti portano alla formazione di uno strato di attacco bianco (WEL) fragile, che è soggetto a frattura sotto stress ciclico dal contatto ruota-rotaia. Tutti i risultati rivelano che lo spessore medio del WEL è inferiore a 8 μm, che è più sottile del WEL indotto dalla rettifica attiva (~40 μm) [12, 13], come mostrato in Fig. 5. Questo fenomeno è probabilmente correlato alle caratteristiche uniche del metodo HSG. Rispetto alla rettifica attiva tradizionale, nell'HSG, una singola particella abrasiva è coinvolta nel processo di rettifica solo per un breve periodo durante un ciclo di rivoluzione, anche ad angoli di contatto elevati. Per la maggior parte del tempo, la particella abrasiva si trova nella fase di dissipazione del calore dopo la rettifica. Ciò garantisce che la particella abrasiva abbia tempo sufficiente per dissipare il calore prima di impegnarsi nuovamente nella rettifica, con conseguente miglioramento delle condizioni termiche all'interfaccia di rettifica.

3. Detriti di macinazione.L'analisi dei detriti di macinazione ha fornito ulteriori approfondimenti sui meccanismi di rimozione del materiale, come mostrato nelle Fig. 6 e Fig. 7. I detriti fluidi e a forma di coltello, indicativi di prestazioni di macinazione efficaci, erano più diffusi a SRR più elevati. Al contrario, i detriti a blocchi e a fette erano dominanti ad angoli di contatto inferiori, a indicare prestazioni di macinazione inadeguate. La presenza di detriti sferici aumentava con i carichi di macinazione, indicando temperature di macinazione elevate. Queste osservazioni evidenziano l'importanza di ottimizzare i parametri di macinazione per bilanciare efficienza e condizioni termiche.

4. Meccanismo del moto composto di scorrimento e rotolamento.Lo studio ha inoltre rivelato l'interazione dinamica tra i movimenti di scorrimento e rotolamento nel processo di rettifica, come mostrato in Figura 8. Lo scorrimento ha facilitato la rimozione del materiale dalla superficie della rotaia, mentre il rotolamento ha migliorato lo scarico dei detriti e l'autoaffilatura dell'abrasivo. Questo equilibrio dinamico è essenziale per ottenere una rettifica efficiente con il minimo danno termico. Tuttavia, un'eccessiva enfasi su uno dei due movimenti può portare a risultati non ottimali: il movimento prevalentemente di rotolamento aumenta la rugosità superficiale, mentre il movimento prevalentemente di scorrimento può comportare una riduzione del rinnovo dell'abrasivo e un aumento del danno termico.

5. Valutazione completa.Valutazioni complete delle prestazioni di rettifica, tra cui efficienza di rettifica, rugosità superficiale e spessore del WEL, hanno evidenziato i vantaggi dell'ottimizzazione dei movimenti compositi striscianti-rotolanti, come mostrato in Figura 9. I grafici radar delle prestazioni di rettifica sotto vari carichi e angoli di contatto hanno mostrato che un angolo di contatto di 45° forniva il miglior equilibrio complessivo tra efficienza e qualità. Tuttavia, l'angolo di contatto di 60° produceva costantemente le superfici più lisce, rendendolo ideale per le passate di rettifica finale. Questi risultati suggeriscono che regolazioni mirate dei parametri di rettifica possono affrontare efficacemente i diversi danni superficiali delle rotaie.

Questa ricerca offre implicazioni pratiche per la manutenzione delle ferrovie ad alta velocità. Per le prime passate di rettifica, un angolo di contatto di 45° massimizza l'efficienza di rimozione del materiale, mentre un angolo di 60° garantisce una qualità superficiale superiore nelle fasi di finitura. Lo studio sottolinea l'importanza di bilanciare dinamicamente i movimenti di scorrimento e rotolamento per migliorare le prestazioni di rettifica, la qualità superficiale e prolungare la durata delle mole.

In conclusione, lo studio evidenzia il ruolo cruciale dei movimenti compositi di scorrimento e rotolamento nella rettifica ferroviaria ad alta velocità. Ottimizzando la proporzione di azioni di scorrimento e rotolamento, l'HSG può raggiungere un'efficienza di rettifica e una qualità superficiale superiori, riducendo al minimo i danni termici. Questi risultati forniscono una base teorica per il progresso della tecnologia HSG e linee guida pratiche per migliorare le pratiche di manutenzione ferroviaria.

Figura 1.Andamento della variazione di SRR, COF e velocità di rotazione con carichi di rettifica e angoli di contatto.

Figura 2.Efficienza di rettifica in base a diversi angoli di contatto e carichi di rettifica.

Figura 3.Morfologie superficiali di campioni di rotaie sottoposti a diversi angoli di contatto e carichi di rettifica.

Figura 4.Rugosità superficiale eMorfologie 3Ddi campioni di rotaie sottoposti a diversi angoli di contatto e carichi di rettifica.

Figura 5.Immagini metallografiche ottiche e SEM in sezione trasversale dei campioni di rotaia.

Figura 6.Il tipo e la proporzione didetriti di macinazionesotto diversi angoli di contatto e carichi di rettifica.

Figura 7.Immagini SEM e spettri EDS per diversi tipi di detriti di macinazione.

Figura 8.Diagramma schematico dell'effetto del moto composito di scorrimento-rotolamento sull'HSG.

Questo lavoro è stato pubblicato sulla rivista Journal of Tribology International.

Riferimenti

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