Comportamentos de retificação auto-adaptativos na retificação de trilhos de alta velocidade sob movimentos compostos de deslizamento e rolamento.

O estudo dos comportamentos de retificação autoadaptativos de trilhos de alta velocidade sob movimentos compostos de deslizamento e rolamento teve como foco a otimização do desempenho de retificação e da qualidade da superfície. As ferrovias de alta velocidade, caracterizadas por altas velocidades operacionais e cargas leves por eixo, frequentemente sofrem de fadiga por contato de rolamento [1], o que leva ao lascamento da superfície [2-4], trincas de fadiga [5,6] e fraturas [7,8]. Esses problemas exigem manutenção oportuna para garantir a Operação segura e confiável das redes ferroviáriasAs técnicas tradicionais de retificação de trilhos visam corrigir defeitos profundos, mas frequentemente resultam em ineficiências, tempos de manutenção prolongados e danos térmicos. A retificação de alta velocidade (RAS) surgiu como uma alternativa eficaz, oferecendo velocidades de retificação mais elevadas (60–80 km/h) e "janelas de manutenção" reduzidas. Ao contrário da retificação convencional, a RAS opera por meio de movimentos compostos de deslizamento e rolamento, impulsionados por forças de atrito entre os rebolos e a superfície do trilho [9]. Esse mecanismo exclusivo permite tanto a remoção de material quanto o autoafiamento do abrasivo. No entanto, a interação entre os movimentos de deslizamento e rolamento tem sido insuficientemente explorada, limitando o potencial da RAS para a otimização da manutenção de trilhos. Neste trabalho, um banco de ensaio de RAS construído internamente foi empregado para simular as condições de retificação em campo. Os experimentos foram conduzidos sob diferentes ângulos de contato (30°, 45° e 60°) e cargas de retificação (500 N, 700 N e 900 N) [10, 11].

1. A relação entre deslizamento e rolamento.
  Os resultados demonstram que os movimentos compostos de deslizamento e rolamento desempenham um papel crucial na influência do comportamento de retificação. A relação de deslizamento-rolamento (SRR), definida como a razão entre a velocidade de deslizamento e a velocidade de rolamento, conforme mostrado na Figura 1, aumentou tanto com o ângulo de contato quanto com a carga de retificação, o que reflete intuitivamente as mudanças no movimento composto de deslizamento e rolamento dos pares de retificação. Por exemplo, a SRR aumentou de 0,18 a um ângulo de contato de 30° para 0,81 a 60°. Essa mudança de um movimento dominado pelo rolamento para um equilíbrio entre deslizamento e rolamento melhorou significativamente os resultados da retificação. O estudo constatou que um ângulo de contato de 45° produziu a maior eficiência de retificação, enquanto um ângulo de contato de 60° resultou na melhor qualidade de superfície. A rugosidade superficial (Ra) diminuiu substancialmente com o aumento do ângulo de contato, de 12,9 μm a 30° para 3,5 μm a 60°, conforme mostrado nas Figuras 2 a 4.

2. WEL induzido por retificação.
Durante o processo de retificação, devido aos efeitos de acoplamento termomecânico, incluindo alta tensão de contato, temperaturas elevadas e resfriamento rápido, ocorrem transformações metalúrgicas e deformação plástica na superfície do trilho. Essas alterações levam à formação de uma camada de corrosão branca (CCB) frágil, propensa a fraturas sob tensões cíclicas provenientes do contato roda-trilho. Todos os resultados revelam que a espessura média da CCB é inferior a 8 μm, sendo mais fina que a CCB induzida pela retificação ativa (~40 μm) [12, 13], conforme mostrado na Figura 5. Esse fenômeno provavelmente está relacionado às características únicas do método HSG. Comparado à retificação ativa tradicional, no HSG, uma única partícula abrasiva participa do processo de retificação por um breve período durante um ciclo de revolução, mesmo em altos ângulos de contato. Na maior parte do tempo, a partícula abrasiva está no período de dissipação de calor após a retificação. Isso garante que a partícula abrasiva tenha tempo suficiente para dissipar o calor antes de voltar a participar da retificação, resultando em melhores condições térmicas na interface de retificação.

3. Resíduos de moagem.
A análise dos detritos de retificação forneceu informações adicionais sobre os mecanismos de remoção de material, conforme mostrado nas Figuras 6 e 7. Detritos com formato de fluxo e lâmina, que indicam um desempenho de retificação eficaz, foram mais prevalentes em taxas de remoção de material (SRR) mais altas. Em contraste, detritos em forma de bloco e fatias foram predominantes em ângulos de contato menores, refletindo um desempenho de retificação inadequado. A presença de detritos esféricos aumentou com as cargas de retificação, indicando temperaturas de retificação elevadas. Essas observações destacam a importância de otimizar os parâmetros de retificação para equilibrar a eficiência e as condições térmicas.

4. Mecanismo do movimento composto de deslizamento e rolamento. O estudo também revelou a interação dinâmica entre os movimentos de deslizamento e rolamento no processo de retificação, conforme mostrado na Figura 8. O deslizamento facilitou a remoção de material da superfície do trilho, enquanto o rolamento melhorou a descarga de detritos e o autoafiamento do abrasivo. Esse equilíbrio dinâmico é essencial para se obter uma retificação eficiente com danos térmicos mínimos. No entanto, uma ênfase excessiva em qualquer um dos movimentos pode levar a resultados abaixo do ideal: o movimento dominado pelo rolamento aumenta a rugosidade da superfície, enquanto o movimento dominado pelo deslizamento pode resultar em menor renovação do abrasivo e maior dano térmico.

5. Avaliação abrangente. Avaliações abrangentes do desempenho de retificação, incluindo eficiência de retificação, rugosidade superficial e espessura da camada de desgaste (WEL), destacaram as vantagens da otimização dos movimentos compostos de deslizamento e rolamento, conforme mostrado na Figura 9. Os gráficos de radar do desempenho de retificação sob diversas cargas e ângulos de contato mostraram que um ângulo de contato de 45° proporcionou o melhor equilíbrio geral entre eficiência e qualidade. No entanto, o ângulo de contato de 60° produziu consistentemente as superfícies mais lisas, tornando-o ideal para passes de retificação final. Essas descobertas sugerem que ajustes direcionados aos parâmetros de retificação podem solucionar com eficácia os danos variáveis ​​na superfície do trilho.

Esta pesquisa oferece implicações práticas para a manutenção de trilhos de alta velocidade. Para as passagens iniciais de retificação, um ângulo de contato de 45° maximiza a eficiência de remoção de material, enquanto um ângulo de 60° garante uma qualidade de superfície superior nas etapas de acabamento. O estudo destaca a importância do equilíbrio dinâmico entre os movimentos de deslizamento e rolamento para otimizar o desempenho da retificação, melhorar a qualidade da superfície e prolongar a vida útil dos rebolos.

Em conclusão, o estudo destaca o papel crucial dos movimentos compostos de deslizamento e rolamento na retificação de trilhos de alta velocidade. Ao otimizar a proporção entre as ações de deslizamento e rolamento, a retificação de trilhos de alta velocidade pode alcançar eficiência de retificação e qualidade de superfície superiores, minimizando os danos térmicos. Essas descobertas fornecem uma base teórica para o avanço da tecnologia de retificação de trilhos de alta velocidade e diretrizes práticas para aprimorar as práticas de manutenção de trilhos.

Figura 1. Tendência de variação da taxa de remoção de material (SRR), do coeficiente de atrito (COF) e da velocidade de rotação em função das cargas de retificação e dos ângulos de contato.

Figura 2. Eficiência de retificação sob diferentes ângulos de contato e cargas de retificação.

Figura 3. Morfologias superficiais de amostras de trilhos sob diferentes ângulos de contato e cargas de retificação.

Figura 4. rugosidade da superfície e Morfologias 3D de amostras de trilhos sob diferentes ângulos de contato e cargas de retificação.

Figura 5. Imagens ópticas e metalográficas de MEV (Microscopia Eletrônica de Varredura) da seção transversal das amostras de trilho.

Figura 6. O tipo e a proporção de detritos de trituração sob diferentes ângulos de contato e cargas de retificação.

Figura 7. Imagens de MEV (Microscopia Eletrônica de Varredura) e espectros EDS (Espectroscopia de Dispersão de Energia) para diferentes tipos de resíduos de retificação.

Figura 8. Diagrama esquemático do efeito do movimento composto de deslizamento e rolamento no HSG.

Este trabalho foi publicado no Journal of Tribology International.

Referências

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