Estudio de la insuficiencia del riel de ferrocarril con servicios para los trenes de carga pesada

Resumen

En este estudio de caso, un riel de ferrocarril fracasado que se utiliz para los trenes de carga pesada fue investigado con el fin de averiguar su causa raz.Las marcas de playa macroscpicas y microscpicas estras de fatiga no se observaron mediante observaciones macro y microscpicas.Los modelos del galn se observaron por observaciones macro.El origen de crack estaba en la punta de los patrones del galn.Los patrones en forma de abanico, etapa de escisin y los patrones de los ros se observaron en el origen de grietas, lo que demuestra la funcin de rotura de fractura.Las estructuras metalrgicas en el origen de crack eran perlita y las redes de ferrita.Se supone que la grieta que se iniciar a partir de las redes de ferrita ms dbiles.Teniendo en cuenta todo esto, el carril de ferrocarril no se considera que est causada por sobrecarga.Es de gran importancia para mejorar la tecnologa de la soldadura, y controlar la carga del tren con el fin de evitar el fracaso similar en el futuro.

Palabras claveTren ferroviarioSobrecargaAnlisis de fallasRotura de fracturaFatiga

1. Introduccin

Con el desarrollo de la alta velocidad y ferrocarril de carga pesada, los requisitos ms altos se presentan para las propiedades integrales de rieles de acero[1].Puesto que los accidentes de fractura de riel de acero amenazan la seguridad de los transportes ferroviarios directamente, se presta cada vez ms atencin a la calidad del acero del carril.La fractura por fatiga es la forma principal fracaso de riel de acero.A pesar de las ventajas sustanciales en el diseo, los materiales y la inspeccin no destructiva, la propagacin de la fatiga y la insuficiencia de los componentes de ferrocarril sigue siendo un tema importante para la ingeniera de seguridad, que tambin se destac por una serie de accidentes en las ltimas dcadas[2]y[3].En el fondo de un mayor volumen de trfico, la velocidad del trfico ms altas y cargas por eje altas, diseo tolerancia al dao fiable y mtodos efectivos de mantenimiento tiene que ser establecida.Por lo tanto, el anlisis de fallos del carril de acero es muy crtico.

Adems de la carga de fatiga, los carriles tambin se someten a otras cargas mecnicas elevadas y condiciones ambientales duras.Los principales componentes de carga estn rodando la presin de contacto, fuerzas de cizallamiento y flexin del peso del vehculo, las tensiones trmicas debido a la elongacin moderada de rieles soldados continuamente y tensiones residuales de la fabricacin (enderezamiento de rodillos) y la soldadura en el campo (.Fig.1)[2].La soldadura es indispensable en el riel de ferrocarril.Hoy en da, los procesos de soldadura por ferrocarril ms comunes son la soldadura a tope, soldadura aluminotrmica, soldadura a presin de gas y soldadura de arco cerrado.Entre ellas la soldadura aluminotrmica de carriles se utiliza ampliamente en la industria ferroviaria para la soldadura en la pista durante la re-rail (reparacin) y el reemplazo de defectos.El proceso proporciona flexibilidad y bajo costo de capital, pero sufre de calidad variable en las soldaduras acabadas, debido a las limitaciones inherentes de los procesos utilizados y su dependencia del operador[4].Por lo tanto, es ms difcil controlar la calidad de los puntos de soldadura.Las estadsticas muestran que durante el perodo de 18 meses fallas de soldadura aluminotrmicas comprenden aproximadamente el 75% de todos los informes de carril partido para la lnea principal de Newman[4].En respuesta a las fallas en soldaduras aluminotrmicas, y en reconocimiento de que dichas soldaduras representan uno de los principales riesgos de un descarrilamiento catastrfico, es necesario desarrollar un mejor proceso de soldadura por ferrocarril que cumple con las exigencias de rendimiento de las cargas por eje superiores.

En el presente trabajo, se analiz un riel de ferrocarril fractura que se utiliz para los trenes de carga para averiguar su causa de fracaso.Al final, se lleg a una conclusin despus de realizar inspecciones macroscpicas, anlisis qumicos, observaciones de SEM y exmenes metalogrficos.

La figura.1.Cargando componentes que actan en un carril de soldadura continua durante vehculo que pasa[2].

2. Antecedentes

En primer lugar, es necesario recoger tanto como sea posible la informacin sobre la historia anterior del carril de ferrocarril fracturado.El riel de ferrocarril fractura fue proporcionada por el personal de la administracin ferroviaria.De acuerdo con las presentaciones, el riel de ferrocarril entr en servicio en mayo de 2005. Los carriles ferroviarios fueron soldados a tope entre s por el proceso de soldadura aluminotrmica, y no se llev a cabo el tratamiento trmico posterior a la soldadura.El riel de ferrocarril se encontr que se fractur en diciembre de 2011 cuando se encontraba en el invierno.Durante 2005-2011, esta ruta era servicio para trenes de carga pesada.El tipo de acero del carril era GB P60U75V introducido por el personal de la administracin ferroviaria.3. Resultados

3.1.Inspecciones macroscpicas

La morfologa macroscpica de la fractura de carril de ferrocarril fracturada se muestra enla figura.2. Las dimensiones del carril de ferrocarril que fueron proporcionados por el cliente se muestran enla figura.2(a).Se encontr que la superficie de fractura era bsicamente limpia y fresca, que demostr que la corrosin de la superficie de fractura no era pesada.La parte superior dela figura.2(a) era la cabeza del carril en contacto con llanta de la rueda, la parte inferior fue el riel inferior en contacto con el balasto, la parte media entre la cabeza de carril y carril inferior fue el alma del ral.Podramos tambin encontramos que la superficie de fractura en la parte inferior de ferrocarril estaba cerca del cordn de soldadura y relativamente plana (.Fig. 2(b)), y que la superficie de fractura fue de aproximadamente perpendicular a la direccin longitudinal del carril de ferrocarril.La superficie de fractura en el alma de carril se arque aproximadamente cuando se observa desde el perfil (. Fig. 2(b)).La superficie de fractura en la cabeza del carril se inclina en alrededor de 60 a la direccin longitudinal del carril de ferrocarril.La superficie de la fractura en la cabeza del carril era muy peligroso;Por lo tanto, se dedujo que esta parte podra ser causada por la fractura instante final en lugar del origen de la fractura.Haba una zona en forma de abanico oscuro en la parte inferior izquierda dela figura.2(c).Se observ un pequeo punto brillante junto a la zona en forma de abanico oscuro (. Fig. 2(c)).Como introducida por el personal de administracin de los ferrocarriles, la mancha an no estaba separada cuando el ral de tren fall.

La figura.2.Las morfologas macroscpicas del carril de ferrocarril fallado.(A) La vista frontal, (b) la vista lateral, (c) la morfologa macroscpica de la parte inferior por ferrocarril, y (d) los patrones del galn y el crack origen en la superficie de fractura de la parte inferior del carril.

Desde el carril de ferrocarril fue sometido a una carga cclica y sirvi unos 6 aos, es racional considerar que este carril de ferrocarril podra ser errnea debido a la fatiga, incluso en rgimen de fatiga de ciclo giga[5],[6]y[7].El lmite del arco de la superficie en forma de abanico parece un signo de la playa cuando se observa macroscpicamente, como se ve enla fig.2(c).A continuacin, se puede deducir que el origen grieta podra estar en la esquina de la zona oscura en forma de abanico (es decir, el pequeo punto brillante como se muestra en. Fig. 2(c)).Sin embargo, teniendo en cuenta que el pequeo punto brillante fue el siguiente en oscuramente rea en forma de abanico, que es, obviamente, para deducir que el pequeo punto brillante no sera el origen de grietas.Las marcas de playa, que eran las caractersticas clsicas de la fatiga de los metales no se observaron a partir de las observaciones macroscpicas (el lmite del arco de la superficie en forma de abanico en realidad no es una marca de la playa, vamos a discutir que de aqu en adelante).Sin embargo, los modelos del galn se pueden observar claramente en la superficie de la fractura de la parte inferior del carril (.Fig. 2(d)).Por lo tanto, podemos deducir que el origen de fisura debe estar en la punta de los patrones del galn (chervron) (zona 1), y la direccin de crecimiento de la grieta es a lo largo de la direccin divergente de los patrones de los ros, como se muestra enla figura.2(d).Se puede deducir de la fractografa plana y patrones de Chevron de que la caracterstica de fractura macro es la fractura por fragilidad.

3.2.Anlisis qumico

La muestra utilizada para anlisis qumico que se tomaron muestras de la cabeza de carril se analiz mediante espectrmetro de fluorescencia de rayos X ZSX Primus II.Los resultados se muestran enla Tabla 1. Se demostr que las composiciones qumicas de la acero del carril estaban en conformidad con el estndar de P60U75V[8].Por lo tanto, las composiciones de la acero del carril fueron normales.

Tabla 1.Las composiciones qumicas de carril de ferrocarril fallado (% en masa).

AcerosCMinnesotaSiSPV

El acero del carril0.740.960.680.00350.0160.062

GB P60U75V0,71-0,800,70-1,050,50 a 0,80 0,030 0,030,040-0,12

3.3.Observaciones de SEM

La superficie de la fractura en la parte inferior por ferrocarril, a saber.la superficie S1 (como se muestra en.Fig.2(c)), se cort del carril de ferrocarril fallado, y luego limpiado por el alcohol y dicloroetano.Despus de eso, la superficie S1 fue observado por ZEISS SUPRA-55 campo de microscopio electrnico de barrido de emisin (FESEM) en detalle.La morfologa dentro del rea en forma de abanico oscuro se muestra enla figura.3(a) que muestra una superficie relativamente plana.Las composiciones qumicas cualitativas de esta rea son analizados por EDX, tambin se muestra enla figura.3(a).Se detectaron altos contenidos de oxgeno, lo que demuestra que esta zona se oxid pesadamente.La morfologa tpica en el rea 1 se muestra enla figura.3(b) que muestra la caracterstica tpica de rotura de fractura.Los patrones en forma de abanico, etapa de escisin y los patrones de los ros que son el rasgo caracterstico de rotura de fractura se observan en esta figura.Estras de fatiga que eran las caractersticas microscpicas tpicas de la fatiga del metal no se observaron en la superficie de fractura.La fractografa micro de la zona de los patrones de Chevron se muestra enla figura.3(c) que es similar ala figura.3(b).La superficie de la fractura fuera del rea en forma de abanico oscuro es limpio y fresco, se detecta casi sin oxgeno.Combinado con los resultados experimentales fuera y dentro del rea en forma de abanico-oscuro, se puede deducir que el rea en forma de abanico oscuro podra ser un rea fusin incompleta durante la soldadura.

La figura.3.Las morfologas microscpicas de la superficie de fractura.(A) Dentro de rea en forma de abanico, (b) el rea 1, y (c) la zona de los patrones del galn.

3.4.Observaciones metalrgicas

En primer lugar, la superficie S2 (como se muestra en. Fig. 2(c)) fue pulida para observar la distribucin de las inclusiones.Se muestra enla figura.4que se observaron algunas inclusiones de escoria ms grandes con forma angular afilado en S2 superficie cerca de la superficie de la fractura en la parte inferior del carril.El tamao de estas inclusiones de escoria estaba por lo menos 126 um definido por modelo de rea proyectiva efectiva de Murakami[9].EDX demostr que la composicin de estas inclusiones de escoria era de almina.Despus de grabado al agua fuerte por 3% Nital la estructura metalrgica de superficie S2 cerca de la superficie de fractura se observ por microscopio pticamente metalrgica (OMM).Se observaron redes de ferrita continuas y las colonias de perlita, como se muestra enla figura.5(a).Tambin se demostr a partir dela figura.5(a) que el tamao de la colonia de perlita, a saber.el rea rodeada por las redes de ferrita continuas, era bastante heterogneo.El tamao ms grande de la colonia de perlita estaba a punto 726 um de dimetro, el tamao ms pequeo de 68 micras.Despus de hacer una marca evidente en el sitio de origen de grietas (zona 1) en S1 en la superficie S1 fue pulido y grabado en un 3% nital para observar las estructuras metalrgicas.Las estructuras metalrgicas en el rea de 1 eran perlita, redes de ferrita continuas y una masa de fragmentos de ferrita distribuidas dentro de las colonias de perlita, como se muestra enla figura.5(b).Teniendo en cuenta la fuerza dbil de ferrita distribuido como redes en comparacin con perlita;se puede deducir que la grieta puede ser iniciada desde las redes de ferrita.

La figura.4.Las morfologas de las inclusiones de escoria y resultados EDX.

La figura.5.(A) Las estructuras metalrgicas de superficie S2 cerca de la superficie de la fractura y (b) las estructuras metalrgicas en el rea 1.

4. Discusin y anlisis

Como presentado en la Seccin1, el carril de ferrocarril fue sometido principalmente a una carga cclica.En este estudio de caso, las marcas de playa macroscpicas y microscpicas estras de fatiga no se observaron en la superficie de la fractura.Adems, se observaron los patrones tpicos de Chevron.Y se observ que la funcin de la fractura de la escisin en la punta de los patrones del galn (chevron).Teniendo en cuenta todo eso, podemos sacar la conclusin de que el riel de ferrocarril es causada principalmente por la sobrecarga a pesar de que es sometido a una carga cclica.Teniendo en cuenta las estructuras metalrgicas anormales (redes de ferrita distribuidos a lo largo de los bordes de los granos) en el origen grieta, la grieta se supone que ser iniciado a partir de las redes de ferrita ms dbiles que son causadas por soldadura.Por lo tanto, es muy necesario para eliminar las redes de ferrita mediante la mejora de la tecnologa de soldadura.

4.1.Anlisis de esfuerzos

En este estudio de caso, este carril de ferrocarril era principalmente objeto de alternar el esfuerzo de flexin debido al peso del vehculo, como se muestra enla figura.1. Se muestra a partir dela figura.1que la cabeza del carril estaba sujeto a esfuerzos de compresin y la parte inferior por ferrocarril estaba sujeto a esfuerzos de traccin.Por lo tanto, la parte inferior de ferrocarril fue sutil al fracaso desde el punto de vista de la mecnica.El riel inferior puede ser considerado aproximadamente sometido a carga de fatiga en la direccin longitudinal de ferrocarril conR= 0 (Rera relacin de tensiones), y la tensin aplicada en la parte inferior del carril inferior fue de aproximadamente el mximo.En vista de la zona de fusin muy incompleta (rea en forma de abanico oscuramente enla fig. 2(a)) en la esquina inferior de la parte inferior de ferrocarril, se supona que la grieta se iniciar a partir de esta rea fusin incompleta.Sin embargo, en realidad no es el caso.La tensin residual debe ser considerada.Adems de la tensin residual a la traccin trmica debido a un seguimiento de la instalacin y de la temperatura (como se muestra en.Fig.1), la tensin residual de soldadura tambin era de gran importancia.La tensin residual de soldadura sola ser perjudicial;Por lo tanto, muchos fracasos de ferrocarril se iniciaron a partir de la soldadura[4].La tensin residual y la tensin aplicada debido a la gravedad del tren se pueden superponer entre s.El esfuerzo superpuesto inducir el fracaso del riel bajo ciertas condiciones.

4.2.El papel de la fatiga

El riel de ferrocarril se falla por sobrecarga;Sin embargo, no podemos negar por completo el papel de la fatiga.La traza de daos generados por las cargas cclicas no se observ en el rea de crecimiento de la grieta;sin embargo, el dao por fatiga era casi inevitable al tomar la vida de servicio ms larga en cuenta (unos 6 aos).Por otro lado, generalmente el dao por fatiga no puede ser detectado fcilmente debido a las complicadas situaciones de trabajo de un componente.

4.3.Sugerencias

El riel de ferrocarril no fue causada por una sobrecarga.El origen de grietas era la red de ferrita inducida por la tecnologa de soldadura inadecuada.Por lo tanto, con el fin de evitar fallos similares en el futuro, se debe mejorar el proceso de soldadura.Por ejemplo, los tratamientos trmicos a favor y despus de la soldadura deben llevarse a cabo para eliminar las grandes inclusiones de escoria y redes de ferrita a lo largo de los bordes de grano.Por otra parte, es de gran importancia para controlar la carga de tren.

5. Conclusiones

Este carril de ferrocarril no es causada por una sobrecarga.La grieta se inicia a partir de las redes de ferrita ms dbiles que son inducidos por la tecnologa de soldadura inadecuada.Es de gran importancia para mejorar la tecnologa de la soldadura, y controlar la carga del tren en el futuro.

Agradecimientos

Este trabajo fue apoyado financieramente porla Fundacin Nacional de Ciencias Naturales de China (concesin no.51101094) yproyecto del Fondo de Desarrollo de Tecnologa de Shandong Academia de Ciencias (Grant no.KJHZ 2011-04).Referencias

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