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Estudio del Comportamiento a Fatiga por Rodadura de Carriles
AnalesFerroviarios
de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO A FATIGA POR RODADURA DE CARRILES FERROVIARIOS
P. García1*, M. Panera1, M. Palacios1, R. Lezcano1, J. Belzunce1, D. Carrascal2, J. Arancón2,
1
ITMA Materials Technology, Parque Empresarial Principado de Asturias, 33417 Avilés,
*Email: [email protected]
2
ArcelorMittal, Global R&D Asturias
RESUMEN
En el presente trabajo se analiza la interacción rueda-carril ferroviario en cuanto a su comportamiento a fatiga por
rodadura (RCF). Para ello se ha diseñado, construido y puesto en funcionamiento una máquina de ensayos capaz de
albergar muestras de carril y rueda a escala real, así como de aplicar las cargas y condiciones de servicio que se
producen en vía (hasta 30 t por rueda, cargas laterales en curva, peraltes, ángulo de ataque…).
Se han realizado un total de 8 ensayos bajo distintas condiciones de carga y calidades de carril, que dieron lugar a la
generación de grietas superficiales en el rango de 50.000 a 100.000 ciclos. La determinación de la aparición de las
grietas se ha llevado a cabo mediante inspecciones por partículas magnéticas programadas a intervalos regulares, y
cuando se obtuvieron resultados positivos, se detuvo el ensayo y se procedió a la evaluación de las grietas mediante
análisis metalográfico.
El tamaño, dirección y profundidad de las grietas generadas son similares a las encontradas en servicio en carriles
afectados por RCF; poniéndose de manifiesto así mismo diferencias significativas en el comportamiento de las distintas
calidades de carril. De este modo, se ha demostrado que el ensayo propuesto permite simular la generación de daño en
los carriles debido a RCF y analizar bajo condiciones muy bien controladas el comportamiento de las diferentes
calidades de carril.
ABSTRACT
This work analyses the wheel-rail interaction in terms of rolling contact fatigue (RCF). For this purpose, a full scale
testing machine was designed and built in order to apply the loads and boundary conditions appearing in the railway
(up to 30 tons per wheel, application of lateral load in bends, inclination, angle of attack, dust, water…)
Eight tests were performed with different load conditions and rail grades and RCF cracks were generated after 50000 to
100000 cycles. The occurrence of cracks was determined by magnetic particle inspection at regular intervals in the
course of the tests. When the non-destructive inspection showed the existence of cracks, the test was stopped and the
rail cut longitudinally and transversally to perform a metallographic analysis in order to know the nature, growth
direction, shape and size of the cracks.
The cracks generated in the laboratory tests were identical to those seen in RCF affected railways and significant
variations were found in the behavior of the different rail grades. The proposed test was able to simulate the damage
produced in rails by RCF and allows comparing the fatigue behavior of different rail grades under very well controlled
conditions.
PALABRAS CLAVE: Fatiga por rodadura, transporte ferroviario, carril
1. INTRODUCCIÓN
En las ultimas dos décadas el transporte ferroviario ha
visto como la densidad de trafico, la velocidad y las
cargas por eje se han incrementado de forma notable
debido a su repunte como modo de transporte barato,
rápido y fiable. Por tanto, las mayores solicitaciones a
las que está sometido el carril hacen que los problemas
de desgaste y fatiga aparezcan con mayor frecuencia,
provocando limitaciones de carga y velocidad además
de incrementar los costes de inspección y
mantenimiento [1].
La fatiga por rodadura (RCF) es una de las principales
causas de fallo prematuro en carriles, convirtiéndose por
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Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
lo tanto un factor crítico que limita la vida en servicio
del carril. El defecto típico de RCF es el denominado
“head check”: pequeñas grietas que se originan en la
superficie de rodadura del carril. Comienzan avanzando
mediante cargas de fatiga casi horizontalmente y se van
curvando progresivamente hasta un punto en el que
pasan a avanzar verticalmente hasta alcanzar el tamaño
crítico que da lugar a la fractura catastrófica del carril,
hecho éste que puede ser causa de graves accidentes [2].
de rodillos. Permite el movimiento alternativo del carril
respecto de la rueda con un bajo coeficiente de
rozamiento y soporta todas las cargas verticales y
laterales que se ejercen sobre el carril. Se ha empleado
un sistema de medida por coordenadas para conseguir
una perfecta alineación entre el carril y el plano de la
rueda para mantener las condiciones de contacto
requeridas. Está accionada por medio de un actuador
hidráulico.
Los factores que influyen en la formación de estas
grietas son las condiciones de operación (cargas por eje,
velocidad, características del material rodante…);
configuración y geometría de la vía (radio de curva,
peralte…) y las propiedades de los aceros que
constituyen la rueda y el carril. Además, también
influyen factores ambientales, como la temperatura o la
humedad, que pueden acelerar el proceso de
propagación [3].
c) Actuador de carga lateral. Si las condiciones de
ensayo lo exigen, se puede ejercer una carga paralela al
eje de la rueda sobre la pestaña lateral de la misma por
medio de un rodillo cónico acoplado a un actuador
hidráulico. Esta carga se transmitirá desde la parte
interior de la pestaña al hombro del carril. Véase la
figura 2.
Aunque existen técnicas preventivas y correctivas en
uso, a lo largo de los últimos años se esta haciendo un
gran esfuerzo en mejorar las propiedades del carril y su
geometría para optimizar su comportamiento frente a
RCF.
En este trabajo se ha diseñado y construido una máquina
de ensayos a escala real y se ha validado su capacidad
de reproducir la situación real y de obtener resultados
satisfactorios ensayando distintas calidades de carril y
comparando los resultados obtenidos en los ensayos con
la degradación típica de estas calidades observada en
vía.
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
2.1. Diseño del ensayo
Los ensayos se han realizado en una bancada de ensayos
dinámicos compuesta por una mesa ranurada de 4x2.5
metros, un pórtico móvil y 3 actuadores servohidráulicos de 50, 100 y 250 kN de capacidad de carga.
Se han diseñado y fabricado una serie de estructuras y
elementos móviles con objeto de adaptar el
equipamiento y disponer los ensayos propuestos
basándose en una configuración en la que el eje de la
rueda se mantiene fijo y es el carril el que se mueve de
modo alternativo. Como se puede ver en la figura 1,
consta de los siguientes elementos:
a) Una viga de soporte de la rueda. Está articulada en un
extremo, en el otro extremo se aplica la carga vertical
por medio de un actuador hidráulico y en la parte central
se fija el eje de la rueda. La relación de palanca es de
1:2.
b) Mesa móvil. Sobre ella se fija el carril y ésta va
montada sobre guías y patines lineales de recirculación
d) También se dispone de un actuador hidráulico
rotativo de 32 kN·m para acoplar al eje de la rueda. Si
su movimiento se coordina con el actuador de
accionamiento, se pueden conseguir deslizamientos
controlados entre la rueda y el carril simulando
situaciones de frenada y aceleración. También es
posible ajustar la inclinación o ángulo de ataque del
carril, así como realizar ensayos en condiciones de
lubricación o pulverización de agua.
Es posible realizar ensayos unidireccionales o
bidireccionales. En este último caso la mesa móvil se
mueve alternativamente adelante y atrás mientras se
mantienen las cargas verticales y laterales. En los
ensayos unidireccionales solo se aplican cargas en la
carrera de avance, mientras que en la de retroceso se
levanta la rueda y esta deja de hacer contacto con el
carril. Nótese que en este segundo caso la rueda da
vueltas completas y todo el perímetro de la rueda llega a
estar en contacto con el carril a lo largo del ensayo. Sin
embargo, en el ensayo bidireccional solamente una
porción de la rueda es la que está en contacto con el
carril. En este caso resulta necesario controlar el posible
sobrecalentamiento local debido a la fricción mediante
una cámara termográfica.
2.2. Condiciones de ensayo
Se han realizado un total de 8 ensayos con distintos
tipos de carril y condiciones de ensayo. Los seis
primeros ensayos se hicieron en modo bidireccional y
con carrera corta, es decir, la longitud de rodadura sobre
el carril fue de solo 140 mm. Este tipo de ensayo simula
condiciones de tráfico en ambos sentidos. El primer
ensayo se realizó además sin carga lateral, situando el
carril a 8 mm del punto de contacto con la pestaña de la
rueda. Los dos últimos ensayos se realizan en la
disposición de carrera larga y unidireccional.
El resto de los parámetros del ensayo se han mantenido
constantes: carga vertical de 20 t, sin ángulos de
inclinación ni ataque, en seco y bajo velocidades de
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Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
desplazamiento del carril similares. Todos los
parámetros de ensayo se han recogido en la tabla 1,
mientras que las calidades de carril ensayadas se indican
en la tabla 2.
Parámetro
La inspección del daño del carril se ha realizado
mediante el uso de partículas magnéticas programado a
intervalos regulares a lo largo del ensayo. Mediante esta
técnica es posible detectar la formación de defectos
superficiales y sub-superficiales. Cuando en estas
inspecciones se encontraron defectos en forma de
grietas, se detuvo el ensayo y se realizó una preparación
metalográfica de la zona afectada para cuantificar la
magnitud del daño inducido.
Carga vertical
Ensayo
nº1
20 t
Carga lateral
0t
4t
4t
Deslizamiento
rueda-carril
Inclinación carril
No
No
No
0º
0º
0º
Ángulo de ataque
0º
0º
0º
Seco
Seco
Seco
0,4 m/s
0,4 m/s
0,3 m/s
Longitud de ensayo
Bidireccional
140 mm
Bidireccional
140 mm
Unidireccional
350 mm
Geometría de rueda
H-36
H-36
H-36
C
C
C
Condiciones
ambientales
Velocidad de
desplazamiento
Dirección de ensayo
Calidad rueda*
Ensayos Ensayos
nº2 a nº6 nº7 y nº8
20 t
20 t
(*) Según especificación M-107/M-208 de la Association of American
railroads
Tabla 2. Grados de carril empleados en cada ensayo.
Figura 1. Bancada de ensayos adaptada a ensayos RCF
Ensayo nº
Calidad carril
1
R65-R260
2
136SS-A
3
136SS-B
4
136HH-A
5
136HH-B
6
7
136HSLA
136SS-C
8
136HH-C
3. RESULTADOS Y ANÁLISIS
En la tabla 3 se indica el número de pasadas necesarias
para la formación de grietas o, en su defecto, el número
de pasadas tras las cuales se detuvo el ensayo sin
haberse detectado la presencia de grietas en la
inspección mediante partículas magnéticas. Nótese que
en los ensayos bidireccionales un ciclo equivale a dos
pasadas, mientras que en el ensayo unidireccional, un
ciclo corresponde a una sola pasada.
Figura 2. Detalle de la mesa móvil y del actuador de
carga lateral.
Tabla 1. Parámetros de ensayo.
Tabla 3. Resultados de los ensayos
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Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
Ensayo nº
Pasadas necesarias para la
formación de grietas
1
2
3
4
5
6
7
8
Sin grietas tras 200.000
100.000
Sin grietas tras 50.000
50.000
Sin grietas tras 50.000
75.000
50.000
75.000
El primer ensayo, el único en el que no se ha aplicado
carga lateral, ha alcanzado 200.000 pasadas sin
detectarse la generación de ninguna grieta o defecto
visible.
En el resto de los ensayos bidireccionales con carga
lateral se ha observado deformación plástica superficial
y un desgaste acentuado que da lugar a la formación de
unas estrías claramente visibles en el hombro del carril
(véase la figura 3). Este fenómeno se atribuye al hecho
de que en los ensayos bidireccionales el carril está
siempre en contacto con la misma parte de la rueda,
dando lugar a unas condiciones de desgaste muy
particulares. Dado que en el ensayo nº1 no se llegaron a
encontrar grietas, para el siguiente ensayo (nº2) no se
hizo una inspección hasta los 100.000 ciclos,
encontrándose grietas. Por tanto este ensayo no es
significativo ya que, en vista del resto de ensayos, el
intervalo de inspección fue inadecuado.
Salvo en los ensayos en los que solo se ha sometido el
carril a 50.000 pasadas, siempre se ha apreciado la
formación de grietas en la superficie de rodadura del
carril. Éstas están orientadas en su mayoría en la
dirección longitudinal del carril y alcanzan longitudes
comprendidas entre 5 y 20 mm.
Figura 3. Detalle de la superficie del carril tras el
ensayo nº4. Corrugado y grietas superficiales.
Dado que ni la morfología de las grietas ni la
deformación y desgaste del carril se asemejaba al
aspecto estándar del daño por RCF que tiene lugar en el
servicio real de los carriles, se modificó la
configuración del ensayo para aumentar la carrera hasta
350 mm y se pasó a realizar el ensayo en un único
sentido de rodadura (movimiento unidireccional). Bajo
estas condiciones se ejecutaron los ensayos nº7 y nº8.
En estos últimos dos ensayos se han obtenido ya los
resultados esperados, generándose unas grietas similares
a las que se observan en vía en carriles que sufren este
tipo de daño. Para examinar en detalle las grietas
obtenidas, los carriles se cortaron adecuadamente y se
prepararon probetas metalográficas longitudinales y
transversales en dos zonas del área de ensayo: en el
centro del carril y en el inicio de la zona de rodadura
(siempre de la región del hombro del carril, región sobre
la que actuaba la carga lateral).
Mediante microscopía óptica se ha examinado y
cuantificado la longitud, orientación y profundidad de
las grietas encontradas, registrándose estos valores en la
tabla 4. Como se puede observar, la profundidad es del
orden del milímetro en ambos carriles, pero debe
tenerse en cuenta que el carril nº8 ha soportado un 50%
más de ciclos. La longitud de grieta que aflora a la
superficie es del orden de 5 mm en ambos carriles
(figura 4), lo que concuerda con la relación 1:5 entre
profundidad y longitud visible observada por otros
autores [4]. En la figura 5 se observan las grietas que
aparecen en el hombro del carril sobre una sección
transversal del mismo, mientras que en la figura 6 se
muestran las grietas en un corte longitudinal. Tanto el
espaciado, morfología, dirección de avance y
profundidad concuerdan con los datos bibliográficos
reportados por otros investigadores [5,6 y 7].
La profundidad de grieta medida en las probetas
transversales es mayor que en las longitudinales por la
dificultad de hacer un corte transversal que coincida con
el punto de máxima profundidad de una grieta; mientras
que las diferencias observadas entre las zonas del centro
de la superficie ensayada y la del inicio del fenómeno se
deben a que en esta última se produce el asentamiento
entre carril y rueda al empezar el movimiento y aplicar
las cargas verticales y laterales, por lo que es de esperar
que se produzcan ligeros deslizamientos que aceleren la
formación y crecimiento de las grietas.
Por otro lado, se ha observado en la superficie del carril
una deformación significativa de la microestructura
perlítica propia del carril, que ha dado lugar a un
endurecimiento por deformación importante medido
mediante ensayos de dureza bajo una carga de 300 g. En
el carril nº7 la dureza ha aumentado desde 400 HV en la
región interna hasta superar los 500 HV en la superficie;
mientras que en el carril nº8 la dureza se ha
incrementado desde los 430 hasta más de 600 HV. Este
endurecimiento se ha detectado a profundidades
menores de 0.7 mm (véase figura 7).
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Tabla 4. Profundidades de grieta medidas en los
ensayos nº 7 y nº 8
Profundidad de grieta máxima (mm)
Muestras
Muestras
transversales
longitudinales
Nº7-Inicio
0.88
Nº7-Inicio
1.2
Nº7-Centro
0.41
Nº7-Centro
0.7
Nº8-Inicio
0.85
Nº8-Inicio
1.6
Nº8-Centro
0.71
Nº8-Centro
1.4
Figura 4. Detalle de la superficie del carril tras el
ensayo nº7 (revelado de grietas por partículas
magnéticas).
Figura 6. Micrografía de la sección longitudinal de la
región central del carril nº7 (12.5x). Profundidad
máxima de grieta de 0.70 mm
Figura 7. Micrografía longitudinal (50x) del carril nº8,
deformación superficial y evolución de durezas.
4. CONCLUSIONES
El equipo de ensayos diseñado para simular las
condiciones de trabajo a tamaño real de carriles
ferroviarios ha demostrado ser capaz de reproducir de
manera fiable, económica y rápida, la formación de
grietas mediante RCF que se producen en vía.
Figura 5. Micrografía de la sección transversal de la
región central del carril nº8 (12.5x). Profundidad
máxima de grieta de 0.71 mm
Se ha comprobado que los ensayos bidireccionales no
permiten simular bien estos procesos ya que la dirección
de propagación de las grietas depende del sentido de
rodadura, por lo que al aplicar igual número de ciclos en
cada sentido las grietas crecerían en sentidos opuestos
hasta encontrase y frenar su avance.
Sin embargo, aumentando la longitud de rodadura hasta
350 mm y aplicando la rodadura en un solo sentido, se
obtienen ya resultados satisfactorios, dando lugar a una
morfología, distribución, tamaño y orientación de las
grietas similares a las encontradas en vía. Se ha
comprobado así mismo que la calidad de carril de alta
resistencia (carril nº8) presenta una resistencia a RCF
superior al carril estándar (nº7), si se tiene en cuenta que
el ensayo realizado sobre este último carril ha tenido
una duración un 50% inferior a la de aquél.
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Sin embargo debe puntualizarse que, a pesar de obtener
resultados satisfactorios, las condiciones de ensayo no
pueden reproducir con exactitud las de servicio debido a
ciertas limitaciones como la ausencia de efectos
dinámicos debidos a imperfecciones de la vía y a la
dinámica del vehículo; a que las condiciones climáticas
son estables en lo referente a temperatura, lluvia y
presencia de cuerpos extraños y, especialmente, a que el
carril ensayado siempre está en contacto con la misma
rueda por lo que el área y las presiones de contacto son
siempre las mismas y se produce un desgaste y
adaptación especial [8], circunstancia que no se produce
en vía, donde un tramo cualquiera de carril estará en
contacto con cientos de ruedas que a su vez presentarán
distinta geometría y desgastes igualmente diferentes.
REFERENCIAS
[1] Pointer, P., The impact of wear and RCF on rail – a
pragmatic approach, ZEVrail, 2008
[2] Rolling contact fatigue on the British railway
system: treatment, Wear 258, 2005.
[3] Vidaud, M., Current situation on rolling contact
fatigue – a rail wear phenomenon, Conference paper
STRC 2009.
[4]
Innotrack
project,
deliverable
D4.3.2:
Characterization of microstructural changes in surface
& sub-surface layers of rails with traffic, 2009.
[5] Burstow, M., Rolling Contact Fatigue
Laboratory Testing, Rail Safety & Standards Board,
2006
[6] Folgarait, P., Bainitic steels for new rail materials,
Technical steel research, European Commission, 2006
[7] Innotrack project, deliverable D4.3.7: Innovative
laboratory tests for rail steels, 2009.
[8] Stock, R., RCF and wear in theory and practice The influence of rai grade on wear and RCF, Wear,
2008.
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