IT8367190A1 - Procedimento per il raddrizzamento di una rotaia ferroviaria e rotaia ferroviaria raddrizzata - Google Patents

Description

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\ DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo:

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'} "Procedimento per il raddrizzamento di una rotaia ferrovia-*/?

ria e rotaia ferroviaria raddrizzata"

RIASSUNTO

Procedimento per il raddrizzamento di una rotaia

p ferroviaria. <?>a * Il procedimento consiste nel sottoporre la rotaia

di acciaio, in modo in s? noto, ad una sollecitazione

di trazione superiore al limite convenzionale di elasticit?

dell'acciaio, fino ad un valore di sollecitazione corrispondente ad una deformazione plastica totale dell'insieme

della rotaia. (Figura 4)

*** *? * ** **#

L'invenzione si riferisce alla rifinitura delle

rotaie ferroviarie e pi? particolarmente al rilassamento

<7 delle sollecitazioni e al raddrizzamento delle rotaie

'? ' > y?*

di composizioni correnti, trattate termicamente, o extra- \i - T0? -dure legate.

GS GM/c

Dopo la laminazione la rotaia calda, ? quindi molto sensibile alle deformazioni, ? esposta a tutta una serie di movimentazioni e di operazioni, quali trasporto su linee di rulli, taglio e spostamenti che possono dar luogo a deformazioni. Il raffreddamento ? anch'esso una sorgente di deformazioni notevoli, malgrado tutte le precauzioni che possono essere prese per minimizzarle 0 evitarle. Il raffreddamento disuguale delle diverse parti della rotaia il cui profilo non ? simmetrico secondo 1 suoi,due piani principali fa s? che la rotaia che esce da un raffreddatore presenti una curvatura pi? o meno accentuata, che dipende dalle condizioni del raffreddamento. Le lunghezze delle fibre del fungo, dell'anima e del pattino della rotaia sono differenti. Qualsiasi siano le precauzioni prese per evitare o minimizzare l'incurvamento dovuto al raffreddamento, ? impossibile, in campo industriale, ottenere all'uscita dei raffreddatori il cento per cento di rotaie sufficientemente diritte per essere consegnate in questo stato alle ferrovie. Il raffreddamento della rotaia inevitabilmente differente a causa del profilo non simmetrico della rotaia ? d'altra parte una sorgente di sollecitazioni residue che possono favorire la propagazione di fessurazioni quando la rotaia ? posata sul binario,principalmente con rotaie extra-dure utilizzate su reti per carichi pesanti (ad esempio binari minerari o reti specializzate nel trasporto di merci I pesanti).

I trattamenti termici eventuali delle rotaie,

applicati su tutto il loro profilo o soltanto su una

sua parte, prima del loro passaggio sui raffreddatori,

o il raffreddamento controllato delle rotaie in fossa,

accentuano i rischi di deformazioni e di sollecitazioni

residue notevoli. Le specifiche meno severe applicabili

alla fabbricazione delle rotaie non permettono pi? di

consegnarle nella loro condizione di rettilineit? all'uscita dei raffreddatori. E' indispensabile raddrizzarle.

In qualsiasi procedimento di raddrizzamento ? necessario

sottoporre il metallo da raddrizzare ad una sollecitazione

superiore al limite elastico, in modo da trattarlo nel

30 campo plastico, almeno localmente. 3> Sono stati utilizzati e si utilizzano ancora secondo

lo stato della tecnica, due tipi di raddrizzatrici. Il

pi? antico ? una pressa a pattini nella quale una parte

della rotaia da raddrizzare ? posizionata su incudini.

Un pistone della pressa, a corsa verticale, sul quale

? fissato un pattino adattabile alle dimensioni delle

rotaie da raddrizzare, deforma per pressione la parte

della rotaia per conferirle una curvatura inversa. Incudini e pistoni disposti lateralmente permetto?

no, secondo lo stesso principio, di raddrizzare lateralmente la rotaia. L'operatore della pressa individua?sdLsivamente le parti di rotaia da raddrizzare e controlla con

una riga, dopo ogni colpo di pressa, la rettilineit?

ottenuta. Questo procedimento di raddrizzamento che richiede un operatore esperto, che procede a colpi di pressa

multipli su parti di rotaia, ? brutale e costoso. Il

risultato ottenuto non risponde pi? alle esigenze delle

reti ferroviarie moderne.

In generale esso ? utilizzato attualmente soltanto

pi? come complemento del raddrizzamento mediante macchina

a rulli che costituisce il secondo tipo di macchine rad ?2 drizzatrici. Queste macchine raddrizzano la rotaia in fi <>>? uno o due piani di inerzia di quest'ultima e comprendono ? generalmente un numero di rulli compreso tra 5 e 9. La

rotaia vi ? sottoposta alternativamente a deformazioni

di flessione in direzioni opposte. I rulli superiori,

motori, trascinano la rotaia e le fanno subire, con i

rulli inferiori non motori, deformazioni in direzioni

inverse. Nel triangolo formato dai primi tre rulli si

imprime alla rotaia una deformazione a priori, indipendentemente dalla deformazione originale da correggere della

rotaia. Nel secondo triangolo formato dal second?, dal

terzo e dal quarto rullo si imprime alla rotaia una deformazione inversa alla prima. Il quinto rullo ed i seguenti

hanno la funzione, mediante deformazioni alternate appropriate, di rendere rettilinea la rotaia. Le estremit?

della rotaia non sono raddrizzate per una certa lunghezza

che corrisponde all'interasse dei rulli. Queste estremit?

devono quindi essere raddrizzate mediante una pressa

a pattini. Il procedimento di raddrizzamento a rulli

dispone successivamente alcune fibre del metallo in trazione e in compressione. All'uscita, dal raddrizzatore a

rulli, l'anima della rotaia ? in compressione longitudinale elastica mentre il fungo e il pattino sono in trazione

longitudinale elastica. Queste .tensioni interne sono

dovute al raddrizzamento a rulli. Indipendentemente dallo

stato iniziale di rettilineit? delle rotaie all'uscita

dal raffreddatore, tutte le rotaie subiscono nei raddriz-

ja zatori a rulli deformazioni notevoli, che conducono ai 5?

3 seguenti inconvenienti:

- accorciamento sensibile della rotaia;

- riduzione dell'altezza del profilo della rotaia;

- aumento della larghezza del fungo e del pattino

della rotaia;

- differenza sistematica delle dimensioni della

rotaia tra le estremit? non lavorate mediante i rulli

ed il corpo della rotaia lavorato;

- necessit? frequente di terminare il raddrizzamento

delle estremit? su una pressa a pattini che genera una rei) leggera forma poligonale delle estremit?, con la conseguenza dell'impossibilit? di ottenere una perfetta continuit? di rettilineit? con il corpo della rotaia;

- generazione sistematica^ in tutte le rotaie, di

/

sollecitazioni che possono favorire la propagazione di

fessurazioni;

- rischio di formazione di fessurazioni fragili

nei raccordi dell'anima con il pattino o con il fungo.

Poich? queste fessurazioni sono interne, e quindi invisibili all'occhio, esse costituiscono un rischio potenziale

di incidenti molto gravi;

- rischio di creazione sul fungo delle rotaie di

ondulazioni sinusoidali di ampiezze pi? o meno accentuate <?>o?

3? dovute all'eccentricit? difficilmente evitabili dei rulli, t?

-o ondulazioni che possono generare inconvenienti pi? o g meno gravi sul binario appena la velocit? di circolazione

? elevata.

I procedimenti di raddrizzamento a rulli completati

eventualmente da quelli a pattini non permettono di soddisfare le norme attuali applicabili alla fabbricazione

delle rotaie se non a prezzo di cure minuziose e costose.

La norma UIC 860, ad esempio, prescrive, in materia di

rettilineit?, una freccia massima di 0,7 mm su 1,5 metri

per le estremit? delle rotaie, e la rettilineit? ? valutata

a occhio per il corpo della barra. Per le rotaie destinate

ai binari per treni a grande velocit? (T.G.V.), sulle quali i treni circoleranno ad una velocit? commerciale di 260 Km/ora (binari sui quali ? stata raggiunta una velocit? di 380 Km/ora), le specifiche della norma UIC 860 sono completate dalle specifiche supplementari seguenti:

? incurvamento massimo di 40 mm di freccia per lunghezze di rotaia di 18 metri e di 160 mm per le rotaia di 36 metri;

? ampiezza ?verticale delle ondulazioni del piano di rotolamento inferiore a 0,3 mm;

? ampiezza orizzontale delle ondulazioni trasversali del fungo inferiore a 0,5 mm;

allineamento delle estremit? con il corpo della barra, in direzione verticale, definito da una freccia massima di 0,3 mm misurata con un regolo di 3 metri appoggiato sul piano di rotolamento dalle estremit?.

La soddisfazione di queste norme supplementari che obbliga a utilizzare i raddrizzatori a rulli e le presse a pattini al limite delle loro possibilit?, aumenta il costo delle operazioni di raddrizzamento.

E' anche sta?o proposto di realizzare per trazione il raddrizzamento di metalli profilati qualsiasi (vedere il brevetto francese n. 573.675 del 23 febbraio 192^. Secondo questo procedimento noto, si raddrizza un profilato qualsiasi pi? o meno deformato stirandolo in modo da allungare regolarmente le sue fibre fino a quando non si raggiunge o non si supera il limite di elasticit? del metallo. E' anche noto che lo stiramento del metallo ne aumenta la durezza diminuendo mediante deformazioni notevoli durante lo stiramento le caratteristiche di duttilit? e di resilienza. Ma ? proprio la tenacit? che ? importante per una rotaia. Questa ? probabilmente la ragione essenziale che finora ha impedito al tecnico del ramo di applicare il procedimento di trazione al raddrizzamento delle rotaie.

Per ragioni economiche si impiegano sempre pi? rotaie di acciaio duro che ? abbastanza fragile a causa della sua composizione contenente elementi indurenti, tra cui in particolare il carbonio. E' gi? stato constatato che in questo tipo di rotaia le velocit? di propagazione delle fessurazioni di fatica sono abbastanza elevate. E' noto che fenomeni di fatica si possono sviluppare quando le sollecitazioni residue raggiungono un livello elevato. Dalla tabella seguente risulta che per le rotaie raddrizzate a rulli le sollecitazioni o tensioni interne raggiungono i seguenti livelli:

Tipo di acciaio carico di rottura sollecitazione interna acciaio di tipo

2 2 corrente da 700 a 900 N/mm 100 N/mm acciaio UIC natu-2 2

Talmente?duro da 900 a 1000 N/mm 200 N/mm

\

' 2 -- 2

acciaio extra-duro da 1100 a 1200 N/mm 300 N/mm

L'invenzione, che si propone di eliminare gli

inconvenienti dei procedimenti di raddrizzamento delle

rotaie secondo lo stato della tecnica e di evitare di

far ricorso, in modo notevole, ad un raddrizzamento complementare mediante una pressa a pattini, ha lo scopo:

- di ottenere rotaie esenti da incurvamento;

- di assicurare una continuit? nella rettilineit?

tra le estremit? ed il corpo della rotaia mediante l'eliminazione di qualsiasi poligonalizzazione delle estremit?;

- di garantire l'assenza di ondulazioni periodiche

del piano di rotolamento;

- di eliminare i rischi di fessurazione fragile

nelle zone di raccordo dell'anima con il pattino ed il

fungo;

- di non creare tensioni interne nefaste durante

l'operazione di raddrizzamento;

- di diminuire le tensioni interne introdotte nella

rotaia dalle operazioni precedenti il raddrizzamento

(trattamenti termici, raffreddamento).

Per raggiungere questi scopi, l'invenzione propone:

* ~_ - di sottoporre la rotaia di acciaio in modo in

s? noto ad una sollecitazione di trazione superiore al J limite elastico dell'acciaio, fino ad un valore di sollecitazione corrispondente ad una deformazione plastica totale dell'insieme della rotaia.

Grazie a questa deformazione interamente plastica della rotaia per trazion? non si creano sollecitazioni residue mediante l'operazione di raddrizzamento e si riducono le sollecitazioni residue preesistenti.

Per le qualit? e composizioni note di acciaio trattato termicamente o non trattato si ? dimostrato che si ottengono valori di sollecitazioni residue longitu-

2

dinali inferiori a 100 N/mm per composizioni di acciaio 2

per rotaie di resistenza R > 1000 N/mm ed inferiori m

2

a 50 N/mm per le composizioni di acciaio per rotaie

2

di resistenza R ? 1000 N/mm quando la deformazione m

plastica per trazione della rotaia corrisponde ad un allungamento residuo dell'ordine di 0,27%.

In altre parole un allungamento residuo della rotaia di 0,3% dopo il rilassamento degli sforzi di trazione garantisce i risultati precedentemente enunciati. La diminuzione delle sollecitazioni residue interne della rotaia a piccoli valori aumenta la tenacit? e la tenuta alla fatica della rotaia. Infatti quando la rotaia ? posata sul binario essa ? sollecitata inoltre dalle sollecitazioni legate alle lunghe barre saldate e da quelle dovute al traffico. Finch? la combinazione di queste sollecitazioni non supera il limite di resistenza, eventua-/

li in?zi di rottura preesistenti sulla rotaia non conducono

alla sua rottura, da cui l'interesse di avere rotaie con sollecitazioni interne residue le pi? piccole possibile. I

Si ? constatato che le sollecitazioni residue non

possono essere diminuite ulteriormente in modo notevole

quando l'insieme del materiale che costituisce la rotaia

ha subito una plastificazione totale-. Cosi non ? necessario sottoporre la rotaia a sforzi di trazione corrispondenti

a valori di allungamento residuo superiori ad 1,5%.

L'invenzione riguarda anche tutte le rotaie raddrizzate caratterizzate da valori di sollecitazioni interne

2

residue inferiori a 100 N/mm per composizioni di acciaio

2

per rotaie aventi una resistenza R > 1000 N/mm ed inferiori

m

2

a 50 N/mm per le composizioni di acciaio per rotaie

2

aventi una resistenza R < 1000 N/mm .

m

Le caratteristiche ed i vantaggi dell'invenzione risulteranno dalla descrizione seguente delle forme preferite di attuazione. La descrizione ? fornita con riferimento

ai disegni annessi, nei quali:

la figura 1 rappresenta la vista in sezione di

una rotaia con l'indicazione delle sue parti costitutive,

del suo piano neutro XX' e del suo piano verticale di

simmetria YY';

la figura 2a rappresenta una vista in prospettiva

di una rotaia che esce dal raffreddatore;

la figura 2b rappresenta una vista laterale della

stessa rotaia;

la figura 3 rappresenta un diagramma sforzi-deformazioni dell'acciaio, che illustra la curva delle sollecitazioni ottenute in funzione degli allungamenti esercitati;

la figura 4 rappresenta, per una rotaia che esce

dal raffreddatore, uno schema della riduzione delle sollecitazioni residue nelle diverse parti costitutive della

rotaia in funzione del coefficiente di allungamento residuo ? ;

la figura 5 rappresenta nella sua parte superiore

?>c? incorniciata un tratto di rotaia tagliato con un colpo <?>B <> >di sega per una lunghezza L, utilizzato per una prova

20 di verifica della presenza o dell'assenza di sollecitazioni

interne, e nel suo insieme un diagramma che illustra i

risultati del confronto empirico dello stato delle sollecitazioni residue per segatura dell'anima e deviazione del

fungo,, per teste di rotaie non raddrizzate, raddrizzate

con macchine a rulli e raddrizzate secondo l'invenzione;

le figure 6a e 6b rappresentano ognuna il piano

di rottura della rotaia naturalmente dura B secondo UIC

raddrizzata a rulli secondo lo stato della tecnica (figura

6a) e di una rotaia della stessa composizione raddrizzata

secondo l'invenzione (figura 6b); la figura 6b mostra

che la fessurazione di fatica prima della rottura della

rotaia raddrizzata per trazione ? maggiore di quella della

rotaia raddrizzata a rulli che presenta una caratteristica

di fragilit? nettamente pi? accentuata;

la figura 7 rappresenta le curve 11 e 12 di fessurazione comparate della propagazione della fessurazione

durante la prova di flessione alternata praticata su rotaie

di composizione extra-dura legata (UIC naturalmente duro,

2

R < 1100 N/mm ). Vi si vede che la tenuta alla fatica

m

della rotaia raddrizzata per trazione (curva 12) ? superiore

a quella della rotaia (curva 11) raddrizzata a rulli;

le figure 8a - 8b - 8c - 8d illustrano superfici

di rottura di quattro campioni di una rotaia extra-dura

2

legata (R > 1080 N/mm ) rispettivamente raddrizzata a

m 33 rulli, raddrizzata per trazione, non raddrizzata (grezza

di raffreddamento) e raddrizzata a rulli e quindi raddrizzata per trazione. Si vede che il procedimento di trazione

secondo l'invenzione elimina qualsiasi traccia di fragilit?

alle fessurazioni;

la figura 9 rappresenta le curve di fessurazioni

dei campioni di rotaia delle figure 8a, 8b, 8c ed 8d.

Una rotaia 1 che esce da un raffreddatore si presenta

sotto forma di una curva sghemba (figure 2a e 2b). Le

lunghezze delle fibre che costituiscono il fungo 2, la

anima 3 e il pattino 4 della rotaia 1, ossia rispettivamente flJ

le fibre CC , AA' e ??', sono quindi differenti. L'invenzione si basa sul principio di sottoporre la rotaia ad uno

sforzo di trazione ad ognuna delle sue estremit?, che

porta tutte le fibre, sotto -l'effetto di una sollecitazione

sigma ), superiore al limite convenzional? di elasticit?

allo 0,2% indicato con R 0,2 (figura 3), ad assumere

P

la stessa lunghezza nel campo interamente plastico dell'acciaio per rotaie considerato. Il coefficiente di allungamento necessario per questa operazione deve essere superiore

per la fibra meno tesa al coefficiente di allungamento

corrispondente al ginocchio dell'inizio di plastificazione

dell'acciaio. Si applica quindi alla rotaia da raddrizzare

uno sforzo di trazione superiore al limite di elasticit?

in modo da ottenere, dopo il rilassamento dello sforzo,

XI

3=> un allungamento permanente di almeno 0,27%. Questo limitato

allungamento residuo permette di ottenere rotaie diritte,

danneggiando il materiale in misura minore che nel raddrizzamento a rulli. Poich? l'incurvamento delle rotaie non

? sempre regolare su tutta la lunghezza di alcune barre,

? possibile incontrare localmente raggi di curvatura minori

del raggio di curvatura globale. Un allungamento residuo

dell'ordine di alcuni decimi di percento permette di annullare gli incurvamenti di raggio minore e di conseguenza

di incurvamenti di raggio maggiore. L'esistenza di tensioni

o sollecitazioni interne di raffreddamento implica disu

guaglianze di lunghezze di fibre nella rotaia. Il raddrizza-\

mento della rotaia per allungamento plastico di tutte le fibre e per allungamento plastico preferenziale delle fibre pi? corte conduce ad,un rilassamento delle sollecitazioni residue interne dell'acciaio. La figura 4 mostra un esempio dell'evoluzione delle sollecitazioni longitudinali residue in funzione del coefficiente di allungamento residuo per una rotaia di composizione corrente. Il diagramma della figura 4 riporta in ascisse l'allungamento residuo ? ed in ordinate la sollecitazione residua longitudinale i) (meno per la compressione, pi? per la trazione) in 2

N/mm . La curva 5 rappresenta la sollecitazione residua del pattino e la curva 6 quella del fungo della rotaia. Si constata che le sollecitazioni residue restano costanti ed elevate finch? gli sforzi di trazione applicati alla rotaia si trovano nel campo elastico dell'acciaio (valore ?~ 0,185%) e che queste sollecitazioni residue diminuiscono regolarmente oltre il campo elastico per raggiungere valori minimi costanti a partire da un allungamento residuo dell'ordine di 0,27%.

Si comprender? facilmente che il campo di allungamen? to residuo compreso tra il limite convenzionale di ela-sticit? (? = 0,2%) ed i valori minimi di sollecitazioni

2

residue (in questo caso ?? ~ 10 N/mm per t zi 0,27%) ? un campo di incertezza ed ? quindi da evitare e che a partire dall'ottenimento dei valori di sollecitazione residua minima (a partire da t % 0,27% o 0,3%) un aumento dell'allungamento residuo non apporta pi? nessun miglioramento sensibile a questo riguardo, se non per aumento del limite elastico per effetto di incrudimento, aumento del limite elastico che pu? essere ottenuto a piacimento: ad esempio per una composizione naturalmente dura A di UIC o per una composizione AREA, l'aumento del limite

2

elastico ? dell?ordine di 100 N/mm per l?l% di allungamento residuo supplementare.

In altre parole un coefficiente di allungamento residuo di 0,3% ? sufficiente in questo caso ad annullare le sollecitazioni residue o a ridurle in un rapporto dell'ordine di 10 a 1. Le misure ottenute con il procedimento detto di taglio,confermato dai procedimenti detti di foratura e di trapanatura, delle sollecitazioni residue di rotaie indicate con i riferimenti 0,73 D 09, 236 D23 e 150 C13 sottoposte a trazione con il procedimento secondo 1'invenzione, e quelle delle rotaie indicate con i riferimenti 0,73 B10, 236 D23 e 150 C13, di fabbricazione immediatamente seguente, provenienti dalla stessa colata e che hanno soggiornato sul raffreddatore nelle immediate vicinanze delle prime e raddrizzate mediante macchine a rulli secondo lo stato della tecnica, sono fornite nel seguito nelle tabelle da I a III:

TABELLA I

| Raddrizzamento a rulli Raddrizzamento a trazione allo 0,7 % residuo J_ Rotaia 073 B 10 Rotaia 073 D 09

i) maxi di com & maxi di tra Differenza 6<" >maxi di com ?T:maxi di tra Campo totale pressione 2 ? , 2 -zione N/mm totale pressione zione N/mm delle solle-N/mm N/mm citazioni Sollecitazione principale 6<* >in senso - 260 - 230 490 - 40 40 longitudinale

Sollecitazione principale <5 in senso - 200 50 250 - 10 30 40 verticale

TABELLA II

Raddrizzamento a rulli Raddrizzamento a trazione Raddrizzamento a trazione rotaia 236 D 23 al 3% Rotaia 236 D 23 allo 0,5% Rotaia 236 D 23

fi maxi di fimaxi di estensiofimaxi di fimaxi di estensiofimaxi di fimaxi di estensione compres trazione ne totale comprestrazione ne totale comprestrazione totale del?

. 2 . 2

sioni N/mm sioni N/mm sioni N/mm le solleci-N/mm N/mm N/mm tazioni

Sollecitazione fi

principale - 140 240 380 - 20 45 65 - 10 30 40 longitudinale

Sollecitazione fi

principale - 150 <?>l? 30 180 -40 10 50 - 10 20 30 verticale

TABELLA III

Raddrizzamento a rulli Raddrizzamento a trazione all'l? residuo Rotaia 150 C13 Rotaia 150 C13

S' maxi di com 6<" >maxi di ^ra estensione 6<* >maxi di com S' maxi di tra estensione pressione zione N/mm totale pressione . 2 ?

zione N/mm totale delle N/mm N/mm sollecitazioni Sollecitazione

principale G

nel senso longitudinale - 143 282 425 - 21 10 31

Sollecitazione

principale 6<">

nel senso ver - 89 26 115 - 27 8 35 ticale

Riassumendo appare che per un coefficiente di

\

allungamento residuo compreso tra lo 0,3 ? l'l,0? il

I

livello delle sollecitazioni residue ? almeno da 5 a

!

10 volte minore con il<1 >procedimento di raddrizzamento

per trazione che con il procedimento di raddrizzamento

a rulli e che la dispersione dei valori di sollecitazioni

residue misurate con il procedimento per trazione ? 5

volte minore che con il procedimento di raddrizzamento

a rulli.

E' stato possibile verificare questi risultati

sperimentali con misure di sollecitazioni effettuate

secondo procedimenti differenti da laborat?ri differenti

p n ?ac n (SACILOR, IRSID). ?

Il rilassamento delle sollecitazioni interne residue c*?

-o ? tale per cui i laboratori non vedono differenze significative tra il livello di sollecitazioni delle rotaie

raddrizzate per trazione ed il livello delle sollecitazioni dei materiali privi di tensioni che fungono da riferimento nella campionatura degli estensimetri. Ad esempio

con il procedimento a rulli si trovano sollecitazioni

di compressione abbastanza elevate tanto nella direzione

longitudinale quando nella direzione verticale nell'anima e nei raccordi, e queste sollecitazioni sono equilibrate, in particolare nella direzione longitudinale, da

forti sollecitazioni di trazione in corrispondenza al

fungo e al pattino. Con il procedimento di raddrizzamento

per trazione, le sollecitazioni residue sono nettamente

minori e molto pi? uniformi. Si deve far notare che i

valori di sollecitazioni misurati con il procedimento

di taglio (procedimento detto di YASOJIMA et MACHII (1965)

utilizzato tra l'altro dall'UFFICIO di RICERCHE e di

PROVE dell'UIC nel suo studio C53 "Contraintes r?siduelles

dans les rails" - sollecitazioni residue nelle rotaie)

sono confermati in modo soddisfacente dai procedimenti

I

detti di foratura e di trapanatura. Una verifica empirica

del rilassamento delle sollecitazioni interne dovuto

al raddrizzamento per trazione ? stata effettuata p?r

mezzo di una prova che consiste nel separare il fungo

dal resto del profilo e nel misurare la sua deviazione

? f in corrispondenza all'estremit? durante l'avanzamento

L del solco di segatura (schema inquadrato nella parte

superiore della figura 5). I risultati di questa prova

applicata ad una rotaia UIC 60 NDB sono rappresentati

sul diagramma della figura 5, in cui le ascisse indicano

la lunghezza L in millimetri della parte segata e in

cui le ordinate mostrano lo scarto e la deviazione f

in millimetri del fungo segato rispetto al resto del

tronco di rotaia all'estremit? di quest'ultima.

La curva 7 mostra che una rotaia UIC 60 NDB raddriz?

zata a rulli presenta uno scarto f del fungo di 2 mm <(>l?

per una lunghezza segata L di 500 mm e la curva 8 presenta

10 scarto f che varia, per la stessa rotaia non raddrizzata, tra 0 e 8/10 di mm. Le curve 9 e 10 mostrano che

rotaie raddrizzate per trazione a 0,3 e 1% di allungamento

residuo presentano uno scarto f rispettivamente di 2/10

e - 1/10 di mm (leggera chiusura) per una lunghezza segata

L di 500 mm. Si ritrova un rapporto di valori di f dell'ordine di 1 a 10 in favore del procedimento secondo 1'invenzione. Un coefficiente di allungamento residuo minimo

dell'ordine di 0,3% appare come necessario per raggiungere un rilassamento massimo delle sollecitazioni interne

e non sembra che un coefficiente di allungamento superiore

? p ad 1,5% apporti vantaggi supplementari. i*

Il fatto di sottoporre a trazione una rotaia oltre

11 suo limite convenzionale di elasticit? Rp avrebbe

ol2

potuto far temere danneggiamenti del materiale in grado <

di provocare una propagazione pi? rapida delle eventuali

fessure trasversali di fatica. Una prova di fatica per

flessioni in quattro punti ha dimostrato che ci? non

? vero. Questa prova consiste nel sottoporre un tratto

di rotaia pre-intagliato in corrispondenza al fungo ad

una flessione alternata sulla base di 1,400 metri ad

una frequenza di 10 Hertz sotto un carico dell'ordine

di 14 tonnellate in fase di inizio di fessura e di 9

tonnellate in fase di propagazione di fessura, carico

applicato al fungo in due punti distanti 150 mm situati

- simmetricamente da una parte e dall'altra dell'intaglio

trasversale centrale.

Si osserva la propagazione della fessura di fatica

dall'intaglio per mezzo di un estensimetro e di un procedimento detto elettrico basato sulla variazione della resistenza della rotaia durante la progressione della fessura.

Si assicura, mediante variazioni dell?ampiezza delle

sollecitazioni applicate, una serie di marcature a dati

numeri di cicli cumulati e si traccia la curva che fornisce

la profondit? di fessura ? in funzione del numero N di

cicli realizzati.

p Questa prova ? stata applicata, secondo un primo f ?* esempio, a due tratti di rotaia UIC 60 di composizione " naturalmente dura B, provenienti dalla stessa barra,

uno raddrizzato a rulli, l?altro raddrizzato per trazione.

La figura 6a mostra che la rotaia raddrizzata a rulli

presenta un'area di fessura di fatica abbastanza stretta

e cosparsa di salti fragili; la figura 6b rappresenta

l'aspetto della rotaia raddrizzata per trazione che mostra

un'area di fessura di fatica nettamente pi? sviluppata

e priva di salti fragili. La tabella IV seguente mostra

che il numero di cicli necessari per l'inizio della fessura e il numero di cicli necessari per la sua propagazione

sono nettamente superiori, nelle stess? condizioni di

prova, nel caso della rotaia raddrizzata per trazione;

ci? testimonia una migliore tenacit? e quindi una maggio-

re sicurezza.

TABELLA IV

Raddriz Raddriz Differenza

zamento a zamento per percentuale

rulli trazione

Numero di cicli

di inizio 350.000 500.000 142

i

Numero di cicli

di propagazione

fino alla rottura

netta 750.000 1050.000 140

Profondit? critica di fessura

in min 25 28 112

ts?i

Le curve 11 e 12 della figura 7 mostrano le stesse

relazioni p = f (n) menzionate nella tabella IV preceden-

te.

Superficie di fatica

Si noter? che il rapporto: (raddrizzamento per trazione)_

Superficie di fatica

(raddrizzamento a rulli)

vale 1,55.

La prova precedentemente menzionata ? stata applica-

ta, in un secondo esempio, a quattro tratti di rotaia

136 RE, di composizione legata o cromo-silicio-vanadio

con una resistenza a rottura Rm % 1080 N/mm , provenienti

\

dalla stessa barra madre'; si ? potuto confrontare il compori

tamento a fatica dei divlrsi stati seguenti:

raddrizzata a rulli;

- raddrizzata per trazione;

- non raddrizzata (grezza di raffreddamento)

- raddrizzata a rulli e raddrizzata successivamente

per trazione.

La figura 8a mostra l'aspetto semi-fragile della

superficie di rottura della rotaia raddrizzata a rulli

in cui non si scorge una superficie di fatica; la figura

8b mostra la larga superficie di fatica della rotaia raddrizzata per trazione; la figura 8c mostra,una superficie

di fatica della rotaia non raddrizzata, che ? leggermente

33 minore della precedente; la figura 8d mostra che un raddrizzamento per trazione praticato dopo un raddrizzamento

preliminare a rulli restituisce un notevole aspetto di

fatica.

La tabella V seguente mostra il miglioramento nettissimo apportato dal raddrizzamento per trazione al numero

di cicli di inizio ed al numero di cicli di propagazione

rispetto al raddrizzamento a rulli.

?-'?V

V

. I

TABELLA V

Raddriz Non rad RaddrizRaddrizzata a zamento a drizzata zata per rulli e quinrulli trazione di per trazione

Numero di cicli

di inizio 400.000 420 .000 850.000 1.150.000

Numero di cicli

di propagazione fino alla

rottura netta 950.000 1.500.0001.250.0001.400.000

Profondit? critica di fessura 26 27 26 28 in mm (semifragile)

Le curve da 13 a 16 della figura 9 mostrano le stesse relazioni p = f (n) menzionate nella tabella V precedente rispettivamente per rotaie costituite da un acciaio 136 RE e raddrizzate a rulli (curva 13), non raddrizzate (curva 14), raddrizzate per trazione (curva 15) e raddrizzate a rulli e quindi per trazione (curva 16). Risulta molto chiaramente dalla tabella V e dalle curve da 13 a 16 della figura 9 che si migliora ulteriormente la resistenza di una rotaia alla propagazione delle fessure quando si fa subire ad una rotaia raddrizzata a rulli una trazione con allungamento residuo secondo .l'invenzione allo scopo di rilassare le sollecitazioni residue.

sussistono malgrado tutto irregolarit? dimensionali poich?

le estremit? mantengono le dimensioni,originali di laminazione .

li'invenzione riguarda inoltre rotaie ferroviarie

aventi sollecitazioni residue estremamente ridotte. Questo

tipo di rotaia ? ancora sconosciuto attualmente poich? in

uno studio recentissimo (aprile 1981, non pubblicato, fatto

da MM R. Schweitzer e W. Heller-DUISBURG-RHEINHAUSEN)

ed intitolato "Facteur d'intensit? critique de contrainte,

tensione propres et r?sistance ? la rupture de rails"

(fattore di intensit? critico di sollecitazione, tensioni

proprie e resistenza alla rottura di rotaie) ? stato afferp mato in conclusione che ? quindi importante che P le tensioni proprie (= sollecitazioni residue interne)

siano mantenute ad un livello il pi? basso possibile se

si vuol aumentare la resistenza alla rottura. Ma attualmente

questa idea non ? realizzabile, tanto pi? che il raddrizzamento delle rotaie, indispensabile per assicurare e consolidare la loro forma rettilinea, conduce a tensioni proprie

notevoli".

La presente invenzione propone rotaie che dopo

il raddrizzamento presentano sollecitazioni residue molto

piccole, che sono:

2 2

- inferiori a 50 N/mm (+ 50 N/mm di trazione; c A

2

- 50 N/mm di compressione) per le composizioni di acciaio e/ rcrv 90 A o B, AREA e assimilate ? dell'ordine di 100N/mm

-per un allungamento dell*l?. Questa propriet? si osserva

su tutti gli acciai, compresi gli acciai extra-duri legati

o trattati. La differenza di limite elastico tra il procedimento a rulli ed il procedimento per trazione pu? essere

normalmente del 20%.

Si ? constatato che questo aumento del limite elastico si verifica senza degradazione dei criteri di plasticit?

(allungamento distribuito e strizione) o di tenacit?

<1 >I

(K , fattore di intensit? critica di sollecitazione),

le

Le misure di allungamento residuo su un certo numero

di basi di lunghezze marcate lungo la rotaia hanno dimo-fOS pK strato che gli allungamenti residui parziali misurati <j>>3 ?? su ognuna delle basi sono costanti e tutti uguali all'allun-33 gamento residuo globale conferito alla rotaia. Non si

sono constatati effetti di strizione localizzata sulla

lunghezza delle rotaie. La perdita di altezza ? regolare

per tutta la lunghezza delle rotaie, come anche la perdita

di larghezza del pattino. Le leggere variazioni di dimensioni osservate sono compensate, come nel caso del raddrizzamento a rulli, preliminarmente mediante una calibratura

appropriata fornita dal laminatoio; ci? permette di rispettare le tolleranze dimensionali dei capitolati di oneri

almeno in misura altrettanto facile che con il procedimento

di raddrizzamento a rulli. In quest'ultimo procedimento

Il miglioramento del comportamento della velocit? di fessurazione delle rotaie raddrizzate secondo l'invenzione ? da collegare alla riduzione delle sollecitazione residue ed in particolare alla quasi scomparsa delle sollecitazioni residue di trazione prodotte in corrispondenza al fungo nel caso del raddrizzamento a rulli. Questa riduzione delle sollecitazioni residue.procurata dal procedimento di raddrizzamento secondo l'invenzione permette di soddisfare i desideri di numerose reti ferroviarie, in particolare quelle che sono sottoposte a carichi pesanti (quali i binari minerari), che considerano che le sollecitazioni residue sono responsabili di rotture pericolose verificatesi sul binario. Il raddrizzamento per trazione secondo l'invenzione migliora notevolmente la tenuta a fatica delle rotaie rispetto a quelle raddrizzate mediante macchine a rulli.

Il raddrizzamento per trazione presenta inoltre il vantaggio di aumentare il limite elastico del metallo, contrariamente al procedimento a rulli che tende a farlo diminuire; questo vantaggio ? apprezzabile in particolare in corrispondenza al fungo, poich? un limite elastico pi? elevato permette di resistere meglio allo scorrimento plastico che le ruote molto caricate possono creare sul piano di rotolamento della rotaia. Questo aumento del limite elastico per composizioni di acciaio del tipo UIC

RIVENDICAZIONI

1. Procedimento per il raddrizzamento di una rotaia ferroviaria, caratterizzato dal fatto che consiste nel sottoporre la rotaia di acciaio, in modo in s? noto, ad una sollecitazione di trazione superiore al limite convenzionale di elasticit? dell'acciaio, fino ad un valore di sollecitazione corrispondente ad una deformazione plastica totale dell'insieme della rotaia.

2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che si sottopone la rotaia ad una sollecitazione di trazione che, dopo il suo rilassamento, produce un allungamento residuo almeno uguale allo 0,3?.

3. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che si sottopone la rotaia ad una sollecitazione di trazione che, dopo il suo rilassamento, produce un allungamento residuo al massimo uguale ad 1,5%.

4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che si sottopone

Claims (2)

1. la rotaia ad una sollecitazione di trazione che, dopo il suo rilassamento, produce un allungamento residuo compreso tra 0,5 e 0,7%.

   5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che prima d? sottoporre la rotaia di acciaio ad una sollecitazione di trazione che provoca un allungamento residuo superiore allo 0,3%, la si sottopone ad una-operazione preliminare di raddrizzamento a rulli,

   6. Rotaia ferroviaria raddrizzata costituita da composizioni di acciaio per rotaie aventi una resistenza a

   2

   trazione R inferiore o uguale a 1000 N/mm , caratterizzarti

   ta dal fatto che presenta sollecitazioni residue interne

   2 2 2 inferiori a 50 N/mm (+ 50 N/mm di trazione; -50 N/mm di compressione).

   7. Rotaia ferroviaria raddrizzata costituita da composizioni di acciaio per rotaie aventi una resistenza a.

   2

   trazione R superiore a 1000 N/mm ; caratterizzata dal

   m

   fatto che presenta sollecitazioni residue interne infe-
2. 2 L 2

   riori a 100 N/mm (+100 N/mm<^ >di trazione; -100 N/mm di compressione)

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