Influencia de los parámetros de fabricación en las propiedades del material de fricción de zapatas de freno de ferrocarril y su comportamiento en ensayos de dinamómetro

Resumen

La presente tesis doctoral tiene por objetivo principal la caracterización completa de nuevos materiales de fricción que tienen en común su aplicación final: la generación de zapatas de freno de ferrocarril de tipo K de alta fricción, destinados a un uso predominante en vagones de mercancías, coches de pasajeros y locomotoras, incluyendo también metros y cercanías. Consta de dos partes con temáticas diferenciadas en cuanto a la composición de los materiales de fricción, uno de los parámetros de fabricación más importantes. Por un lado, se evalúan los aglomerantes poliméricos de las zapatas y, por otro, la contribución de las fibras orgánicas, cada uno de ellos acompañados de los cambios de parámetros necesarios en el proceso productivo. En el caso de los aglomerantes poliméricos, se estudian nuevas composiciones atendiendo a dos materias primas de la industria de los materiales de fricción: el caucho y las resinas fenólicas. La metodología empleada para el análisis del efecto de la composición en las propiedades finales del freno puede resumirse como la evaluación de la procesabilidad de las nuevas composiciones, sus propiedades mecánicas y de fricción a escala reducida (en un dinamómetro de escala media) y escala 1:1 (en un dinamómetro de freno de ferrocarril de escala completa con elementos presentes en el tren como la unidad de freno o la rueda, entre otros). De esta manera, en la primera parte de la tesis doctoral, se desarrollan, por un lado, zapatas con una matriz polimérica cuya composición consta de diferentes proporciones de caucho nitrilo butadieno (NBR) y dos resinas fenólicas. Por otro lado, también se evalúan resinas fenólicas con diferentes tiempos de transformación en presencia de caucho butadieno (BR). A través de estas muestras, se estudia la variación en el curado que la inclusión gradual de resina fenólica supone y el efecto que esto puede tener en la procesabilidad industrial de los productos. Para ello se utiliza un reómetro en laboratorio y se busca reproducir los resultados obtenidos a escala industrial en una prensa hidráulica de producción en serie. Una vez caracterizada la procesabilidad de los materiales, se analizaron las zapatas de freno resultantes, las cuales se sometieron a ensayos de compresión, dureza y densidad. Además, se llevó a cabo el estudio de su comportamiento en fricción a escala reducida y a escala 1:1. La segunda parte de la tesis doctoral se enfoca en la evaluación de la lana de oveja latxa como un posible sustituto para fibras orgánicas de uso común en la industria de fricción (celulosa, aramida y poliacrilonitrilo). Los ensayos llevados a cabo en muestras con lana se compararon con los de piezas que contenían otras fibras comunes en la industria. De manera paralela a la primera parte de la investigación, en un primer momento se caracterizan los efectos que la inclusión de lana puede conllevar en relación a la procesabilidad de los materiales. Se realizaron ensayos de reometría y se evaluó la capacidad de esta fibra ecológica para evitar la segregación de los materiales más finos. Esta fase se completó con ensayos fisicoquímicos y de fricción de media escala y de escala 1:1 para, posteriormente, ser analizadas mediante SEM. En cuanto a resultados se observó que, tanto el nivel de fricción como la pérdida de fricción por diferentes causas (fade) puede modularse mediante el ajuste de la proporción de los aglomerantes poliméricos. También puede influenciarse drásticamente el desgaste de la pieza final, así como el mecanismo de fricción a escala microscópica y la aparición de incidencias como la captación de inclusiones metálicas (metal pick-up, MPU). En cuanto a las fibras orgánicas, se vio que la lana de oveja latxa presenta las características necesarias para ser un sustituto ecológico para la fibra de celulosa, contribuyendo a un menor desgaste y una mayor estabilidad en fricción, pero sin modificar el nivel ni el mecanismo de fricción.