Analiza efektów zużywania się wybranych obręczy kół tramwajowych w aglomeracji poznańskiej

Transkrypt

1 Inżynieria Materiałowa 6 (208) (2015) DOI / Copyright SIGMA-NOT MATERIALS ENGINEERING Analiza efektów zużywania się wybranych obręczy kół tramwajowych w aglomeracji poznańskiej Marta Paczkowska, Łukasz Wojciechowski, Grzegorz Kinal, Karolina Ostrowska, Piotr Okoniewicz Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych, Politechnika Poznańska, *marta.paczkowska@put.poznan.pl The evaluation of wear effects of selected trams wheels in the Poznan agglomeration The aim of presented research was evaluation of the main types of tram wheel wear of chosen rail vehicle and material changes which appear as a consequence of wheel and rail wear. Following tests was performed: macroscopic research, profile tests, Vickers hardness measurements, microscopic research with light microscope (Zeiss Epiquant with CCD), scanning electron microscope (Tescan Vega 5135) with X-ray microanalizer (PGT Avalon). The chemical composition was also checked with fluorescent spectrometer (LECO GDS 500A). The basic form of wear was shelling, which was detected by macroscopic research. The most damage surface was rolling surface. It has to be underline that the shelling was in early stage of growth. Created shells did not appear in the whole circumference of wheel and their size were relatively not huge. It is probably due to short distances characteristic for trams (in the comparison with trains). Moreover, in same regions of rolling surface, so called white layer was detected. It allows to state that sliding surfaces of wheel were (in a very small areas) heated in to higher temperature than it happens in case of shelling. Nonetheless, it was very local process, so it is rather not important in general wear of tested wheels. Tram wheels were highly deformed, particularly on the top of the edge of the wheel, and in the vicinity of outside angle of rolling profile. High deformation caused 70% hardness increase in comparison to the core material. In microstructure MnS was detected. Its presence in the surface layer of the top of the edge of the wheel caused delamination. It could help to crack initiation and, as a result, more intensive wear of tram wheels. Key words: tram wheel, wear, surface layer. Celem badań było określenie dominujących typów uszkodzeń obręczy wybranego pojazdu szynowego, a także zmian materiałowych będących wynikiem zużycia obręczy koła i szyny. Powierzchnie obręczy poddano badaniom makroskopowym i profilografometrycznym, twardości sposobem Vickersa oraz mikroskopowym za pomocą mikroskopu świetlnego Zeiss Epiquant sprzężonego z kamerą CCD i skaningowego mikroskopu elektronowego Tescan Vega 5135 wraz z mikroanalizatorem rentgenowskim PGT Avalon. Sprawdzony również został skład chemiczny materiału obręczy za pomocą spektrometru jarzeniowego GDS 500A firmy LECO. Podstawową formą zużycia badanych obręczy kół, jakie zostało rozpoznane na podstawie badań makroskopowych, był shelling. Najwięcej efektów zużycia zaobserwowano na powierzchniach tocznych. Należy zaznaczyć, że rozwój shellingu był w początkowej fazie. Powstałe wykruszenia nie występowały na całym obwodzie, a ich wielkość była nieduża. Wynika to prawdopodobnie z tego, że tramwaje eksploatuje się na krótkich odcinkach w porównaniu z pociągami. Ponadto w niewielkich obszarach warstwy wierzchniej stwierdzono obecność tzw. białej warstwy, co pozwala przypuszczać, że lokalnie dochodziło do większego (niż dla shellingu) nagrzewania ślizgających się powierzchni tocznych kół. Był to jednak proces lokalny, niemający kluczowego znaczenia w ogólnym przebiegu zużywania. Obręcze kół ulegały silnemu odkształceniu plastycznemu w szczególności na wierzchołkach obrzeża i przy skosach zewnętrznych profilu tocznego. Silne zgnioty spowodowały zwiększenie twardości o blisko 70% w porównaniu z twardością materiału wyjściowego. W warstwie wierzchniej rozpoznano MnS. Wtrącenia te, występujące np. w mikrostrukturze wierzchołków obrzeży, inicjowały delaminację. Może to przyczyniać się do powstawania pęknięć i w rezultacie do zwiększonego zużywania obręczy. Słowa kluczowe: obręcze kół tramwajowych, zużycie, warstwa wierzchnia. 1. WPROWADZENIE Zagadnienia dotyczące trwałości styku obręcz koła szyna są związane z różnymi formami zużywania się ich powierzchni kontaktowych wskutek tarcia i zmęczenia. Kontakt obręcz koła szyna ma mieszany, toczno-ślizgowy charakter, przy czym we właściwie zaprojektowanym układzie dominujący charakter powinna mieć toczna składowa tarcia, co ma niewątpliwie kluczowe znaczenie dla odporności na zużycie powierzchni tocznych obręczy kół oraz szyn. W praktyce niestety nie jest możliwe uzyskanie tylko warunków tarcia tocznego. Taki stan rzeczy jest efektem zarówno warunków (atmosferycznych), w których pracują pojazdy szynowe, jak i samej geometrii i mechaniki kontaktu. W przypadku łuków kołnierze kół przemieszczają się głównie po skrajni szyny, konsekwencją czego jest niemal czysty ślizgowy charakter tarcia [1]. Można zatem domniemywać, że na takich odcinkach szyn zużywanie powierzchni obręczy kół będzie miało przede wszystkim tarciowy charakter, w którym w zależności od środowiska będzie dominował ścierny lub adhezyjny mechanizm niszczący. W zależności od takich czynników jak: obciążenie na koło, naprężenia w strefie kontaktu i naprężenia podpowierzchniowe może dochodzić do szeroko rozumianego tocznego zużywania zmęczeniowego, tzw. RCF (rolling contact fatigue) [2]. W literaturze przedmiotu można znaleźć modele opisujące obciążenia występujące na styku obręcz koła szyna np. [3]. W zależności od okoliczności zużywanie zmęczeniowe może mieć źródło zarówno na, jak i pod powierzchnią toczną obręczy koła i przebiegać zgodnie z mechanizmem łuszczenia zmęczeniowego. Zużywanie zmęczeniowe przez łuszczenie może mieć dwojaki charakter i przebiegać jako: tzw. spalling lub shelling. Konsekwencją obu mechanizmów jest łuszczenie, natomiast ich przebieg oraz czynniki wywołujące są inne. W przypadku spallingu występującego zdecydowanie częściej warstwy wierzchnie obręczy kół wskutek tarcia (poślizgi na łukach, przyspieszanie, hamowanie itd.) lokalnie nagrzewają się do temperatury austenityzacji w krótkim okresie (kilka sekund). Efektem tego jest powstanie martenzytu. Dalsze poruszanie się pojazdu szynowego i cykliczne obciążanie obręczy powodują wykruszanie się płytkich łusek, a ich rozmieszczenie na obwodzie obręczy nie musi mieć jednorodnego charakteru. Dodatkowym elementem ułatwiającym rozpoznanie tego mechanizmu są ślady poślizgu w sąsiedztwie wykruszeń oraz ewentualnie obecność rozwalcowanych produktów zużycia. Poślizg na styku obręcz NR 6/2015 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 391

2 koła szyna, w konsekwencji powodujący nagrzewanie i powstawanie martenzytu, uznaje się za najczęstszą przyczynę przyspieszonego zużywania się kół pojazdów szynowych [4]. Problem związany z zahartowaniem warstwy wierzchniej zaobserwowano również w badaniach prezentowanych w artykule [5] dotyczącym obręczy kół kolejowych, w których pęknięcia były inicjowane przez występowanie siarczku manganu w silnie odkształconej warstwie wierzchniej. Delaminację powodowaną wstępowaniem tego wydzielenia zaobserwowano również w przypadku szyn [6]. Ponadto nagrzewanie wynikające z tarcia do temperatury austenityzacji w parze obręcz koła szyna może powodować powstawanie tzw. białych warstw. Warstwy te zaobserwowano w przypadku szyn [7, 8]. Tworzenie się tzw. białych warstw występuje w szczególności w przypadku skrawania twardych stali, ale także w wyniku innych dynamicznych procesów powodujących znaczne odkształcenie i związany z nimi efekt cieplny [9]. Warstwy te, charakteryzujące się duża twardością i kruchością, mogą sprzyjać zużyciu spallingowemu [10]. W przypadku łuszczenia spallingowego rozwój uszkodzenia zawsze ma charakter powierzchniowy i nie prowadzi do gwałtownego zużycia powierzchni tocznej koła. Mniej typowym mechanizmem łuszczenia jest shelling, podczas którego cała warstwa wierzchnia toczna koła jest nagrzewana do temperatury >300 C przez dłuższy czas. W konsekwencji dochodzi do osłabienia warstwy wierzchniej stali, a występujące w strefie kontaktu z szyną naprężenia mogą wywoływać niewielkie pęknięcia, tzw. pęknięcia cieplne, które przez wciskanie zanieczyszczeń stałych (np. piasek) lub ciekłych (np. woda) mogą propagować w głąb warstwy wierzchniej. Typowe dla uszkodzeń shellingowych jest ich występowanie na całym obwodzie koła oraz brak martenzytu zaobserwowanego w spallingu. Charakterystyczne dla shellingu jest również to, że inicjujące go pęknięcia cieplne mogą powstawać pod powierzchnią toczną. Wskutek cyklicznego obciążania koła pęknięcie rozwija się w kierunku powierzchni, a sam mechanizm przyjmuje delaminacyjny charakter. Z punktu widzenia skutków powstawania wykruszenia wydaje się, że uszkodzenie shellingowe jest niebezpieczniejsze. W ekstremalnych sytuacjach może przyjmować katastroficzną postać prowadzącą do makropęknięć dużych obszarów przekroju koła i jego wyeliminowania z dalszej eksploatacji. Literatura przedmiotu proponuje różne propozycje kwantyfikowanego prognozowania tej formy zużywania. Jednym z bardziej cenionych rozwiązań jest proponowany przez Claytona [11] współczynnik łuszczenia (shell index), którego wartość zależy m.in. od udziału objętościowego tlenków w warstwie wierzchniej przy powierzchniach tocznych oraz ich twardości. Celem badań zużytych obręczy kół tramwajowych taboru komunikacji miejskiej w Poznaniu była ocena wpływu eksploatacji na stan ich powierzchni tocznej oraz warstwy wierzchniej. Głównym zamierzeniem prezentowanych badań było określenie dominujących typów uszkodzeń obręczy wybranego pojazdu szynowego, a także zmian materiałowych będących wynikiem zużycia obręczy koła i szyny. 2. METODYKA BADAŃ Badaniom poddano zużyte obręcze, które zostały wykluczone z dalszej eksploatacji. Obręcze te, wykonane ze stali typu P70, pochodziły z tramwaju marki Solaris Tramino taboru Miejskiego Przedsiębiorstwa Komunikacyjnego w Poznaniu Sp. z o.o. W pojazdach tego typu występuje 12 kół, w tym 4 z nich są tylko toczne. Pojazdy te są zaopatrzone w piasecznice, a także nie występuje w nich możliwość obracania wózków, jak ma to miejsce w innych typach pojazdów szynowych, np. Konstalach. Całkowity przebieg obręczy wynosił ok km, przy czym były one trzykrotnie reprofilowane. Obręcze pochodziły z pierwszego (napędowego) wózka. Jedna z nich była osadzona na drugim kole pierwszej osi (oznaczana dalej w tekście jako ST2), w której przeciętny nacisk to ok kg, a kolejna na czwartym kole (oznaczana jako ST4), czyli drugiej osi, w której nacisk to ok kg. Powierzchnie obręczy poddano badaniom makroskopowym i profilometrycznym. Profile powierzchni oraz podstawowe parametry chropowatości wyznaczono za pomocą profilometru Jena Carl Zeiss ME 10 z programem firmy SAJD. Następnie przeprowadzono badania twardości oraz badania mikroskopowe. Pomiary twardości na powierzchni obręczy przeprowadzono, wykorzystując sposób Vickersa i stosując obciążenie wgłębnika w czasie pomiaru wynoszące 10 kg. Ze względu na małą głębokość utwardzenia warstwy wierzchniej należało zastosować względnie małe obciążenie, tak by wgłębnik nie przebił warstwy utwardzonej. Z danych literaturowych wynika, że grubość warstwy utwardzonej podczas eksploatacji współpracujących ze sobą obręczy i szyn może wynosić zaledwie kilka setnych milimetra i nie przekracza 0,5 mm [4, 12]. Z kolei do badań twardości na przekroju poprzecznym użyto mikrotwardościomierza 3212 firmy ZWICK sposobem Vickersa przy obciążeniu 0,98 i 0,49 N. Wycinki obręczy zostały poddane badaniom mikrostrukturalnym za pomocą mikroskopu świetlnego Zeiss Epiquant sprzężonego z kamerą CCD i skaningowego mikroskopu elektronowego Tescan Vega 5135 wraz z mikroanalizatorem rentgenowskim PGT Avalon. Widok wyciętej próbki oraz schemat zarysu przekroju poprzecznego obręczy wraz z punktami pomiaru twardości HV0,1 zamieszczono na rysunku 1. Sprawdzony został skład chemiczny materiału obręczy. Do tego celu zastosowano spektrometr emisyjny ze wzbudzeniem jarzeniowym GDS 500A firmy LECO. Na próbkach wykonano 3 4 oznaczenia. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA W badanych materiałach obręczy odnotowano nieco zaniżoną zawartość węgla (tab. 1). Dla pierwszej z obręczy mieściła się ona jeszcze w zakresie wymaganym przez PN-84/H-84027/06 dla stali P70, podczas gdy dla drugiej była ona już w zakresie stali P60. Warto odnotować, że różnica twardości wg normy BN pomiędzy tymi stalami P60 i P70 może wynosić 100 MPa, a w przypadku wytrzymałości na rozciąganie różnica ta może wynosić nawet prawie 300 MPa. Stal P70 jest preferowana przez MPK ze względu na większą odporność na zużycie. Zawartość pozostałych Rys. 1. Widok wyciętej próbki oraz schemat zarysu przekroju poprzecznego obręczy wraz z punktami pomiaru HV0,1 Fig. 1. View of the cut sample and the scheme of cross-section of wheel with HV0.1 measurement points Tabela 1. Skład chemiczny badanych materiałów, % mas. Table 1. Chemical composition of tested materials, wt % Zawartość pierwiastka, (*wartość poza akredytacją) Oznaczenie C Mn Si P S ST2 0,664 0,894 0,278 0,016 0,011 ST4 0,629 0,932 0,262 0,0009* 0,010* 392 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXVI

3 pierwiastków była zgodna z zaleceniami zamieszczonymi w normie dla stali P70. Zawartość zanieczyszczeń była co najmniej 2,5-krotnie mniejsza od maksymalnej zalecanej przez normę, co powinno sprzyjać powierzchniowej trwałości zmęczeniowej badanych obręczy. Materiał rdzenia w obu analizowanych przypadkach charakteryzował się mikrostrukturą perlityczno-ferrytyczną z dominującą ilością perlitu (rys. 2) o twardości średnio 300 HV0,1. Analiza powierzchni tocznych badanych obręczy pozwala przypuszczać, że dochodziło do ślizgania się kół (np. ciasne zakręty) lub toczenia z poślizgiem (np. częste przyspieszanie, hamowanie). W obu analizowanych przypadkach efekty zużycia były podobne. Na rysunku 3 pokazano obrazy SEM powierzchni tocznych. Obserwacja pozwoliła zidentyfikować kierunki płaszczyzn poślizgu kół po powierzchniach tocznych szyn. Takie warunki pracy są typowe dla eksploatacji tramwajów, szczególnie w obrębie centrów aglomeracji miejskich (np. w Poznaniu). W konsekwencji doszło do opisywanego wcześniej nagrzania całej powierzchni obwodowej obręczy koła i jej osłabienia. Powstawały pęknięcia rozwijające się w ubytki powierzchniowe, tzw. łuski, zgodnie z mechanizmem shellingu. Ten rodzaj zużycia powierzchni jest typowy dla eksploatacji tramwajów (krótkie odcinki poruszania się ze stałą prędkością, wielokrotne stawanie na przystankach, ciasne zakręty, jazda pod lub z górki), które wymagają częstego użytkowania hamulców. Rys. 2. Mikrostruktura materiału rdzenia Fig. 2. The microstructure of the core material a) b) Dodatkowymi czynnikami, które mogą intensyfikować rozwój shellingu są zaniedbania serwisowe hamulców. W efekcie wykruszeń powstały ubytki powierzchniowe (rys. 3c i 3d) zdecydowanie pogarszające warunki tarcia tocznego w układzie obręcz szyna oraz mogące stanowić miejsce propagacji pękania w głąb koła. Ponadto oddzielające się produkty zużycia bardzo często dostają się w strefę kontaktu tocznego i zostają rozwalcowane na powierzchni tocznej obręczy koła. Ten czynnik także zakłóca eksploatacyjną morfologię powierzchni tocznej obręczy, wpływając niekorzystnie na opory tarcia. Oceniając wizualnie ślady zużycia, wydaje się, że mają one dominujący charakter bruzdowania (w mniejszości mikroskrawania), tj. odkształcania plastycznego powierzchni koła lub szyny (w zależności od tego, gdzie umiejscowione jest wtrącenie). Proces ten zachodzi jednak tylko tam, gdzie dochodzi do poślizgu koła zatem ma on raczej pomocniczy charakter jedynie przyspieszający intensywność zużywania zmęczeniowego. Na analizowanych makroskopowo powierzchniach nie stwierdzono obecności wtrąceń zewnętrznych, odpowiedzialnych za bruzdowanie ani mikrowyrwań adhezyjnych inicjujących pękanie. Można zatem założyć, że w tym przypadku zużywanie miało niemal czysto shellingowy charakter. Nie można jednoznacznie stwierdzić znaczących różnic pomiędzy wartościami parametrów chropowatości mierzonych w różnych miejscach obręczy (rys. 4). Jednakże można spodziewać się, że wierzchołek obrzeża i bok wewnętrzny obrzeża obręczy może charakteryzować się większymi wartościami tych parametrów niż powierzchnia toczna pomimo zaobserwowanych w tym miejscu podczas badań makroskopowych najintensywniejszych efektów zużycia. Może to być spowodowane obecnością powierzchniowych zmian korozyjnych, które nie są usuwane wskutek tarcia, tak jak ma to miejsce w przypadku powierzchni tocznych. Obserwacje mikroskopowe obręczy kół (rys. 5) wykazały wyraźne odkształcenie plastyczne, co potwierdziły badania mikroskopowe na przekroju poprzecznym, w szczególności przy skosie zewnętrznym profilu tocznego (rys. 5a), na wierzchołkach obrzeża (rys. 5b) i na powierzchni tocznej (rys. 5c). Na wierzchołkach zaobserwowano delaminację materiału w warstwie wierzchniej, której sprzyja występowanie siarczku manganu (rys. 6). Jak podaje się w pracy [6], może to być również inicjatorem pęknięć w warstwie wierzchniej. Poza tym w niewielkich obszarach na powierzchni tocznej zaobserwowano występowanie słabo trawiącej się pod wpływem odczynnika (nitalu) sterfy, tzw. białej warstwy (rys. 5d). Biorąc pod uwagę parę obręcz koła szyna powstawanie białej warstwy było odnotowywane do tej pory w szynach kolejowych [7, 8]. c) d) Rys. 3. Zużyta powierzchnia obręczy kół tramwaju z oznakami shellingu Fig. 3. Worn surface with shelling effects of the tram wheel Rys. 4. Wartości podstawowych parametrów chropowatości: Rz, Rp i Ra zmierzonych na wybranych powierzchniach obręczy Fig. 4. Values of basic roughness parameters: Rz, Rp and Ra measured on chosen wheel surfaces NR 6/2015 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 393

4 a) b) Rys. 7. Średnia twardość HV10 w wybranych miejscach badanych na powierzchni obręczy Fig. 7. The HV10 average hardness in chosen part of the wheel surface c) d) w odległości 0,03 mm od powierzchni wykazały umocnienie w warstwie wierzchniej badanych obręczy (rys. 8). Twardość ta również sięgała wartości ok. 500 HV0,1 w miejscach największego zgniotu obserwowanego w mikrostrukturze, tzn. w wierzchołkach obrzeża i powierzchni tocznej. Badania twardości HV0,1 od powierzchni w głąb w wybranych miejscach przekroju poprzecznego obręczy wykazały, że strefa umocnienia warstwy wierzchniej nie przekracza 0,1 mm (rys. 9). Natomiast w przypadku obszaru tzw. białej warstwy twardość wynosiła ponad 800 HV0,1 (rys. 10). Duża twardość, kruchość i odporność na działanie czynników chemicznych to Rys. 5. Warstwa wierzchnia obręczy kół: a) przy skosie zewnętrznym profilu tocznego, b) w wierzchołku obrzeża, c) i d) na powierzchni tocznej Fig. 5. Surface layer of the Solaris tram wheel: a) near the outside rolling profile, b) on the top of the edge of the wheel, c) and d) on the rolling surface a) b) c) Rys. 8. Twardość HV0,1 na przekroju poprzecznym wzdłuż obrzeża w odległości 0,03 mm od powierzchni badanych obręczy Fig. 8. The HV0.1 hardness on the cross-section on the distance of 0.03 mm form the surface the tested wheels Rys. 6. Warstwa wierzchnia w wierzchołku obrzeża: a) obraz SEM oraz mapa EDS rozmieszcznia pierwiastków: b) Mn, c) S Fig. 6. The surface layer on the top of the edge of the wheel: a) SEM image and EDS map of: b) Mn, c) S O dużej kruchości warstwy świadczą występujące w niej pęknięcia (rys. 5d). Powstawanie tych warstw sprzyja występowaniu zjawiska spallingu. Silne odkształcenie plastyczne obserwowane w warstwie wierzchniej spowodowało zwiększenie twardości. Na powierzchni tocznej, czyli w miejscu styku obręczy z szyną odnotowano twardość HV10, a na wierzchołku obrzeża twardość wyniosła blisko 500 HV10 w obu przypadkach obręczy (rys. 7). Również badania twardości HV0,1 na przekroju poprzecznym wzdłuż obrzeża, Rys. 9. Zmiana twardości HV0,1 od powierzchni w kierunku rdzenia obręczy w obszarze wierzchołka obrzeża (W) i obszarze powierzchni tocznej (PT) Fig. 9. The HV0.1 hardness changes form the surface to the core in the surface layer of the edge of the wheel (W) and of the rolling surface (PT) 394 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXVI

5 Rys. 10. Warstwa wierzchnia obręczy kół z fragmentem białej warstwy wraz z wynikami badań twardości Fig. 10. The surface layer with part of white layer with hardness test results cechy, które zostały zdefiniowane jako najważniejsze, charakteryzujące tę warstwę [9]. 4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Identyfikacja zjawisk zachodzących na styku obręczy koła i szyny w odniesieniu do rzeczywistych warunków eksploatacji pojazdu pozwoliła określić główne typy uszkodzeń kół stosowanych w pojazdach szynowych komunikacji miejskiej, a także określić zmiany materiałowe będące wynikiem zużycia obręczy i szyny. Podstawową formą zużycia badanych obręczy kół tramwaju Solaris Tramino eksploatowanego w aglomeracji poznańskiej, jakie zostało rozpoznane na podstawie badań makroskopowych, był shelling. Ponadto na podstawie badań mikroskopowych w niewielkich obszarach warstwy wierzchniej stwierdzono obecność tzw. białej warstwy. Ze względu na termiczne warunki powstawania tej warstwy należy przypuszczać, że lokalnie dochodziło do większego niż dla shellingu nagrzewania ślizgających się powierzchni tocznych kół. Był to jednak proces lokalny, niemający kluczowego znaczenia w ogólnym przebiegu zużycia. Najwięcej efektów zużycia zaobserwowano na powierzchniach tocznych. Należy zaznaczyć, że rozwój shellingu był w początkowej fazie. Powstałe wykruszenia były niewielkie i nie były widoczne na całym obwodzie obręczy. Wynika to prawdopodobnie z tego, że tramwaje eksploatuje się na krótkich odcinkach w porównaniu z pociągami. O ile wymuszony warunkami miejskimi styl jazdy tramwaju predysponuje je do rozwoju shellingu, to możliwość częstych oględzin układów jezdnych pozwala zidentyfikować uszkodzenie na bardzo wczesnym etapie. Dzięki temu właściwa reakcja pozwala na serwisową regenerację powierzchni kół i ich dalszą eksploatację. Inną korzyścią z wczesnej identyfikacji shellingu jest prewencja przed jego rozwojem do katastroficznej formy skutkującej nieodwracalnym zniszczeniem koła. Obręcze kół ulegają silnemu odkształceniu plastycznemu w szczególności na wierzchołkach obrzeża i przy skosach zewnętrznych profilu tocznego. Silne zgnioty powodują zwiększenie twardości o blisko 70% w porównaniu z twardością materiału wyjściowego. W warstwie wierzchniej rozpoznano siarczki manganu. Wtrącenia te, występujące np. mikrostrukturze wierzchołków obrzeży, inicjowały delaminację. Może się to przyczyniać do powstawania pęknięć i w rezultacie do zwiększonego zużywania obręczy. W celu zmniejszenia zużywania się obręczy wskazane mogłoby być prewencyjne przetaczanie obręczy (zanim wystąpi konieczność przetaczania wynikająca z utraty właściwej geometrii przekroju obręczy, co jest wykonywane standardowo). Obróbka skrawaniem usunie zgniecioną warstwę wierzchnią jeszcze przed stadium, w którym występuje dalaminacja. Mogłoby to przyczynić się do zwiększenia ich trwałości. Ponadto wytworzenie powierzchni obręczy kół (przede wszystkim w miejscu styku z główką szyny) o mniejszym współczynniku tarcia przyczyniłoby się prawdopodobnie również do zmniejszania zużycia powodowanego nagrzewaniem się warstwy wierzchniej. Przeprowadzone badania wykazały również nieco zmniejszoną zawartość węgla w materiałach obręczy (jedna z nich miała zawartość węgla z zakresu dla stali P60). Zakup przez MPK obręczy ze stali P70 jest uzasadniony ich mniejszym zużywaniem się niż obręczy ze stali P60. PODZIĘKOWANIA Badania zrealizowano w ramach projektu badawczego Identyfikacja i modelowanie zjawisk nieliniowych w strefie kontaktu koła z szyną, celem opracowania nowego profilu koła tramwajowego (LIDER/20/521/L-4/12/NCBR/2013), finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu LIDER (wsparcie rozwoju kadry naukowej, a w szczególności podniesienie kompetencji w samodzielnym planowaniu, zarządzaniu oraz kierowaniu zespołem badawczym poprzez realizację projektów badawczych o charakterze aplikacyjnym). LITERATURA [1] Lewis R., Olofsson U.: Mapping rail wear regimes and transitions. Wear 257 (7-8) (2004) [2] Enblom R.: Deterioration mechanisms in the wheel rail interface with focus on wear prediction: a literature review. Vehicle System Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility 47 (6) (2009) [3] Trzaska Z.: Modelling of energy processes in wheel-rail contacts operating under influence of periodic discontinuous forces. Journal of Transportation Technologies 2 (2012) [4] Kwaśnikowski J., Małdziński L., Borowski J., Firlik B., Gramza G.: Analiza przyczyn przyspieszonego zużycia powierzchni tocznych kół autobusu szynowego SA 108 (215M). Pojazdy Szynowe 2 (2007) [5] Ahlström J., Karlsson B.: Microstructural evaluation and interpretation of the mechanically and thermally affected zone under railway wheel flats. Wear 232 (1999) [6] Garnham J. E., Davis C. L.: The role of deformed rail microstructure on rolling contact fatigue initiation. Wear 265 (2008) [7] Takahashi J., Kawakami K., Ueda M.: Atom probe tomography analysis of the white etching layer in a rail track surface. Acta Materialia 58 (2010) [8] Jirásková Y., Svoboda J., Shcneeweiss W. Daves O., Fisher F. D.: Microscopic investigation of layers on rails. Appl. Surf. Sci. 239 (2005) [9] Barbacki A., Jóźwiak K., Dynak K.: Biała warstwa próba definicji, warunki powstawania, właściwości. Inżynieria Materiałowa 27 (5) (2006) [10] Katoa T., Sugetab A., Nakayamaa E.: Investigation of influence of white layer geometry on spalling property in railway wheel steel. Wear 271 (2011) [11] Clayton P.: Tribological aspects of wheel-rail contact: a review of recent experimental research. Wear 191 (1-2) (1996) [12] Zając G., Jurga S.: Badania trwałości obręczy kół tramwajowych eksploatowanych w MPK S.A. w Krakowie. Problemy Eksploatacji (2) (2009) NR 6/2015 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 395