Symulacyjne badania oddziaływania na tor kolejowy koła z eliptyczną deformacją średnicy

Transkrypt

1 LESIAK Piotr 1 PODSIADŁO Rafał 2 Symulacyjne badania oddziaływania na tor kolejowy koła z eliptyczną deformacją średnicy WSTĘP Praca stanowi kontynuację badań autorów, dotyczącą analizy wpływu uszkodzonych powierzchni tocznych kół wagonowych na tor kolejowy. Dotychczasowe badania symulacyjne dotyczyły typowych deformacji, takich jak płaskie miejsca [8] oraz nalepy [9], będące skutkiem niewłaściwego utrzymania hamulców klockowych oraz innych przyczyn szeroko opisanych w literaturze [6, 11, 14]. W skrajnych przypadkach dynamiczne siły oddziaływania ich na tor kolejowy, mogą doprowadzić do znacznego przekroczenia dopuszczalnych wartości naprężeń w obręczach kół oraz szynach, a w konsekwencji zjawiska ich pęknięć i złamań [1, 12, 13]. Dochodzi do tego degradacja innych komponentów infrastruktury kolejowej, jak podkłady kolejowe, czy też podtorze. Dlatego też PKP PLK S.A., coraz powszechniej wprowadza szlakowe systemy do wykrywania stanów awaryjnych taboru, diagnozujące deformacje obręczy kół (system ASDEK) [4, 15]. Jedną z popularnych uszkodzeń powierzchni tocznej obręczy kół są ich eliptyczne deformacje, będące efektem odkształceń materiału i zużycia, wskutek ich eksploatacji [10]. Kolej diagnozuje te deformacje laserową aparaturą nowej generacji, rys.1, [2, 5]. Dlatego też autorzy podjęli się zbadania zagrożeń, jakie mogą one stanowić w kontekście ich dynamicznych oddziaływań na tor kolejowy. Rys.1. Laserowy pomiar zużycia obręczy kół wagonowych 1. MODEL DYNAMIKI WAGONU Z ELIPTYCZNĄ DEFORMACJĄ KOŁA W pracy użyto oprogramowania UNIVERSAL MECHANIZM Loco (UM LOCO) [3] do definicji i symulacji matematycznego modelu wagonu. Program automatycznie generuje równania ruchu wagonu na podstawie danych wejściowych (prędkość, szlak kolejowy, itp.). Symulacyjny model wagonu składa się z ciał sztywnych, które zostały połączone elementami prowadzącymi oraz podatnymi, tzn. model wagonu stanowi pudło połączone z dwoma zestawami kołowymi. Założono, że zestawy kołowe mają średnicę 1000 [mm] oraz profil S1002 (europejski) [10]. Pierwszy stopień usprężynowania wagonu złożony jest z układu czterech sprężyn śrubowych, ośmiu tłumików (czterech pionowych i poprzecznych) oraz czterech prowadników. Utworzony model 1 Uniwersytet Technologiczno Humanistyczny im. K. Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki, Radom, ul. Malczewskiego 29, tel: , p.lesiak@uthrad.pl 2 Uniwersytet Technologiczno Humanistyczny im. K. Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki; Radom, ul. Malczewskiego 29, tel: , r.podsiadlo@uthrad.pl 4437

2 wagonu przedstawiono na rys. 2. Szyny zostały zamodelowane, jako idealne (bez zużyć) o profilu UIC60. a) Z2 Z Z1 Z Mpudła ηy X ηx Y H = 1400 [mm] k2pr ζ 2t mz C2pr kp2pr C1pr kp1pr mz k1pr ζ 1t C2l D2l k2l k2pr C2pr D2p b) L = 5000 [mm] H L Rys. 2. Widok ogólny pojazdu szynowego, a) schemat dwuosiowego symetrycznego wagonu b) widok pojazdu utworzonego w UM LOCO Tor kolejowy zachowuje się jak nieskończenie długa belka o podporze sprężystej. Obciążenie w danym punkcie szyny pochodzące od kół przejeżdżającego pociągu nieprzerwanie się zmienia. Szczególny przebieg mają generowane siły przez koło z eliptyczną deformacją powierzchni tocznej, co zilustrowano na rys. 4. Symulację wykonano przy następujących założeniach: tor prosty idealny R = m (szyny zamodelowano, jako elementy niezużyte), 7 rozpatrzono dwa rodzaje tłumienia i sztywności toru - tor twardy (parametry k p 8,5.10 N/m i c p 3,8.10 Ns/m) oraz miękki (parametry k p 3.10 N/m i c p 2,2.10 Ns/m) [7], zamodelowano zestaw kołowy z eliptycznym defektem powierzchni tocznej dla parametrów da = db = 1, 2 5 mm, prędkości wagonu V= 10, 30, 50, 70, 90, 110 km/h masy pudła wagonu wynosiły M p = 10 t, 15 t, 20 t, 25 t, 30 t. W module LOCO programu Universal Mechanizm 6.0 3, zamodelowano na zestawie kołowym nr 1 deformację eliptyczną koła opisaną równaniem: 2 x ( R da) 2 2 y ( R db) 2 = 1 (1) gdzie: R da db - promień powierzchni tocznej nieuszkodzonego koła zestawu, - odchylenie miejscowe od promienia powierzchni tocznej koła na osi odciętych, - odchylenie miejscowe od promienia powierzchni tocznej koła na osi rzędnych, Przykładowe przebiegi sił oddziaływujących na szynę dla różnych prędkości pojazdu i sztywności toru twardego, przy stałych wielkościach uszkodzenia średnicy tocznej koła (da = db = 1 mm i 5 mm) oraz różnej masy wagonu (M p = 10 t i 30 t), przedstawiono na rys.3. Przy małej prędkości V = 10 km/h, występują zmienne siły normalne o zbliżonych wartościach, zarówno dla zestawu kołowego nr 4438

3 1 i 2 pojazdu. Przyczyną takiego rozkładu sił normalnych na zestawie kołowym nr 1 i 2 jest wystąpienie drgań pudła wagonu. Zwiększenie prędkości jazdy wpływa na tłumienie drgań pudła, ale przyczynia sie do powstania większych sił normalnych w kontakcie zestawu kołowego, o zdeformowanej średnicy tocznej, z szyną. Przy prędkościach V=110 km/h wartości sił normalnych uszkodzonego koła są tak duże, że mogą wpływać nie korzystnie na stateczność ruchu pojazdu szynowego. Rys. 3. Ilustracja oddziaływania sił na tor kolejowy twardy w funkcji czasu od koła z eliptyczną deformacją średnicy, przy prędkości V = 10, 70 i 110 km/h, dla da=db= 1 i 5 mm: a) dla masy wagonu M p =10 t i b) dla masy wagonu M p =30 t, gdzie Qi - siła dynamiczna przekazywana na szynę przez koło z eliptyczną deformacją średnicy powierzchni tocznej, Qd - siła dynamiczna przekazywana na szynę przez koło nieuszkodzone W celu wprowadzenia defektu eliptycznego, wybiera się w oknie programu ELIPSE. Przy oznaczeniu WS1 (zestaw kołowy nr 1) pojawi się litera E informująca o zastosowaniu odpowiedniego rodzaju defektu koła. Po wprowadzeniu wielkości odchylenia (w milimetrach) oznaczonej, jako da i db uzyskuje się odpowiedni kształt elipsy, odpowiadający deformacji średnicy powierzchni tocznej koła, co przedstawiono na rys.4. Należy wyjaśnić, że badania wykonano dla pełnej symetrii deformacji, czyli gdy da=db, jednak program umożliwia symulacje niesymetryczne, co zostanie wykorzystane w dalszych pracach autorów. 4439

4 Rys. 4. Okno programu UM LOCO służące do zdefiniowania uszkodzenia powierzchni tocznej koła zestawu 2. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Wyznaczono względne zmiany oddziaływań dynamicznych sił w funkcji uszkodzeń eliptycznych koła zestawu, dla zmiennych mas pudła wagonu, przy stałej prędkości, dla zróżnicowanej sztywności toru, rys. 5 oraz dla zmiennej prędkości przy stałych skrajnych masach wagonu, rys.6. Porównując względne oddziaływanie sił na tor o różnej sztywności, przy bardzo małych prędkościach praktycznie te zmiany funkcyjne są porównywalne, rys. 5a i b (przy czym, jako wartość siły Q i, wybiera się maksymalną jej próbkę z przebiegu czasowego, jak na rys. 3). W miarę rozpędzania się wagonu, następuje istotny wzrost siły dynamicznej, dla mniejszej masy i większej deformacji (udary koła w szynę), rys.5c. Zmniejszona sztywność (większa elastyczność) toru bardziej tłumi te oddziaływania, stąd też stosunek siły maleje i następuje zjawisko nasycenia charakterystyki, rys. 5f. Należy zauważyć, że dla najmniejszych deformacji, rzędu 1 mm, nawet przy prędkości V=110 km/h, uzyskano niewielką wartość stosunku Q i / Qd 2, co nie zagraża bezpieczeństwu toru. Natomiast dla granicznych wartości da=db, gdzie stosunek Q i / Qd dochodzi do kilkunastu, zachodzi uzasadniona obawa pęknięć szyn. Podobnie zauważalny jest na rys. 6, silny wzrost stosunku sił Q i / Qd, w miarę nabierania prędkości przez wagon, i zbliżania się do granicznych odchyleń da=db, szczególnie przy małej masie. Również i tu zauważalny jest ograniczenie dynamicznego oddziaływania, wskutek tłumienia podtorza, rys.6b. Wzrost masy zmniejsza dynamikę uszkodzonego zestawu kołowego, rys.6c i d, dodatkowo poprzez sztywną bryłę wagonu sprzęgającą z nieuszkodzonym zestawem, co jest korzystne z punktu widzenia eksploatacyjnego. WNIOSKI Siła dynamiczna przekazywana na szynę przez koło z eliptyczną deformacją, w skrajnych przypadkach, dla znacznych wartości uszkodzeń, może osiągać kilkunastokrotny przyrost oddziaływań przenoszących się na tor (w stosunku do sił występujących dla nieuszkodzonych kół), co wykazano w badaniach symulacyjnych. Dlatego przyjęte z premedytacją w badaniach wartości deformacji przekraczające istotnie dopuszczalny ich wymiar, miały za cel prezentację skali problemu i jego konsekwencji dla szyn. Jak wynika z badań doświadczalnych, już kilkakrotny wzrost siły oddziaływania na tor, może spowodować ich pęknięcie [13]. 4440

5 a) b) c) d) e) f) Rys. 5. Funkcje zależności stosunku siłq i / Qd od zmian miejscowych promienia tocznego koła (elipsy) da =db i masy pudła wagonu, przy różnej sztywności toru: a) i b) przy V =10 km/h odpowiednio dla M p toru twardego i miękkiego, takiego jak dla c) i d) przy V =70 km/h oraz e) i f) przy V =110 km/h 4441

6 a) b) c) d) Rys. 6. Funkcje zależności stosunku sił oddziaływania zestawu na szynę od zmian miejscowych promienia koła tocznego (elipsy) da = db w funkcji prędkości przy różnej sztywności toru, dla: a) i b) M 10 t odpowiednio dla toru twardego i miękkiego, i analogicznie c) i d) przy M 30 t Zjawisko to jest podobne jakościowo, do badanych prze autorów oddziaływań płaskich miejsc i nalepów [8, 9]. Szczególną uciążliwość eksploatacyjną we wszystkich tych trzech przypadkach, obserwuje się w okresie zimowym (liczne pęknięcia szyn), gdyż tor jest wówczas twardy a siły dynamiczne wyższe, co wykazano w przeprowadzonych badaniach symulacyjnych. Wykorzystane w badaniach symulacyjnych środowisko UM LOCO okazało się przyjazne użytkownikowi. Toteż w dalszych pracach, autorzy proponują pełniejsze jego wykorzystanie i stworzenie bardziej rozbudowanych modeli poprzez superpozycję deformacji eliptycznych z płaskim miejscem lub nalepem. Uszkodzenia takie występują w warunkach eksploatacyjnych. Ponadto zmianom może też ulec model wagonu, poprzez zastosowanie innego zawieszenia (resory piórowe). Ciekawe wydaje się też zmodyfikowanie modeli toru, zarówno poprzez wprowadzenie deformacji powierzchni tocznej główki szyny (wady kontaktowo - naprężeniowe, falistości, wybuksowania), jak p p 4442

7 i dodanie nieliniowości podtorza. Wymaga to jednak uzupełnienia warsztatu informatycznego, o nowe moduły stosowanego środowiska symulacyjnego. Streszczenie W pracy przeprowadzono symulacyjne badania oddziaływań dynamicznych na tor kolejowy dwuosiowego wagonu z uszkodzonym zestawem kołowym. Na średnicy powierzchni tocznej obydwu kół tego zestawu, wprowadzono symetryczne deformacje eliptyczne. Zbadano ich wpływ uwzględniając prędkość i masę wagonu, na siły oddziaływania na tor o rożnych wartościach sztywności. Zarejestrowano zarówno przebiegi czasowe przejazdu wagonu jak i wyznaczono charakterystyki 3D, obrazujące wpływ tych parametrów. Dokonano analizy porównawczej. Symulacje dynamiki ruchu wykonano w środowisku UM LOCO. Słowa kluczowe: dynamika pojazdów szynowych, zestaw kołowy z deformacją eliptyczną, badania symulacyjne Simulation of an interaction between the railway and wheel with an eliptical diameter deformation Abstract The paper presents simulation results for dynamic interaction between the railway and damaged wheelset where the surface of both wheels in the set is eliptically deformed. The influence of the wheel deformation on the force being exerted on the railway at a different rail stiffness, speed and mass of the carriage has been investigated. Both, time waveforms of carriage movement and its 3D characteristics showing the influence of these parameters were presented. Comparative analysis was performed. The simulation was carried out in the UM LOCO environment. Keywords: Dynamics of railway vehicles, wheelset with eliptical deformation, simulation studies BIBLIOGRAFIA 1. Bogacz R., Świderski Z.: Symulacja warunków eksploatacyjnych powodujących uszkodzenia powierzchni tocznych kół i szyn kolejowych. Symulacja w Badaniach i Rozwoju Vol. 1, No. 2/ CORAIL. Internet 3. Elektroniczny podręcznik użytkownika Universal Mechanizm 6.0, Laboratory of Computational Mechanics, Bryansk State Technical University. 4. Ie-3.Wytyczne techniczno-eksploatacyjne urządzeń do wykrywania stanów awaryjnych taboru. PKP PLK S.A. Warszawa Instrukcja pomiarów i oceny technicznej zestawów kołowych pojazdów trakcyjnych Bt-11. PKP Intercity, Warszawa Kwaśnikowski J., Małdziński L., Borowski J.,Firlik B., Gramza G.: Analiza przyczyn przyspieszonego zużycia powierzchni tocznych kół autobusu szynowego SA 108 ( 215M ). Pojazdy Szynowe nr 2/ Lesiak P.: Badania i analiza właściwości metrologicznych wybranych metod pomiaru spłaszczeń w kołach wagonowych. Rozprawa doktorska, Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej. Warszawa Lesiak P., Podsiadło R.: Symulacyjne badania dynamicznego oddziaływania koła z płaskim miejscem na szynę w środowisku Universal Mechanizm Loco. Transcomp Logistyka 6/2011 (płyta CD). 9. Lesiak P., Podsiadło R.: Symulacyjne badania oddziaływania nalepów kół wagonowych na tor. Logitrans Logistyka 3/2012 (płyta CD). 10. Norma europejska EN 13262:2004, Kolejnictwo. Zestawy kołowe i wózki. Koła. Wymagania dotyczące wyrobu. 11. Ogólna umowa o użytkowaniu wagonów towarowych (AVV). Załącznik nr 10. Wagony towarowe naprawa i utrzymanie prewencyjne. Internet

8 12. Piec P.: Zjawiska kontaktowe w elementach pojazdów szynowych. Kraków, Wydawnictwo Instytut Technologii i Eksploatacji, Radom, Towpik K.: Infrastruktura drogi kolejowej obciążenia i trwałość nawierzchni. Wydawnictwo Instytutu Technologii i Eksploatacji, Warszawa Radom Szudyga M.: Diagnozowanie metodą magnetyczną procesów zmęczeniowych stali stosowanej do kół i obręczy kolejowych zestawów kołowych. Praca doktorska. Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katowice voestalpine TENS Sp. z o.o. System wykrywania stanów awaryjnych taboru kolejowego podczas jazdy ASDEK. Internet: