Weryfikacja stanu tramwajowych zestawów kołowych w aspekcie kwalifikacji do procesu naprawczego 3

Transkrypt

1 Robert Polasik 1, Paweł Skórcz 2 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Weryfikacja stanu tramwajowych zestawów kołowych w aspekcie kwalifikacji do procesu naprawczego 3 Transport szynowy, zarówno w obszarach miejskich jak i poza nimi, stanowi istotny składnik masowego transportu osób i towarów. O jego popularności decyduje, między innymi, wysoka sprawność przemieszczania, wynikająca z uniezależnienia się od zmian w natężeniu ruchu kołowego. Jednym z czynników stanowiących o funkcjonalności transportu szynowego jest stan techniczny taboru. Zespołem, którego stan w sposób bezpośredni wpływa na bezpieczeństwo ruchu oraz sprawność działania układu pojazd-torowisko podczas procesu eksploatacji jest zestaw kołowy. Elementy toczne, jakimi są obręcze kół zestawu, są elementami, które ulegają zużyciu wskutek zjawisk zachodzących w obszarze ich styku z torowiskiem [2]. Stąd zmiany wymiarów charakterystycznych obręczy mogą być sygnałami diagnostycznymi, które umożliwią utrzymywanie zestawu kołowego w stanie sprawności a także umożliwią kwalifikację do procesu naprawy dla przywrócenia właściwego stanu powierzchni współpracujących. W artykule przedstawiono wyniki pomiarów wymiarów charakterystycznych obręczy kół zestawu kołowego, eksploatowanego w Bydgoskich MZK. Pomiary prowadzono na wózku po procesie regeneracji obręczy przez okres jednego roku. Każdy wagon elektryczny składa się z dwóch podstawowych elementów. Jest to nadwozie i podwozie. Nadwozie w zależności od konstrukcji wagonu, jest zbudowane z ostoi i pudła. Konstrukcje nadwozi są całkowicie spawane i tworzą układ całonośny, który spoczywa na wózkach [4]. Pojazdy szynowe ze względu na rodzaj podwozia sklasyfikować można jako pojazdy ostojnicowe i wózkowe. W ostojnicowych pojazdach podwozie składa się z ramy (ostoi), która jest oparta sprężyście na zestawach kołowych, prowadzonych w tej ramie. Rama ta jest zarazem elementem nośnym nadwozia. Trakcyjne pojazdy szynowe z tego typu podwoziem posiadają od dwóch do pięciu osi i wszystkie zestawy kołowe są napędzane. Pojazdy wózkowe w swojej budowie różnią się od ostojnicowych tym, że posiadają dwa lub trzy wózki i elementy łączące z nimi ramę nadwozia. Pojazdy wózkowe w swojej budowie różnią się od ostojnicowych tym, że posiadają dwa lub trzy wózki i elementy łączące z nimi ramę nadwozia. Zasadniczą częścią wózka jest rama (ostoja), na której zamontowane są zestawy kołowe i na której spoczywa nadwozie. Najczęściej rama wózka oparta jest sprężyście na łożyskach zestawów kołowych a rama nadwozia sprężyście na wózku. Rama wózka z ramą nadwozia jest połączona za pomocą gniazda lub czopa skrętowego [6]. W pojazdach szynowych stosuje się różne typy zestawów kołowych. Ich konstrukcja jest uzależniona od warunków, w jakim są eksploatowane wagony, jak również np. od szerokości toru czy też przeznaczenia pojazdu. Zróżnicowanie zestawów kołowych napędnych jest o wiele większe niż zestawów tocznych. W zestawach napędnych różnice te wynikają np. ze sposobu ułożyskowania czy też rodzaju mechanizmu napędowego [3]. Zestaw kołowy złożony jest z wału osiowego zwanego również osią, na którym osadzone są trwale dwa koła [4,5]. Wał zestawu kołowego jest ułożyskowany za pomocą dwóch łożysk tocznych lub rzadziej poprzez zastosowanie łożysk ślizgowych. Łożyska te są osadzone na czopach wału i w korpusie tworząc razem węzeł łożyskowy zwany maźnicą [7]. Osie wykonywane są, jako pełne lub z rur. Kołami w zestawie mogą być koła obręczowane oraz koła bezobręczowe, w którym obręcz wraz z tarczą koła tworzą jednorodny element [5,7]. Problem zużywania się obręczy podczas współpracy z szyną jest najważniejszym problemem w eksploatacji pojazdów szynowych. Dąży się do tego, aby trwałość obręczy jak i szyn była jak najdłuższa [8]. Aby zmniejszyć ten niekorzystny wpływ tarcia między szyną a obręczą, można zastosować urządzenia do 1 dr inż. R. Polasik, adiunkt, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Instytut Technik Wytwarzania 2 inż. P. Skórcz, Miejskie Zakłady Komunikacyjne Sp. z o.o. w Bydgoszczy 3 Artykuł recenzowany.

2 smarowania obrzeży kół. Umożliwia to zmniejszenie szybkości zużycia ściernego powierzchni współpracujących, zwłaszcza na odcinkach krętych. Kolejną korzyścią jest redukcja emisji hałasu powstającego podczas przejazdu przez łuki. Podczas eksploatacji zestawu kołowego zużywaniu ulega obręcz koła. Dzieje się to wskutek działania na koło różnych obciążeń a także występowaniu tarcia tocznego i ślizgowego. Zmianie ulega profil obręczy - obrzeże i powierzchnia toczna [5]. Największe zużycie profilu występuje na początku eksploatacji[6]. Podczas eksploatacji mogą wystąpić różnorakie uszkodzenia, między innymi: zmiany geometryczne obrzeża obręczy, podcięcia obrzeża, płaskie miejsca, nalepy (rys. 1), zgniot zarysu, wyszczerbienia obręczy, rozwalcowywanie obręczy, pęknięcia obręczy lub wieńca, łuszczenie. Rys. 1. Przykład zużycia obręczy - nalepy na powierzchni tocznej Źródło: [9] Na rys. 1 zilustrowano zmiany stanu obręczy w postaci nalepów. Tworzą się one wskutek zakleszczania koła i zeskrobywaniu materiału z szyny, który zostaje przylepiony do obręczy. Jest to zjawisko bardzo niekorzystne, ponieważ nalepy oddziaływają udarowo na szynę. Inną, powszechnie występującą postacią zużycia obręczy, jest rozwalcowanie obręczy, występujące prawie zawsze po dość długim eksploatowaniu, ponieważ wtedy obręcze poddane zostają powierzchniowym odkształceniom plastycznym [1]. Obiekt badań, metodyka i technika eksperymentu Zestaw kołowy, będący przedmiotem obserwacji zastosowany był w tramwaju typu 805Na produkcji krajowej. Jest to tramwaj elektryczny przystosowany do jazdy po torach o prześwicie 1000 mm. Zasilanie tramwaju jest pobierane z sieci elektrycznej o napięciu 600V. Energia elektryczna zamieniana jest na energię mechaniczną dzięki zastosowaniu silników trakcyjnych. Tramwaj ten jest pojazdem wózkowym, który posiada dwa dwuosiowe wózki napędne. Wózek wraz z opisem zilustrowany jest na rys. 2. Nadwozie połączone jest z wózkiem za pomocą więzu sprężystego, jakim jest czop skrętowy osadzony w gnieździe belki bujakowej. Czop ten pozwala na niewielki obrót wózka w płaszczyźnie poziomej podczas jazdy po łukach. Rama wózka jest wykonana z pasów blachy, jako konstrukcja spawana. Składa się ona z dwóch podłużnic, dwóch poprzecznic łączących podłużnice oraz belki bujakowej.

3 Rys. 2. Wózek typu 2NN: 1-podłużnica, 2-poprzecznice, 3-belka bujakowa, 4-koło obręczowane, 5- maźnica, 6-przekładnia napędowa, 7-silnik trakcyjny, 8-gniazdo na czop, 9-pakiet sprężyn gumowometalowych, 10-amortyzator pionowy Na końcu podłużnic za pośrednictwem łożysk tocznych zamontowane są osie zestawów kołowych. Na poprzecznicach mocowane są silniki trakcyjne, przekładnie i osprzęt hamulców. Belka bujakowa jest oparta sprężyście na podłużnicach za pomocą pakietów sprężyn gumowo-metalowych i amortyzatorów pionowych. Stanowi to drugi stopień sprężynowania wózka od nadwozia wagonu. Każdy zestaw kołowy napędzany jest osobną przekładnią zębatą jednostopniową typu 20Pm. Przekładnia ta jest zamontowana na osi zestawu. Przełożenie przekładni wynosi 7,17:1. Całkowita masa własna pojazdu nieobciążonego wynosi kg. Przy założeniu równomierności obciążenia każde koło przenosi wtedy nacisk ponad 2000 kg. Tramwaj użytkowany był na szynach kolejowych S49E1 oraz szynach z rowkiem typu 180S i Ri60N. Nie stosowano smarowania obrzeży. Zestaw kołowy stosowany w tym tramwaju jest zestawem wąskotorowym z czopami do łożysk tocznych i z kołami obręczowanymi na stałe połączonymi z osią. Opisywany zestaw przedstawiono na rys. 3. Oś w tym przypadku jest osią pełną. Rozstaw kół wynosi 1000 mm. Zestaw ułożyskowany jest z dwóch stron na końcach osi za pomocą czterech łożysk. Są to łożyska walcowe jednorzędowe poprzeczne. Pierścienie wewnętrzne łożysk wciskane są na oś a pozostała część łożyska montowana jest do specjalnego korpusu. Korpus ten z łożyskami mocowany jest w podłużnicy wózka. Taki węzeł łożyskowy potocznie nazywany jest maźnicą. Kolejnymi elementami składowymi zestawu są dwa koła obręczowane trwale połączone z osią. Koło to składa się z koła bosego, dwóch tarcz, wkładek gumowo-metalowych i obręczy. Wkładki gumowo-metalowe zamontowane są pomiędzy tarczami i stanowią trzeci stopień sprężynowania wagonu. Mają one za zadanie m. in. tłumienie drgań i hałasu. Przenoszą także obciążenia występujące podczas nabiegu koła na szynę. Pozwalają również na minimalne ruchy obręczy względem piasty koła. Tarcze skręcone są ze sobą za pomocą śrub. W tarczy wykonane są otwory ułatwiające odprowadzenie ciepła, które wytwarza się podczas pracy gumowych krążków. Obręcz nasadzona jest na koło bose na stałe dzięki połączeniu skurczowemu. Materiał obręczy to stal P70 ulepszona cieplnie. Jest to stal o wytrzymałości na rozciąganie MPa oraz twardości ok. 360 HB.

4 Rys. 3. Badany zestaw kołowy: 1 koło bose z tarczami i wkładkami gumowo-metalowymi, 2 obręcz, 3 korpus z łożyskami walcowymi, 4 przekładnia zębata Eksperyment polegał na pomiarach wymiarów charakterystycznych obręczy kół oraz obserwacji stanu zestawu w okresie 1 roku. Miał on na celu określenie zużycia profilu koła w czasie jego eksploatacji. Zestaw ten był zestawem po naprawie z nowym zarysem zewnętrznym obręczy. Dzięki temu można było określić okres eksploatacji obręczy i prognozować przewidywany termin procesu naprawy tego zestawu kołowego. Kontroli podlegał zarys profilu obręczy oraz średnica okręgu tocznego obręczy. Pomiar odbywał się raz w miesiącu po przejechaniu przez tramwaj ok 4000 km. Pomiaru zarysu profilu dokonywano specjalnie do tego celu wykonanym przyrządem specjalnym, za pomocą którego określano wysokość i grubość obrzeża obręczy z dokładnością 0,1 mm. Średnicę natomiast sprawdzano za pomocą odpowiedniego przymiaru i suwmiarki noniuszowej do kół o zakresie 1200 mm i dokładności 0,1 mm. Sprawdzeniu podlegały wszystkie koła przedniego wózka tramwaju. Schemat rozmieszczenia kół w wózku i ich numeracja została przedstawiona na rys. 4. Rys. 4. Schemat rozmieszczenia kół w wózku, poddanym badaniom

5 Wyniki pomiarów zapisywano na karcie pomiarowej, po czym wprowadzano je do arkusza kalkulacyjnego Excel. Na podstawie wyników pomiarów sporządzono wykresy przedstawiające stopień zużycia obręczy dla okresu w którym wykonywano eksperyment. Wartości mierzonych wielkości przed rozpoczęciem obserwacji były następujące: średnica obręczy D = 644 mm, grubość obrzeża Og= 22 mm, wysokość obrzeża Ow= 22 mm. Mierzone wielkości obręczy zaprezentowano w postaci graficznej na rys. 5. Rys. 5. Schemat rozmieszczenia mierzonych wielkości na obręczy koła Wyniki badań Wyniki pomiarów zarysu zewnętrznego oraz średnicy obręczy przedstawione zostały w postaci tabel, na podstawie których utworzono wykresy zależności ich zużycia w okresie trwania eksperymentu. W tabelach (Tab. 1 4) zestawiono poszczególne wymiary eksploatowanej obręczy. W tab. 1 i 2 zestawiono wyniki pomiarów zestawu kołowego nr 1 natomiast w tab. 3 i 4 - zestawu nr 2. Zestaw nr 1 w początkowym okresie eksploatowany był jako zestaw przedni tzw. zestaw atakujący. Pomiarów dokonywano na początku każdego miesięcznego okresu eksploatacji, przy czym pomiar I wykonano dla zestawu po naprawie. Tab. 1. Wymiary obręczy koła 1, oznaczenie na wykresach (rys. 6 i 7) - barwa niebieska Miesiąc Parametr O w [mm] 22 21,2 20,7 20, ,9 19,9 19,8 19,7 19,6 19,6 O g [mm] 22 20,9 19, ,8 17,7 17,6 17,6 17,6 17,3 17,3 17,1 D [mm] ,7 643,5 643,3 643, ,8 642,7 642,6 642,4 642,2 641,9

6 Tab. 2. Wymiary obręczy koła 2, oznaczenie na wykresach (rys. 6 i 7) - barwa czerwona Miesiąc Parametr O w [mm] , ,9 19,8 19,8 19,7 19,7 19,6 19,5 O g [mm] 22 21,2 19,5 18,1 17,9 17,8 17,6 17,6 17,5 17,5 17,4 17,3 D [mm] ,7 643,6 643,5 643,4 643, ,7 642,5 642,3 642,2 642 Tab. 3. Wymiary obręczy koła 2, oznaczenie na wykresach (rys. 6 i 7) - barwa zielona Miesiąc Parametr O w [mm] 22 21, ,5 20, ,9 19,8 19,6 19,6 19,5 19,5 O g [mm] , ,1 18,3 17, ,6 16, ,7 D [mm] ,8 643,5 643,3 642,9 642,4 641,9 641,6 641,2 640,9 640,5 640,1 Tab. 4. Wymiary obręczy koła 2, oznaczenie na wykresach (rys. 6 i 7) - barwa czarna Miesiąc Parametr O w [mm] 22 21,5 21,1 20,8 20,5 20,3 20, ,9 19,8 19,6 O g [mm] 22 21,4 19,9 19,5 18,8 18,1 17,7 17,5 17,3 17,1 16,7 16,4 D [mm] ,8 643,5 643, ,2 641,8 641,6 641,3 640,8 640,3 640 Najbardziej wyraziste było zużycie grubości obrzeża, które wyniosło ok. 5 6 mm. Wysokość obrzeża obręczy jak i średnica obręczy nie ulega tak gwałtownemu zużyciu. W ciągu 12 miesięcy średnica kół 1 i 2 zmniejszyła się średnio o około 2 mm a wysokość obrzeża o około 2,5 mm. Dla kół 3 i 4 wysokość obrzeża pomniejszyła się o ok. 2,5 mm a średnica o ok. 4 mm.

7 grubość obrzeża Og, mm wysokość obrzeża Ow, mm Porównując do siebie oba zestawy stwierdzono, że zużycia grubości obrzeża kół w zestawie nr 1 są mniejsze o ok. 1 mm w stosunku do kół zestawu nr 2. Na rys. 6 przedstawiono przebiegi zużycia grubości i wysokości obrzeża w formie wykresów, w okresie wykonywania eksperymentu - 1 roku koło nr 1 koło nr 1 koło nr 2 koło nr 2 20 koło nr 3 21 koło nr 3 19 koło nr 4 koło nr miesiąc 19 miesiąc Rys. 6. Przebiegi zmian wartości grubości obrzeża - Og oraz wysokości obrzeża - Ow W pierwszych trzech miesiącach eksploatacji zaobserwować można było gwałtowne zmniejszenie grubości obrzeża każdego koła bez względu na jego usytuowanie w wózku (rys. 6, strona lewa). Związane to było z docieraniem się współpracujących powierzchni kół i szyn. W kolejnym miesiącu nastąpiło dalsze intensywne zużycie obrzeży kół nr 1 i 2, przy czym koła nr 3 i 4 zużywały się w mniejszym stopniu. Różnica ta wynikała z tego, że koła nr 1 i 2 należały do zestawu przedniego a więc tzw. zestawu atakującego, na który działają największe siły tarcia przy wchodzenia w łuki torowe. Grubość obrzeża kół nr 1 i 2 w tym miesiącu wynosił ok. 18 mm natomiast koła nr 3 na tylnym zestawie 20 mm. Rozbieżność między kołami wynosiła 2 mm i w tej sytuacji nastąpiło obrócenie wózka w celu zamiany zestawów kołowych. Obrócenie wózka zaznaczono w tabelach kolorem żółtym. Od tego momentu koła nr 1 i 2 eksploatowane były na zestawie tylnym a koła nr 3 i 4 na zestawie atakującym. Po zamianie miejsc użytkowania zaobserwowano, iż koła nr 3 i 4 zużywały się bardziej gwałtownie niż koła nr 1 i 2. Grubości obrzeży zestawu tylnego wózka (koła 1 i 2) zmniejszały się bardzo powoli. W okresie 12 miesięcy najbardziej zmniejszyła się grubość obrzeża koła nr 3 (osiągnęła wartość poniżej 16 mm). Przyczynić się do tego mogła większa liczba skrętów tramwaju w lewą stronę. Zużycie wysokości obrzeża zaprezentowano na rys. 6, po prawej stronie. W pierwszej fazie eksploatacji zestawów stwierdzono, że wysokości obrzeży wszystkich kół zmieniały się podobnie i dość gwałtownie. Obrócenie wózka i zamianę zestawów oznaczono w tabelach barwą żółtą. Do tego okresu wysokość obrzeża kół nr 1 i 2 zmniejszyła się nieznacznie bardziej niż w kołach 3 i 4. W dalszym okresie użytkowania wysokość obrzeża w każdym kole zmniejszała się bardziej równomiernie. Po 8 miesiącach eksploatacji osiągnęła wartości ok. 19,5 mm, bez względu na usytuowanie koła w wózku. Można przypuszczać, że po początkowej fazie docierania się współpracujących kół i szyn nastąpiło ustabilizowanie się profilu obręczy, stąd też niewielkie zużycie wysokości obrzeża obręczy

8 Podsumowanie Zaprezentowane i opisane wyniki pomiarów dotyczyły określenia geometrii zarysu zewnętrznego obręczy po okresie 12-miesięcznej eksploatacji. Dodatkowo w wyniku oględzin zewnętrznych zestawów kołowych można dostrzec zmiany stanu powierzchni obręczy (rys. 7). Stwierdzono występowanie rozwalcowań, zarówno na powierzchni tocznej jak i obrzeżu. Na obrzeżu obręczy powstały one wskutek przejeżdżania przez rozjazdy torowe. Rozwalcowania na powierzchni tocznej tworzą się one wskutek nacisku koła na szynę. W wyniku tego materiał obręczy odkształca się i przesuwa w kierunku krawędzi powierzchni tocznej. Wymienione wady nie powodowały zakłóceń pracy zestawu ani nie powodowały zakwalifikowania do jego naprawy. Rys. 6. Zmiany, zaobserwowane na powierzchni obrzeża i powierzchni tocznej badanych obręczy Porównując stan obręczy kół zestawu 1 i 2 podczas okresu eksploatacji poddanego badaniom można stwierdzić, że koła zestawu przedniego (atakującego) zużywają się w większym stopniu niż koła zestawu tylnego. Wynikać to może z tego, iż w momencie przejazdu tramwaju przez łuk torowy na koło, które jako pierwsze wchodzi w łuk działają największe siły. W początkowej fazie eksploatacji nowego zestawu następowało gwałtowniejsze zmniejszanie się wartości wielkości mierzonych. Związane to było z docieraniem się powierzchni obręczy kół. W późniejszym okresie nastąpiło ustabilizowanie się procesu zużywania profilu obręczy i dalsze jej zużycie wynikało już tylko z charakteru współpracy koła z szyną podczas jazdy. Uzależnione jest ono w dużym stopniu od stanu technicznego torowiska oraz warunków atmosferycznych. Nierówności torowiska powodują ruch wężykowaty tramwaju, co sprzyjać może większemu zużywaniu się zestawów kołowych. Również wilgotne torowisko sprawia, że koło nie posiada dobrej przyczepności i łatwo wpada w niepożądane poślizgi, przyczyniające się do powstawania zmian powierzchni tocznej. Analizując otrzymane wyniki i obserwacje można określić okres trwałości eksploatacyjnej badanych zestawów kołowych oraz ustalić (prognozować) termin wykonania procesu naprawczego (jak również ustalić cykl naprawczy). Przy założeniu, że dalsza eksploatacja przebiegać będzie w podobny sposób to badane zestawy powinny być zdatne do użytkowania przez kolejne 12 miesięcy. Sytuacje szczególne,

9 takie jak gwałtowne hamowanie przy dużej prędkości powodować mogą uszkodzenie powierzchni tocznej obręczy, po którym konieczna będzie naprawa zestawu przed prognozowanym okresem. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki pomiarów wymiarów charakterystycznych oraz obserwacji powierzchni obręczy kół zestawu kołowego, eksploatowanego w Bydgoskich MZK. Pomiary prowadzono przez okres jednego roku. Badaniom poddano zestaw kołowy wózka po wcześniej wykonanym procesie naprawy, obejmującym regenerację obręczy. Na podstawie wyników badań i ich analizy określono przewidywany okres zdatności zestawu do eksploatacji. Abstract Tram wheel sets state verification as qualification for the repair process Measurement results of characteristic dimensions and surfaces observations of rim wheels sets, operated in MZK Bydgoszcz company, were presented in this article. Measurements were conducted for one year period. The study involved tram wheel set after earlier made repair process, including rims regeneration. Based on the results of research and analysis, the tram wheel set period suitability for use was determined and discussed. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Praca zbiorowa Bawolski T., Chmiel E.: Defektoskopowe badanie elementów pojazdów szynowych. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1979 [2]. Jurga S., Zając G.: Badania trwałości obręczy kół tramwajowych eksploatowanych w MPK S.A. w Krakowie. Problemy Eksploatacji , s [3]. Kowalski E.: Pojazdy trakcyjne. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1984 [4]. Plewako S., Romaniszyn Z., Cianciara K.: Pojazdy trakcyjne kolei elektrycznych. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1966 [5]. Podemski J., Marczewski R., Majchrzak Z.: Zestawy kołowe i maźnice. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1978 [6]. Romaniszyn Z.: Podwozia wózkowe pojazdów szynowych. Wydawnictwo IPSz, Kraków 2010 [7]. Romaniszyn Z., Oramus Z., Nowakowski Z.: Podwozia trakcyjnych pojazdów szynowych. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1989 [8]. Żółtowski B., Heredia Castaneda F.L.: Badania pojazdów szynowych, transport. Wydawnictwo Uczelniane UTP, Bydgoszcz 2009 [9]. [ ]