Analiza przydatności głównych cech diagnostycznych zarysu zewnętrznego kół do prognozowania terminów oceny stanu technicznego lokomotyw elektrycznych

Transkrypt

1 POTĘPA Piotr 1 SOWA Andrzej 2 Analiza przydatności głównych cech diagnostycznych zarysu zewnętrznego kół do prognozowania terminów oceny stanu technicznego lokomotyw elektrycznych WSTĘP Jednym z istotnych czynników oceny różnego rodzaju środków transportu jest bezpieczeństwo ruchu. W przypadku pojazdów szynowych zależy ono w wyraźny sposób od prawidłowego zarysu zewnętrznego kół użytkowanych pojazdów szynowych. Kształt wyjściowy tego zarysu przewidują odpowiednie normy krajowe i międzynarodowe, na które powołuje się np. instrukcja Bt-11 [13] odnosząca się do kół lokomotyw znaczącego przewoźnika, jakim jest na terenie Polski PKP Intercity. W trakcie eksploatacji zarys ten ulega niekorzystnym zmianom wskutek współpracy kół z szynami, co może powodować konieczność ograniczenia prędkości jazdy pojazdu szynowego albo skierowanie go do naprawy w celu odnowy zarysu kół poprzez obróbkę skrawaniem. Wynika z tego konieczność istnienia systemu badania i oceny stanu technicznego kół, w którym podstawą podjęcia decyzji o dopuszczeniu pojazdu do ruchu są wyniki pomiaru lub sprawdzenia określonych cech każdego koła. Zagadnienia związane z zarysem zewnętrznym kół są przedmiotem badań, których wyniki przedstawiono np.: w zakresie intensywności zużycia kół w [2,5], metod oceny stanu technicznego kół w [8,10,11], kryteriów podejmowania decyzji o odnowie zarysu w [2], metod pomiaru zużycia kół na postoju [6,7] i podczas ruchu pojazdu [12]. Współcześnie dużego znaczenia nabierają też prace poświęcone symulacji [3] i prognozowaniu [1,4] zużycia kół, a także problemom budowy automatycznych systemów oceny stanu technicznego kół pojazdów szynowych [9,11]. Tego rodzaju systemy mogłyby posiadać funkcję umożliwiającą wyznaczanie terminów kolejnych badań stanu technicznego lokomotyw biorąc pod uwagę trendy zmian wartości podstawowych cech diagnostycznych zarysu kół. Analizie realności efektywnego wykorzystania takiej możliwości poświęcony jest niniejszy artykuł. 1. CECHY DIAGNOSTYCZNE ZARYSU ZEWNĘTRZEGO KÓŁ LOKOMOTYWY ELEKTRYCZNEJ Diagnostyka techniczna lokomotywy jest procesem składającym się z szeregu działań identyfikujących stan techniczny jej istotnych podzespołów, a w tym zestawów kołowych. W stosunku do tych ostatnich obejmuje ona zarówno bezprzyrządowe sprawdzenie zestawów kołowych kół przez maszynistę lub rewidentów przed wyjazdem i po przyjeździe pociągu, jak i badania z użyciem przyrządów pomiarowych wykonywane w ramach planowych obsług technicznych w jednostkach zaplecza technicznego poszczególnych przewoźników. Ten drugi rodzaj badań przeprowadzany w ramach przeglądów należących do poszczególnych poziomów utrzymania lokomotyw ma na celu porównanie zmierzonych wartości określonych cech kół zestawu kołowego pojazdu szynowego z wartościami normatywnymi przewidzianymi w stosownych przepisach. Pełna ocena stanu technicznego następuje po zmierzeniu wartości 21 cech oraz sprawdzeniu występowania 2 innych cech za pomocą zmysłów człowieka [11]. Oprócz cech pierwotnych (rysunek 1) w ostatecznej ocenie stanu technicznego kół danego pojazdu szynowego należy wziąć pod uwagę także cechy wtórne [11] ujmujące pewne zależności pomiędzy cechami pierwotnymi, np. różnice średnic kół w zestawie kołowym, wózku, a także w całym pojeździe. Należy przy tym zaznaczyć, że w ocenie Lisia Góra; Mielecka 3. Tel: , piotrek2115@wp.pl 2 Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Szynowych; Kraków; Al. Jana Pawła II 37. Tel: , andre@mech.pk.edu. 3988

2 stanu technicznego mogą być brane pod uwagę wartości jednego pomiaru danej cechy (indywidualna cecha pierwotna) albo średniej z kilku pomiarów (zbiorowa cecha pierwotna). Cechy wtórne mogą być własne, jeśli dotyczą tego samego zestawu kołowego, albo obce przedstawiające różnice wartości dotyczące zmierzonych cech poszczególnych zestawów kołowych w wózku lub pojeździe. Cechy diagnostyczne zestawu kołowego Cechy mierzalne Cechy niemierzalne Pierwotne Wtórne Indywidualne Zbiorowe Własne Obce Rys. 1. Podział cech diagnostycznych zestawu kołowego [11] W praktyce karta pomiarowa kół wykorzystywana podczas przeglądów okresowych obejmuje badanie mniejszej liczby cech. Są to przede wszystkim cechy określające aktualny zarys zewnętrzny koła, zaznaczone na rysunku 2 i które są głównymi cechami diagnostycznymi tego zarysu, czyli: grubość obręczy (O=D-D1), grubość obrzeża (Og), wysokość obrzeża (Ow), stromość obrzeża (q R ), a także inne cechy takie jak: szerokość obręczy (b), odległość między wewnętrznymi powierzchniami obręczy w zestawach kołowych bez obciążenia (Az) lub pod obciążeniem (Az ), odległość między zarysami obrzeży obręczy (Ez). Rys. 2. Cechy diagnostyczne zarysu zewnętrznego koła [11] Karta pomiarowa wymaga też podsumowania grubości obrzeży w każdym zestawie kołowym lokomotywy, a także obliczenia maksymalnej różnicy średnic kół w zestawie, wózku i całym 3989

3 pojeździe. Wartości obliczone nie mogą przekraczać odpowiednich wartości granicznych przyjętych dla określonej lokomotywy. 2. ANALIZA ZMIAN WARTOŚCI GŁÓWNYCH CECH DIAGNOSTYCZNYCH ZARYSU ZEWNĘTRZNEGO KÓŁ LOKOMOTYW ELEKTRYCZNYCH Zmiany wartości głównych cech diagnostycznych zarysu zewnętrznego kół są skutkiem naturalnych procesów zużycia oraz przeprowadzania obróbki skrawaniem kół przywracającej dopuszczony normami kształt tego zarysu. Ujmując te zmiany w funkcji przebiegu lokomotywy można uzyskać wykresy przedstawione przykładowo na rysunkach 3-6, a sporządzone na podstawie rzeczywistych danych pomiarowych pochodzących od krajowego przewoźnika. Rys. 3. Charakterystyka zmiany grubości obręczy przykładowo wybranej lokomotywy elektrycznej [7] Z charakterystyki zamieszczonej na rysunku 3 oraz analizy dostępnych danych o zużyciu kół wynika, że zmniejszenie grubości obręczy wskutek użytkowania zarówno tej, jak i innych lokomotyw zachodzą stosunkowo wolno. Znaczący spadek tej grubości następuje po przeprowadzeniu obróbki skrawaniem odtwarzającej zgodny z normami zarys zewnętrzny koła. Są to więc jednokierunkowo malejące wartości grubości obręczy. Należy przy tym zaznaczyć, że w dokumentacji nie zachowuje się wartości grubości obręczy bezpośrednio po odnowie zarysu zewnętrznego koła. Dlatego odcinek łączący punkty przed podjęciem odnowy i po odnowie przebiega na wykresie pochyło a nie pionowo. Odmiennie w stosunku do zmian grubości obręczy przebiegają zmiany pozostałych głównych cech diagnostycznych zarysu zewnętrznego koła. Charakter zmian grubości obrzeża tej samej lokomotywy przedstawia rysunek 4. Jak widać intensywność zmian tej cechy podczas użytkowania jest niejednakowa i może wynikać ze zróżnicowanego przydziału prac dla tej samej lokomotywy. Można postawić tezę, że pierwszy okres użytkowania tej lokomotywy był charakterystyczny dla pracy na terenach górskich z trasami o dużej liczbie łuków o małym promieniu, a drugi i trzeci okres jest reprezentatywny dla pracy na terenach nizinnych, na których trasy posiadają łuki o dużym promieniu, a ich liczba jest niewielka. Z wykresu na rysunku 4 wynika także to, iż każdorazowa odnowa profilu przywraca wyjściowy wymiar grubości obrzeża koła. Rysunek 5 przedstawia zmiany wysokości obrzeża przykładowej lokomotywy. Można zauważyć, że charakter tych zmian jest zbliżony w każdym z trzech okresów użytkowania biorąc pod uwagę średnią szybkość wzrostu wartości tej cechy. Każdorazowa odnowa zarysu powoduje zmniejszenie wysokości obrzeża do wartości wyjściowej. Zmiany stromości obrzeża przykładowej lokomotywy przedstawia rysunek 6. We wszystkich trzech okresach użytkowania wartość tej cechy maleje, czyli kąt nachylenia obrzeża rośnie. Zwraca również uwagę to, że w trzecim okresie użytkowania pojazdu, w którym był zamontowany zestaw kołowy tego koła wyraźnemu spadkowi stromości obrzeża odpowiada wyraźny wzrost wysokości obrzeża (rysunek 5) i wyraźny spadek grubości obrzeża (rysunek 4). 3990

4 Rys. 4. Charakterystyka zmiany grubości obrzeża wybranej lokomotywy elektrycznej [7] Rys. 5. Charakterystyka zmiany wysokości obrzeża wybranej lokomotywy elektrycznej [7] Rys. 6. Charakterystyka zmiany stromości obrzeża wybranej lokomotywy elektrycznej [7] 3. LINIE TRENDU CHARAKTERYSTYK ZMIAN WARTOŚCI GŁÓWNYCH CECH DIAGNOSTYCZNYCH ZARYSU ZEWNĘTRZNEGO KÓŁ Dane pomiarowe dotyczące wartości głównych cech diagnostycznych zarysu zewnętrznego kół każdej lokomotywy elektrycznej określonej serii przedstawić można także w funkcji wzrastającego przebiegu liczonego od początku eksploatacji lub od każdej odnowy tego zarysu. Pozwala to na wyznaczenie linii trendu zmiany każdej cechy w uśrednionych warunkach pracy danej lokomotywy. 3991

5 Tego rodzaju zestawienie danych dotyczących zużycia obręczy koła przykładowej lokomotywy umożliwia sporządzenie wykresu jak na rysunku 7. Rys. 7. Wartości i linia trendu zużycia obręczy koła ze względu na jej grubość w przykładowej lokomotywie Dane przedstawione na rysunku 7 umożliwiają wyznaczenie linii trendu zmiany zużycia obręczy koła analizowanej lokomotywy. Podobnie jak przebieg lokomotywy wartości tego zużycia również obliczono w odniesieniu do wartości początkowej grubości obręczy nowej lub po wykonaniu odnowy zarysu. Równanie tej linii trendu to: 5 y o 2,13410 x 0, 12 mm (1) gdzie: y o zużycie obręczy koła obliczone na podstawie jej grubości, x względny przebieg lokomotywy [km]. Wyznaczenie linii trendu zmiany grubości obrzeża nie wymaga obliczania względnej wartości zużycia, ponieważ każdorazowa odnowa profilu przywraca początkową wartość tej cechy. Linię trendu zmiany grubości obrzeża koła przykładowej lokomotywy przedstawia rysunek 8 i wyraża wzór: gdzie: y b grubość obrzeża koła. 5 y b 2,50610 x 31, 05 mm (2) Rys. 8. Wartości i linia trendu grubości obrzeża koła przykładowej lokomotywy 3992

6 Dane pomiarowe i linię trendu zmiany wysokości obrzeża koła analizowanej lokomotywy przedstawia rysunek 9. W tym przypadku równanie linii trendu jest następujące: 5 y w 2,26410 x 28, 44 mm gdzie: y w wysokość obrzeża koła. (3) Rys. 9. Wartości i linia trendu wysokości obrzeża koła przykładowej lokomotywy W przypadku zestawionych danych pomiarowych stromości obrzeża koła (rysunek 10) stwierdzić można znaczny rozrzut wartości w porównaniu z pozostałymi głównymi cechami diagnostycznymi zarysu zewnętrznego koła analizowanej lokomotywy. Jeśli przyjąć wszystkie te dane za wiarygodne to linia trendu ma postać: gdzie: y s stromość obrzeża koła. 5 y s 1,76310 x 10, 22 mm (3) Rys. 10. Wartości i linia trendu stromości obrzeża koła przykładowej lokomotywy 4. ANALIZA PRZYDATNOŚCI LINII TRENDU CHARAKTERYSTYK ZMIANY GŁÓWNYCH CECH DIAGNOSTYCZNYCH ZARYSU ZEWNĘTRZNEGO KÓŁ DO PROGNOZOWANIA TERMINÓW OCENY STANU TECHNICZNEGO KÓŁ POJAZDU SZYNOWEGO Linie trendu wyznaczone w rozdziale 3 niniejszego artykułu w zestawieniu z wartościami granicznymi głównych cech diagnostycznych zarysu kół, obowiązującymi w przypadku danego typu 3993

7 lokomotywy elektrycznej, a także rzeczywisty przebieg zamiany tych cech pozwala na udzielenie odpowiedzi na pytanie, czy z punktu widzenia bezpieczeństwa ruchu możliwe byłoby sporządzenie takich prognoz terminów kolejnych pomiarów analizowanych cech, które spowodowałyby w efekcie wydłużenie przebiegów lokomotywy pomiędzy poszczególnymi badaniami. W tym celu należy poddać analizie prognozowane, rzeczywiste i graniczne wartości wymienionych cech. Rysunek 11 przedstawia przebieg rzeczywistej i prognozowanej (na podstawie linii trendu) zmiany grubości obręczy, jak również wartości granicznych grubości obręczy. Pozwala on na stwierdzenie, że prognozowane zmiany tej grubości może być tylko niekiedy przydatne do wyznaczania terminów kolejnych badań stanu technicznego kół. Dotyczy to takiego przypadku, gdy grubość obręczy zbliża się do wartości granicznej, po przekroczeniu której następuje zmiana sposobu wykorzystywania danej lokomotywy. Sytuacja taka, biorąc pod uwagę rysunek 11, następuje w trzecim okresie użytkowania, w którym krzywa prognozowanego zużycia przecina granicę wartości dla ruchu osobowego. Widać ponadto, że decyzja o podjęciu odnowy zarysu zewnętrznego podejmowana jest na podstawie innych kryteriów oceny stanu technicznego koła. Ryzykowne z punktu widzenia bezpieczeństwa byłoby więc prognozowanie terminu kolejnego badania stanu technicznego kół na podstawie prognozowanej wartości zużycia obręczy w każdej sytuacji, zwłaszcza wtedy, gdy nie ma pewności co do przyszłych warunków pracy lokomotywy. Rys. 11. Rzeczywiste, prognozowane i graniczne wartości grubości obręczy koła przykładowej lokomotywy Rysunek 12 jest dowodem na to, że określanie kolejnych terminów badania stanu technicznego kół pojazdu szynowego na podstawie grubości obrzeża koła jest również nie do zaakceptowania. Wartości tej cechy są bardzo podatne na wpływ warunków eksploatacji, co na wykresie objawia się dużymi rozbieżnościami pomiędzy prognozowanymi i rzeczywistymi wartościami grubości obrzeża. Wyznaczanie następnego terminu badania stanu technicznego na podstawie tej cechy może być do przyjęcia tylko wtedy, gdy wartość tej cechy zbliża się do wartości granicznej. Prognozowane i rzeczywiste wartości wysokości obrzeża koła przedstawia rysunek 13. Jest tu nieco inna sytuacja niż w poprzednich dwu przypadkach. Ze względu na to, że rzeczywiste wysokości obrzeża sytuują się znacznie poniżej wartości granicznej cecha ta nie może być w ogóle brana pod uwagę podczas określania terminów kolejnych badań stanu technicznego kół pojazdu szynowego. Zestawienie prognozowanych, rzeczywistych i granicznej wartości stromości obrzeża koła przedstawia rysunek 14. Podobnie jak przy grubości obręczy i obrzeża cecha ta może być brana pod uwagę, jeśli jej wartość zbliża się do wartości granicznej. Zwraca jednak uwagę również tutaj silna 3994

8 zależność tej cechy od warunków pracy, co objawia się wyraźnymi różnicami wartości rzeczywistych i prognozowanych tej cechy. Rys. 12. Rzeczywiste, prognozowane i graniczne wartości grubości obrzeża koła przykładowej lokomotywy Rys. 13. Rzeczywiste, prognozowane i graniczne wartości wysokości obrzeża koła przykładowej lokomotywy Przedstawione na rysunkach wykresy dotyczą tylko jednej lokomotywy i nie stanowią statystycznego ujęcia zmian wartości głównych cech diagnostycznych zarysu zewnętrznego kół. Należy jednak wziąć pod uwagę fakt, że diagnostyczna ocena stanu technicznego jest zawsze dokonywana wobec pojedynczego obiektu, w tym przypadku każdego koła lokomotywy, a kryteriami, na podstawie których podejmuje się decyzję o dopuszczeniu pojazdu do ruchu są wartości graniczne cech badanych. Omawiane w pracy przebiegi zmian analizowanych cech świadczą również o tym, że w procesie oceny stanu technicznego kół pojazdu szynowego istotne jest wzięcie pod uwagę jeszcze innych cech wpływających na konieczność podjęcia decyzji o odnowie profilu kół. 3995

9 Rys. 14. Rzeczywiste, prognozowane i graniczne wartości stromości obrzeża koła przykładowej lokomotywy WNIOSKI Analiza wyników pomiarów głównych cech diagnostycznych zarysu zewnętrznego koła przykładowej lokomotywy pozwala na sformułowanie pewnych wniosków ogólnych dotyczących możliwości wykorzystania tych cech do prognozowania terminów kolejnych badań stanu technicznego kół pojazdu szynowego. Są one następujące: zbioru cech diagnostycznych, na podstawie których podejmuje się decyzję o odnowie zarysu zewnętrznego koła nie można ograniczyć do grubości obręczy i grubości, wysokości oraz stromości obrzeża, spośród głównych cech diagnostycznych zarysu koła zmiany grubości, wysokości i stromości obrzeża są silnie uzależnione od warunków użytkowania danego pojazdu, a w szczególności od liczby łuków toru i ich promieni, wartości głównych cechy diagnostycznych zarysu kół nie mogą stanowić podstawy do wyznaczania terminów kolejnych ocen stanu technicznego kół w całym okresie użytkowania pojazdów, trzy spośród czterech głównych cech diagnostycznych zarysu kół, tj.: grubość obręczy i grubość i stromość obrzeża może być wykorzystana do prognozowania terminu kolejnego badania stanu technicznego kół, jeśli wartości zmierzone tych cech zbliżają się do wartości granicznych. Streszczenie Artykuł dotyczy zagadnienia możliwości wykorzystania cech diagnostycznych opisujących zużycie obręczy na powierzchni tocznej oraz zużycie obrzeża koła do prognozowania terminów kolejnych badań stanu technicznego kół pojazdu szynowego. W artykule poddano analizie przebieg zmian wartości czterech cech diagnostycznych zarysu zewnętrznego koła przykładowej lokomotywy, czyli: grubości obręczy oraz grubości, wysokości i stromości obrzeża, podczas eksploatacji tej lokomotywy od zainstalowania nowych obręczy kół aż do ich wymiany. W okresie tym nastąpiła dwukrotna odnowa zarysu zewnętrznego kół, ale żadna z nich nie była spowodowana przekroczeniem wartości granicznych wymienionych i analizowanych cech diagnostycznych. Zgromadzone dane pomiarowe pozwoliły na wyznaczenie równań linii trendów zmian poszczególnych cech diagnostycznych. Umożliwiło to przedstawienie na wspólnym wykresie prognozowanych, rzeczywistych i granicznych wartości każdej z czterech cech diagnostycznych zarysu kół. Z przebiegu tych charakterystyk wynika to, że grubość obręczy, grubość i stromość obrzeża może być wykorzystana do prognozowania terminów kolejnych badań stanu technicznego kół pojazdu tylko wtedy, gdy wartości tych cech zbliżają się do wartości granicznych. Słowa kluczowe: badania eksploatacyjne, cechy diagnostyczne, pojazdy szynowe, zestawy kołowe, zużycie kół, zarys zewnętrzny kół. 3996

10 Analysis of the usefulness of the main diagnostic features of the wheel profile for forecast the testing deadlines of the electric locomotive technical condition Abstract The article deals with the issue of possibility of use of diagnostic features describing the wear of the wheel tread and wheel flange in order to forecast the timing of subsequent technical state tests of rail vehicle. The article analyses the changes of the four diagnostic features of outer wheel contour of a sample locomotive, that is: the thickness of the wheel tyre and the thickness, height and steepness of the wheel flange, during operation period of the locomotive from the moment of installation of new wheels up to replace them. During this period, there was a twice renewal of the outer contour of the wheels but none of them was caused by exceeding the limits of specified and analysed diagnostic features. Measurement data collected allowed determining the equations of lines trends of individual diagnostic features. This made it possible to construct the common chart of forecasted, actual and both boundary values for each of the four diagnostic features of outer wheel contour. Those graphs show that the wheel tyre thickness, the wheel flange thickness and slope can be used to forecast the timing of subsequent testing of the vehicle technical condition of the vehicle only if the values of these feature characteristics are close to their boundary values. Keywords: field tests, diagnostic features, rail vehicles, wheel sets, wheel wear, wheel outer contour BIBLIOGRAFIA 1. Braghin, F., Lewis, R., Dwyer-Joyce, R. S., Bruni, S., A mathematical model to predict railway wheel profile evolution due to wear. Wear, 2006, 261(11), Brzeźny A., Marszałek J., Sowa A., Kryteria decyzyjne odnowy zarysu kół kolejowych, Technika Transportu Szynowego nr 10/2014, s Elliskivi T., Olofsson U., Wheel rail wear simulation. Wear, 2004, , Jendel T., Prediction of wheel profile wear comparisons with field measurements. Wear (2002): Lingaitis E. P., Mikaliunas S., Vaiciunas G., The analysis of wear intensity of the locomotive wheel sets, Eksploatacja i niezawodność, nr 3/2004, Madejski J., Grabczyk J., Rail head and wheel profile geometry measurement. Computers in Railways VI. Advances in Transport - Volume 2, WITPress, Southampton 1998, Potępa P., Zużycie powierzchni tocznej kół zestawów kołowych pojazdów szynowych. Praca dyplomowa inżynierska, Politechnika Krakowska Instytut Pojazdów Szynowych, Kraków Sowa A., Wykorzystanie wektora cech diagnostycznych w ocenie stanu technicznego zestawu kołowego. Problemy Eksploatacji, ITE Radom 2009, z.2/2009, Sowa A., The database for the evaluation system of the technical condition of rail-vehicle wheel sets. Monografia Zespołu Systemów Eksploatacji PAN KBM Sekcja Podstaw Eksploatacji Problems of maintenance of sustainable technological systems Tom I. Polskie Naukowo- Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne, Warszawa 2010, Sowa A., Problems of computer-aided technical state evaluation of rail- vehicle wheel sets. Scientific Problems of Machines Operation and Maintenance. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn. 2011, z. 3(176) Vol. 46, Sowa A., Ocena stanu technicznego pojazdów szynowych na podstawie cech zdeterminowanych, Monografia 430, seria Mechanika, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2013, s Wu K., Zhang J., Yan K., Online measuring method of the wheel set wear based on CCD and image processing. Photonics Asia International Society for Optics and Photonics, p Instrukcja pomiarów i oceny technicznej zestawów kołowych pojazdów trakcyjnych Bt-11. PKP Intercity,