WŁASNOŚCI PRZEWODÓW JEZDNYCH JAKO EFEKT STANU CIEPLNEGO PROCESU CIĄGNIENIA

Transkrypt

1 TADEUSZ KNYCH ARTUR KAWECKI ANDRZEJ MAMALA Rudy Metale R 7 nr UKD 6..:669-: : :6.7:669.7 WŁASNOŚCI PRZEWODÓW JEZDNYCH JAKO EFEKT STANU CIEPLNEGO PROCESU CIĄGNIENIA Przedstawiono wyniki badań określających wpływ warunków ciągnienia przewodów jezdnych na ich własności mechaniczne. Badania wykonano dla dwóch gatunków miedzi: elektrolitycznej gat. ETP oraz srebrowej gat. CuAg,. Uzyskane wyniki badań mogą być użyteczne przy projektowaniu technologii produkcji przewodów jezdnych, w szczególności dopuszczalnych prędkości ciągnienia przy zadanym schemacie wydłużenia w linii ciągarniczej. Słowa kluczowe: przewód jezdny,, CuAg,, stan cieplny procesu ciągnienia, odkształcenie, spęczanie TROLLEY WIRES PROPERTIES AS A RESULT OF DRAWING THERMAL CONDITION In the paper there are presented research results of influence of trolley wires drawing conditions on their mechanical properties. The research were conducted as a comparative tests results carried out on silver copper trolley wires CuAg, grade and electrolytic copper ETP grade. Obtained results might be useful in trolley wire production technology design, particularly acceptable drawing speed in fixed scheme of elongations in production line. Keywords: trolley wire,, CuAg,, drawing thermal condition, deforming, upsetting Wprowadzenie Ciągły postęp technologiczny w sferze projektowania materiałów oraz konstrukcji sieci trakcyjnych jest odpowiedzią na naturalne dążenie do poprawy komfortu i bezpieczeństwa podróżowania oraz zwiększania zdolności przewozowych towarów. Światowe tendencje w tym zakresie zmierzają w kierunku wzrostu prędkości jazdy pojazdów szynowych oraz zwiększenia niezawodności systemów sterowania ruchem. Jednym z głównych obszarów zainteresowania zarządców kolei, które powinny stanowić cel nieustannej modernizacji i skupiających na sobie uwagę inżynierów, jest sieć trakcyjna, zarówno jeśli chodzi o jej konstrukcję, jak również, a może przede wszystkim, jej elementy składowe oraz materiały, z których zostały one wykonane. W Polsce problem modernizacji kolei jest bardzo aktualny, trwa obecnie proces dostosowywania jej infrastruktury do wymogów europejskich określonych w odpowiednich dyrektywach UE. Z uwagi na wieloletnie zaniedbania w dziedzinie zarówno konstrukcji sieci trakcyjnych, jak i materiałów, z których wykonane są jej elementy składowe, w Polsce nie powstały do tej pory linie kolejowe dużej prędkości, za jakie uważa się te, pozwalające na jazdę z prędkością powyżej km/h. Co więcej, maksymalna prędkość jazdy na PKP to obecnie zaledwie 6 km/h i to na nielicznych odcinkach. Na wielu trasach dopuszczalna prędkość jazdy jest znacznie ograniczana z powodu złego stanu technicznego zarówno dolnej, jak i górnej sieci trakcyjnej. Od kilku lat w krajowych ośrodkach naukowo-badawczych, we współpracy z właścicielami oraz użytkownikami linii, trwają intensywne prace, mające na celu opracowanie rozwiązań pozwalających na spełnienie przez Polskę szeregu zobowiązań względem UE, dotyczących wymagań ujętych w międzynarodowej regulacji prawnej i technicznej kolei dotyczącej linii włączonych do Transeuropejskiej Sieci Kolejowej (TEN), a także Technicznych Specyfikacji Interoperacyjności (TSI). Ma to bezpośredni związek z budową oraz przebudową europejskiego systemu transportu kolejowego, zawierającego korytarzy transportowych dużej prędkości jazdy objętych umowami AGC oraz AGTC, z których przebiegać mają przez terytorium Polski [, ]. Wzrost prędkości jazdy pociągów oraz przewożonych mas towarowych powoduje konieczność zwiększania mocy przesyłanej przez sieć trakcyjną. W szczególności, w niskonapięciowych systemach zasilania trakcji, np. kv, jaki występuje w Polsce, duże prędkości jazdy implikują wysokie prądy rozruchu, co wprost przekłada się na zwiększone wymagania elektryczne wobec silnie obciążonych prądowo elementów sieci trakcyjnej. Podstawowym zadaniem przy rozwiązywaniu problemu odbioru prądu z sieci trakcyjnej w warunkach dużej prędkości jazdy jest zapewnienie prawidłowej współpracy osprzętu sieciowego z elementami nośno-przewodzącymi sieci, odpowiedniej niezawodności współpracy odbieraka prądu z siecią, w tym możliwie niskiego zużycia przewodów jezdnych, jak i nakładek stykowych odbieraków prądu. Projektowanie nowoczesnych materiałów oraz technologii wytwarzania z nich elementów sieci trakcyjnej stanowi jeden z głównych obszarów badawczych Laboratorium Technologii Przetwórstwa Metali Nieżelaznych (KPPiMMN, WMN AGH). Od wielu lat prowadzone są tam prace badawcze mające na celu poszukiwanie nowych materiałów, które przy zachowaniu wysokiej przewodności elektrycznej umożliwiałyby uzyskanie odpowiedniego zespołu własno- Dr hab. inż. Tadeusz Knych prof. nzw., dr inż. Artur Kawecki, dr inż. Andrzej Mamala Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Metali Nieżelaznych, Kraków. 768

2 ści mechanicznych w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych. Wymagania norm wpływające na technologię produkcji przewodów jezdnych Jednym z podstawowych elementów składowych górnej sieci trakcyjnej są przewody jezdne, bezpośrednio przekazujące energię elektryczną z sieci do lokomotywy. Oczekiwania użytkowników kolei dotyczą możliwości uzyskania odpowiednio wysokiego poziomu zespołu własności eksploatacyjnych przewodu, z których najważniejsze to wytrzymałość na rozciąganie, odporność cieplna, reologiczna, na ścieranie oraz, co oczywiste, wysoka przewodność elektryczna [, ]. Doskonalenie technologii produkcji przewodów jezdnych związane z wzrostem wymagań dotyczących ich własności eksploatacyjnych musi uwzględniać te czynniki, które mogą w efekcie rzutować na wymagane własności mechaniczne i elektryczne. Specjalistyczne normy przedmiotowe ściśle określają wymagania wobec przewodów jezdnych, zwłaszcza jeśli chodzi o skład chemiczny, parametry geometryczne, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie, technologiczne testy skręcania, przeginania i nawijania, przewodność elektryczną. Komitet Normalizacyjny określa w normach minimalną wartość siły rozrywającej przewód jezdny, jednakże w przypadku dopuszczalnego wydłużenia w próbie rozciągania podany jest zazwyczaj przedział, w którym powinien zawierać się wynik próby. W konkretnym przypadku, dla przewodu jezdnego wykonanego z miedzi gat. ETP, o polu przekroju poprzecznego mm, norma PN-EN 9 przewiduje minimalną wartość wytrzymałości na rozciąganie równą MPa, przy założonym dopuszczalnym przedziale wydłużenia równym %. Właśnie ten przedział, jego wartość, jak dowodzą prowadzone badania, okazuje się być bardzo istotny z punktu widzenia zachowania wysokich własności eksploatacyjnych przewodów jezdnych. W szczególności dotyczy to poziomu własności reologicznych układu połączeń przewód-osprzęt trakcyjny, a także odporności na ścieranie przewodów jezdnych przez nakładki stykowe ślizgacza odbieraka prądu. Jak wiadomo, o zużyciu materiału decydują bezpośrednio dwa główne czynniki: własności tribologiczne, reprezentowane przez współczynnik tarcia oraz stan cieplny materiału, o którym decydują warunki na powierzchni tarcia. Zakładając, że mechanizm zużywania się materiału podczas tarcia polega na ścinaniu mikronierówności, to zgodnie z modelem tarcia Coulomba oraz kryterium Treski przejścia materiału w stan plastyczny, wielkość zużycia zależeć będzie od granicy plastyczności materiału. Można przyjąć, że dla przewodu jezdnego wykonanego z miedzi wielkość wydłużenia w próbie rozciągania w pewnym stopniu jest miarą jego plastyczności []. Nietrudno zatem zauważyć, że przewód jezdny spełniający wymagania wytrzymałościowe może wykazywać odmienne własności plastyczne, a co za tym idzie, istotne różnice w odporności tribologicznej i reologicznej. Taki możliwy do wystąpienia rozrzut własności plastycznych wyrobu, będący konsekwencją technologii jego produkcji, może mieć istotne znaczenie podczas eksploatacji w sieci trakcyjnej, przejawiające się zwiększonym zużyciem mechanicznym poprzez ścieranie oraz spadkiem jakości połączeń z elementami osprzętu sieciowego, w skrajnych przypadkach powodując zagrożenie bezpieczeństwa konstrukcji sieci. Normy przedmiotowe stanowią zatem wyznacznik do projektowania technologii wytwarzania przewodów jezdnych i z tego względu poprzez odpowiedni dobór parametrów procesu w sposób świadomy można sterować własnościami wyrobu gotowego. Czynniki wpływające na własności mechaniczne przewodów jezdnych w trakcie procesu ciągnienia Jednym z głównych czynników wpływających na stan cieplny ciągnionego metalu, a w konsekwencji na własności mechaniczne wyrobu jest odpowiedni garnitur ciągadeł i związany z nim schemat odkształceń w poszczególnych ciągach. Przewody jezdne profilowe ze względu na specyficzny kształt charakteryzują się dużą niejednorodnością odkształcenia wynikającą z asymetrii podziału kształtu między dolną (roboczą) i górną (nośną) częścią wyrobu. Praktyka stopniowego nacinania przekroju kołowego na trolejowy powoduje w rezultacie wzrost parametrów siłowych procesu, zwiększenie siły ciągnienia, wzrost niejednorodności naprężeń i odkształceń na przekroju poprzecznym ciągnionego metalu. Następstwem tego jest wzrost temperatury metalu i narzędzia, skutkujący zmniejszeniem stabilności cieplnej układu wielociągu oraz spadkiem własności mechanicznych wyrobu gotowego. W celu ograniczenia tych niekorzystnych zjawisk prowadzi się prace projektowe nad kształtem części roboczej ciągadeł, w której zasadniczą rolę odgrywa część kształtująca rowek przewodu, w celu optymalizacji maksymalnych odkształceń jednostkowych w poszczególnych ciągach. Takie podejście pozwala na obniżenie siły ciągnienia w poszczególnych ciągach, a poprzez to także wytężenia materiału, co w efekcie oddala stany awaryjne wynikające z niebezpieczeństwa niedotrzymania warunku nośności ciągnionego materiału, kiedy to wystąpić może zakleszczanie się materiału na tzw. nożach ciągadła i związany z tym wysoki przyrost siły ciągnienia. W efekcie takich działań możliwe jest obniżenie temperatury ciągnionego materiału, a wyrób gotowy jakim jest przewód jezdny, uzyskuje wyższe własności mechaniczne [ ]. Nie mniej ważną kwestią jest zapewnienie odpowiedniego, wydajnego układu chłodzenia maszyny oraz ciągnionego metalu, tak aby dla różnych prędkości ciągnienia temperatura metalu w każdym etapie jego kształtowania nie przekraczała dopuszczalnej wartości, kiedy to mógłby nastąpić spadek własności mechanicznych przewodu na drodze aktywowanej cieplnie dynamicznej przebudowy struktury odkształcanego materiału. Znajomość wpływu zmiennych warunków przeróbki plastycznej, a ściślej ujmując, różnej prędkości ciągnienia przy niezmienionej intensywności układu chłodzenia na wzrost i zróżnicowanie temperatury metalu w poszczególnych ciągach, a w konsekwencji na finalne własności mechaniczne przewodów jezdnych posiada, zwłaszcza w warunkach przemysłowych, bardzo istotne znaczenie. Ze względu na fakt, że niekiedy istnieje potrzeba zwiększenia prędkości ciągnienia bez zmiany parametrów chłodzenia maszyny oraz odkształcanego metalu, przydatna 769

3 może być informacja czy w ogóle, a jeśli tak, to w jakim stopniu, w zakresie możliwej do osiągnięcia prędkości dla konkretnej linii ciągarniczej, następuje spadek własności mechanicznych i czy jego wielkość jest dopuszczalna w świetle obowiązujących przepisów. Opis linii technologicznej do ciągnienia przewodów jezdnych W celu doskonalenia technologii produkcji przewodów jezdnych konieczne jest systematyczne prowadzenie pomiarów głównych parametrów linii oraz badania wyrobu pod kątem spełnienia wymagań norm oraz wykrycia potencjalnych wad powstałych podczas ciągnienia. Jedne z tego typu badań przeprowadzono podczas przemysłowego ciągnienia przewodów jezdnych o przekroju poprzecznym mm, w krakowskich Zakładach Kablowych Tele-Fonika Kable S.A. w Krakowie-Bieżanowie, głównego producenta przewodów w Polsce. Linia ciągarnicza (rys. a) zainstalowana w ZK składa się z następujących podzespołów: poziomej, pięciostopniowej ciągarki liniowej HEN- RICH Model HTH---SL, a poziomej nawijarki trawersowej HENRICH Model GSO-6-G-N-HY (rys. b), zgrzewarki zimnej Model PWM-P, akcesoriów do produkcji przewodów jezdnych profilowych. Na rysunku a pokazano sposób podawania emulsji ciągarniczej przed wejściem metalu do komory ciągadła, a na rysunku b przykład chłodzenia ciągnionego metalu poprzez podawanie wody na koło ciągowe. Materiał. Parametry badań Badania prowadzone były podczas prób technologicznych ciągnienia przewodów jezdnych o przekroju mm, z walcówki z miedzi elektrolitycznej wyprodukowanej w Societe Lensoise du Cuivre, LENS CEDEX we Francji. Walcówkę z miedzi gat. ETP o średnicy mm, wykonuje się wg normy ASTM 9/98 i dąży do uzyskania wytrzymałości na rozciąganie R m minimum MPa, wydłużenia A powyżej % oraz odpowiedniej rezystywności (wg PN EN 9: dopuszczalna rezystancja przewodów jezdnych gat. ETP o przekroju poprzecznym mm wynosi,8 Ω/km). W tablicy zamieszczono wymaga- b Rys.. Ciągarka liniowa a widok ogólny na koła ciągowe i układ sterowania, b nawijarka trawersowa do układania przewodów jezdnych na bębnie Fig.. Rod drawing machine a general view on drawing ring and control panel, b traverse spooler to winding trolley wire coil a b Rys.. a sposób podawania emulsji ciągarniczej przed wejściem metalu do komory ciągadła; b przykład chłodzenia ciągnionego metalu poprzez podawanie wody na koło ciągowe Fig.. a drawing emulsion application method before entrance the metal to die chamber; b example of cooling drawn metal by water application on drawing ring 77

4 Skład chemiczny materiałów na przewody jezdne typu Djp Material chemical composition of trolley wires Djp type Tablica Table Oznaczenie materiału Skład chemiczny, % symbol numer Cu / Pb Bi O P CWOA razem inne pierwiastki / z wyłączeniem min 99,9 Ag, O max,,, /, / Łącznie ze srebrem, nie więcej niż do, % Ag / Po uzgodnieniu między zamawiającymi a dostawcą dopuszcza się zawartość tlenu do,6 % / Uwaga: zawartość innych pierwiastków razem (innych niż miedź) określono jako sumę: Ag, As, Bi, Cd, Co, Cr, Fe, Mn, Ni, O, P, Pb, S, Sb, Se, Si, Sn, Te oraz Zn, o ile nie wskazano wyłączenia któregoś z pierwiastków Tablica Własności mechaniczne i elektryczne materiału wsadowego do produkcji przewodów jezdnych: walcówka z miedzi gat. ETP, φ mm Table Mechanical and electrical properties of based material to trolley wire production; mm diameter rod made from electrolytic copper Materiał R m MPa Własności mechaniczno-elektryczne R, MPa A % HB śr (p. poprzeczny) σ MS/m ρ nωm 8, 6 7,9 7,8 nia dotyczące składu chemicznego walcówki na przewody jezdne wg PN EN 9: oraz PN EN 977: [, 6]. Według atestu producenta, analiza składu chemicznego walcówki z miedzi elektrolitycznej wykazała następujące domieszki: Se+Te+Bi < ppm, (przy czym: Se+Te < ; Bi < ), Cr+Mn+Sb+Cd+As+P < ppm (przy czym: Sb < ; As < ), Pb < ppm, Si+Ni+Sn+Fe+Zn+Co < ppm (przy czym: Fe < ), S < ppm, Ag < ppm, Razem < 6 ppm (z wyłączeniem tlenu). W tablicy zamieszczono własności mechaniczne (R m, R,, A, HB) oraz elektryczne (σ, ρ) walcówki. Rysunek przedstawia schemat garnituru do ciągnienia przewodów jezdnych typu AC-. Proces ciągnienia prowadzono w oparciu o najnowszą obowiązującą normę PN-EN 9 Zastosowania kolejowe. Urządzenia stacjonarne-trakcja elektryczna-profilowane druty jezdne z miedzi i jej stopów (), obejmującą szeroki zakres typów przewodów jezdnych, dopasowującą polski rynek przewodów do wymagań europejskich. Obowiązująca przez lata krajowa norma na przewody jezdne PN-6E-99 Przewody jezdne miedziane, zastąpiona została w 996 r. przez normę PN-E-99 Przewody jezdne z miedzi i miedzi modyfikowanej, a ta w r. została zastąpiona przez PN-EN 9 [7, 8]. Oznaczenie AC oznacza przewód jezdny profilowy, o części roboczej opartej na przekroju kołowym, natomiast litera Rys.. Schemat garnituru ciągadeł do ciągnienia przewodów jezdnych typu Djp wg PN-E-99: 96 Fig.. Scheme of dies set for trolley wire drawing A to odległość pomiędzy dnem rowków. Badania miały na celu określenie, w jakim stopniu wzrost temperatury ciągnionego metalu będący skutkiem zwiększania prędkości ciągnienia, przy istniejącym rzeczywistym sposobie chłodzenia, wpłynie na własności mechaniczne przewodów jezdnych, a zwłaszcza na wartość wydłużenia. Przyjęte prędkości ciągnienia zostały tak dobrane, aby objąć nastawy stosowane podczas ciągnienia przemysłowego. Standardowa przemysłowa prędkość ciągnienia przewodów jezdnych zawiera się zazwyczaj w granicach m/min. W celu uzyskania pełniejszych informacji praktycznych, na potrzeby badań zwiększono zakres stosowanej prędkości ciągnienia do m/min. W szczególności, ciągnienie z prędkościami i (wariant a) m/min odbywało się na nie rozgrzanej maszynie, natomiast ciągnienie z prędkościami (wariant b); i m/min prowadzono na maszynie rozgrzanej. 77

5 a b Rys.. a widok na bębny z przewodami jezdnymi po zdjęciu z nawijarki trawersowej, b przewód jezdny typu AC- Fig.. a view on the reel with trolley wire after remove from traverse spooler, b trolley wire AC- type Intensywność chłodzenia zarówno komór ciągadeł, jak i ciągnionego metalu dobrano do wartości przy ciągnieniu z prędkością m/min. Smarowanie materiału przed wejściem do komory ciągadła realizowano przy wykorzystaniu typowej emulsji ciągarniczej. Do chłodzenia materiału wychodzącego z ciągadła oraz nawiniętego na bębny zastosowano płyn chłodzący (woda + olej). Komory z ciągadłami znajdujące się w specjalnym pojemniku chłodzone były wodą z wymuszonym obiegiem cieczy. Pomiarów temperatury bieżącej ciągnionego materiału na poszczególnych kołach ciągowych dokonywano przy użyciu termopary typu K po przeciągnięciu: ; ; ; ; 6; 8; ; ; mb przewodu. Wyniki badań Na rysunku zamieszczono fotografie produktu finalnego ciągnienia, a mianowicie przewodów jezdnych nawiniętych na bęben (rys. a) za pomocą nawijarki trawersowej oraz zbliżenie na przewód typu AC- (rys. b). Wartości współczynników wydłużenia oraz odkształcenia jednostkowego oraz całkowitego po poszczególnych ciągach pokazano w tablicy. Zestawienie zmian temperatury ciągnionego metalu mierzonej przed wejściem do ciągadła i po wyjściu z ciągadła dla wybranych wariantów ciągnienia przedstawiono w tablicy. W tablicy zamieszczono własności mechaniczne (R m, R,, A, HB) i elektryczne (ρ) przewodów jezdnych uzyskanych w różnych wariantach prędkości ciągnienia. (Pomiaru rezystancji przewodów jezdnych dokonywano zgodnie z IEC 668:99 Method of measurement of resistivity of metallic material przy użyciu mostka do pomiaru oporności TETTEX Instruments, typ 6 QH) [9]. Na rysunku przedstawiono charakterystyki ujmujące zależność wpływu prędkości ciągnienia (V c = ; ; ; m/min) na zmianę własności mechanicznych (R m, R,, HB, A ) przewodów jezdnych AC- wykonanych z miedzi gat. ETP. Rysunek 6 to bezpośrednie porównanie skrajnych warunków pracy maszyny, a mianowicie wartości temperatury metalu przed ciągadłem i po ciągadle dla prędkości cią- Tablica Zestawienie zmian przekroju poprzecznego, współczynników wydłużenia oraz wartości odkształcenia materiału po poszczególnych ciągach Table Combination of changes in cross sections, elongation coefficient and deformation value after the drawing Współczynnik Odkształcenie Numer Średnica D Przekrój S wydłużenia λ [-] ε ciągu mm mm jednostkowy stkowe całkowity jedno- całkowite λ i λ c λ i λ c walcówka,, 8,,,,,7,7 6,7 89,7,,,,,,8,,89,9,7,,8,,,8,7,,,77,6,6 Tablica Zestawienie zmian temperatury ciągnionego metalu mierzonej przed wejściem do ciągadła i po wyjściu z ciągadła. Dane rejestrowane dla różnych prędkości ciągnienia Table Combination of changes in temperature before and after entrance from die. Data recorded for different drawing speed Numer ciągu Temperatura metalu przed wejściem (T) i po wyjściu (T) z ciągadła; pomiar (dla różnych prędkości ciągnienia V c ) po mb przewodu, T, C V c = m/min V c = m/min (war. a) V c = m/min T T T T T T

6 Tablica Własności mechaniczne i elektryczne przewodów jezdnych typu AC- po ciągnieniu z różną prędkością Table Mechanical and electrical properties of trolley wires AC- type after different drawing speed Prędkość ciągnienia V c m/min R m; R,, MPa HB R m MPa R, MPa A % HB śr (przekrój poprzeczny) σ MS/m ρ nωm 8 7 6, 6, 7,8 a 79 7,8 6, 7,79 b ,6 6,6 7,67 7 9, 8 6, 7,7 69 6, 6 6,8 7,6 Rm () R, () HB () A () A, % gnienia oraz m/min. Z przedstawionych danych wyraźnie wynika, że różnica temperatury metalu na poszczególnych ciągach w zależności od prędkości ciągnienia może sięgać nawet 7 C. Rysunki 7 i 8 pokazują zbiorcze zestawienie zmian temperatury metalu mierzonej odpowiednio przed wejściem i po wyjściu z kolejnych ciągadeł w linii po przeciągnięciu m przewodu. W celu zobrazowania jak kształtowała się temperatura metalu po wyjściu z poszczególnych ciągadeł w zależności od czasu trwania ciągnienia zamieszczono rysunki 9. Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że istotnie, wzrost prędkości ciągnienia skutkujący wyższą temperaturą metalu powoduje obniżanie się własności mechanicznych wyrobu finalnego. Najwyższe własności mechaniczne, znacznie wyższe niż wymagania normy, wykazywał, co nie powinno dziwić, przewód ciągniony z prędkością m/min na nie rozgrzanej maszynie. Warianty ciągnienia a oraz b w niewielkim stopniu obniżyły wysokie własności wytrzymałościowe natomiast wartość wydłużenia wzrosła z 6 do ponad 8, % dla wariantu b, co jest konsekwencją wzrostu temperatury metalu do C po wyjściu z poszczególnych ciągadeł. Przedstawione wyniki pozostają w zgodności z tymi, uzyskiwanymi podczas normalnej pracy linii ciągarskiej pracującej z prędkością m/min i pozwalają na to, aby wyrób końcowy z zapasem spełniał wymagania norm oraz odbiorców. Jednak wraz ze zwiększaniem prędkości ciągnienia, w szczególności wynoszącej, a zwłaszcza m/min, stanowiącej górny zakres możliwości maszyny obserwowano wyraźny wzrost temperatury ciągnionego materiału. Po opuszczeniu niektórych ciągadeł metal wykazywał temperaturę sięgającą Temperatura ciągnionego metalu, ºC V= m/min; T metalu przed ciągadłem () V= m/min; T metalu przed ciągadłem () V= m/min; T metalu po ciągadle () V= m/min; T metalu po ciagadle () Rys. 6. Przyrost temperatury ciągnionego metalu na kolejnych stopniach ciągarniczych; zestawienie wyników pomiarów dla skrajnych prędkości ciągnienia Fig. 6. Temperature growth of drawing metal on successive dies; measurment results for marginal drawing speed Prędkość ciągnienia, m/min Rys.. Zależność wpływu prędkości ciągnienia na zmianę własności mechanicznych przewodów jezdnych AC- wykonanych z miedzi gat. ETP Fig.. The influence of drawing speed on mechanical properties changes of trolley wires AC- type made from electrolytic copper Temperatura metalu po V= m/min () V= m/min_a () V= m/min_b () V= m/min () V= m/min () Temperatura metalu po Rys. 7. Zmiana temperatury ciągnionego metalu mierzonej przed wejściem do kolejnych ciągadeł w linii ciągarniczej Fig. 7. Temperature changes of drawing metal measured before successive dies on drawing line V= m/min () V= m/min_a () V= m/min_b () V= m/min () V= m/min () Rys. 8. Zmiana temperatury ciągnionego metalu mierzonej po wyjściu z kolejnych ciągadeł w linii ciągarniczej Fig. 8. Temperature changes of drawing metal measured after successive dies on drawing line 77

7 Temperatura metalu mierzona po () () 6 8 Temperatura metalu mierzona po () () () () () 8 6 () 6 () 8 () () () Rys. 9. Zestawienie zmian temperatury ciągnionego materiału mierzonej po wyjściu z ciągadła. Próba prowadzona na nie rozgrzanej maszynie z prędkością m/min Fig. 9. Temperature change of drawing material measured after exit from die. Test conducted on non-heated device with speed m/min Rys.. Zestawienie zmian temperatury ciągnionego materiału mierzonej po wyjściu z ciągadła. Próba prowadzona na rozgrzanej maszynie z prędkością m/min Fig.. Temperature change of drawing material measured after exit from die. Test conducted on heated device with speed m/min Temperatura metalu mierzona po () () 6 8 Rys.. Zestawienie zmian temperatury ciągnionego materiału mierzonej po wyjściu z ciągadła. Próba prowadzona na nie rozgrzanej maszynie z prędkością m/min Fig.. Temperature change of drawing material measured after exit from die. Test conducted on non-heated device with speed m/min Temperatura metalu mierzona po () () 8 6 () 6 8 () () () Rys.. Zestawienie zmian temperatury ciągnionego materiału mierzonej po wyjściu z ciągadła. Próba prowadzona na rozgrzanej maszynie z prędkością m/min Fig.. Temperature change of drawing material measured after exit from die. Test conducted on heated device with speed m/min 6 C. Należy mieć na uwadze, że rzeczywista, chwilowa temperatura metalu w części roboczej ciągadła z pewnością była wyższa. Taki nadmierny wzrost warunków Temperatura metalu mierzona po () () () 8 6 () 6 8 () () Rys.. Zestawienie zmian temperatury ciągnionego materiału mierzonej po wyjściu z ciągadła. Próba prowadzona na rozgrzanej maszynie z prędkością m/min Fig.. Temperature change of drawing material measured after exit from die. Test conducted on heated device with speed m/min cieplnych panujących w kotlinie odkształcenia oraz po jej opuszczeniu przyczynił się do kilkuprocentowego obniżenia własności wytrzymałościowych przewodów, mianowicie ok. % spadek R m, ok. 6 % spadek R,, co w konsekwencji przełożyło się na wysoki wzrost wydłużenia sięgający %. Warto w tym miejscu podkreślić, że o ile własności wytrzymałościowe przewodu (R m = 69 MPa) nadal są znacznie powyżej wymagań normy (R m min = MPa), to jednak sześcioprocentowy spadek R, zasygnalizował znacznie wyższy wzrost wydłużenia wynoszący %. Taka wartość wydłużenia, równa górnej tolerancji normy, jest już nie do przyjęcia. Przewód jezdny, o umocnieniu ok. 6 % posiadający i więcej procent wydłużenia nie spełnia wysokich standardów dotyczących jakości i pewności połączeń z elementami osprzętu sieciowego, jak również może wykazywać możliwość wystąpienia w tym obszarze przyspieszonych procesów reologicznych, zwłaszcza w podwyższonych temperaturach eksploatacji. Analizując uzyskane wyniki badań, stwierdzić należy podobną tendencję w ewolucji zmian twardości jak w przypadku zmian własności wytrzymałościowych. Jest to oczywiste, ze względu na powiązanie granicy plastyczności materiału z jego twardością. 77

8 Temperatura ekspozycji, ºC AC- Rm= MPa (9) Rm=6 MPa (8) Rm=8 MPa (7) Rm= MPa (6) Rm= Mpa () Rm= MPa () Rm= MPa () Rm=6 MPa () Rm=7 MPa () Czas ekspozycji, h Rys.. Krzywe izowytrzymałości przewodów jezdnych przedstawiające krytyczne konfiguracje temperatury i czasu wpływające na wartość wytrzymałości na rozciąganie przewodów jezdnych typu AC- z miedzi elektrolitycznej gat. ETP Temperatura ekspozycji, ºC Fig.. Curves of stable value of strength for trolley wires presenting critical configurations of temperature and time and affecting on tensile strength of trolley wires AC- type Czas ekspozycji, h AC- R,= MPa (8) R,= MPa (7) R,= MPa (6) R,= MPa () R,= MPa () R,= MPa () R,= MPa () R,=6 MPa () Rys.. Krzywe izoplastyczności przewodów jezdnych przedstawiające krytyczne konfiguracje temperatury i czasu wpływające na wartość granicy plastyczności przewodów jezdnych typu AC- z miedzi elektrolitycznej gat. ETP Fig.. Curves of stable value of plasticity for trolley wires presenting critical configurations of temperature and time and affecting on tensile strength of trolley wires AC- type Uzyskane wyniki badań prowadzonych w warunkach przemysłowego ciągnienia przewodów jezdnych w dobrym przybliżeniu korespondują z rezultatami badań otrzymanych w warunkach laboratoryjnych [, ]. Przedstawiona na rysunkach charakterystyka obrazuje krzywe stałej wytrzymałości na rozciąganie (krzywe izowytrzymałości) oraz krzywe stałej granicy plastyczności (krzywe izoplastyczności) dla przewodów jezdnych z miedzi gat. ETP. Charakterystyki te w układzie czas-temperatura przedstawiają pary temperatury wygrzewania i czasu ekspozycji w tej temperaturze ekwiwalentne w punktu widzenia wytrzymałości na rozciąganie oraz granicy plastyczności. Charakterystyki te ujawniają odporność cieplną badanych materiałów. Zagęszczenie charakterystyk jest bezpośrednią miarą szybkości spadku wytrzymałości na rozciąganie przewodów w funkcji temperatury dla ustalonego czasu ekspozycji. Na podstawie uzyskanych danych można stwierdzić, że dla przewodu jezdnego AC-, a więc materiału o umocnieniu ok. 6 %, poddanego ekspozycji w czasie h, proces degradacji własności wytrzymałościowych rozpoczyna się w temperaturze już powyżej C. % A, % 8 6 t=h t=h t=h AC- Temperatura ekspozycji, C Rys. 6. Wpływ temperatury i czasu wygrzewania na zmianę wydłużenia w próbie rozciągania A przewodów jezdnych z miedzi elektrolitycznej gat. ETP, [] Fig. 6. The influence of temperature and time heat treatment on elongation changes in tension test of trolley wires made from electrolytic copper, [] Długi czas ( h) wygrzewania przewodów sprawia, że bezpieczna temperatura z punktu widzenia zachowania wysokich własności wytrzymałościowych dla miedzi elektrolitycznej nie powinna przekraczać 6 C. Ma to istotne znaczenie praktyczne, świadczy bowiem o spadku własności mechanicznych przewodów jezdnych poddawanych narażeniom cieplnym w czasie eksploatacji. Stanowi także swoisty przepis, wskazanie zakresu bezpiecznego z punktu widzenia eksploatacji przewodów jezdnych, zestawienia temperatury i czasu jej działania, na niedopuszczenie do zmian ich własności mechanicznych w czasie całego okresu pracy w sieci jezdnej. Na rysunku 6 ukazano wpływ temperatury i czasu wygrzewania na zmianę wydłużenia w próbie rozciągania A przewodów jezdnych z miedzi elektrolitycznej gat. Procentową zmianę wydłużenia przewodów jezdnych poddanych wygrzewaniu w różnej temperaturze w czasie od do h, obliczono z poniższej zależności % A A A i = A A k % gdzie A to wartość w stanie po ciągnieniu, A i to wartość dla i-tego pomiaru, natomiast A k to najniższa zmierzona wartość dla danego czasu wygrzewania. Uzyskany wynik % A = oznacza brak obniżenia wydłużenia, natomiast % A = świadczy o całkowitej utracie przez badany materiał jego wyjściowej wielkości wydłużenia. Warto zauważyć, że % wydłużenie dla miedzi elektrolitycznej występuje już w ok. C, niezależnie od czasu ( h) wygrzewania przewodów w tej temperaturze. Podsumowanie W artykule przedstawiono wyniki badań prowadzonych podczas prób ciągnienia w warunkach przemysłowych w ZK Tele-Fonika S.A. Przedstawiony zakres badań stanowił fragment prac prowadzonych w zakładzie, mających na celu optymalizację procesu ciągnienia pod kątem uzyskania wysokich własności mechanicznych wyrobu uwzględniają- 77

9 cej zmienne parametry ruchowe linii ciągarskiej. Przedstawiono wyniki pomiarów temperatury odkształcanego metalu na poszczególnych stopniach ciągarniczych dla różnej prędkości ciągnienia oraz własności wyrobu gotowego, R m, R,, A, HB, ρ i porównano je z wymaganiami odpowiednich norm. Stwierdzono, że istnieje dobra zgodność w tendencji zachowania materiału, porównując uzyskane wyniki własności końcowych wyrobu, a więc spadku własności na skutek nadmiernego działania temperatury w linii ciągarniczej z wynikami laboratoryjnymi wpływu ekspozycji materiału o różnym stopniu umocnienia w różnej temperaturze i czasie na zmianę własności mechanicznych. W czasie testów określono, w jakim stopniu wzrost temperatury ciągnionego metalu będący skutkiem zwiększania prędkości ciągnienia, przy istniejącym rzeczywistym sposobie chłodzenia, wpłynie na własności mechaniczne przewodów jezdnych, a zwłaszcza na wartość wydłużenia. Wskazano, iż często pomijaną w opracowaniach wielkością jest wartość wydłużenia, w ramach której ukryta jest wiedza dotycząca dopuszczalnej plastyczności wyrobu gotowego, mająca bezpośredni wpływ na jakość współpracy przewodów jezdnych z osprzętem sieciowym podczas ich eksploatacji w górnej sieci trakcyjnej. Uzyskane wyniki pomiarów temperatury metalu na poszczególnych etapach procesu ciągnienia przy różnej prędkości ciągnienia, mogą być użyteczne przy projektowaniu i doskonaleniu technologii produkcji przewodów jezdnych, w szczególności dopuszczalnych prędkości ciągnienia przy zadanym schemacie wydłużenia w linii ciągarniczej oraz dają podstawę do określenia wydajności systemu chłodzenia gniazd ciągarniczych i kół ciągowych maszyny. Literatura. Kawecki A., Knych T., Mamala A.: Badania charakterystyk materiałowych przewodów jezdnych typu AC- z miedzi w gat. ETP oraz CuAg, w symulowanych warunkach eksploatacyjnych. Konferencja naukowa trakcji elektrycznej MET Nowoczesna Trakcja Elektryczna w Zintegrowanej Europie, s. 9.. Kawecki A., Knych T., Mamala A.: Badania porównawcze odporności cieplnej przewodów jezdnych Djp i DjpS, SEMTRAK. XI Ogólnopolska Konferencja Naukowa Trakcji Elektrycznej i III Szkoła Kompatybilności Elektromagnetycznej w Transporcie, Kraków-Zakopane,, Materiały konferencyjne, t., s Kawecki A.: Dobór cech materiałowych przewodów jezdnych przeznaczonych do szybkich pojazdów szynowych Kraków, 6 [praca dokt.].. Raczyński J.: Podejście standaryzacyjne w technicznych specyfikacjach interoperacyjności (TSI) w zakresie urządzeń elektrycznych w elektrycznych pojazdach trakcyjnych. Konferencja naukowa trakcji elektrycznej MET 7 Nowoczesna Trakcja Elektryczna w Zintegrowanej Europie, s. 9.. PN-EN 977: Produkt do ciągnienia z miedzi (walcówka). 6. PN-EN 9: Zastosowania kolejowe. Urządzenia stacjonarne-trakcja elektryczna-profilowane druty jezdne z miedzi i jej stopów. 7. PN-6E-99 Przewody jezdne miedziane. 8. PN-E-99 Przewody jezdne z miedzi i miedzi modyfikowanej. 9. IEC 668:99 Method of measurement of resistivity of metallic material. Witanov D.: Neues Verfahren zum Projektiren von Ziehwerkzeugen, Draht-Welt Düsseldorf, 97, t. 6, nr.. Beyer K.: Ein allgemeines Schema für das Kalibrieren von gezogenen Sonderprofilen. Neue Hütte, 6. Jg. Heft, Dezember 97.. Nowak S., Knych T., Gocał J.: Metoda analogii elektrycznej w projektowaniu technologii ciągnienia zlożonych profili. Rudy Metale 98, t. 7, nr 8, s Knych T., Kawecki A., Mamala A., Kiesiewicz P.: Projektowanie kształtu ciągadeł do przewodów jezdnych typu troley. Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 7, t. 7, nr s. 6. TADEUSZ KNYCH PAWEŁ KWAŚNIEWSKI ANDRZEJ MAMALA Rudy Metale R 7 nr UKD : :6..:669./. SYMULACJA I BADANIA SIŁ DOCISKU W UKŁADACH POŁĄCZEŃ ELEMENTÓW Z MIEDZI I JEJ STOPÓW Relaksacja naprężeń i pełzanie to dwa procesy zachodzące we wszelkiego rodzaju układach połączeń, m.in. górnej sieci trakcyjnej, objawiające się spadkiem w czasie siły docisku pomiędzy szczękami układu mechanicznego. W artykule przedstawiono mechanistyczny model relaksacji naprężeń w układach zbudowanych z elementów o zróżnicowanych cechach reologicznych oraz jego weryfikację z badaniami doświadczalnymi. Badania przeprowadzono na przykładzie połączenia dwóch miedzianych przewodów jezdnych złączką wykonaną ze stopu gat.cunisi. Słowa kluczowe: relaksacja naprężeń, reologia, relaksacja sił docisku w układach połączeń Dr hab. inż. Tadeusz Knych, prof. nzw., mgr inż. Paweł Kwaśniewski, dr inż. Andrzej Mamala Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Metali Nieżelaznych, Kraków. 776