Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów kołowych

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ TRANSPORTU KATEDRA TRANSPORTU SZYNOWEGO LABORATORIUM DIAGNOSTYKI POJAZDÓW SZYNOWYCH ĆWICZENIE 2 Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów Katowice,

2 Spis treści 1. CEL ĆWICZENIA PODSTAWY TEORETYCZNE ĆWICZENIA... 3 RYS. 1. ZESTAW KOŁOWY Z KOŁAMI OBRĘCZOWANYMI... 4 RYS. 2. ZESTAW KOŁOWY Z KOŁAMI MONOBLOKOWYM... 4 RYS. 3. WIENIEC KOŁA SKŁADANEGO STANOWISKO LABORATORYJNE... 6 RYS. 6. SCHEMAT DZIAŁANIA PROFILOMIERZA... 7 RYS. 7. SCHEMAT KINEMATYKI CZUJNIKA POMIAROWEGO... 7 RYS. 8. ELEMENTY SKŁADOWE URZĄDZENIA DO POMIARU GEOMETRII ZARYSU POWIERZCHNI TOCZNEJ... 8 RYS. 9. SUWMIARKA SPECJALNA DO POMIARU GEOMETRII POWIERZCHNI TOCZNEJ PRZEBIEG ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO... 9 RYS. 10. SZABLON GRANICZNY ZAKRES SPRAWOZDANIA LITERATURA

3 1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie studentów z różnymi metodami diagnostyki powierzchni tocznej zestawów z wykorzystaniem zarówno aparatury pokładowej jak i przytorowej oraz aparatury wykorzystywanej w zakładach naprawczych pojazdów szynowych. W ramach ćwiczenia laboratoryjnego przedstawiony zostanie sposób pomiaru profilu tocznego kół z wykorzystaniem szablonów i suwmiarki do kół oraz profilomierza elektronicznego. Studenci w ramach realizacji zajęć wykonają szereg pomiarów podstawowych parametrów profilu kół na różnych przykładach kół kolejowych i tramwajowych. Zadaniem wykonujących ćwiczenia laboratoryjne będzie również przetworzenie uzyskanych danych pomiarowych w parametry charakterystyczne dla opisu profilu koła kolejowego i tramwajowego. W tym celu niezbędne będzie wykorzystanie specjalistycznego oprogramowania komputerowego. Stanowisko laboratoryjne umożliwia dokonanie pomiaru zarówno podstawowych parametrów geometrii powierzchni tocznej zestawów, jak i pomiaru jego pełnej geometrii zarysu. Pomiary te są zgodne z pomiarami wykonywanymi wg PN w okresie eksploatacji zestawów. Przeprowadzone badania laboratoryjne pozwolą na zapoznanie się z metodyką i praktycznym wykonaniem badań diagnostycznych wykonywanych na taborze kolejowym. Badania te pozwalają na wykrycie wad technologiczno-eksploatacyjnych powierzchni tocznej zestawów. Dodatkowo, wyposażenie stanowiska w elektroniczny sprzęt pomiarowy pozwala na przeniesienie pełnej geometrii powierzchni tocznej badanego koła do programów obliczeniowych w formie pliku *.dxf. W trakcie trwania laboratorium należy wykonać szereg pomiarów profilu powierzchni tocznej przykładowej obręczy koła i na tej podstawie wydać orzeczenie o jej stanie technicznym. W celu przystąpienie do pomiarów, należy uprzednio zapoznać się z urządzeniem i metodyką pomiaru zarysu powierzchni tocznej zestawu kołowego. Właściwa interpretacja wymaga od ćwiczącego posiadania podstawowych wiadomości dotyczących budowy i montażu zestawów. 2

4 2. PODSTAWY TEORETYCZNE ĆWICZENIA Diagnostyka techniczna, to technika badawcza pozwalająca na określenie stanu technicznego urządzeń oraz lokalizacji ewentualnych nieprawidłowości dokonywana najczęściej w trakcie pracy urządzenia bez konieczności demontażu jego zespołów. Dziedzina ta jest silnie powiązana z teorią pomiaru i analizy uzyskanych wyników, a uzyskane wyniki pozwalają niejednokrotnie na podjęcie automatycznych działań korygujących przy wykorzystaniu metod sztucznej inteligencji. Zestaw kołowy stanowi zespół dwóch kół osadzonych na stałe na stalową oś. Oś w miejscu osadzenia kół posiada zgrubienie podpiaście, zaś części końcowe osi stanowią czopy do osadzenia zestawu na łożyskach tocznych lub ślizgowych. Zestaw kołowy stanowiący znaczną część tzw. masy nieodsprężynowanej każdego pojazdu szynowego spełnia wiele funkcji związanych z prowadzeniem pojazdu i jego napędem, podparciem i hamowaniem, a także z przekazywaniem informacji w relacji tor urządzenia sterowania oraz tor - pojazd trakcyjny. Mnogość spełnianych funkcji oraz konieczność dobrej ich realizacji nakładają na stan techniczny zestawu kołowego szereg wymagań i ograniczeń, które muszą być zachowane, z uwzględnieniem pola tolerancji, w całym okresie eksploatacji. Systematycznie przeprowadzane pomiary zestawów pozwalają określić terminy reprofilacji powierzchni tocznej oraz umożliwiają, podjęcie działań organizacyjnych mających na celu wydłużenie ich eksploatacji. Dobry stan techniczny powierzchni tocznej zestawów ma również zasadniczy wpływ na zmniejszenie nakładów związanych z utrzymaniem torów kolejowych. Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje wagonowych zestawów : - zestawy kołowe do łożysk ślizgowych, - zestawy kołowe do łożysk tocznych. Koła zestawu mogą być obręczowane, składające się z koła bosego, obręczy i pierścienia zaciskowego, zabezpieczającego obręcz na kole bosym oraz bezobręczowe, wykonane w całości, zwane monoblokami lub kołami jednolitymi. Ze względu na szerokość rozstawu toru zestawy kołowe można podzielić na: - wąskotorowe rozstaw 750 [mm], - wąskotorowe rozstaw 1000 [mm], - normalnotorowe rozstaw 1435 [mm], - szerokotorowe rozstaw 1524 [mm]. Ze względu na proces wytwarzania kół zestawy kołowe dzielą się na: - odlewane, - kute, - kuto odlewane. Ze względu na rodzaj materiału zastosowanego do produkcji kół zestawy kołowe można podzielić na zestawy o kołach: - stalowych, - staliwnych, - żeliwnych, - z nowych materiałów niekonwencjonalnych. Ze względu na zastosowanie zestawy kołowe można podzielić na: a) do lokomotyw: - napędne, - nie napędne, b) do wagonów: - towarowych, - osobowych. 3

5 Ze względu na wymiary średnicy tocznej kół zestawy kołowe dzielą się na: - zestawy kołowe o normalnej średnicy: 920 [mm], 960 [mm], 1000[mm], 1600[mm], - zestawy kołowe o małej średnicy: 840 [mm], 630 [mm]. W pojazdach doczepnych oraz wagonach średnice toczne kół mogą zaczynać się już od średnicy 320 [mm]. Ze względu na wielkość obciążenia osi zestawu, zestawy można podzielić na: - zestawy o normalnym obciążeniu osi, - zestawy o zwiększonym obciążeniu osi. Ze względu na typ stosowanych kół, zestawy kołowe dzielą się na: - obręczowane (rys. 1), - monoblokowe (rys. 2), - składane (rys. 3). Rys. 1. Zestaw kołowy z kołami obręczowanymi Rys. 2. Zestaw kołowy z kołami monoblokowym Rys. 3. Wieniec koła składanego Ze względu na rodzaj tarczy koła, zestawy kołowe dzielimy na zestawy o kołach: 4

6 a) tarczowych: - tarcze proste, - tarcze pofalowane, - tarcze podwójnie pofalowane, b) szprychowych, c) specjalnych. Ze względu na konstrukcję osi zestawy kołowe można podzielić na zestawy z osią: - pełną, - drążoną. Ze względu na sposób obróbki mechanicznej powierzchni tocznej zestawy kołowe dzielimy na: - obrobione toczeniem; - frezowaniem, - szlifowaniem, - dogniataniem. Ze względu na sposób ułożyskowania zestawy kołowe dzielą się na: - łożyskowane zewnętrznie, - łożyskowane wewnętrznie. Ze względu na zastosowany profil toczny, zestawy kołowe dzielimy na zestawy: - o profilu AO, - o profilu AOP, - o profilu ACO, - o profilach: A5, A10, A15. Ze względu na sposób łączenia koła z osią, zastawy można podzielić na: - zestawy z połączeniami wciskowymi, - zestawy z połączeniami skurczowymi, - zestawy z połączeniami klejonymi, - zestawy z połączeniami mieszanymi skurczowo klejonymi. Ze względu na osadzenie koła na oś, zestawy kołowe dzielą się na zestawy: - z kołami osadzonymi na stałe, - z kołami osadzonymi przesuwnie. Ze względu na wbudowane w tarczę elementy napędowe, zestawy można podzielić na zespoły: - z zastosowaniem bloków metalowo gumowych, - z zastosowaniem sprzęgieł płytkowych, - z zastosowaniem czopów napędowych. Ze względu na rodzaj stosowanych hamulców zestawy kołowe dzielą się na zestawy przystosowane do: a) hamulców tarczowych - z tarczami osadzonymi na osi, - z tarczami mocowanymi do tarczy koła. b) hamulców klockowych. 5

7 Części składowe zarysu powierzchni tocznej przedstawione zostały na rysunku 4. Rys. 4. Części składowe zarysu powierzchni tocznej Dla taboru normalnotorowego w zarysie zewnętrznym typu A występują następujące odmiany: - AO - obrzeże pełne, powierzchnia toczna o pochyleniu l : 20 / 1 : 10, - AOP - obrzeże pełne, powierzchnia toczna o pochyleniu l : 40 / 1 : 20, - ACO - obrzeże pełne, powierzchnia toczna o promieniu 330 [mm] i pochyleniu l : 15,5, - A5 - obrzeże zwężone o 5 [mm], - A10 - obrzeże zwężona o 10 [mm], - A15 - obrzeże zwężone o 15 [mm]. Rys. 5. Zarys obręczy normalnotorowej: po lewej AO, po prawej AOP 3. STANOWISKO LABORATORYJNE W celu umożliwienia studentom wykonania pomiarów diagnostycznych zarysu powierzchni tocznej zestawu kołowego, przygotowano stanowisko z nowym zestawem kołowym, oraz stanowisko z obręczą nową i po eksploatacji. Obręcz zużytą dobrano tak, aby umożliwić zaobserwowanie typowych zjawisk eksploatacyjnych. Do pomiaru geometrii powierzchni tocznej zastosowano urządzenie elektroniczne firmy GRAW. Składa się ono z układu pomiarowego, rejestratora, układu transmisji danych do komputera PC i specjalistycznego oprogramowania. Schemat działania profilomierza przedstawia rysunek 6. Dwa czujniki laserowe Przetwornik pomiarowy Wzmacniacz Rejestrator 6 Interfejs RS

8 Oprogramowanie Rys. 6. Schemat działania profilomierza Układ pomiarowy profilomierza zaopatrzony jest w dwa czujniki z przetwornikiem laserowym. Czujniki te służą do pomiaru przemieszczeń kątowych dzwigni prowadzonej po zarysie profilu tocznego, tak jak to pokazano na rysunku 7. W trakcie pomiaru rejestrator zapisuje wartości przemieszczeń kątowych obu czujników, a następnie po przesłaniu danych pomiarowych z rejestratora do komputera poprzez interfejs RS232, program przelicza przemieszczenia kątowe obu czujników na współrzędne kartezjańskie. Rys. 7. Schemat kinematyki czujnika pomiarowego Wykorzystywane oprogramowanie ma ponadto możliwość porównania otrzymanej geometrii powierzchni tocznej zestawu kołowego z geometrią wg PN zawartą w specjalnej bazie geometrii normowych. Program pozwala zarówno na ręczne zwymiarowanie otrzymanej geometrii jak i na automatyczne wymiarowanie geometrii profilu wg PN. Rysunek 8 przedstawia zdjęcie elementów wchodzących w skład omawianego urządzenia do pomiaru powierzchni tocznej zestawu kołowego. 7

9 Przewód RS 232 Wzorzec pomiarowy Rejestrator Zasilacz P. czujnik - rejestrator Oprogramowanie Czujnik + przetwornik Rys. 8. Elementy składowe urządzenia do pomiaru geometrii zarysu powierzchni tocznej Proces pomiarowy polega na ręcznym przeprowadzeniu końcówki ramienia pomiarowego po powierzchni tocznej koła. Proces ten można powtórzyć kilkakrotnie, co pozwala wyeliminować błędy przypadkowa, gdyż program uwzględni jedynie największe wartości odchylenia ramienia eliminując jednocześnie te wyniki, dla których końcówka pomiarowa nie była dokładnie prowadzona po powierzchni tocznej zestawu. Należy pamiętać, aby bezpośrednio po zakończeniu pomiaru nie przemieścić ramienia pomiarowego do bazy pomiarowej gdyż spowoduje to wyzerowanie wyników i oczekiwanie na nowy pomiar. Czynność tą należy wykonać dopiero po zapisaniu wyników w rejestratorze. Jeden lub serie pomiarów zapisanych w rejestratorze można następnie przesłać poprzez interfejs RS 232, do komputera PC z odpowiednim oprogramowaniem. Otrzymane wyniki można prezentować na ekranie oraz zapisać w pliku o standardzie *.dxf, co ułatwi ewentualną dalsza analizę w programach obliczeniowych. Otrzymane wyniki należy porównać z wartościami dopuszczonymi wg PN, a ponadto należy zwrócić uwagę na inne wady eksploatacyjne, występujące na kołach kolejowych zestawów. Dopuszcza się do eksploatacji koła, jeśli: - wycięcia są skierowane wzdłuż obwodu i oddalone od wewnętrznej krawędzi obręczy lub wieńca co najmniej o 20 mm; - głębokość wycięć nie przekracza 3 mm i są one łagodnie wyprowadzone na powierzchnię tak; że szerokość wycięć na dnie nie przekracza ich głębokości, a szerokość na powierzchni obręczy lub wieńca jest co najmniej trzykrotnie większa niż głębokość; 8

10 - ogólna długość wycięć na jednaj obręczy lub na wieńcu koda bezobręczowego nie przekracza 300 mm, a w dowolnym przekroju poprzecznym znajduje się nie więcej niż jedno wycięcie. Na bocznych obrobionych powierzchniach obręczy lub wieńców kół bezobręczowych dopuszczalne są miejsca nieobrobione w postaci ciemnych plam o głębokości do 2 mm rozmieszczonych tak, aby w danym przekroju poprzecznym znajdowało się jedno wycięcie lub jedna plama. Ogólna długość wycięć i plam na jednej obręczy lub wieńcu nie moje przekraczać 300 mm. Podstawowym sposobem oceny stanu powierzchni obręczy lub wieńca koła bezobręczowego, jest badanie przeprowadzane okiem nieuzbrojonym. Ma ono na celu sprawdzenie, czy nie występują niedopuszczalne wady w postaci jam usadowych, rozwarstwień, pęknięć miejsc nieobrobionych i zanieczyszczeń niemetalicznych. Sprawdza się również, czy na obrobionych bocznych powierzchniach obręczy lub wieńca koła bezobręczowego, z wyjątkiem obrzeża, nie występują wycięcia powstałe w rezultacie usuwania wad. Klasyczna metoda pomiaru podstawowych parametrów profilu tocznego oparta jest na wykorzystaniu suwmiarki o specjalnej konstrukcji, którą pokazano na rysunku 9. Rys. 9. Suwmiarka specjalna do pomiaru geometrii powierzchni tocznej Wykorzystując suwmiarkę specjalną do pomiaru parametrów profilu, można określić wartości wysokości obrzeża Ow, grubości obrzeża Og, podcięcie q R, grubości obręczy w płaszczyźnie okręgu tocznego b. 4. PRZEBIEG ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO Za pomocą suwmiarki specjalnej do pomiaru geometrii powierzchni tocznej kół dokonać pomiaru każdego koła w płaszczyznach przesuniętych o 90. Pomiar w każdym miejscu należy powtórzyć trzykrotnie. Wyniki zamieścić w tabeli 1. Wyniki pomiarów sprawdzić za pomocą szablonów granicznych (rys. 10, 11, 12). Wykonane pomiary uszkodzeń powierzchni tocznej zestawu przedstawić w formie graficznej, oddzielnie dla każdego miejsca pomiarowego oraz na jednym schemacie nanieść wartości podstawowych wielkości geometrycznych profilu (przykład wymiarowania powierzchni tocznej kolejowego zestawu kołowego pokazano na rysunku 14). Otrzymane wartości pomiarów porównać z wymaganiami PN. 9

11 Rys. 10. Szablon graniczny Rys. 11. Szablon do sprawdzenia wymiaru q R - sposób pomiaru a) obrzeże koła dopuszczalne do przyjęcia, b) obrzeże koła nie może być przyjęte Rys. 12. Szablon graniczny do sprawdzenia wysokości i grubości obrzeża kół kolejowych zestawów 10

12 Rys. 13. Prezentacja graficzna przetwarzania dyskretnych wartości kątowych ramion pomiarowych na geometrię zarysu tocznego z uwzględnieniem kształtu końcówki pomiarowe 10 Ow 2 Średnica toczna qr Og 70 b - szerokość powierzchni tocznej Wzorzec: 28UIC135.RYS Rys. 14. Przykład wymiarowania powierzchni tocznej kolejowego zestawu kołowego 11

13 Diagnostyka Pojazdów Szynowych - Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów Tablica 1 Zestawienie pomiarów powierzchni tocznej kolejowego zestawu kołowego Data: , grupa dziekańska:..., sekcja:.... Lp. Opis miejsca pomiaru i nazwa rysunku Metoda pomiarowa Nazwa pliku w rejestratorze Nazwa pliku w PC O w [mm] O g [mm] q r [mm] b [mm] Orzeczenie o stanie technicznym 1 Suwmiarka, przymiar gr. Rys nr... Profilomierz 2 Suwmiarka, przymiar gr. Rys nr... Profilomierz 3 Suwmiarka, przymiar gr. Rys nr... Profilomierz 4 Suwmiarka, przymiar gr. Rys nr... Profilomierz 5 Suwmiarka, przymiar gr. Rys nr... Profilomierz 6 Suwmiarka, przymiar gr. Rys nr... Profilomierz Podpis prowadzącego ćwiczenie laboratoryjne:

14 Diagnostyka Pojazdów Szynowych - Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów 5. ZAKRES SPRAWOZDANIA Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Wstęp teoretyczny. 2. Opis metodyki pomiarowej i przebiegu procesu pomiarowego wykonywanego w trakcie laboratorium. 3. Podpisane przez prowadzącego tablice pomiarowe z otrzymanymi w trakcie zajęć wynikami pomiarów. 4. Prezentację graficzną otrzymanych wyników. 5. Wnioski i spostrzeżenia dotyczące wykonanego ćwiczenia laboratoryjnego. 6. LITERATURA 1. B. Żółtowski: Podstawy diagnostyki maszyn. Bydgoszcz: Wydawnictwo Uczelniane Akademi Techniczno Rolniczej w Bydgoszczy, W. Jakubiec, J. Malinowski: Metrologia wielkości geometrycznych. Warszawa: WNT, J. Podemski, R. Marczewski, Z. Majchrzak: Zestawy kołowe i maźnice. Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, PN-57/MPM Tabor kolejowy. Montaż zestawów, warunki techniczne. 5. PN-61/R Tabor kolejowy. Zestawy kołowe wagonów, wymagania i badaniatechniczne. 6. PN-58/R Tabor kolejowy. Lokomotywy i tendry. Obręcze nieobrobione do zestawów, warunki techniczne. 7. PN-53/K Tabor kolejowy. Wagony i tendry. Koła bose obrobione do zestawów. 8. PN-53/R-9103-Tabor kolejowy. Pierścienie zaciskowe do zestawów. 9. BN-67/ Zestawy kołowe do łożysk ślizgowych. 10. PN-70/R Zestawy kołowe obręczowane do łożysk tocznych 11. BN-69/ Zestawy kołowe bezobręczowe z czopami osi o φ 120 mm. 13