Przyczyny nierównomiernego zużywania się zestawów kołowych w wagonach towarowych Warszawa, 10 kwietnia 2018 r. mgr inż. Andrzej Zbieć Laboratorium Badań Taboru
Ilostan wagonów PKP Cargo Polscy przewoźnicy posiadają ogromną ilość wagonów towarowych. Największym dysponentem wagonów towarowych jest PKP Cargo, które na koniec 2011 r. dysponowało liczbą prawie 70 tysięcy wagonów (65.453 wagonów własnych i ok. 4 wagonów obcych). Średni wiek tych wagonów na koniec wspomnianego okresu wynosił 26,6 roku. Na koniec roku 2014 Cargo posiadało 61.593 wagonów, a na koniec 2016 roku 60.954 wagonów.
Nierównomierne zużywanie się kół jednym z problemów eksploatacyjnych Bez dalszego odwoływania się do odpowiednich statystyk można stwierdzić, że wagony nowe i kilkuletnie nie przysparzają poważnych problemów eksploatacyjnych (poza bieżącym utrzymaniem), natomiast wagony, których wiek przekracza 20 lat już takich problemów mogą dostarczać. Jednym z takich problemów jest nierównomierne zużywanie się kół.
Nierównomiernie zużyte koła Koło o prawidłowym charakterze zużycia Koło o nadmiernym zużyciu (podcięte obrzeże)
Analiza przyczyn zjawiska Możliwe przyczyny nierównomiernego zużywania się kół: rodzaj układu biegowego; twardość kół; geometria wagonu; niewłaściwa regulacja usprężynowania (rozkład nacisków); nieprawidłowości w połączeniu pudło wózek; inne.
Analiza przyczyn zjawiska Wszystkie ww. przyczyny mogą mieć mniejszy lub większy wpływ na nierównomierne zużywanie się kół w zestawie kołowym, co więcej mogą występować samodzielnie lub łącznie, nakładając się na siebie i powodując w efekcie nasilenie przedmiotowych objawów lub ich przynajmniej częściowe znoszenie się.
Analiza przyczyn zjawiska Rodzaj układu biegowego Typ układu biegowego zastosowany w wagonie towarowym może mieć zasadniczy wpływ na rodzaj i charakter zużyć. Już pobieżna analiza pokazuje, że inne są warunki pracy zestawów kołowych i inne jest ich prowadzenie w przypadku wagonów dwuosiowych, a inne w przypadku wagonów wózkowych. Same wózki mogą być 2-, 3- i 4-osiowe. Dalsza analiza została ograniczona do wózków 2-osiowych jako najczęściej występującego rodzaju układu biegowego.
Analiza przyczyn zjawiska Rodzaj układu biegowego Wózek z rodziny Y25 Wózek 1XTa
Analiza przyczyn zjawiska Rodzaj układu biegowego W zależności od typu wózka zestawy kołowe mogą mieć luz w prowadzeniu (jak w wózku 1XTa) lub mogą mieć prowadzenie bezluzowe (jak w wózku Y25 w kierunku wzdłużnym). Brak luzu w kierunku wzdłużnym uniemożliwia zestawom kołowym radialne samonastawienie się w łuku. Rysunek z książki Podwozia wózkowe pojazdów szynowych, WIPSPK 2010
Analiza przyczyn zjawiska Twardość kół Twardość powierzchni tocznej kół jest podstawowym parametrem, mającym bezpośredni wpływ na zużywanie się kół oraz obrzeża. Im większa twardość tym mniejsze zużycie koła i odwrotnie im mniejsza twardość tym większe zużycie koła. Zgodnie z normą PN-EN 13262:2011 minimalna twardość powierzchni tocznej kół powinna wynosić 225 255 HBW.
Analiza przyczyn zjawiska Geometria wagonu W przypadku geometrii należy wziąć pod uwagę elementy takie jak: położenie czopów skrętu wagonu względem jego osi podłużnej i poprzecznej (odchylenia od tychże osi); położenie gniazda skrętu wózka względem jego osi podłużnej i poprzecznej; wybrane parametry geometryczne ramy wózka, przede wszystkim takie jak odległości wzdłużne pomiędzy elementami utrzymującymi maźnice w odpowiednim położeniu oraz odległości krzyżowe tych elementów.
Analiza przyczyn zjawiska Geometria wagonu Położenie czopów skrętu powinno być symetryczne. Poprzeczna niesymetria położenia czopów skrętu powoduje stały większy nacisk na koła po jednej stronie wagonu. W zależności od połączenia z innymi czynnikami spowoduje to przyspieszone zużywanie się kół po tej lub po przeciwnej stronie wagonu. Niesymetria w kierunku wzdłużnym będzie powodowała zwiększenie nacisku na jeden z wózków, a więc szybsze zużywanie się kół tego wózka. Wg normy PN-EN 13775-2 dopuszczalne tolerancje odległości od środka czopa skrętu do obwodziny (niesymetria poprzeczna) wynoszą y +2-3 mm.
Analiza przyczyn zjawiska Geometria wagonu Y Q Zmodyfikowano rysunek z TSI WAG
Analiza przyczyn zjawiska Geometria wagonu Niesymetria położenia gniazda skrętu w wózku będzie powodowała analogiczne zjawisko jak niesymetria położenia czopa skrętu. Im większa niesymetria poprzeczna, tym większa różnica nacisków kół po jednej i drugiej stronie wózka. Niesymetria w kierunku wzdłużnym będzie powodowała zwiększenie nacisku na jeden z zestawów kołowych, a więc szybsze zużywanie się kół w tym zestawie kołowym.
Analiza przyczyn zjawiska Geometria wagonu Wykonanie ramy wózka ma duży wpływ na poprawną współpracę koła i szyny. W procesie produkcji lub naprawy sprawdzanych jest wiele parametrów, takich jak ww. położenie gniazda skrętu, a także wichrowatość ramy wózka, odległości liniowe poszczególnych elementów czy powierzchni. Dla omawianego zagadnienia największy wpływ będą miały parametry geometryczne ramy wózka takie jak odległości wzdłużne pomiędzy elementami utrzymującymi maźnice w odpowiednim położeniu oraz odległości krzyżowe tych elementów.
Analiza przyczyn zjawiska Geometria wagonu L 1 X 1 X 2 L 2 Wg normy PN-EN 13775-4 ΔX max = X 1 X 2 = 1,5 mm ΔL max = L 1 L 2 = 1 mm
Niewłaściwa regulacja usprężynowania, w zależności od jednoczesnego połączenia z innymi czynnikami, może wywołać dwojakie skutki: przyspieszenie zużycia koła o zwiększonym nacisku (przy występującej jednocześnie nieprawidłowości powodującej poprzeczne dociskanie tego koła do szyny); zmniejszenie zużycia koła o zwiększonym nacisku (zwiększony nacisk na koło, ze względu na profil toczny koła, będzie powodował przesunięcie poprzeczne tego koła w stronę środka toru, czyli odsuniecie obrzeża od szyny, aż do wyrównania sił poprzecznych wywołanych naciskami pionowymi. Analiza przyczyn zjawiska Niewłaściwa regulacja usprężynowania
Analiza przyczyn zjawiska Nieprawidłowości w połączeniu pudło wózek Nieprawidłowości w połączeniu pudło wózek to w omawianym zagadnieniu, nieprawidłowy moment obrotowy wózka względem nadwozia. Zbyt mały moment obrotowy nie powinien przyczyniać się do nieprawidłowego zużycia, ale zbyt duży będzie powodował zwiększone siły oddziaływania pomiędzy kołem prowadzącym (pierwszym kołem zewnętrznym w łuku) i szyną przy wchodzeniu w łuki toru oraz koła po drugiej stronie przy wychodzeniu z łuku. W ten sposób zwiększonemu zużyciu będzie podlegał przede wszystkim pierwszy zestaw kołowy w wózku w kierunku jazdy. Zakładając losowe występowanie łuków prawych i lewych oraz jazdę w obu kierunkach można powiedzieć, że taki rodzaj nieprawidłowości będzie się przyczyniał do przyspieszonego zużycia, ale jednolitego wszystkich kół w wózku.
Analiza przyczyn zjawiska Inne przyczyny Inne przyczyny mogące mieć wpływ na nierównomierne zużywanie się kół to nieprawidłowości utrzymaniowe: niejednolite maźnice; pęknięte lub nieprawidłowo osadzone resory/sprężyny; nieprawidłowe długości zderzaków.
Niejednolite maźnice są skutkiem wymiany zestawu kołowego w trakcie eksploatacji. Wymieniany jest tylko ten jeden zestaw kołowy, który ma nieprawidłowe parametry. Poza zakładem naprawczym zakładany jest zestaw kołowy przygotowany do natychmiastowego zamontowania w wagonie a więc omaźnicowany. Podczas wieloletniej eksploatacji i kilku takich wymianach dotyczących jednego wagonu, okaże się, że nie znajdziemy w nim 8 takich samych maźnic. Źle wykonane czy naprawione maźnice spowodują nierównoległe ustawienie zestawów kołowych nawet w prawidłowo wykonanej ramie wózka. Analiza przyczyn zjawiska Inne przyczyny
Pęknięte lub nieprawidłowo osadzone resory/sprężyny powodują efekt podobny, jak nieprawidłowo wyregulowane naciski poszczególnych kół. Analiza przyczyn zjawiska Inne przyczyny
Analiza przyczyn zjawiska Inne przyczyny Nieprawidłowa długość zderzaków w połączeniu ze skręceniem sprzęgu może powodować powstawanie dodatkowych sił bocznych dociskając zestawy kołowe do szyny.
Podsumowanie W prezentacji przedstawiono możliwe przyczyny wpływające na nierównomierne zużywanie się zestawów kołowych w wagonach towarowych. Należy mieć oczywiście świadomość, że przyczyn tych może być więcej i nie wszystkie zostały tu uwzględnione. A z wymienionych tu czynników zdecydowanie najistotniejszą przyczyną jest nierównoległe ustawienie zestawów kołowych w wózku. Pozostałe czynniki dodają się do tej nierównoległości, powodując jeszcze większe zużycia lub działają hamująco na te zużycia, w pewnym stopniu je niwelując.
Podsumowanie Dla wózka 1XTa mającego luz w prowadzeniu wzdłużnym ewentualne niewielkie wady wykonania ramy wózka są kompensowane w ramach tego luzu, natomiast dla wózka Y25, niemającego takiego luzu, nawet niewielkie różnice w odległościach wzdłużnych będą przyczyną nieprawidłowego ustawienia zestawów kołowych, a co za tym idzie nieprawidłowej współpracy koła z szyną. Dodatkowo, losowy dobór maźnic może to nieprawidłowe ustawienie zestawów kołowych zmniejszyć lub zwiększyć.
Podsumowanie Skutkiem nieprawidłowego ustawienia zestawów kołowych jest przyspieszone zużycie kół. Pomimo jazdy po torze prostym, zestawy kołowe zachowują się tak, jakby ciągle jechały po łuku. Następuje ciągłe nabieganie jednego z kół na szynę i szybkie zużywanie się obrzeża tego koła. wózek A jazda do przodu jazda do tyłu wózek B
Położenie zestawu kołowego na torze prostym i w łuku Rysunek z książki Podwozia wózkowe pojazdów szynowych, WIPSPK 2010
Przykładowe przyczyny nieprawidłowego zużycia kół wózek A wózek B - nierównoległe ustawienie zestawów kołowych (większe w wózku A) - niesymetria położenia czopa skrętu nad wózkiem A (nad wózkiem B blisko dopuszczalnej granicy) - nieprawidłowa długość zderzaka (wpływ na wózek B) - nieprawidłowy rozkład nacisków chroniący jedno koło
Wnioski 1) W naprawach należy przestrzegać tolerancji wymiarowych podanych w odpowiednich normach. 2) Podczas napraw wózków, szczególnie tych z rodziny Y25, należy dokonywać sprawdzenia równoległości zestawów kołowych po zamontowaniu w wózku. 3) Do czasu ustalenia dopuszczalnej wartości nierównoległości (różnicy wymiarów liniowych) proponuje się przyjęcie wartości 1 mm na rozstawie środków łożysk (2000 mm) podobnie, jak dla ramy wózka. 4) Ewentualne nierównoległości można korygować poprzez odpowiedni dobór maźnic (lub powiększyć przez zły dobór maźnic).
Problemy z pomiarem równoległości zestawów kołowych
Dziękuję za uwagę Zbieć A.: Przyczyny nierównomiernego zużywania się zestawów kołowych w wagonach towarowych, Prace Instytutu Kolejnictwa, Zeszyt nr 155/2017, Wyd. Instytut Kolejnictwa, Warszawa 2017, ISSN 0551-214X