Analiza zużycia wieńca koła zestawów kołowych pojazdów szynowych

PIEC Paweł 1 Analiza zużycia wieńca koła zestawów kołowych pojazdów szynowych WPROWADZENIE W literaturze można spotkać różne podziały i opisy badań procesów zużycia elementów i zespołów maszyn i pojazdów. Autorzy tych badań definiują swoje założenia, podstawowe cele i tok realizacji nakreślonych zadań. Istnieją normy różnych państw dotyczące definicji i klasyfikacji zużycia maszyn. Nie spełniają one kompletu warunków, które trzeba by założyć, aby można je w pełni akceptować. Do tych warunków należą: odpowiednio szerokie ujęcie (nie ograniczające się tylko do przypadku ciał stałych), użycie terminów jednoznacznych, praktyczna przydatność. Mając to na uwadze proponuje się następującą definicję zużycia elementów maszyn, sformułowaną z fizykalnego punktu widzenia [4]. Przez zużycie elementu rozumie się trwałe niepożądane zmiany jego stanu, zachodzące w czasie eksploatacji w sposób ciągły lub skokowy, kumulujący się, w wyniku, czego okres spełniania przez element określonej funkcji użytkowej stopniowo się wyczerpuje. Termin stan elementu wymaga szerszego wyjaśnienia. A więc stan elementu jest to stan fizykalny, który określają dwie grupy czynników (parametrów): czynniki stereometryczne, czynniki fizykalne. Do czynników stereometrycznych zalicza się: kształt elementu, jego wymiary, chropowatość, falistość powierzchni, kierunkowość śladów obróbki, skażenia powierzchni takie jak: wyżłobienia, wgniecenia, wżery, wykruszenia, pęknięcia i inne uszkodzenia. Do czynników fizykalnych należy zaliczyć: skład chemiczny, strukturę (w ujęciu makro, mikro i submikro), przestrzenne rozkłady naprężeń, twardość i mikrotwardość, charakterystykę dyslokacji (chodzi głównie o rozkład gęstości dyslokacji) oraz parametry pochodne, którymi są własności mechaniczne, a wśród nich m.in. stopień umocnienia. Przy obecnym stanie wiedzy wymienione czynniki powinny być brane pod uwagę w badaniach zużycia. Pozostaje natomiast sprawą otwartą, czy są to wszystkie konieczne do uwzględnienia czynniki. 1 Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Szynowych, Al. Jana Pawła II 37, 31-864 Kraków 5060

Na postawione pytanie co to znaczy badać zużycie elementu maszyny można odpowiedzieć, że sprowadza się to do badania zmiany wszystkich wyżej wymienionych parametrów, charakteryzujących stan fizykalny elementu. W praktyce jest to niezmiernie trudne. Z praktycznego punktu widzenia wystarcza śledzenie zmian tylko tych parametrów, które decydują o możliwości spełniania przez element określonej roli użytkowej. 1. ZUŻYCIE ZESTAWÓW KOŁOWYCH Z badań eksploatacyjnych wynika, że zestawy kołowe stanowią najsłabsze ogniwo spośród wszystkich zespołów badanego pojazdu szynowego. Trwałość zestawów kołowych jest determinowana głównie przez intensywność procesu zużycia. Skutki zużywania się kół mają dwojaki charakter: z jednej strony - zmiana zarysu zewnętrznego powierzchni tocznej kół; w odniesieniu do obowiązującego profilu, wpływa na zmianę właściwości biegowych pojazdu i pogorszenie warunków bezpieczeństwa prowadzenia w torze, z drugiej strony - ubytki materiału; powodują konieczność częstego reprofilowania powierzchni roboczej wieńca koła lub wymiany zestawu kołowego i z tego powodu wpływają na zwiększenie kosztów eksploatacji. Przy analizie trwałości zestawów kołowych należy szczególnie uwzględnić te czynniki, które mają decydujący wpływ na propagację zużycia. Należy tu wyróżnić, między innymi: zestawy kołowe toczne lub napędne, koła monoblokowe lub obręczowane lub z wkładkami sprężynującymi, zestawy kołowe z hamulcem tarczowym lub klockowym, drogi kolejowe nizinne lub górskie. Analizę zużycia zestawów kołowych, ze względu na tzw. procesy wiodące (dominujące) i uwarunkowania eksploatacyjne, należy realizować w odniesieniu do wydzielonych elementów składowych zestawu kołowego przy jednoczesnym uwzględnieniu wpływu stosowanego układu hamulcowego. W tym ujęciu, jako podstawowe rodzaje zużycia wydzielonych elementów zestawu kołowego pojazdu szynowego, należy wymienić: a. oś zestawu kołowego; - pęknięcia zmęczeniowe osi, b. tarcza koła; - pęknięcia zmęczeniowe tarczy koła, c. obręcz koła; - poluzowanie obręczy, d. wieniec koła - powierzchnia cierna; - ścieranie na powierzchni tocznej, rys.1, - podcięcie obrzeża, rys.2, rys. 3 -, - rozwalcowanie na powierzchni tocznej, - płaskie miejsca i narosty, e. zestawy kołowe wyposażone w hamulec tarczowy; - wykruszenia zmęczeniowe na powierzchni tocznej, rys.4, - owalizacja koła, rys.5, f. zestawy kołowe wyposażone w hamulec klockowy; - odkształcenia tarczy koła, - pęknięcia zmęczeniowe na powierzchni tocznej, rys.6 i 7, - korrugacja koła, rys.8. 5061

Zużycie ścierne na powierzchni tocznej Na rysunku 1 przedstawiono zarys wieńca koła z zaznaczonymi obszarami zużycia ściernego na powierzchni tocznej. W podpisie rysunku podano wartości dopuszczalne tego zużycia. Intensywność zużycia w poszczególnych obszarach zarysu jest zróżnicowana i osiągnięcie wartości dopuszczalnej jest podstawą skierowania zestawu kołowego do regeneracji. Rys.1. Dopuszczalne zużycia obręczy: a = min. 22 mm, przy czym 2a = 48 mm dla zestawu, b = max. 5 mm, 2c = max. 15 mm dla zestawu, d = w granicach 25-36 mm [6] Podcięcie obrzeża Podcinanie obrzeży kół, rysunku 2, występuje szczególnie w tych pojazdach szynowych, które są eksploatowane w terenach górskich - gdzie tory mają łuki o małych promieniach. Rys.2. Rozkład sił między obrzeżem a główką szyny [6] Stopień intensywności zużywania się obrzeży kół, oznaczony współczynnikiem Z, można wyrazić za pomocą wzoru Neumanna (1); P Z, (1) gdzie: P - siła kierująca (rys.2) [kn], r sin cos - kąt nabiegu koła na szynę [1 o ], - współczynnik tarcia między obrzeżem koła nabiegającego a szyną, - kąt pochylenia obrzeża koła [1 o ]. Z zależności (1) wynika, że dla danego koła intensywność zużycia zmienia się wprost proporcjonalnie do siły kierującej P, kąta nabiegania i współczynnika tarcia. Na rys.3 przedstawiono wykresy niezawodności lokomotywy spalinowej B0B0, eksploatowanej w terenie górskim: R1( t) - ze względu na podcięcie obrzeża oraz R2 ( t) - ze względu na zużycie na okręgu tocznym. 5062

Rys.3. Wykres niezawodności lokomotywy spalinowej B0B0 [5] Na podstawie analizy przebiegu wykresów niezawodności i należy stwierdzić, że w przypadku pierwszym mamy do czynienia z przyspieszonym zużyciem zestawu kołowego, ze względu na proces podcinania obrzeża od strony kontaktu z powierzchnią boczną szyny. Wartość mediany, ze względu na podcięcie obrzeża, wynosi 63000 km, natomiast wartość mediany, ze względu na zużycie na okręgu tocznym, wynosi 200000 km. W celu zmniejszenia stopnia intensywności zużywania się obrzeży kół wprowadza się, między innymi: smarowanie obrzeża koła lub powierzchni bocznej główki szyny współpracującej z tym obrzeżem, modyfikację właściwości tribologicznych obrzeża koła metody plazmowe. Wykruszenia zmęczeniowe na powierzchni tocznej Wykruszenia obręczy są następstwem pęknięć powstałych w wyniku miejscowych nagrzań obręczy oraz pęknięć od miejscowych utwardzeń w wyniku zachodzących zmian strukturalnych materiału, rysunek 4. Pęknięcia spowodowane utwardzeniem przebiegają (w odróżnieniu od pęknięć w wyniku przekroczenia dopuszczalnych naprężeń na powierzchni ciernej obręczy) bardzo nieregularnie i są ograniczone do tych stref powierzchni tocznej, w których dodatkowo oddziałują naprężenia kontaktowe. Rys. 4. Wycinek powierzchni tocznej obręczy z pojedynczym wykruszeniem [8] Owalizacja koła Zestawy kołowe wyposażone w hamulce tarczowe wykazują po określonym czasie eksploatacji owalizację na okręgu tocznym, rysunek 5. Mimo, że przebiegi zestawów kołowych wyposażonych w hamulec tarczowy są większe w porównaniu do zestawów kołowych z hamulcami klockowymi, to jednak ich przebieg w km ograniczony jest przez nierównomierne zużycie koła na obwodzie tocznym. Koła wykonane z materiału o większej wytrzymałości również wykazują owalizację w kręgu tocznym, ale po większym przebiegu. 5063

Rys.5. Wycinek profilogramu powierzchni tocznej wzdłuż obwodu koła owalizacja koła [3] Pęknięcia zmęczeniowe na powierzchni tocznej W wyniku miejscowych nagrzań powierzchni ciernej obręczy, a następnie jej oziębiania, mikrostruktura obręczy ulega pewnym przemianom. Pojawienie się martenzytu w warstwie wierzchniej świadczy o zahartowaniu materiału. Warstewka utwardzona, w warunkach obciążeń dynamicznych jest bardzo podatna na pękania i często im ulega. W czasie kolejnych następnych nagrzań może dojść do odpuszczenia martenzytu i związanej z tym zmiany objętości właściwej. Przy przejściu martenzytu, np. w sorbit, występuje zmniejszenie się objętości właściwej, co wywołuje naprężenia rozciągające w warstwie materiału. W przypadku przekroczenia wartości dopuszczalnych naprężeń na powierzchni obręczy pojawiają się drobne pęknięcia poprzeczne, rysunek 6. Rys.6. Przekrój wzdłużny odcinka obręczy z promieniowo przebiegającymi pęknięciami [9] Jeżeli drobne pęknięcia powiększają się w kierunku promieniowym, rys.6, w takim stopniu, że występuje znaczne osłabienie wieńca koła w przekroju poprzecznym, wówczas może dojść do pęknięcia koła, rys.7. Rys. 7. Pęknięcie nawskrośne koła spowodowane pojawieniem się pęknięć cieplnych na powierzchni ciernej obręczy [6] 5064

Korrugacja na powierzchni ciernej koła Przeprowadzone przez autora liczne obserwacje zmian makropowierzchni ciernej koła zestawów kołowych wagonów wyposażonych w hamulce tarczowe lub klockowe oraz wykonane liczne pomiary owalizacji kół i falistości na powierzchni tocznej koła dały podstawę do stwierdzenia, że wagony z hamulcem tarczowym wykazują owalizację kół, natomiast wagony z hamulcem klockowym wykazują korrugację kół w strefie kontaktu koła z wstawką klocka hamulcowego, rys.8. Rys. 8. Widok ogólny korrugacji na powierzchni tocznej koła wagonu osobowego [5] Jako jedną z przyczyn powstawania korrugacji koła można wskazać, na podstawie badań przeprowadzonych przez autora niniejszej pracy, drgania samowzbudne powstające podczas tarcia wstawki klocka hamulcowego i koła. Poprzez dobór materiału wstawki klocka hamulcowego, charakteryzującego się odpowiednim współczynnikiem tarcia, możemy przeciwdziałać korrugacji koła [11]. W tym przypadku współczynnik tarcia kinetycznego materiału wstawki powinien być niezależny od prędkości względnej trących elementów i równy współczynnikowi tarcia statycznego. Przedstawione wybrane wyniki badań procesów zużycia zestawów kołowych pojazdów szynowych świadczą o złożoności tego zagadnienia. Przeprowadzone przez autora badania w zakresie analizy procesów zużycia zestawów kołowych pojazdów szynowych, które obejmują, między innymi: badania materiałowe, badania laboratoryjne, badania stanowiskowe, badania i pomiary eksploatacyjne, badania symulacji komputerowej zostały szerzej przedstawione w pracach [7],[11], [12]. 2. MONITORING ZUŻYCIA ZESTAWU KOŁOWEGO W celu bieżącego monitorowania intensywności zużycia liniowego podstawowych parametrów zestawu kołowego pojazdu szynowego, w tym przypadku tramwaju, zostało zbudowane stanowisko diagnostyczne, rys. 8, [2], w którym zastosowano czujniki laserowe. Pomiar dokonywany jest w trakcie przejazdu tramwaju po torze, rys. 9. 5065

Rys. 8. Stanowisko poglądowe [2] Rys. 9. Ogólny widok prototypu mechanicznej części stanowiska zabudowanego w torze [2] Pomiar dokonywany jest w ruchu przy prędkości najazdu monitorowanego tramwaju około 5 [km/h]. Obowiązuje jeden kierunek najazdu. Całkowity czas pomiaru tramwaju, składającego się z dwóch wagonów (4 wózki 8 osi), to około 30 sekund. Oprogramowanie obsługujące stanowisko informuje w sposób jednoznaczny, na przykład rys. 10, o przekroczeniu dopuszczalnych granic podcięcia obrzeża koła. Granice te określane są wg wymagań stosowanych na zajezdniach, a decyzje, co do dalszej eksploatacji koła czy zestawu, są podejmowane przez osoby prowadzące bezpośredni nadzór nad poprawną eksploatacją pojazdów. Przeprowadzone pomiary zużycia kół tocznych tramwaju na stanowisku PZK wykazały zdecydowanie wyższą skuteczność oceny parametrów geometrycznych kół zestawów kołowych w porównaniu do metod dotychczas stosowanych. Potwierdziły to uzyskane na tym stanowisku wyniki pomiaru. 5066

Rys. 10. Schemat wizualizacji wyników pomiaru zestawu kołowego [2] Badania eksploatacyjne testowe, na stanowisku PZK do monitorowania zużycia kół tocznych tramwaju, pozwoliły na zweryfikowanie tezy, że wprowadzenie nowych technologii pomiarów na monitorującym stanowisku diagnostycznym, gdzie pomiar zużycia kół dokonywany jest w trakcie ruchu pojazdu, pozwoli na indywidualną prognozę cyklu międzynaprawczego danego zestawu kołowego [13]. PODSUMOWANIE Wyniki monitoringu uzyskane podczas badań eksploatacyjnych testowych, na stanowisku prototypowym, pozwoliły na sformułowanie następujących wniosków szczegółowych: wybrana idea monitoringu zużycia kół umożliwia archiwizowanie danych, utworzona baza danych zużycia kół pozwala na prognozowanie ich trwałości, ocena intensywności zużycia poszczególnych kół daje podstawy do indywidualnej korekty cyklu międzynaprawczego pojazdu. Streszczenie Praca zawiera wyniki badań zużycia wieńca koła: - zużycie warstwy wierzchniej w obszarze kontaktu koła z wstawką hamulcową oraz - podcięcia obrzeża w miejscu kontaktu koła z szyną. W pracy zamieszczono ogólną definicję zużycia elementów maszyn oraz, klasyfikację zużycia, ze względu na tzw. wiodące (dominujące) procesy zużycia, obserwowane w praktyce. Praca bazuje na zastosowaniu nowych technologii pomiarów zużycia kół tramwaju na monitorującym stanowisku diagnostycznym, gdzie pomiar zużycia kół dokonywany jest w trakcie ruchu pojazdu. Analysis of wear wheel rim wheelsets rail vehicles Abstract The work contains the results of the wheel rim wear - wear in the area of the surface layer in contact with the wheel brake shoe, - undercutting periphery of the wheel at the point of contact with the rail. The work includes a general definition and the wear of machine parts, the classification of use, the reason for this. leading (dominant) wear processes observed in practice The work is based on the use of new technologies metering tram wheels on a diagnostic monitoring, where the measurement of wheel wear is made in the course of a vehicle. BIBLIOGRAFIA 1. Bogacz R., Piec P.: Zur Reibungs-Modellierung und experimentale Untersuchung von Eisenbahnrad - Bremsklotz-Berührung. ZAMM, Z. angew. Math. Mech. Berlin 73 (1993) 4-5, T1-T488, s.194 195. 5067

2. Jurga S.: "Metody monitoringu zużycia kół jezdnych pojazdów szynowych". Praca doktorska. Promotor P. Piec. Politechnika Krakowska, Kraków 2002. 3. Krettek O., Piec P.: Schwingunstechnische Untersuchung der Bremsvorgaenge. 2. Zwischenbericht - Analyseergebnisse. Institut fuer Foerdertechnik und Scienenfahrzeuge der RWTH Aachen, Aachen 1981 4. Lisowski Z., Piec P.: Kompleksowy przegląd procesów zużycia zestawów kołowych pojazdów szynowych. INSYCONT' 86, AGH, Kraków 1986, s.103-114. 5. Piec P: Analiza zjawisk kontaktowych typu stick-slip w miejscu styku koła z klockiem hamulcowym. "MONOGRAFIA 187", Wyd. Politechniki Krakowskiej, Kraków 1995, s. 1 153. 6. Piec P.: Zjawiska kontaktowe w elementach pojazdów szynowych. BIBLIOTEKA PROBLEMÓW EKSPLOATACJI, wyd. ITE Radom, 1999 r., s.1 216 7. Piec P.: Badania eksploatacyjne elementów i zespołów pojazdów szynowych. Wyd. Politechniki Krakowskiej, 2004 r., s. 1 248 8. Rudolph W.: Die Laufflaechenschaeden der Eisenbahnraeder und ihre Entstehung. Glas. Ann. 88, 3/1964. 9. Ryan C. F., Hundy B. B.: Steel wheels and tyres. Journ. Inst. Eng. 50/3/1960/61. 10. Uetz H.: Tribologie - Verschleisskunde. Vorlesungsmanuskript, Universitaet Stuttgart, 1980. 11. Zając G., Piec P., "Analiza powierzchni tarcia pary trącej wstawka hamulcowa - koło", Czasopismo Techniczne Mechanika, z. 3-M/2005, (rok 102), s. 235-244. 12. Zając G., "Wpływ materiału wstawek hamulcowych pojazdu szynowego na poziom hałasu", MECHANIKA EKOLOGIA BEZPIECZEŃSTWO Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów. Politechnika Warszawska 1(64)/2007 s. 155-164. 13. Zając G., Jurga S.,: Durability investigation of tram wheel tyres Operated in the MPK Inc., Problemy Eksploatacji 2/2009. 5068