PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 118 Transport 2017 Andrzej Chudzikiewicz Politechnika Warszawska, Wydział Transportu Ignacy Góra Urząd Transportu Kolejowego MODELOWANIE I KONCEPCJA BADAŃ SYMULACYJNYCH WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH KOLEJOWEGO ZESTAWU KOŁOWEGO Z ZASTOSOWANIEM INNOWACYJNYCH POWŁOK SAMOSMAROWNYCH Rękopis dostarczono: maj 2017 Streszczenie: Problem zużycia kół i szyn jest zagadnieniem znanym od momentu powstania pierwszego pojazdu szynowego. Z uwagi na koszty utrzymania oraz bezpieczeństwo ruchu, zagadnienie to nabiera szczególnego znaczenia w przypadku przewozów realizowanych na liniach charakteryzujących się znaczną liczbą łuków o małych promieniach. Nadmiernie zużyty profil koła i zużyty profil szyny to konieczność reprofilacji kół oraz wymiany szyn, co zwiększa ryzyko wykolejenia pojazdu. W tych przypadkach znajdują zastosowanie różne metody mające na celu przeciwdziałanie negatywnym zjawiskom dynamicznym jakie występują na łukach linii kolejowych. Metody te to stosowane urządzeń do smarowania obrzeża koła lub główki szyny, lub też technologie mające na celu modyfikacje współczynnika tarcia w obszarze kontaktu koła z szyną, polegające na nanoszeniu na część powierzchni koła powłoki samosmarownej. Celem artykułu jest przedstawienie koncepcji analiz zużycia profilu koła pokrytego powłoką samosmarowną, z użyciem metody symulacji komputerowej. Słowa kluczowe: zużycie, model, pojazd kolejowy, samosmarowanie 1. WSTĘP Cykl życia kół oraz szyn kolejowych jest ograniczony ich zużyciem. Obszar kontaktu koła z szyną w trakcie ruchu pojazdu podlega oddziaływaniu sił kontaktowych, których znaczne wartości są źródłem stycznych i normalnych naprężeń kontaktowych. Zmiana położenia zestawu kołowego względem linii środkowej toru powoduje zmianę położenia strefy kontaktu na powierzchni koła i szyny. Jak pokazują badania trybologiczne, z uwagi
76 Andrzej Chudzikiewicz, Ignacy Góra na zjawisko tarcia oraz strukturę materiału koła i szyny w obszarze styku każdorazowo zachodzi proces zużycia profili kół i szyn. Problem zużycia szyn oraz kół staje się szczególnie istotny w przypadku eksploatacji pojazdów kolejowych na trasach, gdzie występują łuki o małych promieniach. W trakcie wpisywania się zestawu kołowego w taki łuk następuje przeniesienie miejsca kontaktu na obrzeże koła, znaczne zwiększenie tarcia obrzeża o boczną powierzchnię główki szyny, co zwiększa zużycie w tych obszarach i powiększa opory ruchu a tym samym pogarsza warunki prowadzenia całego zestawu w torze. Wykazano [1], że zastosowanie odpowiedniego (samocentrującego) profilu koła oraz właściwych materiałów, obróbki termicznej kół i szyn nie jest wystarczającym środkiem zapobiegawczym dla zmniejszenia zużycia obrzeży kół i główek szyn na liniach podgórskich, obfitujących w łuki o małych promieniach. Nieodzownym środkiem zapewniającym prawidłowe warunki eksploatacji na tych liniach jest smarowanie obrzeży kół lub główki szyn [2]. Znaczący wpływ smarowania na zmniejszenie zużycia materiału współpracujących powierzchni zostało potwierdzone przeprowadzonymi badaniami [3,4,5]. Niestety, stosowane powszechnie metody smarowania, polegające na dawkowaniu smaru z pozycji pojazdu lub toru, obarczone są licznymi wadami [6]. Sposobem na wyeliminowanie niedogodności wynikających ze stosowania obecnie funkcjonujących metod redukcji współczynnika tarcia może być zastosowanie powłok samosmarownych nanoszonych na obrzeże koła kolejowego. Powłoki samosmarowne z powodzeniem stosowane są w wielu przypadkach, gdzie wymagana jest modyfikacja współczynnika tarcia bez ingerencji w materiał rodzimy elementów współpracujących. Celem artykułu jest przedstawienie modelu zużycia w przypadku zastosowania powłok samosmarownych, mając na uwadze jego późniejsze wykorzystanie w analizach symulacyjnych zużycia profili kół w przypadku zastosowania takich powłok. 2. ZAGADNIENIE ZUŻYCIA PROFILI KÓŁ W prowadzonych przez trybologów badaniach, dotyczących procesu zużycia mechanizmów i elementów maszyn można spotkać wiele różnych modeli zużycia. Podstawowymi pracami z tego zakresu są prace Kragelskiego [7, 8], Rabinowicza [9], Archarda [10] i innych. W zależności od rodzaju badanego zjawiska można dobrać taki model który, mając świadomość poczynionych założeń upraszczających, będzie przybliżał je w najlepszy sposób. Trzeba jednak wiedzieć, że idealny i uniwersalny model nie istnieje. Stwierdzenie to dotyczy również pary kinematycznej koło-szyna. Podstawowym modelem wykorzystywanym w badaniach zużycia profili kół i szyn jest model Archarda [11] zakładający, że wielkość zużytego materiału w procesie adhezyjnego zużycia może być opisana formułą : Vw N =K D H (1) gdzie: Vw - wielkość zużytego materiału [m 3 ]
Modelowanie i koncepcja badań symulacyjnych właściwości dynamicznych kolejowego zestawu 77 D - przebyta droga w adhezyjnym procesie zużycia [m] N - siła normalna działająca na ciało podlegające zużyciu [N] H - twardość ciała podlegającemu zużyciu [Pa] K - bezwymiarowy współczynnik który może być interpretowany jako prawdopodobieństwo tego, że w wyniku zerwania kontaktu zużyciu ulegnie cząsteczka materiału (w wyniku efektu ścinania). Formuła Archarda, zwana też niekiedy równaniem zużycia często w literaturze przedstawiana jest w postaci [12]: m w = C W r (2) gdzie: mw - masa, usunięta w wyniku zużycia, przypadająca na jednostkę powierzchni kontaktowej [μg/mm 2 ] C - współczynnik zużycia [μg/n mm] Wr - praca sił tarcia przypadająca na jednostkę powierzchni kontaktowej [Nm/mm²] Może być rzeczą zaskakującą, że w równaniu zużycia (2) oraz w równaniu (1) nie występuje explicite współczynnik tarcia, ale zgodnie z trybologicznymi teoriami tarcie w zjawiskach kontaktowych odgrywa małą rolę. Inaczej jest w przypadku kontaktu tocznego koła z szyną, gdzie współczynnik tarcia ma istotny wpływ na wielkość mikropoślizgów w obszarze kontaktu a tym samym na wielkość sił kontaktowych i w efekcie na zużycie. Siły pochodzące od mikropoślizgów oraz mikropoślizgi występują często w innym równaniu używanym w symulacyjnych badaniach zużycia profili kół i szyn: E = Fξ υξ + Fη υη + MΦ Φ (3) gdzie: E - energia sił tarcia przypadająca na jednostkę przebytej drogi [W/m] F ξ, F η - siły pochodzące od mikropoślizgów [N] M Φ - spin moment [Nm] υ ξ, υ η - mikropoślizgi [-] Φ - spin [1/m] Formuła Archarda (1) i równanie energii traconej w obszarze kontaktu są w rzeczywistości równoważne, bowiem w obydwu równaniach zakłada się proporcjonalność pomiędzy zużyciem a pracą sił tarcia w obszarze kontaktu (2). 3. PROBLEMATYKA SMAROWANIA I SAMOSMAROWANIA Problem zużycia szyn oraz kół szczególnie nasila się w przypadku eksploatacji pojazdów kolejowych na trasach, gdzie występują ciasne łuki. Nieodzownym środkiem zapewniającym prawidłowe warunki eksploatacji na tych liniach jest smarowanie obrzeży kół lub główki szyn [2]. Znaczący wpływ smarowania na zmniejszenie zużycia materiału
78 Andrzej Chudzikiewicz, Ignacy Góra współpracujących powierzchni zostało potwierdzone licznymi badaniami, w wyniku których stwierdzono m.in. ok. 9-cio krotne zmniejszenie zużycia poprzez zastosowanie smarowania (zmniejszenie współczynnika tarcia) na torze o promieniu 300[m] oraz prawie 4-krotne na torach o promieniach 600-800[m] [13]. Na rys. 1 przedstawiono wpływ smarowania na zużycie w zależności od promienia łuku po którym poruszał się pojazd. Rys. 1 Wpływ użycia środka smarnego na zużycie przekroju poprzecznego szyny [13] W celu doprowadzenia środka smarującego do obszaru w jakim występuje stan poślizgu współpracujących ze sobą powierzchni stosuje się zwykle trzy typy urządzeń [6]: urządzenia mobilne zwykle w postaci specjalnie przystosowanych pojazdów kolejowych, które nanoszą środek smarny na właściwy obszar szyny, urządzenia przytorowe urządzenia zamontowane w pobliżu toru, w których wyzwalanie środka smarnego następuje w wyniku przejazdu pojazdu, urządzenia zabudowane na pojazdach urządzenia, które dozują środek smarny bezpośrednio na obrzeże koła, skąd przedostaje się we właściwe miejsce kontaktu koła z szyną. Jednak jak pokazały badania eksploatacyjne metody te są obarczone pewnymi wadami, z których najistotniejsze to: ryzyko przeniesienia smaru na powierzchnię toczną i zmniejszenie współczynnika tarcia, konieczność dokonywania czynności obsługowych tj. ciągłe monitorowanie i uzupełnianie środka smarnego, ryzyko awarii urządzeń rozprowadzająco-smarujących, konieczność spełnienia wysokich wymagań przez środek smarny. Sposobem na wyeliminowanie niedogodności wynikających ze stosowania obecnie funkcjonujących metod redukcji współczynnika tarcia poprzez smarowanie może być zastosowanie powłok samosmarownych nanoszonych na obrzeże koła kolejowego [14]. Powłoki samosmarowne z powodzeniem stosowane są w wielu obszarach gdzie wymagana jest modyfikacja współczynnika tarcia bez ingerencji w materiał rodzimy elementów współpracujących. Cienkie warstwy zarówno miękkie jak i twarde są często stosowane na narzędzia i części maszyn do obniżania współczynnika tarcia i zużycia. Miękkie powłoki
Modelowanie i koncepcja badań symulacyjnych właściwości dynamicznych kolejowego zestawu 79 (np. Sn, Mo2S) są najczęściej stosowane do obniżania współczynnika tarcia w zastosowaniach ślizgowych, łożyskach, panewkach itp., gdzie użycie ciekłych środków smarnych nie jest pożądane ani praktyczne. Twarde powłoki (np. TiN, TiC, WC) są z kolei łatwe do kontroli zużycia w różnych procesach cięcia i kształtowania metali, a także w łożyskach tocznych i ślizgowych [15]. Wstępne badania stanowiskowe z zastosowaniem pełnowymiarowego zestawu kołowego [15] wykazały znaczne obniżenie zużycia obręczy koła przy zastosowaniu cienkiej warstwy brązu naniesionej na jego obrzeże. W wyniku porównania zużycia pomiędzy przypadkiem stal na stal a stal na brąz stwierdzono zmniejszenie zużycia materiału rodzimego koła o 0,8 [mm] (z 0,89 [mm] do 0,09 [mm]). Dodatkowo stwierdzono, że warstwa samosmarująca, z uwagi na obniżenie współczynnika tarcia w obszarze obrzeża koła kolejowego, przeciwdziała zjawisku wspinania się koła na szynę i w związku z tym obniża również niebezpieczeństwo wykolejenia. 4. MODEL ZUŻYCIA Z UWZGLĘDNIENIEM SAMOSMAROWANIA Dotychczas, w znanych z literatury analizach symulacyjnych zużycia profili kół i szyn przyjmowano stały współczynnik tarcia nie uwzględniając położenia zestawu kołowego względem toru. Tymczasem, jak wiadomo, warunki kontaktu i siły w punkcie kontaktu a tym samym kształt obszaru kontaktu, zmieniają się w zależności od położenia punktu kontaktu na kole i szynie, w zależności od poprzecznego przemieszczenia środka masy zestawu kołowego względem linii środkowej toru i kąta obrotu zestawu w płaszczyźnie poziomej. W pracy [16] zobrazowano przebieg zmian kształtu obszaru kontaktu w zależności od poprzecznego przemieszczenia zestawu kołowego w torze. Rysunek 2, zamieszczony poniżej, stanowi graficzną prezentację tych zmian. Kształt obszaru kontaktu ulega w istotny sposób zmianie gdy poprzeczne przemieszczenie zestawu odbywa się w granicach (od -9.04 mm do +9.04 mm). W przypadku wprowadzenia w strefie obrzeża koła, powłoki samosmarownej ulegną zmianie warunki kontaktu w zależności od położenia punktu kontaktu. W tym przypadku inny będzie współczynnik tarcia dla obszaru pokrytego powłoką samosmarowną a inny w przypadku kontaktu poza tym obszarem. Niewątpliwie będzie to miało istotny wpływ na tempo zużycia profili kół i szyn. W związku z powyższym, zależność /3/ ulegnie zmianie i przybierze postać: E = Fξ ( ) υξ + Fη ( ) υη + MΦ Φ (4) (5) gdzie,
80 Andrzej Chudzikiewicz, Ignacy Góra y y 1 - współczynnik tarcia - poprzeczne przemieszczenia środka masy zestawu kołowego - wartość poprzecznego przemieszczenie zestawu kołowego dla której punkt kontaktu nie znajduje się jeszcze w obszarze powłoki samosmarownej 1 - współczynnik tarcia dla obszaru pokrytego powłoką samosmarowną 2 - współczynnik tarcia dla obszaru bez powłoki samosmarownej Rys. 2 Zmiana kształtu obszaru kontaktu w zależności od położenia zestawu kołowego w torze [16]
Modelowanie i koncepcja badań symulacyjnych właściwości dynamicznych kolejowego zestawu 81 Zależności (4) i (5) tworzą model zużycia dla przypadku koła pokrytego powłoką samosmarowną. Wartość y1 przemieszczenia poprzecznego zestawu kołowego będzie określona w oparciu o znajomość technologii pokrycia koła powłoką samosmarowną. Natomiast, przy określeniu szerokości pokrycia koła powłoką pomocnym mogą być wyniki przedstawione na rys. 2. 5. KONCEPCJA SYMULACJI ZUŻYCIA W PRZYPADKU POWŁOKI SAMOSMAROWNEJ Metody badań zjawisk fizycznych z wykorzystaniem symulacji komputerowej rozwinęły się gwałtownie w II połowie XX wieku, wraz z rozwojem technologii informatycznych. Możliwości prowadzenia wielowariantowych obliczeń, dzięki technice komputerowej, spowodowały postęp w analizie zjawisk, które do tej pory były rozpoznane w małym zakresie. Do takich zjawisk można zaliczyć zjawisko zużycia współpracujących ze sobą ciał, tzw. par kinematycznych do których zaliczamy również koło i szynę. W tym przypadku pierwsze próby symulacyjnych obliczeń zużycia profili kół i szyn pojawiły się w latach 60- tych ub. wieku [17]. W następnym dziesięcioleciu badania tymi metodami rozwinęły się na szeroką skalę [18], głównie ze względu na niższe koszty prowadzenia badań, krótszy czas czy o wiele większe możliwości badawcze. W omawianym przypadku, wprowadzenie powłoki samosmarownej skutkować będzie koniecznością uwzględnienia w obliczeniach kontaktowych modelu zużycia ze zmiennym współczynnikiem tarcia, zależnym od położenia zestawu kołowego w torze /5/. Strukturę programu symulacyjnego przedstawia rys. 3. Obliczenia symulacyjne będą prowadzone w środowisku pakietu Matlab z wykorzystaniem programu obliczeniowego opracowanego w ramach realizacji projektu [19]. Program ten zostanie zmodyfikowany poprzez dodanie modelu samosmarowania, opracowanie scenariuszy symulacji oraz przyjęcie modelu pojazdu. Scenariusze symulacji uwzględniać będą: stan obrzeża koła bez powłoki ochronnej z powłoką ochronną kategorię toru (bardzo dobry, dobry, średni, zły, bardzo zły stan utrzymania w oparciu o normę PN:EN 14363) prędkość jazdy stan obciążenia (max obciążenie, bez obciążenia) rodzaj trasy (prosta, łuk).
82 Andrzej Chudzikiewicz, Ignacy Góra Topologia Układu, Założenia MATLAB / kod własny Kod komputerowy Symulacja Wizualizacja Model kontaktu koło/szyna (w postaci numerycznej) Model dynamiki pojazdu w postaci numerycznej Scenariusze symulacji Model samosmarowania Rys. 3. Struktura programu symulacyjnego Model pojazdu będzie opisywał wózek wagonu towarowego z uwzględnieniem połączeń z nadwoziem (pojazd dwuosiowy). 6. PODSUMOWANIE Przedstawione w artykule rozważania są częścią podjętej pracy mającej na celu przeprowadzenie badań wpływu powłoki samosmarownej na zużycie profilu koła oraz na bezpieczeństwo (rozumiane jako przeciwdziałanie wykolejeniu) w realizacji przewozów towarowych na liniach o dużej liczbie łuków o małych promieniach. Opisano problem oraz zaprezentowano model zmian współczynnika tarcia, w zależności od położenia zestawu kołowego względem linii środkowej toru, który będzie częścią modelu zużycia wykorzystanego w symulacyjnej analizie zużycia profilu koła. Przedstawiono również strukturę programu symulacyjnego oraz scenariusze symulacji. Przewiduje się prowadzenie dalszych prac mających na celu porównanie zużycia profilu koła pojazdu kolejowego z nienałożoną powłoką samosmarującą ze zużyciem w przypadku zastosowania powłoki samosmarownej.
Modelowanie i koncepcja badań symulacyjnych właściwości dynamicznych kolejowego zestawu 83 Bibliografia 1. Zajęcki E., Lustych M,; Współpraca koła lokomotyw z szyną w łukach o małych promieniach, Trakcja i Wagony, Nr. 11-12/1980, UKD:625.1.032.5 2. Medwid M., Siennicki A,; Urządzenia do smarowania obrzeży kół lokomotyw i szyn, Trakcja i Wagony, nr. 1/84, Warszawa 1984 3. Wójtowicz A, Bąkowski H,; Oszczędności wynikające ze smarowania obrzeży kół w łukach o różnym promieniu, TTS Technika Transportu Szynowego, Tom R. 20 nr 2-3, str. 58 61, 2013 4. Nilsson R,; Wheel/Rail wear and surface cracks, Licentiate Thesis, KTH, Stockholm 2003. 5. Lewis R., Olofsson U.; Mapping rail wear regimes and transitions, Wear, 2004, 257, pp. 721 729 6. Chudzikiewicz A, NowakowskiZ,; Metoda diagnozowania stanu profili obręczy kół lokomotyw przemysłowych. IV Konferencja Diagnostyczna, Diag 98, Międzyzdroje, IX 1998, Mat.Konf. pp. 79-85 7. Shvetsova, E.M., Kragelsky, I.V., Classification of types of surface damage to machine components under conditions of dry and boundary friction. Friction and Wear in Machines. No 8, Acad. Sci. USSR, Moscow, 1953, pp.18-38 8. Kragelsky, I.V., Friction and wear in machines. Mashgiz. Press, Moscow, 1962 9. Rabinowicz, E., Mutis, A., Effect of abrasive particle size on wear. Wear, Vol 8. No 5, 1965, pp.381-390 10. Archard, J.F., Hirst, W., The wear of metals under lubricated conditions. Proc. Roy. Soc. London, A236, 1956 11. Archard, J.F., Contact and rubbing of flat surfaces. Journal of Applied Physics, Vol. 24, London, 1953, pp. 981-988, 12. Chudzikiewicz.A, Kalker.J,; Wheel-Rail Wear Calculation With The FASTSIM Routine. The Archives Of Transport,Vol.1,No.1-2,pp.9-29, 1989 13. Waara P, Wear reduction performance of rail flange lubrication. Licentiate thesis LTU, Mechanical Engineering, 2000 14. Warcholiński B,; Projektowanie powłok przeciwzużyciowych w oparciu o podejście krystalochemiczne, Politechnika Koszalińska, Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej, Tribologia nr 6, 2009, pp. 123-136, 15. http://www.plasmasystem.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=104:oferta-dlatransportu-szynowego&catid=39:rozwizania&itemid=167, dostęp: 19.05.2017 r. 16. Piotrowski J, Binbin Liu, Bruni S,; The Kalker book of tables for non-hertzian contact of wheel and rail, Vehicle System Dynamics Vol. 55, Iss. 6, 2017 17. Archard.J.F., Hirst.W,; The wear of metals under unlubricated conditions. Proc. Royal Society London, Ser.A 238,1957 18. Kalker. J.J,; Wheel-rail wear calculation with the program CONTACT. Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems. II Eds. Gladwell, Ghonem and Kalousek, 1987 pp.3-26 19. Opracowanie i przetestowanie całkowicie niskopodłogowego tramwaju z niezależnie obracającymi się kołami w skali demonstracyjnej. Konkurs NCBIR DEMONSTRATOR +, 2013-2014
84 Andrzej Chudzikiewicz, Ignacy Góra DYNAMIC PROPERTIES OF RAILWAY WHEELSET WITH INNOVATIVE SELF- LUBRICATING COATINGS - MODELING AND CONCEPT OF SIMULATION ANALYSIS Summary: The problem of wear of wheels and rails has been known since the first rail vehicle was made. Especially in the case of lines where the number of arcs with small radii is significant, the wear problem of the wheels and rails is significant considering costs and safety. Excessive wheel profile and worn track profile increase risk of derailment of vehicles on curves, and leads to necessity of reprofiling or replacing wheelset or track components. Therefore, to minimize wear of wheel-rail interface, different methods are used to counteract the negative dynamic phenomena that occur on the curves of railways, especially in the case of freight. These methods include lubrication (special equipment used on vehicle or track), or, what is being investigated, new technologies designed to reduce friction in the wheel-rail contact area by applying self-lubricating coating on selected part of wheel profile. The aim of this paper is to present the concept of analysis of wheel profile covered with self-lubricating coating, using the computer simulation method. Keywords: wear, model, rail vehicle, self lubrication