PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 118 Transport 2017 Jacek Kukulski Politechnika Warszawska, Wydział Transportu BADANIA DOŚWIADCZALNE I SYMULACYJNE W OCENIE JAKOŚCI I TRWAŁOŚCI ELEMENTÓW NAWIERZCHNI KOLEJOWEJ Rękopis dostarczono: maj 2017 Streszczenie: W pracy przedstawiono narzędzia doświadczalne i symulacyjne, które mogą być wykorzystywane w ocenie jakości i trwałości wybranych elementów nawierzchni kolejowej. W artykule zaprezentowano wybrane wyniki badań doświadczalnych naprężeń własnych w procesie produkcji elementów stalowych rozjazdów kolejowych, jak też wyniki badań eksploatacyjnych używanych do oceny konstrukcji nawierzchni. Oprócz badań doświadczalnych zaprezentowane zostały wyniki badań symulacyjnych stanowiących m.in. uzupełnienie badań poligonowych. Słowa kluczowe: infrastruktura kolejowa, badania symulacyjne, badania doświadczalne, 1. WSTĘP Infrastruktura kolejowa i jej elementy w trakcie eksploatacji poddawana jest złożonym oddziaływaniom dynamicznym, których charakter zmienia się wraz ze wzrostem obciążenia i prędkości. W celu przenoszenia coraz większych obciążeń i nacisków pojazdów dochodzących do 25-30 t/oś konstrukcja nawierzchni kolejowej musi spełniać bardzo rygorystyczne wymagania wytrzymałościowe i trwałościowe. Dlatego też prowadzone są prace optymalizujące konstrukcję infrastruktury kolejowej, m.in. poprzez stosowanie rozwiązań wzmacniających podsypkę tłuczniową, konstrukcję ramy toru, czy też wzmacnianie podtorza. Istotną rolę odgrywa również proces diagnostyki elementów konstrukcji toru na etapie wytwarzania w procesie produkcyjnym, czy też pomiary diagnostyczne wykonywane w trakcie eksploatacji. Badania diagnostyczne wykonywane na etapie produkcji czy w późniejszej eksploatacji podejmowane są w celu zwiększenie bezpieczeństwa ruchu pociągów, a także ograniczenia kosztów utrzymania nawierzchni kolejowej. Na przestrzeni kilkudziesięciu lat zrealizowana została znaczna ilość prac badawczych oraz opublikowano znaczną liczbę pozycji książkowych i publikacji zarówno krajowych i zagranicznych, których przedmiotem były zagadnienia modelowania nawierzchni, diagnostyki oraz jej utrzymania, w tym utrzymania, oceny zużycia i uszkodzeń nawierzchni oraz jej elementów. Zagadnienia te przedstawiono m.in. w pracach [1-5, 7-8].
168 Jacek Kukulski 2. OBIEKTY BADAŃ Obiektem badań jest nawierzchnia kolejowa i jej składowe elementy obejmujące szyny, przytwierdzenie, podkłady i podsypkę. W pracy nie uwzględniano podtorza i jego właściwości, ze względu na dodatkowe komplikacje i złożoność zjawisk jakie tam występują. Wiąże się to m.in. z mechaniką gruntów, które nie są w kompetencji autora. W pracy przedstawione zostaną badania doświadczalne i symulacyjne wykonane na zbudowanych modelach symulacyjnych jaki obiektach rzeczywistych wykonywane przez autora niniejszej pracy w ostatnich latach działalności naukowo-badawczej. Zakres badań obejmował pomiary naprężeń własnych wykonywanych specjalnym ultradźwiękowym miernikiem (DeBro), pomiary nierówności geometrycznych poziomych i pionowych toru kolejowego wykonanych drezyną pomiarową EM-120. Z kolei badania symulacyjne były uzupełnieniem badań doświadczalnych jak też umożliwiły ocenę zachowania się konstrukcji pod różnymi obciążeniami statycznymi, dynamicznymi czy też obciążeniami termicznymi. 2.1 BADANIA DOŚWIADCZALNE W badaniach doświadczalnych naprężeń własnych wykorzystywano miernik ultradźwiękowy DeBro wykorzystujący zależności prędkości fal ultradźwiękowych od naprężenia. W pomiarze naprężeń własnych niezbędne jest wyznaczenie prędkości fal ultradźwiękowych z dokładnością do ułamków metra na sekundę. Metoda ta wykorzystuje zjawisko elastoakustyczne tzn. zależność naprężenia od prędkości lub czasu przejścia fali ultradźwiękowej przez określony odcinek drogi (w strefie przypowierzchniowej elementu). W pomiarze naprężeń własnych stosowane są specjalne układy głowic rejestrujących fale podpowierzchniowe podłużne i poprzeczne. Układy te uwzględniają wpływ zmian temperatury na prędkość rozchodzenia fali ultradźwiękowej. Głowica posiada czujnik umożliwiający odczyt temperatury mierzonego kształtownika i automatycznie kompensuje zmiany prędkości rozchodzenia się fali przy zmianach temperatury. Zakres badań doświadczalnych obejmował m.in.: pomiary naprężeń własnych na kształtownikach szynowych i iglicowych (49E1, 60E1) po obróbce walcowaniem; pomiary naprężeń własnych na kształtownikach szynowych i iglicowych (49E1, 60E1) po gięciu trójpunktowym, czteropunktowym; pomiary naprężeń własnych na kształtownikach szynowych i iglicowych (49E1, 60E1) po hartowaniu powierzchniowym. Pomiary naprężeń własnych wykonywane były w określonych przekrojach i miejscach pomiarowych określonych na podstawie wcześniejszych doświadczeń i badań autora. W przypadku badań doświadczalnych nawierzchni kolejowej wykorzystywane była drezyna pomiarowa EM-120 umożliwiająca rejestrację następujących parametrów:
Badania doświadczalne i symulacyjne w ocenie jakości i trwałości elementów nawierzchni 169 nierówności poziome toków szynowych, nierówności pionowe toków szynowych, wichrowatość toru. Badania wykonywane były na odcinku doświadczalnym na którym zbudowane były różne konstrukcje nawierzchni kolejowej. W latach 2008-2013 wykonano 18 cykli pomiarowych ww wymienioną drezyną pomiarową. Wybrane wyniki pomiarów doświadczalnych przedstawione zostały w dalszej części artykułu. 2.2 BADANIA SYMULACYJNE Badania symulacyjne przeprowadzono na zbudowanych modelach bryłowych poszczególnych elementach toru kolejowego, elementów rozjazdów kolejowych wykorzystując do tego oprogramowanie ABAQUS 6.11.2 licencja Politechniki Warszawskiej. Budowa modelu bryłowego wykorzystywanego w dalszych symulacjach obejmowała zdefiniowanie modelu (modeli) w postaci siatki węzłów, a następnie wybór rodzaju i typu elementów. Istotnym elementem był tu wybór modelu materiałowego i definicja warunków brzegowych oraz obciążeń, mający istotny wpływ na wyniki obliczeń. Geometria modelu numerycznego zdefiniowana została w postaci siatki węzłów określających położenie i wielkość elementów skończonych. Wybierane były elementy trójwymiarowe, bryłowe. Modele numeryczne (MES) zbudowane przez autora obejmowały różne konfiguracje konstrukcji nawierzchni klasycznej, i elementów stalowych nawierzchni uwzględniającej różne warianty obciążeń. 2.1 Modele materiałowe W trakcie badań stosowano dostępne w programie ABAQUS modele materiałowe dla elementów zastosowanych w modelu symulacyjnym uwzględniając też właściwości sprężyste i plastyczne. W przypadku kształtowników szynowych i iglicowych wykorzystywano wyniki badań doświadczalnych jednoosiowych prób rozciągania próbek wykonanych ze stali zastosowanej do produkcji badanych elementów. W tablicy 1 przedstawiono zależności naprężenia od odkształcenia dla jednoosiowej próby rozciągania stali plastyczność materiału. Zależności dla osiowego rozciągania stali szynowej Naprężenia MPa] Odkształcenie plastyczne 0,0 0,0 629,7 0,4 900,0 2,6 1066,0 6,0 1069,0 16,0 Tablica 1
170 Jacek Kukulski W badaniach symulacyjnych dla modeli nawierzchni kolejowej niezbędne było przyjęcie wartości parametrów sztywności i tłumienia elementów wchodzących w skład konstrukcji nawierzchni kolejowej. Zostały one przyjęte zgodnie z tablicą 2. Tablica 2 Parametry sztywności i tłumienia toru kolejowego w badaniach symulacyjnych Oznaczenie Parametr Wartość Jednostka Er Moduł sprężystości szyny 60E1 210 000 MPa k ps Sztywność przekładki podszynowej 78 kn/m c ps Tłumienie podkładki podszynowej 50 kns/m b Gęstość podsypki 54 kg/m 3 r Gęstość szyny 60E1 7 850 kg/m 3 E b Moduł sprężystości podsypki 150 MPa r b s Wsp. Poissona szyny 60E1 Wsp. Poissona podsypki Wsp. Poissona podkładu 0,30 0,35 0,30 - - - c p Tłumienie podkładu 250 kns/m k p Tłumienie podsypki 110 MN/m s Gęstość podkładu 2 400 kg/m 3 E s Moduł sprężystości podkładu 70 000 MPa E g 2 200 MPa Moduł sprężystości gosiatki Wsp. Poissona geosiatki g 0,5 - g Gęstość geosiatki 0,00132 kg/m 3 2.2 Warunki brzegowe i obciążenia Sposób podparcia i obciążenia, w trakcie eksperymentu, został w modelu numerycznym zastąpiony przez wyidealizowane warunki brzegowe. Proces obliczeniowy w przypadku symulowania procesu produkcyjnego elementów rozjazdów kolejowych został podzielony na dwa kroki, pierwszy odpowiadający obciążeniu i drugi odpowiadający odciążeniu. Warunki podparcia w modelu są określone przez odebranie odpowiednich stopni swobody w węzłach najlepiej odpowiadających doświadczeniu, występujących w przekrojach podparcia (rys. 1). a) b) Rys. 1 Warunki brzegowe i obciążenie dla kształownika: (a) szynowego 60E1 giętego w trzech punktach; (b) iglicowego I60 giętego w czterech punktach
Badania doświadczalne i symulacyjne w ocenie jakości i trwałości elementów nawierzchni 171 W przypadku całej konstrukcji nawierzchni kolejowej zbudowany został model składający się z poszczególnych warstw (m.in.: z szyn, podkładów, podsypki tłuczniowej, przytwierdzeń, gosiatki). Na rys. 2 przedstawiony został model MES nawierzchni kolejowej złożonej z wymienionych wyżej elementów. Zaznaczone zostały również warunki brzegowe podparcia i zadawanego obciążenia. Rys. 2 Model nawierzchni kolejowej z zaznaczonymi warunkami brzegowymi i obciążeniem W celu właściwego przeprowadzenia obliczeń symulacyjnych określono miejsca kontaktu pomiędzy poszczególnymi elementami bryłowymi nawierzchni kolejowej. Zastosowano geometryczne interfejsy pomiędzy sąsiednimi elementami siatek (rys. 3). Umożliwia to właściwie rozłożenie nacisków na obie siatki, umożliwiające utrzymanie homogeniczność modelu 3D. Analizowano różne przypadki kontaktu siatek elementów konstrukcji. (kontakt kinematyczny, tarcie). a) b) Rys. 3. Interfejsy pomiędzy podkładem i podsypką (a) oraz stopką szyny i podkładem (b) (więzy jednostronne) Opracowane modele numeryczne szyny 60E1 i I60 posłużyły do obliczeń naprężeń własnych, powstających w wyniku zginania trzypunktowego lub czteropunktowego na zimno i hartowania powierzchniowego. Z kolei modele całej nawierzchni kolejowej umożliwiły ocenę rozwiązań konstrukcyjnych pod kątem odkształceń i naprężeń powstających w wyniku zadawanych obciążeń na konstrukcję.
172 Jacek Kukulski 3 OCENA NAPRĘŻEŃ WŁASNYCH W ELEMENTACH STALOWYCH NAWIERZACHNI KOLEJOWEJ Z bezpieczeństwem zachowywania się konstrukcji nawierzchni kolejowej szczególnie elementów stalowych (szyny, rozjazdy kolejowe) w eksploatacji zawiązany jest poziom i wielkość naprężeń własnych. Zagadnienia są bardzo ważne ze względu na trwałość konstrukcji jak też bezpieczeństwo poruszania się kolejowych pojazdów szynowych. Naprężenia własne rozumiane są jako naprężenia równoważące się wewnątrz elementu, na który nie oddziaływuje żadne obciążenie zewnętrzne. Naprężenia własne są więc miarą energii sprężystej zgromadzonej w określonym obszarze ciała i stanowią dodatkowe obciążenie elementu. Naprężenia własne w szynach i elementach stalowych rozjazdów mogą pojawić się w wyniku kształtowania na zimno (np. prostowania lub gięcia), obróbki cieplnej wprowadzającej naprężenia termiczne lub też mogą być następstwem niejednorodnych przemian fazowych (naprężeń strukturalnych związanych z przemianą austenitu w ferryt i perlit). Na podstawie przeprowadzonych badań doświadczalnych i dodatkowo symulacyjnych można uzyskać informacje dotyczące wielkości i charakteru rozkładu naprężeń własnych, odkształceń i innych parametrów w trakcie obciążeń konstrukcji. Przykładowe wyniki pomiarów doświadczalnych naprężeń własnych przedstawiono na rys. 4-6. 550 450 350 Odległości [mm] 250 150 50-50 0 50 100 150 200-150 -250-350 -450-550 I60 I49 Naprężenia własne [MPa] Rys. 4 Pomiary naprężeń własnych na główce kształtownika iglicowego I49 i I60 po gięciu czteropunktowym (f=15 mm)
Badania doświadczalne i symulacyjne w ocenie jakości i trwałości elementów nawierzchni 173 Rys. 5 Uśrednione pomiary naprężeń własnych na główce kształtownika szynowego 60E1 po gięciu trzy i czteropunktowym (f=18-22 mm) a) b) Rys. 6 Uśrednione pomiary naprężeń własnych na główce kształtownika: (a) iglicowego I60; (b) szynowego 60E1 po walcowaniu i hartowaniu powierzchniowym. Na rys. 7 przedstawione zostały przykładowe wyniki symulacji komputerowej na stworzonych modelach numerycznych. a) b) Rys.7 Kontury naprężenia 11 (naprężenia własne): (a) po prostowaniu dla modelu kształtownika I60; (b) po gięciu trójpunktowym kształtownika szynowego 60E1.
174 Jacek Kukulski Przedstawione wyniki pomiarów naprężeń własnych metodą ultradźwiękową pokazują jak obróbka technologiczna może wpływać na wielkość i rozkład naprężeń własnych. Różnice są widoczne na przykładzie gięcia trójpunktowego i czteropunktowego (rys. 5) czy też typu szyny (rys. 4). Różnice w naprężeniach w tych samych przekrojach i miejscach pomiarowych po gięciu czteropunktowym są w niektórych przypadkach niższe nawet o 100 MPa w stosunku do gięcia trójpunktowego. Rozkład i wielkość naprężeń własnych jest korzystniejszy i bardziej równomierny. W przypadku gięcia czteropunktowego w środkowej części próbek, między punktami przyłożenia obciążenia występuje czyste zginanie, charakteryzujące się jednakowym rozkładem naprężeń wzdłuż osi próbki. Proces gięcia powoduje wzrost naprężeń własnych zarówno ściskających jak i rozciągających. Największe naprężenia pojawiają się w główce i stopce kształtownika, bowiem po ustąpieniu sił gnących pozostaje w główce najwięcej energii sprężystej. Z kolei wyniki pomiarów po hartowaniu powierzchniowym przedstawione na rys. 6 pokazują, że hartowanie wprowadza do ustroju elementu naprężenia ściskające sięgające nawet 300 MPa. Naprężenia ściskające z punktu widzenia eksploatacji są bardzo korzystne ponieważ zapobiegają powstawaniu mikropęknięciom na powierzchni tocznej elementu. Może to powodować przedłużenie żywotności elementów rozjazdu, ograniczając zużycie i eliminując spływy materiałowe. Należy zaznaczyć, że w obliczeniach numerycznych nie uwzględniono naprężeń własnych występujących na ogół w szynach w stanie początkowym (przed gięciem). Naprężenia te pojawiają się w wyniku procesów technologicznych, zwłaszcza prostowania szyny w prostownicy rolkowej. 4 OCENA EKSPLOATACYJNA NAWIERZCHNI KOLEJOWEJ Inną metodą oceny rozwiązań konstrukcyjnych oprócz badań symulacyjnych są badania doświadczalne np. na odcinkach badawczych. Są to rozwiązania bardzo kosztowne, ale umożliwiają walidację modeli symulacyjnych, a także ocenę danego rozwiązania w eksploatacji. Podstawowym kryterium wyboru konstrukcji nawierzchni jest zazwyczaj bezpieczeństwo jazdy i minimalizacja kosztów utrzymania infrastruktury kolejowej. Jednym z parametrów oceny rozwiązania konstrukcyjnego jest wskaźnik syntetycznej oceny stanu toru oraz odchyleń standardowych nierówności pionowych i poziomych pośrednio charakteryzujących odkształcenia warstwy podsypki. Zwiększenie wartości odchyleń standardowych nierówności pionowych wskazuje na wzrost nadwyżek dynamicznych oddziaływań pojazdów, a zmiany odkształceń poziomych toru świadczą o zmianach położenia toru w płaszczyźnie poziomej i pośrednio o jego odporności na przemieszczenia poprzeczne. Wartości syntetycznych wskaźników stanu toru J obliczono na podstawie znajomości odchyleń standardowych poszczególnych parametrów toru zgodnie ze wzorem (1):
Badania doświadczalne i symulacyjne w ocenie jakości i trwałości elementów nawierzchni 175 (1) gdzie: Sz średnie odchylenie standardowe nierówności pionowych, Sy średnie odchylenie standardowe nierówności poziomych, Sw średnie odchylenie standardowe wichrowatości toru, Se średnie odchylenie standardowe szerokości toru. Na rysunku 8 przedstawiono wartości wskaźników syntetycznych J toru w analizowanym okresie obserwacji dla wybranego odcinka badawczego. 2,00 A-I1 B-I2 C-I3 D-III E-IV 1,50 Wskaźnik sysntetyczy toru J 1,00 0,50 0,00 0 2,45 4,134 6,116 8,600 10,310 13,440 16,356 18,600 Obciążenie toru [Tg] Rys. 8 Wartości wskaźników syntetycznych J toru [6] Jak już wspomniano wcześniej badania doświadczalne są kosztowne i czasochłonne. Dlatego cennym uzupełnieniem badań poligonowych są badania symulacyjne. Na rys. 9 przedstawiono wybrane wyniki obliczeń symulacyjnych przedstawiających odkształcenia konstrukcji po zadanych obciążeniach.
176 Jacek Kukulski Rys. 9. Kontury odkształceń na końcu procesu obciążenia modelu nawierzchni. 5 PODSUMOWANIE Przedstawione w artykule wyniki badań doświadczalnych i symulacyjnych wykonane na elementach nawierzchni kolejowej pokazują, że użyte narzędzia umożliwiają ocenę jakości i trwałości w procesie produkcyjnym jak i w późniejszej eksploatacji. Zastosowanie technik symulacyjnych pozwala na łatwą zmianę założeń i warunków brzegowych umożliwiających zachowanie się konstrukcji po zadanym obciążeniem. Obliczenia numeryczne dostarczają szereg interesujących informacji, które stanowią uzupełnienie badań doświadczalnych. Na podstawie tych wyników można określić miejsca występowania ekstremalnych wartości naprężeń na obwodzie i wewnątrz analizowanych obiektów. Poruszane w tym artykule zagadnienia dotyczące naprężeń własnych były i są przedmiotem zainteresowania zarówno producentów jak i specjalistów odpowiedzialnych za stan nawierzchni kolejowej. Mogą one wpływać niekorzystnie na stan energetyczny materiału, przemiany fazowe, a nawet korozyjne. Mogą obniżać wytrzymałość zmęczeniową elementu jak również być jedną z przyczyn pojawiania się uszkodzeń i pęknięć szyn kolejowych. Są też jedną z przyczyn przyśpieszających rozwój typowych defektów główek szyny. Bibliografia 1. Bałuch H.: Diagnostyka nawierzchni kolejowej. WKŁ, Warszawa (1978). 2. Bałuch H.; Systemy eksperckie w diagnostyce nawierzchni kolejowej. Problemy Kolejnictwa z. 114 (1993), str. 5-48. 3. Bałuch H.: System geometryczno-kinematycznej oceny toru kolejowego. Problemy Kolejnictwa z. 136 (2002), str. 88-110.
Badania doświadczalne i symulacyjne w ocenie jakości i trwałości elementów nawierzchni 177 4. Bałuch H., Bałuch M.: Determinanty prędkości pociągów układ geometryczny i nierówności toru, Instytut Kolejnictwa, Warszawa (2010), str. 1-341. 5. Bałuch H. Trwałość i niezawodność eksploatacyjna nawierzchni kolejowej WKiŁ, Warszawa (1980), str. 1-185. 6. Basiewicz T., Towpik K., Gołaszewski A., Kukulski J. przesłanki wyboru nawierzchni dla linii dużych prędkości w Polsce. Logistyka 4 (2015), str. 65-72. 7. Chudzikiewicz A. Elementy diagnostyki pojazdów szynowych. Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji, Warszawa Radom (2002). 8. Esveld C. Modern Railway Track. Delft, (2001), p.1-653. EXPERIMENTAL AND SIMULATION STUDY IN ASSESSMENT THE QUALITY AND DURABILITY OF THE SUPERSTRUCTURE AND ITS COMPONENTS Summary: The paper presents experimental and simulation instruments that can be used to evaluate the quality and durability of selected the superstructure and its components. The article presents selected results of experimental residual stress tests in the steel production process of railway turnouts as well as the results of operational tests used to evaluate the construction of the pavement. In addition to experimental research, the results of simulations are presented as supplementary training. Keywords: railway infrastructure, simulation study, experimental study