SOWA Andrzej 1 Zużycie i uszkodzenia elementów przekładni hamulcowej w wózku wagonu WSTĘP Klasyczna przekładnia hamulcowa wagonu stanowi układ dźwigni i cięgieł, który siłę hamującą wytwarzaną przez cylinder hamulcowy zwielokrotnia i przenosi na klocki hamulcowe. Elementy ruchome przekładni połączone są przegubowo za pomocą połączeń sworzniowych, w których powstające siły tarcia są główną przyczyną [1,4] strat obniżających sprawność całej przekładni. Ogólne warunki współpracy sworzni i tulejek w tych połączeniach sprawiają, że głównie one stanowią tzw. słabe ogniwa przekładni hamulcowej. Ze względu na to, że liczne serie wagonów posiadających tego rodzaju przekładnie hamulcowe jeszcze przez wiele lat pozostawać będą w eksploatacji, celowe wydaje się być przedstawienie warunków i przebiegu powstawania tych rodzajów zużycia i uszkodzeń elementów przekładni, które są szczególnie istotne z uwagi kryterium bezpieczeństwa ruchu pojazdów szynowych. 1. BUDOWA I WARUNKI PRACY PRZEKŁADNI W schemacie hamulca klockowego na wagonie wyróżnić można część pneumatyczną i mechaniczną. W części pneumatycznej każdy cylinder hamulcowy generuje siłę, która z tłoczyska cylindra jest przekazywana na przekładnię hamulcową. Budowa całej przekładni jest zależna od liczby cylindrów hamulcowych występujących w danym rodzaju wagonu. Oprócz przekładni hamulcowej w części mechanicznej hamulca klockowego występuje także układ hamulca ręcznego, którego zadaniem jest wytworzenie siły hamującej oddziaływującej na przekładnię bez udziału układu pneumatycznego. Schemat części mechanicznej przekładni w wózku wagonu towarowego może mieć postać jak na rysunkach 1 i 2 [5]. Rys. 1. Schemat przekładni mechanicznej hamulca w wózku wagonu towarowego - widok z boku: 1- wspornik dźwigni hamulcowej, 2 pałąk ochronny trójkąta, 3 klin klocka hamulcowego, 4 łącznik dźwigni, 5 dźwignia hamulcowa, 6 cięgło trójkąta hamulcowego, 7- wstawka klocka, 8 obsada wstawki, 9 wieszak klocka hamulcowego, 10 wspornik wieszaka klocka hamulcowego [5] 1 Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Szynowych; 31-864 Kraków; Al. Jana Pawła II 37. Tel: + 48 12 628-33-18, andre@mech.pk.edu.pl 4563
Rys. 2. Schemat przekładni mechanicznej hamulca na wózku wagonu towarowego - widok z góry: 1- trójkąt hamulcowy, 2- cięgło rozwidlone [5] Elementy ruchome przekładni połączone są ze sobą za pomocą sworzni współpracujących z tulejkami osadzonymi trwale w tych elementach. Połączenia sworzniowe muszą przenosić różnego rodzaju obciążenia: obciążenia wynikające z siły hamującej wywiązywanej okresowo (stosownie do warunków ruchu) przez układ pneumatyczny, obciążenia siłami wynikającymi z masy poszczególnych elementów składowych przekładni oraz z masy wstawki hamulcowej i jego obsady: działającymi cały czas statycznymi siłami grawitacji i siłami dynamicznymi generowanymi na skutek pokonywania nierówności toru, obciążenia powstającymi siłami bocznymi, które oddziaływują na wózki wagonu wskutek nabiegania na kół na szyny, obciążenia siłami o charakterze impulsowym wywoływanymi przez nalepy i płaskie miejsca na powierzchni tocznej koła współpracującego ze wstawkami hamulcowymi. Obciążenia te powodują to, że na sworznie i tulejki oddziaływują siły nie tylko w płaszczyźnie prostopadłej do osi sworznia, lecz także w płaszczyźnie przechodzącej przez tę oś. Na wartość tych ostatnich obciążeń istotny wpływ ma masa elementów przekładni, w której masa trójkąta hamulcowego stanowi jeden z istotnych składników. Z tego powodu dąży się do optymalizacji konstrukcji trójkąta ze względu na jego masę i zdolność przenoszenia maksymalnej siły w trakcie hamowania [3]. Należy nadmienić, że wartości maksymalne obciążeń sworzni w obu płaszczyznach są trudne do precyzyjnego określania ze względu na losowy charakter wielkości nierówności toru czy rozmiarów nalepów i płaskich miejsc na powierzchni tocznej kół. Na stan techniczny połączeń sworzniowych istotny wpływ mają także pozostałe warunki pracy, a to: wilgotność i zanieczyszczenie chemiczne powietrza, niskie i wysokie temperatury powietrza, zapylenie powietrza pochodzące od torowiska i wynikające z powstawania produktów zużycia wstawek hamulcowych. Warunki te sprzyjają rozwojowi zużycia korozyjnego sworzni i tulejek, co niekorzystnie wpływa na siły tarcia wewnątrz każdego połączenia sworzniowego, zmniejsza sprawność przekładni i może się przyczyniać do przyspieszenia zużycia ściernego tych elementów. Przykłady tego rodzaju zużycia 4564
i uszkodzeń połączeń sworzniowych, a także innych elementów przekładni hamulcowej na wózku - przy udziale autora - zgromadzono i przedstawiono w niepublikowanej pracy [2]. 2. ZUŻYCIE I USZKODZENIA DŹWIGNI HAMULCOWEJ W przekładni hamulcowej, której schemat przedstawiają rysunki 1 i 2 na każdy zestaw kołowy przypadają dwie dźwignie hamulcowe. Siła hamująca wytwarzana przez cylinder hamulcowy oddziałuje na górny sworzeń dźwigni prawej i poprzez łącznik jest przenoszona na środkowy sworzeń dźwigni lewej. Dolne sworznie obu dźwigni służą do przekazywania tej siły dalej za pomocą cięgieł na trójkąty hamulcowe. Zarówno obciążenia pochodzące od siły hamowania jak i sił wynikających z masy elementów przekładni oddziaływujących na dźwignie są przyczyną zużycia ściernego tulejek w nich osadzonych. Przykładowy obraz takiego zużycia przedstawia rysunek 3. Tego rodzaju zużycie należy uznać za naturalne, wynikające z konstrukcji układu, a metodami zmniejszenia tego zużycia może być regularne smarowanie połączeń sworzniowych, bądź zastosowanie tulejek samo-smarnych lub z tworzyw sztucznych. Rys. 3. Przykład zużycia ściernego dźwigni hamulca wagonu [2] Siły prowadzące, działające w płaszczyźnie prostopadłej podczas jazdy na koła powodują powstawanie obciążeń w płaszczyźnie przechodzącej przez oś sworzni dźwigni hamulcowych. Dzieje się tak wskutek bezwładności elementów i występowania luzów w połączeniach sworzniowych przekładni. Ruchy dźwigni w kierunku prostopadłym do toru jazdy mogą prowadzić do powstawania wykruszeń na brzegach tulejek współpracujących ze sworzniami. Powstawaniu tego rodzaju uszkodzeń, których przykład przedstawia rysunek 4, sprzyja zużycie ścierne sworzni i tulejek. Rys. 4. Przykłady wykruszenia materiału tulejek dźwigni hamulca wagonu [2] 4565
Wynika to z tego, że zużycie ścierne powiększa luz w połączeniach i tym samym zwiększa amplitudy ruchów i wartości sił bocznych, a w konsekwencji także sił oddziaływujących na krawędzie tulejek. Wykruszenie krawędzi tulejek może rozwijać się dalej i obejmować obszary przylegające do krawędzi. Jeśli tego rodzaju uszkodzenie nie zostanie w porę zauważone to w rezultacie może to spowodować wypadnięcie tulejki z otworu dźwigni, co przedstawia rysunek 5. Rys. 5. Wypadnięcie tulejki z dźwigni hamulca wagonu [2] Skutkiem wypadnięcia tulejki z otworu dźwigni może być nie tylko konieczność złomowania dźwigni, lecz także wypadnięcie sworznia łączącego ją z innymi elementami przekładni. Ta ostatnia sytuacja nie tylko zmniejsza praktycznie siłę hamowania do zera, ale w przypadku dolnej tulejki może także doprowadzić do uszkodzenia osi zestawu kołowego grożącego jej złamaniem. Dzieje tak wskutek tarcia dźwigni o oś zestawu. Realności takiej sytuacji dowodzi obraz uszkodzenia dźwigni widoczny na rysunku 6. Przedstawia on dźwignię z zupełnie startym jednym ramieniem, co świadczy o niewykryciu faktu rozpięcia jej połączenia z cięgłem. Skutkiem tego było opadnięcie trójkąta hamulcowego na pałąk ochronny trójkąta oznaczony numerem 2 na rysunku 1. Rys. 6. Skrajny przypadek uszkodzenia dźwigni hamulca wagonu [2] 3. ZUŻYCIE I USZKODZENIA CIĘGŁA ROZWIDLONEGO Cięgło rozwidlone (2 na rysunku 2) łączy dźwignie hamulcowe przy sąsiednich zestawach kołowych za pomocą sworzni wstawionych do tulejek w jego ramionach. Stosunkowo mała masa cięgła powoduje to, że istotnym obciążeniem jego ramy jest siła rozciągająca pochodząca od siły hamowania przenoszonej przez przekładnię. Na cięgło oddziaływają również warunki otoczenia opisane poprzednio w pkt. 1. Wskutek tego dominującym zużyciem cięgła rozwidlonego jest zużycie ścierne jego tulejek, a uszkodzeniem odkształcenie plastyczne prętów cięgła przedstawione na rysunku 7. Powstaje ono na skutek działania siły rozciągającej, która może w sprzyjających warunkach doprowadzić do wyboczenia poprzeczek cięgła. Taka sytuacja ma miejsce np. podczas hamowania zestawów kołowych z kołami posiadającymi nalepy, które wywołują powstawanie dodatkowych obciążeń impulsowych w przekładni hamulcowej. 4566
a) b) Rys. 7. Wyboczenie poprzeczki cięgła rozwidlonego: a widok z góry, b widok z boku [2] 4. ZUŻYCIE I USZKODZENIA TRÓJKĄTA HAMULCOWEGO I JEGO CIĘGŁA Trójkąty hamulcowe 2 (rysunek 2), połączone za pośrednictwem cięgieł 6 (rysunek 1) z dźwigniami hamulcowymi, przekazują siłę hamującą na obsady wstawki hamulcowej po jednej stronie zestawu kołowego. Ze względu na charakter obciążenia trójkąta hamulcowego uszkodzeniem powstałym w wyniku przekroczenia naprężenia w jego ramionach i belce może być wyboczenie tych elementów ramy. Trójkąt narażony jest także na uszkodzenie w wyniku kolizji z przeszkodami przekraczającymi obszar skrajni torowiska. W przypadku trójkąta hamulcowego i jego cięgła spotykanymi rodzajami zużycia jest zużycie ścierne i korozyjne. Oba rodzaje zużycia obserwuje się w przypadku tulejek i sworzni połączeń sworzniowych trójkąta i cięgła (rysunek 9), a także czopów tego trójkąta (rysunek 10). Rys. 8. Widok cięgła trójkąta hamulcowego ze śladami zużycia ściernego i korozyjnego [2] Rys. 9. Widok czopa trójkąta hamulcowego ze śladami zużycia ściernego i korozyjnego [2] 4567
5. ZUŻYCIE I USZKODZENIA OBSADY WSTAWKI HAMULCOWEJ Obsady wstawek hamulcowych (8 na rysunku 1), poprzez zamocowaną w niej wstawkę wywierają siłę hamującą na koło zestawu kołowego wagonu. Każda obsada jest połączona przegubowo z ramą wózka za pomocą wieszaka i połączeń sworzniowych. Czop trójkąta hamulcowego i sworzeń wieszaka obsady pracują w otworach każdej wstawki w warunkach tarcia suchego, ponieważ temperatury wywiązywane podczas hamowania uniemożliwiają zastosowanie jakiegokolwiek smaru mazistego wyprodukowanego na bazie produktów ropopochodnych. Z tego powodu podstawowym rodzajem zużycia tulejek obsady jest zużycie ścierne i korozyjne. W przypadku niedostatecznej kontroli stanu technicznego układu hamulcowego sprawowanej przez rewidentów może dochodzić do uszkodzenia obsady z powodu całkowitego zużycia wstawki hamulcowej. Tego rodzaju przypadek przedstawia rysunek 10. a) b) Rys. 10. Widok uszkodzonej obsady wstawki hamulcowej: a z boku, b z dołu [2] Inny przykład nieodwracalnego uszkodzenia obsady przedatawia rysunek 11. W tym przypadku obsada została uszkodzona wskutek zerwania wieszaka obsady wstawki hamulcowej co doprowadziło do jednostronnego opadnięcia trójkąta hamulcowego na pałąk ochronny. Podczas hamowania doprowadziło to do wypadnięcia wstawki, a potem tarcia obsady o koło. Rys. 11. Uszkodzona obsada wstawki hamulcowej wskutek zerwania wieszaka [2] 4568
6. ZUŻYCIE I USZKODZENIA WIESZAKÓW OBSADY WSTAWKI HAMULCOWEJ Wieszak ma zapewnić przegubowe podwieszenie obsady wstawki hamulcowej do ramy wózka wagonu. Przenosi on przypadające nań obciążenie wynikające z masy elementów przekładni hamulcowej (dźwigni, łączników, cięgieł, trójkąta hamulcowego, obsady ze wstawką hamulcową), a także obciążenie wynikające z siły tarcia pomiędzy wstawką i kołem podczas hamowania. Charakter tego obciążenia sprawia, że tulejki wieszaka ulegają zużyciu ściernemu, a także korozyjnemu z uwagi na wpływ warunków otoczenia. Podobnie jak w przypadku dźwigni, w miarę postępowania zużycia ściernego tulejek powiększają się luzy w połączeniach sworzniowych a siły boczne oddziałujące na elementy przekładni powodują przekroczenie nacisków dopuszczalnych na krawędziach tulejek. Powstają wówczas wykruszenia brzegów tulejek przedstawione na rysunku 12. a) b) Rys. 12. Widok uszkodzonej tulejki wieszaka: a) zużycie ścierne i wykruszenie brzegu, b) zbliżenie [2] Postępujące wykruszenia prowadzą do całkowitego usunięcia tulejek, co w dalszej kolejności powoduje rozerwanie łba wieszaka i opadnięcie ramienia trójkąta hamulcowego wraz z obsadą wstawki hamulcowej na pałąk zabezpieczający. Przykłady takiego rozwoju zdarzeń przedstawia rysunek 13. a) b) Rys. 13. Uszkodzenie wieszaka wstawki hamulcowej: a) wypadnięcie tulejki i owalizacja otworu, b) rozerwanie łba [2] 4569
7. ZUŻYCIE I USZKODZENIA SWORZNI PRZEKŁADNI HAMULCOWEJ Sworznie umożliwiają przegubowe połączenie dźwigni i cięgieł przekładni hamulcowej. Na skutek ruchu tulejek względem sworznia podczas przenoszenia siły hamowania, albo reakcji od niej pochodzącej, podstawowym rodzajem jego zużycia jest zużycie ścierne. Początkowe stadium tego zużycia przedstawia rysunek 14, a zaawansowane rysunek 15. a) b) Rys. 14. Zużycie korozyjne oraz ścierne sworzni przekładni hamulcowej w stadium początkowym: a sworzeń swobodny, b sworzeń nieruchomy [2] a) b) Rys. 15. Zużycie korozyjne oraz ścierne sworzni przekładni hamulcowej w stadium zaawansowanym: a- widok wytarcia z góry, b z boku [2] Niekiedy w ekstremalnych sytuacjach spowodowanych wypadnięciem tulejek z elementów łączonych sworzniem może dochodzić do jego zgięcia, zwłaszcza wtedy, gdy przekrój sworznia jest osłabiony przez znaczne zużycie ścierne. Tego rodzaju przypadek przedstawia rysunek 16. Rys. 16. Zgięty sworzeń z wyraźnym obrazem zużycia ściernego [2] 8. ZUŻYCIE I USZKODZENIA WSPORNIKÓW DŹWIGNI PRZEKŁADNI I WIESZAKÓW OBSADY WSTAWKI HAMULCOWEJ Wsporniki dźwigni przekładni (1 na rysunku 1) i wieszaka obsady wstawki hamulcowej (10 na rysunku 1) umożliwiają przegubowe podwieszenie przekładni do ramy wózka wagonu. Na powierzchnię otworów w tych wspornikach oddziaływują zamontowane w nich sworznie obciążone siłami pochodzącymi od siły hamującej przenoszonej przez przekładnię, a także sił wynikających z masy przekładni. Wskutek tych obciążeń postępujące zużycie ścierne tulejek może doprowadzić do ich wykruszania, a następnie owalizacji otworów. Dzieje się tak po wypadnięciu tulejek pod wpływem dalszego zużycia ściernego i plastycznego materiału rodzimego wsporników. Przykłady takiego rozwoju zdarzeń rodzaju przedstawia rysunek 17. 4570
a) b) Rys. 17. Zużycie korozyjne, ścierne i plastyczne otworów wspornika dźwigni (a) i wieszaka obsady wstawki hamulcowej przekładni (b) [2] Owalizacja otworów wsporników jest trudna do naprawy, ponieważ może być usunięta przez tulejowanie. Wymaga to przedtem odpowiedniej obróbki skrawaniem zniekształconego otworu, a jest to trudne zważywszy wymiary ramy wózka i utrudniony dostęp do tak usytuowanego otworu. Innym rodzajem zużycia wsporników dźwigni i wieszaków obsady wstawki hamulcowej jest zużycie korozyjne, które w zaawansowanym stanie sprzyja owalizacji otworów poprzez osłabienie przekroju blach ramy wózka. WNIOSKI Elementy klasycznej przekładni hamulcowej w wózku wagonu narażone są na naturalne - w ich warunkach pracy - procesy zużycia takie jak: zużycie korozyjne i zużycie ścierne. To ostatnie dotyczy sworzni i tulejek połączeń przegubowych przekładni i powinno być przedmiotem szczególnej uwagi służb rewidenckich w czasie oceny stanu technicznego wagonów. Dopuszczenie do nadmiernego zużycia ściernego w przegubach przekładni jest przyczyną tego, że dla ich dalszej pracy oprócz przenoszonych sił hamujących istotnego znaczenia zaczynają nabierać obciążenia dynamiczne pochodzące od sił bocznych wzbudzanych w trakcie jazdy wagonu. Prowadzi to do wykruszania się materiału tulejek na ich brzegach, a następnie ich wypadania z gniazd, co w konsekwencji zmniejsza skuteczność hamulca wagonu, a nawet może się prowadzić do zerwania wieszaków obsad wstawki hamulcowej. Obie sytuacje są niebezpieczne z punktu widzenia bezpieczeństwa ruchu pociągu, a konsekwencją drugiej może być nawet wykolejenie się wagonu. Z tego powodu za pożądane należy uznać wszelkie działania zmierzające do poprawy skuteczności systemu badania stanu technicznego przekładni hamulcowej wagonu, a także wszystkie działania mające na celu optymalizację masy, wytrzymałości i odporności na zużycie elementów przekładni. Ponieważ wagony z klasyczną przekładnią hamulcową jeszcze przez wiele lat nie zostaną wycofane z eksploatacji przyniesie to również wymierne efekty ekonomiczne. Streszczenie Praca dotyczy problemu zużycia i uszkodzeń elementów klasycznej przekładni hamulcowej w wózku wagonu. W pracy przedstawiono ogólny schemat budowy przekładni, a także scharakteryzowano źródła obciążeń elementów połączeń przegubowych elementów przekładni. Obciążenia tych połączeń pochodzą od siły hamującej oraz sił bocznych wzbudzanych losowo w czasie jazdy wagonu. Na wielkość tych obciążeń ma wpływ masa elementów przekładni, a także wielkość luzu pomiędzy tulejkami a sworzniami połączeń przegubowych. W pracy przedstawiono etapy zużycia tulejek dźwigni hamulcowych i wieszaków obsady klocków hamulcowych. Początkowe zużycie ścierne tulejek powoduje wykruszanie materiału tych tulejek na brzegu, co prowadzi do ich całkowitego usunięcia z otworu dźwigni lub wieszaka. Prowadzi to do owalizacji otworów, a nawet do rozerwania łba wieszaka. W pracy omówiono także zużycie i uszkodzenia pozostałych elementów przekładni hamulcowej, czyli cięgieł, trójkątów hamulcowych, obsad wstawek hamulcowych, sworzni, wieszaków obsad oraz wsporników dźwigni i wieszaków. Przykłady zużycia i uszkodzeń zilustrowano 4571
na fotografiach. Słowa kluczowe: pojazdy szynowe, przekładnia hamulcowa, badania eksploatacyjne, zużycie ścierne, zużycie korozyjne, uszkodzenia elementów metalowych Wear and damage of the wagon bogie brake rigging elements Abstract The paper concerns the problem of wear and damage of the classic elements of the brake rigging in the wagon bogie. The paper presents a general scheme for the construction of the brake rigging as well as load forces in brake rigging knucle joint elements. Loads of these joints come from the braking force and lateral forces induced randomly while driving the wagon. The load size of the joints is affected by the mass of brake rigging elements and the size of clearance between the bushings and bolts in articulated joints. The paper presents wear process stages of brake lever bushings and brake block holders. Initial abrasive wear of sleeves causes spalling of material at the edge, which leads to their complete removal of the sleeve from the eye of brake lever or hanger. This leads to the ovalization of the holes, and even opening of the hanger head. The paper also discusses the wear and damage to other components of the brake gear, i.e. brake rods, brake triangles, brake block holders, brake block hangers, bolts, brake lever supports and hangers. Examples of wear and damage are shown in the photographs. Keywords: rail-vehicles, brake rigging, operational research, abrasive wear, corrosive wear, plastic wear, damage to the metal components BIBLIOGRAFIA 1. Gąsowski W., Wagony kolejowe. Konstrukcja i badania. WKŁ, Warszawa 1988. 2. Lisowski Z., i inni, Badania nad optymalizacją niezawodności wagonów towarowych. Cz. II. Niepublikowana praca naukowo-badawcza, IPSz PK, Kraków 1973. 3. Milecki S., Stateczność sprężysta trójkąta hamulcowego. Praca doktorska, Politechnika Poznańska, Poznań 2014. 4. Piechowiak T., Hamulce pojazdów szynowych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2012. 5. Podemski J., Marczewski R., Wagony kolejowe. Hamulce. WKŁ Warszawa 1984. 4572