BADANIA WYTRZYMAŁOŚCI ZMĘCZENIOWEJ STALI STOSOWANEJ NA ZESTAWY KOŁOWE NA PODSTAWIE JEJ PARAMETRÓW MAGNETYCZNYCH

Podobne dokumenty
Metody badań materiałów konstrukcyjnych

Diagnostyka zmęczeniowa metodą magnetyczną na przykładzie stali stosowanej w transporcie kolejowym

Diagnostyka magnetyczna stref degradacji zmęczeniowej materiału koła napędnego lokomotywy EU07

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

OCENA ROZWOJU USZKODZEŃ ZMĘCZENIOWYCH W STALACH EKSPLOATOWANYCH W ENERGETYCE.

Zbigniew H. ŻUREK BADANIA STANU FERROMAGNETYCZNYCH ELEMENTÓW MASZYN W POLU MAGNETYCZNYM

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 88/

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Badania właściwości zmęczeniowych bimetalu stal S355J2- tytan Grade 1

Wytrzymałość Materiałów

ZMĘCZENIE MATERIAŁU POD KONTROLĄ

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

CIENKOWARSTWOWE CZUJNIKI MAGNETOREZYSTANCYJNE JAKO NARZĘDZIA POMIAROWE W DIAGNOSTYCE TECHNICZNEJ 1. WSTĘP

PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH

Uszkodzenia Pojazdów Szynowych Wywołane Usterkami Toru Kolejowego

Czułość detekcji zmian struktury w stali ndt shm w transporcie

Serwohydrauliczna maszyna wytrzymałościowa INSTRON 8850

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 10

DIAGNOSTYKA KÓŁ NAPĘDNYCH LOKOMOTYWY EU07 Z WYKORZYSTANIEM METOD MAGNETYCZNYCH

Zmęczenie Materiałów pod Kontrolą

ĆWICZENIE 15 WYZNACZANIE (K IC )

13. ZMĘCZENIE METALI *

Temat 1 (2 godziny): Próba statyczna rozciągania metali

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

WYJAŚNIENIA I MODYFIKACJE specyfikacji istotnych warunków zamówienia

Integralność konstrukcji

Laboratorium Wytrzymałości Materiałów

Spis treści Przedmowa

MATEMATYCZNY MODEL PĘTLI HISTEREZY MAGNETYCZNEJ

WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWE TAŚM KOMPOZYTOWYCH Z WŁÓKIEN WĘGLOWYCH

Temat 2 (2 godziny) : Próba statyczna ściskania metali

Mechanika i wytrzymałość materiałów instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

Próby zmęczeniowe Wstęp

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 11

Spis treści. Przedmowa 11

Wewnętrzny stan bryły

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

BADANIA CERTYFIKACYJNE NAKŁADEK WĘGLOWYCH CERTIFICATION RESEARCHES OF CARBON CONTACT STRIPS

Materiały dydaktyczne. Semestr IV. Laboratorium

AERODYNAMIKA UKŁADU KOŁO KOLEJOWE - KLOCEK HAMULCOWY I JEJ WPŁYW NA OBCIĄŻENIA TERMICZNE

Wybrane metody wykrywania degradacji zmęczeniowej w stalach ferromagnetycznych

Integralność konstrukcji

Pomiar przemieszczeń i prędkości liniowych i kątowych

Problemy trwałości zmęczeniowej połączeń spawanych wykonanych ze stali S890QL

Materiały Reaktorowe. Właściwości mechaniczne

Temat 3 (2 godziny) : Wyznaczanie umownej granicy sprężystości R 0,05, umownej granicy plastyczności R 0,2 oraz modułu sprężystości podłużnej E

Politechnika Białostocka

WPŁYW OBRÓBKI TERMICZNEJ ZIEMNIAKÓW NA PRĘDKOŚĆ PROPAGACJI FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

MODYFIKACJA RÓWNANIA DO OPISU KRZYWYCH WÖHLERA

4. EKSPLOATACJA UKŁADU NAPĘD ZWROTNICOWY ROZJAZD. DEFINICJA SIŁ W UKŁADZIE Siła nastawcza Siła trzymania

Wprowadzenie do Techniki. Materiały pomocnicze do projektowania z przedmiotu: Ćwiczenie nr 2 Przykład obliczenia

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 342

Integralność konstrukcji w eksploatacji

POMIAR ZMIAN WARTOŚCI PRZENIKALNOŚCI MAGNETYCZNEJ I PRZEWODNOŚCI ELEKTRYCZNEJ WŁAŚCIWEJ KOŁPAKÓW GENERATORÓW

Podstawowe pojęcia wytrzymałości materiałów. Statyczna próba rozciągania metali. Warunek nośności i użytkowania. Założenia

SPRAWOZDANIE Z BADAŃ

Próby wytrzymałościowe łożysk elastomerowych

ĆWICZENIE 1 STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA METALI - UPROSZCZONA. 1. Protokół próby rozciągania Rodzaj badanego materiału. 1.2.

Wyniki badań niskocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej stali WELDOX 900

Andrzej Zbrowski 1), Tomasz Wolszakiewicz 2) 1. Wprowadzenie

ZASTOSOWANIE RÓWNANIA BOUSSINESQUE A DO OKREŚLANIA NAPRĘŻEŃ W GLEBIE WYWOŁANYCH ODDZIAŁYWANIEM ZESTAWÓW MASZYN

INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 4

1. Wykładzina gniazda skrętu dla wózków wagonów towarowych UIC Y25 2. Wykładzina ślizgu bocznego dla wózków wagonów towarowych UIC Y25.

ODPORNOŚĆ STALIWA NA ZUŻYCIE EROZYJNE CZĘŚĆ II. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ

Wytrzymałość Konstrukcji I - MEiL część II egzaminu. 1. Omówić wykresy rozciągania typowych materiałów. Podać charakterystyczne punkty wykresów.

CHARAKTERYSTYKA MECHANIZMÓW NISZCZĄCYCH POWIERZCHNIĘ WYROBÓW (ŚCIERANIE, KOROZJA, ZMĘCZENIE).

Politechnika Śląska Wydział Transportu

ANALYSIS OF FATIGUE CRACK GROWTH RATE UNDER MIXED-MODE LOADING

OPIS PROPAGACJI PĘKNIĘĆ W STOPIE AL 2024-T4

HTHA - POMIARY ULTRADŹWIĘKOWE. HTHA wysokotemperaturowy atak wodorowy 2018 DEKRA

Mechanika Doświadczalna Experimental Mechanics. Budowa Maszyn II stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

BADANIA URZĄDZEŃ TECHNICZNYCH ELEMENTEM SYSTEMU BIEŻĄCEJ OCENY ICH STANU TECHNICZNEGO I PROGNOZOWANIA TRWAŁOŚCI

WYKORZYSTANIE MES DO WYZNACZANIA WPŁYWU PĘKNIĘCIA W STOPIE ZĘBA KOŁA NA ZMIANĘ SZTYWNOŚCI ZAZĘBIENIA

NAPRĘŻENIA ŚCISKAJĄCE PRZY 10% ODKSZTAŁCENIU WZGLĘDNYM PRÓBEK NORMOWYCH POBRANYCH Z PŁYT EPS O RÓŻNEJ GRUBOŚCI

Materiałowe i technologiczne uwarunkowania stanu naprężeń własnych i anizotropii wtórnej powłok cylindrycznych wytłaczanych z polietylenu

POJAZDY SZYNOWE 2/2014

CHARAKTERYSTYCZNE USZKODZENIA ZESTAWU KOŁOWEGO POWODUJĄCE ZDARZENIA WYPADKOWE

BADANIE WPŁYWU TEMPERATUR PODWYŻSZONYCH NA WŁAŚCIWOŚCI CYKLICZNE STALI P91

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 342

STATYCZNA PRÓBA SKRĘCANIA

ĆWICZENIE NR.6. Temat : Wyznaczanie drgań mechanicznych przekładni zębatych podczas badań odbiorczych

Trwałość zmęczeniowa złączy spawanych elementów konstrukcyjnych

Odporność na zmęczenie

WPŁYW PROCESU TARCIA NA ZMIANĘ MIKROTWARDOŚCI WARSTWY WIERZCHNIEJ MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH

Odwęglenie a wady powierzchni główki szyny

Ocena rozwoju uszkodzenia zmęczeniowego na podstawie zmian odkształcenia i parametrów prądowirowych w kolejnych cyklach obciążenia

20. BADANIE SZTYWNOŚCI SKRĘTNEJ NADWOZIA Cel ćwiczenia Wprowadzenie

OKREŚLENIE WPŁYWU WYŁĄCZANIA CYLINDRÓW SILNIKA ZI NA ZMIANY SYGNAŁU WIBROAKUSTYCZNEGO SILNIKA

POLITECHNIKA RZESZOWSKA WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Politechnika Białostocka

OBLICZANIE KÓŁK ZĘBATYCH

APLIKACJA NAPISANA W ŚRODOWISKU LABVIEW SŁUŻĄCA DO WYZNACZANIA WSPÓŁCZYNNIKA UZWOJENIA MASZYNY INDUKCYJNEJ

Wyważanie high-end. Fot. Wimad

LABORATORIUM PKM. Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn. Badanie statycznego i kinetycznego współczynnika tarcia dla wybranych skojarzeń ciernych

WYTRZYMAŁOŚĆ RÓWNOWAŻNA FIBROBETONU NA ZGINANIE

Transkrypt:

KRZYSZTOF BIZOŃ, ZBIGNIEW H. ŻUREK BADANIA WYTRZYMAŁOŚCI ZMĘCZENIOWEJ STALI STOSOWANEJ NA ZESTAWY KOŁOWE NA PODSTAWIE JEJ PARAMETRÓW MAGNETYCZNYCH INVESTIGATION OF ENDURANCE LIMIT OF RAILWAY WHEEL STEEL BASED ON MAGNETIC PROPERTIES EXAMINATION S t r e s z c z e n i e A b s t r a c t W artykule przedstawiono jedną z rozwijanych metod diagnozowania procesów zmęczeniowych metodami magnetycznymi. Badania potwierdzają korelację cech mechaniczno-magnetycznych stali. Sprecyzowanie tych korelacji i pomiary zmian własności magnetycznych umożliwią w przyszłości precyzyjnie określenie długości cyklu przeglądowego zestawu kołowego. Słowa kluczowe: kolejowy zestaw kołowy, zmęczenie materiału, diagnostyka magnetyczna The paper presents one of the methods of diagnosing fatigue processes by means of magnetic methods which is being developed. The carried research confirms correlations between mechanical and magnetic features of steel. Clarification of these correlations and measurements of magnetic properties will enable precise determination of the length of a circle of review wheel set. Keywords: rail wheel set, materials fatigue, magnetic diagnostics Dr inż. Krzysztof Bizoń, dr hab. inż. Zbigniew H. Żurek, prof. PŚ, Katedra Transportu Szynowego, Wydział Transportu, Politechnika Śląska.

4 1. Wstęp Długość cyklu przeglądowego zestawu kołowego zależy od przebiegu, jak i technicznych oraz ekonomicznych warunków eksploatacji pojazdu. Względy ekonomiczne przemawiają za wydłużaniem cyklu przeglądu eksploatacyjnego. Czynnikiem decydującym o dopuszczeniu zestawu do dalszej eksploatacji jest brak mikropęknięć o wymiarach przekraczających dopuszczalne. W chwili obecnej przewiduje się czas propagacji pęknięcia wykrytego metodami ultradźwiękowymi i wiroprądowymi, przedłużając czas eksploatacji zestawu. W artykule przedstawiono badania stali stosowanych na zestawy kołowe. Zamieszczono wyniki badań opisujących reakcję materiału na obciążenia cyklicznie zmienne. Przedstawiono rozwijane metody diagnozowania procesów zmęczeniowych metodami magnetycznymi, które są dokładniejsze od metod defektoskopii ultradźwiękowej. 2. Obciążenia kół zestawów kołowych Zestaw kołowy narażony jest na złożone obciążenia dynamiczne i statyczne. Model obciążeń mechanicznych statycznych uwzględnia szereg współczynników bezpieczeństwa i jest znacznie niższy od obciążeń zmęczeniowych wyznaczanych metodą Wöhlera. W wyniku złożonych oddziaływań dynamicznych w kołach zestawów kołowych pociągów szybkich rozwijają się mikropęknięcia prowadzące do awarii lub katastrof. Rozkład obciążeń statycznych jest zależny przy tych samych warunkach obciążenia zestawu od jego konstrukcji. Konstrukcja koła i jego tarczy wpływa na charakter i wartość obciążeń mechanicznych. Koła napędne i toczne zestawu kołowego przejmują największą część obciążenia w punkcie styku z szyną. Doświadczenia eksploatacyjne wskazują, że inicjacja procesu pękania występuje głęboko pod powierzchnią toczną. Wartość naprężeń w głębszych warstwach obręczy, jak i tarczy koła stanowi małą część naprężeń maksymalnych kontaktowych. W celu wykazania charakteru obciążeń wewnątrz kubatury koła wykonano wiele analiz symulacyjnych. Rozpatrzono stany naprężeń od obciążeń statycznych i dynamicznych w dwóch typach kół zestawów kołowych (rys. 1). a) b) Rys. 1. Analizowane rozwiązania konstrukcyjne kół zestawów kołowych z tarczą falistą (a) i z tarczą płaską (b) Fig. 1. Analysed shape of circles of wheelsets with wavy shield (a) and straight sheld (b)

a) b) 5 Rys. 2. Rozkład naprężeń redukowanych w tarczy falistej (a) i prostej (b) Fig. 2. Map of reduced stresses in the wavy shield (a) and for straight sheld (b) a) b) Rys. 3. Rozkład naprężeń promieniowych w tarczy falistej (a) i prostej (b) Fig. 3. Map of radial stresses in the wavy shield (a) and for straight sheld (b) Rys. 4. Mapa rozkładu składowej promieniowej naprężeń w tarczy falistej oraz wykres przebiegu zmian wartości składowej promieniowej w funkcji obrotu Fig. 4. Map of the radial component of stresses in the wavy shield and graph of the course of changes of the value of the radial stress component in the function of the turnover of the wheel

6 Z przeprowadzonej analizy naprężeń podczas obrotu koła wynika wpływ konstrukcji tarczy na rozkład napreżeń, amplitudę naprężeń i asymetrię obciazeń. Wyniki pokazano na rysunkach 2 7. Rys. 5. Mapa rozkładu składowej promieniowej naprężeń w tarczy płaskiej oraz wykres przebiegu zmian wartości składowej promieniowej w funkcji obrotu Fig. 5. Map of the disintegration of the radial component of stresses in the flat shield and graph of the course of changes of the value of the radial stress component in the function of the turnover of the wheel W ramach badań przyjęto przebieg charakter naprężeń zmęczeniowych jako wahadłowy o współczynniku amplitudy cyklu równym R = σ min. /σ max. = 1. Przystąpiono do wyznaczenia krzywej Wöhlera, a następnie przeprowadzono skalowanie zmęczeniowe próbek klepsydrycznych przewidzianych do badań magnetycznych. 3. Badania zmęczeniowe Do badań przygotowano serię próbek o kształcie klepsydrycznym. Sposób przygotowania materiału wyjściowego do próbek na elektrodrążarce drutowej minimalizował naprężenia i zmiany strukturalne w materiale. Badano materiał stosowany na obręcze (UIC 810-1) i monobloki (EN 13262:2004). Badania wykonano na maszynie wytrzymałościowej MTS 858, Model Nr 359, S/N 1075319 z zakresem siły osiowej +/ 25 kn i momentu skręcającego +/ 200 Nm wyposażonej w sterownik cyfrowy TestStar II. Maszyna była sterowana przy pomocy oprogramowania MTS TestStar v. 4.0D + TestWare-SX v. 4.0D oraz 790.20 Fatigue Test Application. Odkształcenie osiowe obliczano ze wskazań odkształceń promieniowych w przyjętej wartości współczynnika Poissona. Ekstensometr do pomiarów zmiany średnicy miał odpowiednio dobraną czułość pomiarową i zakres drgań własnych. Teoretyczne zachowanie metali w zakresie zmęczenia jest opisane cykliczną plastycznością generowaną mikropoślizgamii poprzedzającymi powstanie pasm poślizgów lub zmianami zmęczeniowymi zdominowanymi lokalnymi mechanizmami wokół wad struktury, prowadzącymi do efektów ratchetingu. Badania wykazały złożony przebieg odkształceń w funkcji cyklu obciążenia zmęczeniowego. Przykładowe przebiegi pokazane na rysunku 6a były zbliżone do efektu cyklicznej plastyczności, a na rysunku 6b do efektu ratchetingu.

a) b) 7 Rys. 6. Przebiegi odkształceń dla próbki P5 (a) i próbki P4 w funkcji liczby cykli Fig. 6. Courses of deformations for the P5 sample (a) and P4 sample (b) in the function of the number of cycles Przebiegów zgodnych z teoretycznymi nie zaobserwowano. 4. Badania struktury materiału Próbki stali w stanie wyjściowym, tj. niepoddawane obciążeniom zmęczeniowym, wykazują strukturę ferrytyczno-perlityczną. Ferryt występuje na granicach pierwotnych ziaren austenitu (rys. 7). Ponadto w badanej strukturze ujawniono wtrącenia niemetaliczne, głównie tlenki aluminium Al 2 O 3 i siarczki manganu MnS (rys. 8 i 9). Analizę składu chemicznego ujawnionych wtrąceń wykonano przy użyciu mikroanalizy rentgenowskiej. Rys. 7. Struktura wejściowa Fig. 7. Initial structure

8 Rys. 8. Przykładowa struktura, defekt oraz spektrogram punktu 1 Fig. 8. The model structure, the defect and the spectrogram of point 1 s. 9. Przykładowa struktura, defekt oraz spektrogram punktu 2 Fig. 9. The model structure, the defect and the spectrogram of point 2 Ry Zaobserwowane defekty i wtrącenia były odpowiedzialne za wytrzymałość zmęczeniową badanych próbek i wykazywały zróżnicowany charakter zmian odkształceń w funkcji cykli obciążenia. 5. Badania parametrów magnetycznych stali Możliwości badań defektoskopowych są ograniczone. Jedną z możliwości przewidywania czasu eksploatacji jest badanie parametrów fizycznych w funkcji obciążeń zmęczeniowych. Przeprowadzono badania parametrów magnetycznych w stali niskowęglowej w funkcji obciążeń zmęczeniowych. Zmiany zachodzące w stalach wysokostopowych w zakresie głównych parametrów magnetycznych (Hc, µr) sięgają poziomu 30 50%, natomiast w stalach węglowych są niższe i sięgają wartości z przedziału od 10 do 15%. Zmiany parametrów magnetycznych stali niskowęglowych przedstawione na rysunku 2.6 są zmianami istotnymi. Zmiany te potwierdzają możliwość prowadzenia pomiarów magnetycznych dla celów diagnostyki i przewidywania czasookresu pękania. Grupa czterech wykresów zamieszczonych na rysunku 10 przedstawia zmiany przenikalności czynnej, biernej tangensa kąta strat, jak i modułu przenikalności magnetycznej dla jednej z kombinacji

parametrów pomiaru, tj. przy częstotliwości pola magnetycznego 1060 Hz i natężeniu 800 A/m. Jest to jeden z wielu wyników kombinacji parametrów pomiaru. 9 Rys. 10. Przykładowe wyniki pomiaru dynamicznych parametrów magnetycznych Fig. 10. Example results of the measurement of dynamic magnetic parameters W wyniku wpływu obciążeń zmęczeniowych zanotowano istotne zmiany przenikalności magnetycznej biernej, jak i stratności. 6. Wnioski Większość stali konstrukcyjnych reaguje na procesy mechaniczne mierzalnymi, istotnymi zmianami parametrów magnetycznych. Każda stal przejawia określoną zależność związków magnetomechanicznych. Poznanie tych związków pozwala na stosowanie metod magnetycznych w diagnostyce elementów stalowych i prognozowanie procesu pękania, co jest istotne, a nieosiągalne za pomocą metod defektoskopii.

10 L i t e r a t u r a [1] Ż u r e k Z., S i t a r z M., W i t a s z e k M., R o c k s t r o h B., Magnetische Messgröβen der Werkstoffe für Bahn-Radsätze während und nach einer zyklischen mechanischen Belastung, Rad Shene 2009, Germany, Drezno 2009. [2] Ż u r e k Z., S i t a r z M., B i z o ń K., Investigation of endurance limit of railway wheel steel based on magnetic properties examination, 16 th International Wheelset Congress, South Africa, Cape Town 2010. [3] Ż u r e k Z.H., Opracowanie metody magnetycznej do wczesnej detekcji procesów zmęczeniowych w stalach niskostopowych i niskowęglowych, Rządowy Projekt Badawczy Własny N N507 0807 33 (zakończony 15.11.2009).