Układ torowy w obrębie stanowiska przestawczego dla nowego mechanizmu zmiany rozstawu kół

prof. dr hab. nż. Jerzy Madej dr hab. nż. Maran Medwd, prof. nadzw. Instytut Pojazdów Szynowych TABOR Układ torowy w obrębe stanowska przestawczego dla nowego mechanzmu zmany rozstawu kół W pracy zostały zaprezentowane oraz dyskutowane dwa waranty układu torowego w obrębe stanowska o zmennym rozstawe szyn pomędzy zarządam UIC oraz OCЖД, zaprojektowane dla nowego mechanzmu zestawu z rozsuwanym okręgam tocznym według prac [1] []. Obydwa zaprezentowane torowe rozwązana stanową waranty strukturalne odrębne, zaprojektowane specjalne dla nowego typu (rozsuwanego) mechanzmu zmany rozstawu kół. Szczegółowo przedyskutowano aspekty operacyjne procesu przestawczego z uwzględnenem wartośc sł przełączających. W podsumowanu podano praktyczne zalecena wynkające z przedstawonych rozważań. 1. ISTOTA PROBLEMU TECHNICZNEGO Zasada budowy dzałana nowego, orygnalnego mechanzmu zmany rozstawu kół UIC OCЖД została szczegółowo omówona w pracach [1] []. Charakterystyczną funkcjonalną cechą nowego mechanzmu jest prowadzene procesu przestawczego podczas ruchu pojazdu przy neprzerwanym oddzaływanu nacsków kół na szyny, przy pełnym obcążenu grawtacyjnym. Ten stotny aspekt współpracy omawanego mechanzmu z torem w obrębe stanowska przestawczego, wykraczał poza merytoryczne ramy prac [1] []. Zagadnenu temu pośwęcmy uwagę w dalszym cągu. Prowadzene procesu przestawczego podczas ruchu pojazdu, przy neprzerwanym oddzaływanu nacsków kół na szyny, stanow stotny problem naukowo technczny, któremu pośwęcono uwagę m.n. w pracy [3]. W pracy [3] omówono przypadek techncznego wykorzystana mkropoślzgu poprzecznego koła (lub rolk) względem beżn, w ruchu pod obcążenem. Zjawsko to, w ruchu drogowym, jest powszechne znane jako boczne znoszene kół. Zasada budowy dzałana nowego mechanzmu zmany rozstawu kół, zgodne z [1] [], narzuca slne ogranczene pokonywanej przez pojazd drog w obrębe stanowska przestawczego. Analza zjawska, zaprezentowana w pracy [3] pokazała, że dla nowej koncepcj mechanzmu według [1] [], fzyczny zakres poprzecznego mkropoślzgu koła względem beżn (nawerzchn) jest zbyt mały dla pokonana - bez rozwnętego tarca typu suchego - normatywnej różncy rozstawu szyn w zarządach UIC OCЖД, który jak wadomo wynos zaledwe 85 mm (150-1435). Do zagadnena tego powrócmy szczegółowo w dalszym cągu nnejszego opracowana.. ZAKRES OPRACOWANIA Nnejsze opracowane jest pośwęcone poszukwanu techncznego kompromsu, lub dokonana wyboru pomędzy dyskutowanym (nżej przedstawonym) rozwązanam konstrukcyjnym układu torowego w obrębe stanowska przestawczego UIC OCЖД. Jako perwsze, a zarazem najprostsze, rozwązane konstrukcyjne, rozważymy przypadek wygętego toru sztywnego. W dalszej kolejnośc omówmy odmenne rozwązane konstrukcyjne toru z ruchomym segmentam. 3. PRZYPADEK WYGIĘTEGO TORU SZTYWNEGO Ponżej przedstawono dwe fotografe sztywnego układu torowego pod rozsuwanym zestawem kół, wykonanym w podzałce 1:1, jako model redukcyjny według prac [1] []. Fot. 1. Konstrukcyjny przypadek toru sztywnego. Poszerzene toru UIC OCЖД. W wykonanu praktycznym należy sę lczyć z zastosowanem bocznych przytorowych lstew prowadzących. Fot.. Konstrukcyjny przypadek toru sztywnego. Zwężene toru OCЖД UIC. POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 1

4. DROGA POKONYWANA PRZEZ ROZ- SUWANY ZESTAW W OBRĘBIE STA- NOWISKA Szkc pomocnczy dla wyznaczena drog nezbędnej do pokonana przez zestaw podczas przesuwu jednego koła zestawu według [1] przedstawono na rysunku 1. 5. MINIMALNA DROGA ROZSUWANIA MIKROPOŚLIZGOWEGO Według autorskch badań eksperymentalnych, przeprowadzonych na modelu fzycznym na pożytek pracy [3], kąt mkropoślzgowego znoszena bocznego stalowego koła lub stalowej rolk na stalowej beżn może bezpeczne osągać wartość ok. δ3%, co w odnesenu do geometrycznych parametrów UIC OCЖД oznaczałoby, że dla wyczerpana przemeszczena poosowego 0,045 m, każde koło begowe rozsuwanego zestawu pownno przebec ok. 6,44 m przy lstwe bezpeczeństwa pochylonej pod katem 0,66% czyl 0,378 o. Wynk ten, według pracy [3], pozostaje w zgodnośc z wynkam ponerskch prac Krempela nad elpsą tarca [4]. Wdzmy, że otrzymana oszacowana wartość drog przewyższa wymarową wartość średncy okręgu tocznego co najmnej 6,5 krotne. Rysunek 1. Schemat mechanzmu przesuwu pojedynczego koła w zestawe rozsuwanym według [1]. 1 oś zestawu, korpus prowadnka os w rame wózka, 3 poosowo przesuwna pasta łożyska osowego, 4 koło zestawu, 5 łożysko koła jezdnego, 6 dźwgna przestawcza, 7 czop dźwgn przestawczej, 8 gwazdka rygla, 14 welowypust (wpust wysuwny), 15 Śruba przestawcza. Ilustrację drog pokonywanej przez rozsuwany zestaw kół w modelu redukcyjnym 1:1 przedstawono poglądowo na Fot. 3. Rys.. Ilustracja warunków toczena sę rolk po beżn. Rys. 3. Elpsa tarca według badań Krempela [4]; tgδt y /T x Fot. 3. Ilustracja drog rozsuwu wynkającej główne z nezbędnego obrotu dźwgn przestawczej 6 według rys. 1, wraz z wahlwą osą zestawu 1 według []. Zgodne z rysunkem 1 oraz fotografą 3, pełna droga pokonywana w torze przez zestaw podczas rozsuwana okręgów ocznych ( droga rozsuwu ) składa sę z dwóch odcnków fazowych (według [1], rys.4 oraz []): wstępnej drog odryglowana os wynkającej z geometr mechanzmu pozycjonowana, oraz drog roboczej w drugej faze rozsuwana właścwego. Według fotografcznej lustracj modelu wykonanego w podzałce 1:1, pełna droga L R koneczna do przebyca przez zestaw podczas rozsuwana kół ne przekracza wymaru średncy okręgu tocznego. Dokonane oszacowane konecznej wartośc (wyłączne mkropoślzgowej) drog rozsuwana w stosunku do drog bezwzględnego rozsuwana przy dopuszczenu wymuszonego poślzgu rozwnętego wykazuje, ż przy torze sztywnym według fotograf 1, ne zdołamy unknąć domnującej pracy sł tarca suchego poosowo rozsuwanych kół na szynach, co w obrębe stanowska przestawczego bezpośredno przekłada sę na zwększony opór toczena zestawu w torze. 6. NIEUNIKNIONA PRACA ROZSUWANIA ZESTAWU W TORZE SZTYWNYM Jeżel całkowte rozsunęce przestawcze UIC OCЖД oznaczymy jako [m], zaś nacsk zestawu na tor jako Q [N], to praca W [Nm] sł tarca w obrębe stanowska z szynam sztywnym (według Fot.1 oraz Fot. ) wynese: Wε Q µ; (1) POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

Gdze: ε - współczynnk relaksacj mkropoślzgowej rozumany według [3]; µ - współczynnk tarca suchego pomędzy kołem a szyną. Według powyższych oszacowań ε 0,65. Dodatkowy opór ruchu W R [N] pojedynczego zestawu w obrębe stanowska przestawczego wynese węc W R W/L R ; () W tym mejscu należy zauważyć, że ewentualne zastosowane bocznych prowadzących lstew torowych (Fot.1) jako wspomagających prowadnc przy torze sztywnym, ne zmnejsza oporu ruchu zestawu lecz dla unknęce zakleszczena - wymaga ścsłej synchronzacj wzdłużnych przemeszczeń zestawu z poprzecznym przemeszczenam przestawczym. 8 PRZYPADEK TORU Z RUCHOMYMI SEGMENTAMI Zastosowane w obrębe stanowska przestawczego odcnka toru z segmentam ruchomym, na przykład wahlwym lub rozsuwanym, pozwala na nemal całkowte unknęce poprzecznych sł tarca suchego. Zasadę dzałana wahlwych segmentów toru dla obydwóch kerunków przestawczych UIC OCЖД przedstawono na rysunkach 4 5. W obydwóch przypadkach praca sł przestawczych wynka jedyne z newelkch oporów obrotowego ruchu wahlwych segmentów torowych oraz napnana sprężyn powrotnych. Szczytowe sły w sprężynach pownny jedyne neznaczne przekraczać opór obrotu smarowanych segmentów wahlwych. Rys. 5. Zasada dzałana wahlwych segmentów toru dla kerunku przestawczego OCЖД UIC Fot.4. Dzałane wahlwego segmentu torowego ręczne zamanfestowane na modelu redukcyjnym toru wykonanym w podzałce 1:1. Fot. 5. Zestaw rozsuwany samoczynne w obrębe wahlwego segmentu torowego. Rozsuwane kół zestawu zachodz, gdy zestaw przejeżdża przez segmenty wahlwe. Rys. 4. Zasada dzałana wahlwych segmentów toru dla kerunku przestawczego UIC OCЖД. Obrót segmentów może być ewentualne wspomagany elementam automatyk (hydraulk słowej). Dzałane wahlwego segmentu torowego oraz współdzałane wahlwych segmentów torowych z zestawem w procese rozsuwana przedstawono przykładowo na fotografach 4 5 wykonanego modelu redukcyjnego. Rysunek 6. Rozsuwany segment torowy pomędzy torem normalnym (N) a szerokm (S) spoczywający na wspornkach rolkowych. Przesuw segmentów szufladowych może być ewentualne wspomagany elementam automatyk przy użycu hydraulk słowej. POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 3

Jest rzeczą oczywstą, że technczne rozwązane ruchomych segmentów torowych ne mus ogranczać sę do warantu wahlwego. Na rysunku 6 przedstawono warant segmentu rozsuwanego prostolnowo, typu skacząca szuflada, z wykorzystanem rolek podporowych. PODSUMOWANIE Wyżej przedstawono oraz omówono dwe zasadnczo odmenne odmany układu torowego, z możlwoścą ch kosmetycznego warantowana, w obrębe stanowska przestawczego. Są one tak dalece strukturalne odmenne, że wskazane rozwązana jednoznaczne korzystnejszego albo wygenerowane rozwązana kompromsowego ne jest (a pror) możlwe. Obydwa zasadncze rozwązana wspólne charakteryzują sę tym, że dla zmany kerunku ruchu ( TAM oraz Z POWROTEM ), wymagane jest kosmetyczne skorygowane roboczej struktury ( nastawu ) stanowska. W poza-laboratoryjnej eksploatacj oznacza to, że najkorzystnejsze jest zastosowane oddzelnych stanowsk przestawczych dla kerunku TAM oraz Z POWROTEM. Układ z torem sztywnym jest bez wątpena prosty w wykonanu oraz tan, lecz roboczo charakteryzuje sę występowanem rozwnętego tarca typu suchego na kerunku poprzecznym do ln toru. Już nawet na modelu wózka z rozsuwanym zestawam, wykonanym w podzałce 1:1, w obrębe stanowska przestawczego, dają sę wyraźne zauważyć dodatkowe, dość znaczne zdecydowane domnujące opory ruchu. Zatem zjawsko to w praktyce mplkuje co najmnej koneczność starannego smarowana częśc begowej toru w strefe zwężena/poszerzena według fotograf 1 oraz. Zaletą rozwązana z torem sztywnym jest możlwość zastosowana wygętych szyn bezstykowych oraz newrażlwość na ekstremalne warunk klmatyczne, typu upalne lato/mroźna zma. Ewentualne zastosowane bocznych oporowych lstew prowadzących (Fot. 1), w nczym ne zmena stotnego problemu z tarcem pomędzy kołem rozsuwanego zestawu a szyną. Natomast rozwązane z ruchomym segmentam torowym, jakkolwek wykonawczo znaczne bardzej złożone, a zarazem droższe w wykonanu, (zalecane jest zadaszene stanowska) pozwala oczekwać długch okresów bezobsługowych. W stanowsku tym ne występuje zjawsko znaczącego wzrostu oporów ruchu podczas rozsuwana okręgów tocznych zestawu. Stanowsko z ruchomym segmentam torowym zawera tor stykowy, zatem przy braku jego zadaszena jest wrażlwe na ekstremalne warunk klmatyczne. W zależnośc od techncznego zaawansowana tego warantu konstrukcyjnego, bardzo łatwo można wprowadzć elementy automatyk wspomagającej ruch segmentów torowych za pomocą hydraulk słowej, w ścsłej synchronzacj z podłużnym położenem rozsuwanego zestawu w torze stanowska przestawczego. Newątplwą zaletą obydwóch wyżej omówonych rozwązań zasadnczych (ew. kosmetyczne wewnętrzne warantowanych) jest relatywne krótk odcnek przejazdu rozsuwanego zestawu w torze, którego długość ne przekracza wymaru średncy okręgu tocznego koła wagonowego (Fot. 3). Obydwa zasadncze rozwązana charakteryzują sę wykonawczą realnoścą, a o wyższośc jednego z nch może decydować praktyka oraz łączne koszty wykonawczo eksploatacyjne. LITERATURA: [1] Madej J.; Medwd M., Staweck W; Nowy Mechanzm Zmany Rozstawu Kół w Pojazdach Szynowych dla Szerokośc Toru 1435 150; Pojazdy Szynowe nr 0/013. [] Czerwńsk J., Madej J., Medwd M.: Mechanzm Pozycjonowana Blokowana Rozstawu Okręgów Tocznych w Rozsuwnym Zestawe Kół Pojazdu Szynowego dla Torów 1435 150 mm. Pojazdy Szynowe nr 03/013. [3] Madej J.: Unkalne Warunk Pracy Łożysk Wałeczkowych W Kolejowym Systeme Przestawczym UIC OCЖД Według Patentów B1: 01613 oraz 0614; XIX KONFERENCJA POJAZDY SZYNOWE KOCIERZ, 15-17 IX 010. [4] Krempel G.: Untersuchungen an Kratfahrzeugrefen, Automobltechnsche Zetschrft 1967, 60(8), pp. 6-68. 4 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

prof.dr hab. nż. Marek Starz dr nż. Adam Mańka dr nż. Andrzej Hełka Poltechnka Śląska Badana numeryczne dośwadczalne układu koło kolejowe klocek hamulcowy W artykule przedstawono wynk prac Katedry Transportu Szynowego w zakrese badań dośwadczalnych w tym eksploatacyjnych stanowskowych oraz badań numerycznych elementów układu koło kolejowe szyna oraz koło klocek hamulcowy (KSK) czyl elementów, które mają szczególne stotne znaczene dla bezpeczeństwa w transporce szynowym. Ze względu na znaczną lość badań zwązanych z układem KSK artykuł ten pośwęcono główne zjawskom naprężeń resztkowych wynkających z ntensywnego hamowana nagrzewana powodującego przekroczene grancy plastycznośc materału koła kolejowego. 1. Wstęp Cągły rozwój transportu szynowego na śwece oraz zaostrzane wymagań obostrzeń prawnych zwązanych z ochroną środowska oraz zapewnenem bezpeczeństwa wymusza na producentach branży kolejowej stosowana nowych rozwązań konstrukcyjnych oraz zman w sposobe użytkowana utrzymana elementów pojazdów szynowych. Cągłe dążene do optymalzacj konstrukcj wynka równeż z konecznośc zwększana sprawnośc techncznej redukcj masy elementów a przede wszystkm zwększana ch efektywnośc ekonomcznej. W śwetle wymogów prawnych, wększość elementów pojazdów szynowych oraz nfrastruktury kolejowej wymaga przeprowadzena stosownych badań dla potwerdzena wymagań prawnych, normatywnych oraz specyfcznych wymagań klenta dla zapewnena bezpeczeństwa oraz funkcjonalnośc dopuszczanych do eksploatacj elementów. Badana te często są bardzo złożone długotrwałe obejmują próby stanowskowe, w tym badana materałowe oraz coraz częścej badana numeryczne (dla weryfkacj szczególne nekorzystnych konfguracj obcążeń), badana ruchowe oraz welosezonowe badana eksploatacyjne. Dopero pozytywne wynk badań przeprowadzonych przez uprawnoną jednostkę są podstawą do ubegana sę przez wnoskującego o wydane przez Urząd Transportu Szynowego śwadectwa typu, które to zazwyczaj wydawane jest jako śwadectwo termnowe. W przypadku kół kolejowych jak wstawek hamulcowych zakres badań dla uzyskana śwadectwa typu jest szczególne szerok uwzględna równeż badana numeryczne dlatego też artykuł ten pośwęcono główne zjawskom termcznym występującym w badanym układze KSK.. Wymagana normatywne dotyczące własnośc termomechancznych Lsta norm zwązanych ze wstawkam hamulcowym, zarówno wykonanym z żelwa P10, jak wstawkam kompozytowym typu K LL zajmuje prawe dwe strony, natomast norm dotyczących wytwarzana, badana eksploatacj kół kolejowych jest jeszcze dłuższa. Jednym z dokumentów, które przedstawają wymagana dotyczące kół kolejkowych jest Dzennk Urzędowy Un Europejskej 006/861/WE wraz z późnejszym zmanam wprowadzonym decyzją 009/107/WE zawerający Decyzję Komsj z dna 8 lpca 006 r. dotyczącą techncznej specyfkacj dla nteroperacyjnośc odnoszącej sę do podsystemu tabor kolejowy wagony towarowe transeuropejskego systemu kole konwencjonalnych, zwany potoczne TSI "Tabor wagony towarowe" [1]. W dokumence tym w szczegółowy sposób zawarto nformacje wytyczne dotyczące procedury badań dopuszczenowych kół kolejowych dla spełnena wymagań TSI. Na uwagę zasługuje w tym momence fakt, że Dzennk Urzędowy Un Europejskej 006/861/WE wraz z późnejszym zmanam wprowadzonym decyzją 009/107/WE zawera wyłączne określene "obręcz" ne stosuje nazwy "wenec" koła kolejowego. Jednocześne norma PN-EN 13979, na której bazuje wspomnany dokument, dotyczy wyłączne kół monoblokowych używa nazwy "wheel rm". Wynka to zapewne z błędu w tłumaczenu jednak wprowadza pewną neścsłość w nterpretacj wymagań. Wspomnany dokument TSI stawa koneczność przeprowadzena prób stanowskowych dla wszystkch kół kolejowych dopuszczanych do eksploatacj. POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 5

Dla badań mających za zadane weryfkację konstrukcj koła na obcążena termomechanczne przewdzano oprócz badań stanowskowych oblczena numeryczne. Oblczena te są szczególnym typem analzy numerycznej, gdyż wymagają symulacj nagrzewana koła a następne jego chłodzena odczytana wartośc naprężeń resztkowych w kole powstałych w wynku przekroczena grancy sprężystośc w tarczy koła. Warunk obcążeń dla badana odpornośc termomechancznej dobera sę zgodne z normą PN-EN 13979-1 oraz 006/861/WE wraz z uwzględnenem zman wprowadzonych decyzją 009/107/WE, w której zmnejszono z 80 do 60 km/h prędkość hamowana. Na tej podstawe przeprowadza sę symulację hamowana z mocą 50 kw w czase 45 mnut (700 s) wynkającą z prędkośc 60 km/h a następne badane koło kolejowe chłodz sę do temperatury otoczena w czase kolejnych 45 mnut. Przedstawone badana przeprowadza sę zarówno dla koła o średncy nomnalnej Ø90 mm, jak koła o maksymalnym zużycu eksploatacyjnym Ø854 mm. 3. Przykładowa analza numeryczna koła kolejowego Analzując warunk eksploatacj kół kolejowych można stwerdzć, że najwększe obcążena kół generowane są podczas hamowana. Najwększy udzał z tych obcążeń stanową obcążena termczne wynkające z generowanego w czase tarca strumena cepła. Należy w tym mejscu zaznaczyć, ż z badań własnych autorów wynka, że najwększe naprężena a w zasadze odkształcena w kole kolejowym w czase całej jego eksploatacj występują w strefe styku koła z szyną podczas długotrwałego hamowana. Powstałe w ten sposób zmany pól temperatur powodują odkształcena materału koła proporcjonalne do współczynnka rozszerzalnośc termcznej stal ER7. Jednocześne wskutek zman temperatury koła zmenają sę jego własnośc fzyczne. W przeprowadzonej analze numerycznej wzęto pod uwagę następujące nelnowośc modelu numerycznego: - nelnowa geometra modelu; - elementy skończone o nelnowej funkcj kształtu elementy heksagonalne 0 węzłowe; - wartośc modułu Younga, współczynnka Possona, współczynnk rozszerzalnośc ceplnej, gęstośc właścwej, cepła właścwego oraz przewodnośc ceplnej zostały uwarunkowane od temperatury materału koła w zakrese 0 740 0 C; - współczynnk konwekcj został przydzelony zależne od stref koła wg badań własnych autorów []; - materał koła ER7 zamodelowano w tak sposób aby umożlwć zjawska po przekroczenu grancy sprężystośc Re (umożlwono uzyskane odkształceń plastycznych materału koła po przekroczenu naprężeń dopuszczalnych; - analzy sprzężone termczno mechanczne prowadzone były dla klkuset podkroków oblczenowych z uwzględnenem zman zjawsk termcznych w czase (transent) oraz jednoczesnym uwzględnenem zman strukturalnych w tym uplastycznena materału. W trakce analzy zadano równomerne wnkane strumena cepła w koło na całym jego obwodze o szerokośc wstawk hamulcowej. Wartośc konwekcj oraz własnośc materałowe wprowadzono zgodne z wcześnejszym wynkam prac badawczych autorów []. W trakce symulacj uwzględnono obcążena termczne wynkające z prędkośc jazdy 60 km/h mocy hamowana 50 kw w czase 700 sekund (45 mnut). W dalszym czase symulacj tj. 700 5400 s prowadzono chłodzene do temperatury otoczena w celu zobrazowana naprężeń resztkowych wynkających z uplastycznena materału koła w trakce nadmernych obcążeń termcznych. Analza naprężeń w kołach kolejowych wynkających z obcążeń termcznych została przeprowadzona nelnowo. Wszystke własnośc materałowe zadeklarowano, jako zależne od temperatury. Model numeryczny wykonano, jako obrotowo symetryczny na baze modelu wykonanego w programe CATIA v5 rys. 1. Rys. 1. Satka elementów skończonych badanego koła kolejowego o średncy nomnalnej Ø 90 mm 6 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

Dyskretyzację modelu CAD satką elementów skończonych przeprowadzono w tak sposób aby uzyskać elementy ośmoścenne, które pozwalają na bardzo dobre odwzorowane geometr przy newelkej lczebnośc stopn swobody modelu. Dlatego też, model numeryczny wykonano z wykorzystanem blsko 13 tysęcy heksagonalnych dwudzestowęzłowych elementów skończonych o nelnowej funkcj kształtu. W wynku analzy numerycznej MES uzyskano rozkład przemeszczeń sumarycznych, temperatur, stref uplastycznena materału oraz rozkład naprężeń redukowanych HMH dla czasu z zakresu 0-5400 s w tym dla czasu 700 s odpowadającemu końcow hamowana koła (nagrzewana) oraz czasu 5400 s odpowadającemu stanow wychłodzena koła do temperatury zblżonej do temperatury otoczena. Ze względu na wymagana Dzennka Urzędowego Un Europejskej 006/861/WE z uwzględnenem zman wprowadzonych decyzją 009/107/WE analze numerycznej poddano wymagana zawarte w punkce 1.1.4 "Ocena zgodnośc termomechancznej" ww. dokumentu, w którym stwerdza sę, że analza numeryczna prowadzona jest celem określena najbardzej nekorzystnego przypadku pod względem geometr koła na jego zachowane termomechanczne stanow podstawę do badań dośwadczalnych określonych w trójetapowej procedurze oceny kół 1.1.4.1. Ze względu na fakt, że przedstawone w norme PN-EN 13979-1 oraz Dzennku Urzędowym Un Europejskej 006/861/WE krytera oceny dotyczą badań stanowskowych, przedstawone wynk badań numerycznych ne mogą stanowć kryterum oceny konstrukcj kół kolejowych są prowadzone w celu określena krytycznych z punktu wdzena wytrzymałośc koła warunków badań dośwadczalnych (geometra, mejsca pomaru, czas pomaru w zakrese wymagań TSI). 4. Analza wymagań 1.1.4.. "Krytera decyzyjne" 006/861/WE dla badań stanowskowych dla koła nowego Zalecane mejsce pomaru przemeszczeń bocznych koła w trakce badań stanowskowych Rys.. Rozkład przemeszczeń sumarycznych w kerunku osowym (oś y) dla badanego koła kolejowego o średncy nomnalnej Ø 90 mm w czase 700 s Ocena: Na podstawe przeprowadzonych badań numerycznych przykładowego koła kolejowego symulujących warunk badań stanowskowych można stwerdzć, że uzyskane przemeszczene,45 mm ne przekracza wartośc dopuszczalnej 3 mm. Uzyskane wynk symulacj numerycznych pozwalają na określene mejsc pomaru przemeszczeń badanego koła kolejowego podczas badań stanowskowych. Dlatego też na podstawe oblczeń numerycznych proponuje sę mejsce pomaru przemeszczeń bocznych (osowych) wg rys.. Wymagane TSI (dla badań stanowskowych): Dla koła nowego: Naprężena resztkowe weńca po ochłodzenu: - σ rn +Σ r N/mm, jako średna z trzech pomarów; - σ n +(Σ r + 50) N/mm, dla każdego z pomarów; Dla gatunku ER7 zgodnego z normą Σ r 00 N/mm. Wynk analzy numerycznej przykładowego koła klejowego rys. 3: Zalecane mejsca pomaru naprężeń resztkowych koła w trakce badań stanowskowych Wymagane 1 TSI (dla badań stanowskowych): Dla koła nowego: 1. Maksymalne boczne przemeszczena podczas hamowana +3/-1 mm Przesunęce boczne uważa sę za dodatne, jeżel odległość pomędzy zewnętrznym bokam obrzeża wzrasta. Wynk przeprowadzonej analzy numerycznej rys. : Rys. 3. Rozkład naprężeń resztkowych weńca przykładowego koła kolejowego o średncy nomnalnej Ø 90 mm po ochłodzenu - 5400 s zalecane mejsca pomaru POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 7

Ocena: Na podstawe przeprowadzonych badań numerycznych symulujących warunk badań stanowskowych można stwerdzć, że uzyskane maksymalne wartośc naprężeń resztkowych w weńcu koła wynkających z hamowana długotrwałego (45 mnut) o mocy 50 kw a następne chłodzena do temperatury zblżonej do temperatury otoczena wynosły 4 MPa tym samym ne przekroczono wartośc dopuszczalnej 50 MPa. Jednocześne proponuje sę mejsce pomaru naprężeń resztkowych w czase badań stanowskowych wg rys. 3. Uwaga: Przedstawone w dokumence kryterum naprężeń resztkowych pomja zjawska zachodzące w tarczy koła, w której maksymalne naprężena resztkowe były wększe nż w weńcu koła wynosły blsko 100 MPa rys. 4. Fakt ten jest szczególne stotny, gdyż tego typu zjawsko może występować w wększośc konstrukcj kół kolejowych a uzyskane wartośc naprężeń mogą być wększe od dopuszczalnych w efekce powodować pękane zmęczenowe w trakce długotrwałej eksploatacj. Dlatego też, należy domnemywać, że przedstawone nedopatrzene będze skorygowane w następnej rewzj wspomnanego TSI. Zalecane mejsca pomaru naprężeń resztkowych koła w trakce badań stanowskowych 1,5 mm. Jednocześne proponuje sę mejsce pomaru przemeszczeń bocznych (osowych) wg rys. 6. Zalecane mejsce pomaru przemeszczeń bocznych koła w trakce badań stanowskowych Rys. 6. Rozkład przemeszczeń sumarycznych w kerunku osowym (oś y) dla przykładowego koła kolejowego o średncy nomnalnej Ø 90 mm w czase 5400 s 5. Analza wymagań 1.1.4.. "Krytera decyzyjne" 006/861/WE dla badań stanowskowych dla koła zużytego Dla koła zużytego tj. o średncy tocznej Ø 854 mm przeprowadza sę analzę numeryczną o dentycznych obcążenach termcznych jak dla koła nowego. Ten etap analzy jest dla wększośc konstrukcj kół kolejowych momentem decydującym, gdyż koło kolejowe o maksymalnym zużycu jest szczególne podatne na obcążena termczne w wynku znacznej redukcj masy w strefe narażonej na strumeń cepła wynkający z hamowana klockam hamulcowym. Wymagane 1 TSI (dla badań stanowskowych) jest dentyczne jak dla koła nowego Wynk analzy numerycznej rys. 7: Rys. 4. Rozkład naprężeń resztkowych w przykładowym kole kolejowym o średncy nomnalnej Ø? 90 mm po ochłodzenu - 5400 s zalecane mejsca pomaru Wymagane 3 TSI (dla badań stanowskowych): Dla koła nowego: 1. Maksymalne boczne przemeszczena weńca po ochłodzenu +1,5/-0,5 mm Przesunęce boczne uważa sę za dodatne, jeżel odległość pomędzy zewnętrznym bokam obrzeża wzrasta. Wynk analzy numerycznej rys. 6: Ocena: Na podstawe przeprowadzonych badań numerycznych symulujących warunk badań stanowskowych można stwerdzć, że uzyskane przemeszczene 0,19 mm ne przekracza wartośc dopuszczalnej Zalecane mejsce pomaru przemeszczeń bocznych koła w trakce badań stanowskowych Rys. 7. Rozkład przemeszczeń sumarycznych w kerunku osowym (oś y) dla przykładowego koła kolejowego o średncy nomnalnej Ø 854 mm w czase 700 s Wymagane TSI (dla badań stanowskowych): Dla koła zużytego: 8 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

Naprężena resztkowe w weńca 1 po ochłodzenu: - σ rn +(Σ r + 75) N/mm, jako średna z trzech pomarów; - σ n +(Σ r + 100) N/mm, dla każdego z pomarów; Dla gatunku ER7 zgodnego z normą Σ r 00 N/mm. Wynk analzy numerycznej rys. 8: Ocena: Równeż dla koła zużytego przedstawone w dokumence kryterum naprężeń resztkowych pomja zjawska zachodzące w tarczy koła, w której dla wększośc konstrukcj uzyskują wększe wartośc naprężeń resztkowych w tarczy nż we weńcu koła rys. 9. 18,68 mm Zalecane mejsca pomaru naprężeń resztkowych koła w trakce badań stanowskowych Rys. 8. Rozkład naprężeń resztkowych we weńcu koła kolejowego o średncy nomnalnej Ø 854 mm po ochłodzenu - 5400 s zalecane mejsca pomaru Zalecane mejsca pomaru naprężeń resztkowych koła w trakce badań stanowskowych max max Uzyskane wynk badań numerycznych oraz mejsca pomaru przedstawono na rysunkach wymenonych w tabel 1. Podobne zestawene jak w tab. 1 wykonuje sę dla koła zużytego. Analzowane przykładowe koło kolejowe o średncy nomnalnej φ90 mm uzyskało wynk zgodne z wymaganam normy PN-EN 13979-1 oraz Dzennka Urzędowego Un Europejskej 006/861/WE z uwzględnenem zman wprowadzonych decyzją 009/107/WE we wszystkch trzech kryterach perwszego etapu badań (według punktu 1.1.4.1). Oznacza to, że po poddanu koła ekstremalnym obcążenom termcznym wynkającym z hamowana o mocy 50 kw w czase 700 s, a następne chłodzenu do temperatury otoczena uzyskane wartośc przemeszczeń osowych oraz naprężena resztkowe weńca koła ne przekroczyły wartośc dopuszczalnych. Jednocześne po przeprowadzenu badań numerycznych zaleca sę prowadzene pomarów przemeszczeń sumarycznych naprężeń według schematu pokazanego na powyższych rysunkach. Należy zaznaczyć, że zarówno dla koła o średncy tocznej φ90 mm jak dla φ854 mm najwększe wartośc naprężeń resztkowych zaobserwowano w tarczy koła, dlatego też, na rysunkach powyżej przedstawono mejsca występujących maksmów naprężeń. W badanym kole kolejowym o średncy odpowadającej maksymalnemu zużycu stwerdzono odkształcena plastyczne w obszarach pokazanych na rys. 9. Jednocześne stwerdzono równeż szczególne dużą wartość przemeszczeń promenowych na końcu zewnętrznej częśc powerzchn tocznej koła. Przemeszczena te wynkają z odkształceń plastycznych strefy materału łączącej wenec tarczę koła kolejowego zachodzących w czase chłodzena powodują zmanę geometr układu koło kolejowe szyna po hamowanu w przedstawonych wcześnej warunkach a następne chłodzenu koła do temperatury otoczena. Rys. 9. Rozkład naprężeń resztkowych w przykładowym kole kolejowym o średncy nomnalnej Ø 854 mm po ochłodzenu - 5400 s zalecane mejsca pomaru Tabela 1 Zestawene wynków analzy przykładowego koła kolejowego według wymagań normy PN-EN 13979-1 oraz Dz.U. 006/861/WE wraz z decyzją 009/107/WE Wymagana PN-EN 13979 Wymagane 1 (podczas hamowana) Wymagane (po ochłodzenu) Wymagane 3 (po ochłodzenu) Kryterum dla nowego koła Przemeszczena weńca koła U (-1 3) mm Naprężena weńca koła σ n 50 MPa Przemeszczena weńca koła U (-0,5 1,5) mm Uzyskana wartość,45 mm 4 MPa ( * 100 MPa w tarczy) 0,19 mm Mejsce pomaru rys. rys. 3 rys. 6 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 9

6. Wnosk W artykule przedstawono przykładową procedurę badań numerycznych kół kolejowych zgodne z wymaganam TSI dla określena naprężeń resztkowych w kole kolejowym. Wskazano równeż na te elementy, które stanową nedopatrzene wymagań TSI w zakrese kryterów dopuszczenowych a mają stotne znaczene dla bezpeczeństwa eksploatowanych kół kolejowych. W rozpatrywanym przykładowym kole kolejowym zarejestrowano przekroczene wartośc dopuszczalnych naprężeń oraz odkształceń wynkających z hamowana długotrwałego a następne chłodzena w wynku którego wenec koła odkształcł sę trwale o 1,9 mm. Lteratura [1] Dzennk Urzędowy Un Europejskej 006/861/WE - Decyzja Komsj z dna 8 lpca 006 r. dotyczącą techncznej specyfkacj dla nteroperacyjnośc odnoszącej sę do podsystemu tabor kolejowy wagony towarowe transeuropejskego systemu kole konwencjonalnych, zwany potoczne TSI "Tabor wagony towarowe" 006 r.; [] Starz M., Mańka A.: Badana aerodynamczne lokomotyw a termodynamka układu koło kolejowe klocek hamulcowy, I Ogólnopolska konferencja naukowo technczna Modernzacja taboru szynowego, Tarnowske Góry 01; [3] Starz M., Mańka A., nn. Sprawozdane roczne pracy badawczej N509 19784, nr PBU-11/RT4/011 pt.: Optymalzacja konstrukcj układu hamulcowego pojazdu szynowego z uwzględnenem sprzężena zjawsk mechancznych, termcznych aerodynamcznych, luty 01 r; [4] Mańka A. Starz M. "Analza zjawsk mechancznych termcznych zachodzących w układze koło kolejowe - klocek hamulcowy" Monografa, Wydawnctwo - Pracowna Komputerowa Jacka Skalmerskego, Katowce 011 rok. 10 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

dr nż. Marek Sobaś Instytut Pojazdów Szynowych TABOR Wynk badań wytrzymałoścowych trójkatów hamulcowych w apspekce statystycznym W artykule przedstawono stanowskowe badana wytrzymałoścowe trójkąta hamulcowego wózków wagonów towarowych. Przedstawono aktualne obowązujące krytera. Zaprezentowano przebeg badań, wynk badań stanowskowych oraz obróbkę statystyczną wynków przeprowadzonych pomarów. 1. WSTĘP Trójkąty hamulcowe są podzespołam hamulcowych przekładn mechancznych wózków wagonów towarowych, wyposażonych w klock cerne. W skład klocków wchodzą obsady klocków hamulcowych oraz wstawk. Wstawk klocków hamulcowych jako element cerny były wykonywane tradycyjne z żelwa P10 wg karty UIC 83 [4], a obecne wytwarza sę wstawk kompozytowe [7,8]. Obcążene trójkątów hamulcowych wynka z parametrów pojazdu wózka, do których można zalczyć: - maksymalny nacsk zestawu kołowego na tor, - maksymalną prędkość pojazdu, - geometrę przekładn hamulcowej, - przełożene przekładn hamulcowej, - rodzaj użytych wstawek hamulcowych. W przypadku standardowych wózków wagonów towarowych rozróżna sę trzy rodzaje trójkątów hamulcowych: o umownej nośnośc 45kN, do ruchu S o umownej nośnośc 60 kn oraz do ruchu SS o umownej nośnośc 10 kn. Trójkąty dla wózków standardowych mogą posadać odmenne konstrukcje, jednak pod warunkem zamennośc, czyl spełnana wymagań wymarowych wg karty UIC 543 [3]. Trójkąty hamulcowe muszą równeż spełnać wymagana wytrzymałoścowe, które są sprawdzane na stanowsku do badań wytrzymałoścowych. Zgodne z kartą UIC 833 [5] stanowskowe badana wytrzymałośc trójkątów hamulcowych należy wykonać w następujących przypadkach: - nowej konstrukcj trójkąta hamulcowego, - wprowadzena zman konstrukcyjnych do już eksploatowanej konstrukcj, - zmany technolog wykonana, - zmany wytwórcy lub producenta. Rys. 1. Wymary wraz z przynależnym odchyłkam kształtu położena, które muszą spełnać trójkąty hamulcowe do wagonów towarowych POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 11

. KRYTERIA WYTRZYMAŁOŚCI TRÓJ- KĄTA HAMULCOWEGO Krytera wytrzymałośc statycznej zmęczenowej dla trójkątów hamulcowych są przedstawone w karce UIC 833 [5]. Trójkąty hamulcowe nezależne od rodzaju ruchu ( S lub SS ) muszą być przystosowane do przenesena obcążeń wynkających z procesu hamowana nagłego, które jest realzowane podczas eksploatacj wagonów towarowych. Konstrukcja trójkąta mus przeneść następujące obcążena: statyczne: nomnalne oraz nadzwyczajne, zmęczenowe. W ramach reżmów hamulcowych S oraz SS powstały dwe odmany trójkątów hamulcowych. Zasadncza różnca pomędzy dwoma odmanam trójkątów hamulcowych wynka z konecznośc przenesena dwukrotne wększych sł przez trójkąty, które są przystosowane do ruchu SS. Obydwa trójkąty hamulcowe muszą jednak spełnać wymagana zamennośc zgodne z kartą UIC 543 [3] oraz tablcą 1. przepsów TSI [9]. Wymary wraz z tolerancjam oraz odchyłkam kształtu położena, które muszą być zachowane aby zapewnć wymenność częśc są przedstawone na rys.1. F/ F Legenda: F - obcążene przykładane w uchu trójkąta hamulcowego F/ - reakcja przyłożona na podporze trójkąta hamulcowego Rys.. Schemat obcążeń trójkąta hamulcowego słam pozomym Wartośc obcążeń statycznych zmęczenowych są rzestawone w tabel 1. F/ Dla zadanych obcążeń statycznych obowązują dopuszczalne strzałk ugęca, które są przedstawone w tabel. Statyczne badana wytrzymałoścowe trójkątów hamulcowych należy przeprowadzć zgodne z PN-91/K-88176 [6] oraz kartą UIC 833 [5]. Przebeg statycznych badań wytrzymałoścowych jest przedstawony na rys. 3. Rys. 3. Przebeg statycznych badań wytrzymałoścowych wg PN- 91/K-88176 [6] oraz karty UIC 833 [5] Badany trójkąt hamulcowy należy umeścć w urządzenu pomarowym poddać przez mnuty trzykrotne obcążenu wstępnemu równemu /3 obcążena nomnalnego F n wg tabel 1. Każdorazowo po mnutach obcążena wstępnego jego wartość pownna być obnżona do wartośc obcążena wyjścowego wg tabel 1. Po trzykrotnym obcążenu trójkąta hamulcowego obcążenem wstępnym należy zmerzyć odległość H, a następne poddać trójkąt obcążenom: 1/3 F n, /3F n, F n, 7/6 F n, 8/6 F n oraz F ep. Czas dzałana każdego obcążena wynos mnuty, przy czym przyłożene poszczególnych obcążeń pownno być poprzedzone powrotem do obcążena wyjścowego wg rys. 4. W czase badana należy wykonać pomary H dla każdej wartośc obcążena wstępnego wyjścowego, a następne określć: Zestawene obcążeń, dzałających na trójkąt hamulcowy, przystosowany do ruchu S zgodne z kartą UIC 833 [5] oraz PN-91/K-88176 [6] Tabela 1 L.p. Obcążene wyjścowe [kn] Obcążene nomnalne F n [kn] Obcążene próbne F ep [kn] Obcążene przy próbe wytrzymałośc na zmęczene [kn] 1. 5 60 90 10 60 Zestawene dopuszczalnych odkształceń dla sł nomnalnych próbnych, dzałających na trójkąt hamulcowy do ruchu S zgodne z karta UIC 833 [5] oraz PN-91/K-88176 [6] Tabela Rodzaj odkształcena Odkształcene Obcążene Obcążene próbne [mm] nomnalne F n [kn] F ep [kn] sprężyste 60 0 trwałe 0,1 60 0 sprężyste 3 0 90 trwałe 0,5 0 90 1 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

odkształcene sprężyste wywołane obcążenem nomnalnym F n, równe różncy wymarów H w punkce B 3 A 3, odkształcene trwałe wywołane obcążenem nomnalnym F n, równe różncy wymarów H w punkce A 3 A 0, odkształcene sprężyste wywołane obcążenem próbnym F n, równe różncy wymarów H w punkce B 6 A 6, odkształcene trwałe, wywołane obcążenem próbnym F ep równe różncy wymarów H w punkce A 6 A 0. Wymar H jest przedstawony na rys.4. Rys.6. Przykład stanowska do badań statycznych trójkąta hamulcowego. Warant II wg karty UIC 833 [5] Rys.7. Przykład stanowska do badań statycznych trójkąta hamulcowego. Warant III wg karty UIC 833 [5] Rys.4. Wymar H mędzy osą ucha wspólną osą czopów trójkąta hamulcowego przechodzącą przez ch środk W celu dopuszczena konstrukcj trójkąta hamulcowego do eksploatacj przeprowadza sę badana statyczne zmęczenowe na stanowsku badawczym. Trójkąty hamulcowe poddaje sę badanom statycznym, przy czym bada sę odkształcena sprężyste trwałe na 8 sztukach prototypowych trójkątów hamulcowych. Przykłady stanowsk badawczych do badań statycznych są przedstawone na rys. 5 8 (waranty I IV). Rys.5. Przykład stanowska do badań statycznych trójkąta hamulcowego. Warant I wg karty UIC 833 [5] Rys.8. Przykład stanowska do badań statycznych trójkąta hamulcowego. Warant IV wg karty UIC 833 [5] Na dwóch dodatkowych trójkątach przeprowadza sę stanowskowe badana zmęczenowe z częstotlwoścą przykładana obcążeń tętnących w zakrese 10 60 kn, wynoszącą 16 Hz. Próby zmęczenowe uznaje sę za pozytywne, jeśl ne wystąp żadne wdoczne uszkodzene trwałe an też pęknece, powodujące utratę nośnośc konstrukcj. Badana zmęczenowe przeprowadza sę na stanowsku stacjonarnym, które jest wyposażone w urządzena do rejestracj częstotlwośc oraz mogących merzyć wartość chwlową przyłożonych obcążeń. Podsumowując, krytera wytrzymałoścowe konstrukcj trójkąta hamulcowego sprowadzają sę do: zachowana dopuszczalnych strzałek ugęca pod zadanym obcążenam F n F p, zachowana dopuszczalnych odkształceń trwałych pod obcążenam F n F p, zachowana takego pozomu naprężeń w konstrukcj (wytężena materału), które pozwala na przejśce cyklu zmęczenowego. POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 13

Ogranczene dopuszczalnych strzałek ugęca dla trójkątów hamulcowych wynka ze zdolnośc regulacyjnej nastawacza klocków hamulcowych, który jest zanstalowany w układze hamulcowym wagonu towarowego który jest odpowedzalny za utrzymane odpowednego skoku tłoka cylndra hamulcowego w trakce eksploatacj. Zdolność regulacyjna nastawacza sprowadza sę do kompensacj: zużyca powerzchn tocznej koła, zużyca wstawek klocków hamulcowych, ugęć poszczególnych elementów (dźwgn, cęgen trójkątów hamulcowych) przekładn hamulcowej. W przypadku zakwalfkowana danej konstrukcj trójkąta hamulcowego do eksploatacj komercyjnej po zakończenu badań ww. ser próbnej trójkąty hamulcowe po przeprowadzenu prób statycznych można zabudować na wózkach wagonów towarowych, przeznaczonych do eksploatacj. W przypadku trójkątów hamulcowych poddanych badanom zmęczenowym zakończonych wynkem pozytywnym obydwa egzemplarze należy złomować. 3. ANALIZA STATYSTYCZNA WYNIKÓW POMIARÓW STATYCZNYCH STRZA- ŁEK UGIĘCIA I ODKSZTAŁCEŃ TRWAŁYCH Analzę statystyczną trójkątów hamulcowych przedstawono na podstawe badań standardowych trójkątów hamulcowych UIC/ERRI wg rys. 5TNb 081111-3-00 (opracowanym przez IPS Tabor ), które zostały przeprowadzone w IPS Tabor. Trójkąt hamulcowy na stanowsku do badań statycznych jest przedstawony na rys. 9, a na stanowsku do badań zmęczenowych na rys. 10. Rys. 9. Trójkąt hamulcowy do ruchu SS na stanowsku do badań statycznych Rys. 10. Trójkąt hamulcowy do ruchu SS na stanowsku do badań zmęczenowych Wynk pomarów strzałek ugęca odkształceń trwałych przedstawono w tabel nr 1. W tabel nr przedstawono parametry statystyczne dające pełnejszą charakterystykę otrzymanych wynków. Odchylene standardowe warancja pomerzonych strzałek ugęca wyraża sę następującym wzoram: σ f f XSR n 1 f X X (1) 1 [ f f f ] σ () v x XSR X n 1 We wzorach (1) () n oznacza lość badanych próbek trójkątów hamulcowych (n8). Analzując wynk przedstawone w tabel nr, odchylene standardowe będące marą rozproszena pomarowych strzałek ugęca rośne zasadnczo wraz ze wzrostem obcążena trójkąta. Poneważ badana strzałek ugęca dostarczyły dosyć dużą lość wynków, analzę statystyczną można rozszerzyć, zajmując sę ustalenem stopna powązana pomędzy zmennym otrzymanym z dośwadczena (korelacja) oraz wyjaśnenem stoty stosunku powązana mędzy zmennym (regresja). Zbór danych do ustalena korelacj regresj (strzałk ugęca) jest przedstawony w tabel nr 3. Nnejsze zagadnene zostało rozwązane dla x oraz lgx (gdze x-obcążene trójkątów), natomast perwotne wartośc x zostaną zakodowane przez podzelene przez 10, aby uproścć dzałana. gdze: N Σk - lość danych x ( k x ) k x (3) N ' 14 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

Obcążene [kn] Zestawene ugęć odkształceń trwałych dla wszystkch trójkątów hamulcowych przebadanych statyczne Tabela nr 1 Trójkąt nr A1 Trójkąt nr A Trójkąt nr A3 Trójkąt nr Trójkąt nr A4 A5 Ugęca [mm] Trójkąt nr A6 Trójkąt nr A7 Trójkąt nr A8 A 0 10kN 0 0 0 0 0 0 0 0 B 1 40 kn 0,45 0,47 0,43 0,44 0,44 0,47 0,49 0,5 A 1 10 kn 0 0 0 0 0 0 0 0 B 80 kn 1,06 1,1 0,99 1,04 1,05 1,08 1,11 1,11 A 10 kn 0 0 0 0 0 0 0 0 B 3 10 kn 1,68 1,73 1,54 1,67 1,65 1,71 1,73 1,71 A 3 10 kn 0,0 0,05 0,04 0,04 0,06 0,05 0,06 0,05 B 4 140 kn 1,99,04 1,83 1,98 1,95,01,05,0 A 4 10 kn 0,04 0,09 0,08 0,07 0,11 0,09 0,1 0,08 B 5 160 kn,8,36,16,3,6,31,36,3 A 5 10 kn 0,09 0,14 0,09 0,10 0,14 0,15 0,16 0,13 B 6 180 kn,55,66,45,6,57,63,65,61 A 6 10 kn 0,15 0,3 0,10 0,15 0,1 0,1 0,3 0, Parametry statystyczne dające pełnejszą charakterystykę otrzymanych wynków z pomarów ugęć odkształceń trwałych Tabela nr Obcążene [kn] Σf x f XSR Σf x σ v A 0 10 kn 0 0 0 0 0 B 1 40 kn 3,69 0,4615 1,7065 0,05319 0,000641 A 1 10 kn 0 0 0 0 0 B 80 kn 8,54 1,0675 9,184 0,04131759 0,001707 A 10 kn 0 0 0 0 0 B 3 10 kn 13,4 1,6775,5394 0,0650714 0,00390714 A 3 10 kn 0,37 0,0465 0,183 0,013047 0,00016964 B 4 140 kn 15,85 1,9815 31,436 0,0650714 0,00475536 A 4 10 kn 0,66 0,085 0,0576 0,0113 0,00045 B 5 160 kn 18,33,915 4,069 0,0635694 0,00404107 A 5 10 kn 1,10 0,15 0,1304 0,077746 0,00077143 B 6 180 kn 0,7,59 53,697 0,06783 0,0046 A 6 10 kn 1,48 0,185 0,89 0,04659859 0,0017143 gdze: σ odchylene standardowe, v warancja. Po wstawenu wartośc lczbowych do wzoru (3) otrzymuje sę: 8 ( ) ( 1+ 4 + 8 + 1 + 16 + 18) + 4 + 8 + 1 + 14 + 16 + 18 ' x 8 1 1917,714 (4) 56 ' ( lgx) k ( lgx) ( k x ) (5) N Po wstawenu wartośc lczbowych do wzoru (5) otrzymuje sę: ' ( lgx) 8 ( 0,6005 + 0,90308 + 1,07918 + 1,1461 + 1,0411 + 1,557 ) 8 ( 0,6005+ 0,90308+ 1,07918+ 1,1461+ 1,0411+ 1,557) 56 9,66743 (6) POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 15

Zbór danych do ustalena korelacj regresj (strzałk ugęca) Tabela nr 3 X [kn] 1 4 8 1 14 16 18 lgx 0 0,06005 0,90308 1,07918 1,461 1,0411 1,557 1 0 0,45 1,06 1,68 1,99,8,55 0 0,47 1,1 1,73,04,36,66 3 0 0,43 0,99 1,54 1,83,16,45 4 0 0,44 1,04 1,67 1,98,3,6 5 0 0,44 1,05 1,65 1,95,6,57 6 0 0,47 1,08 1,71,01,31,63 7 0 0,49 1,11 1,73,05,36,65 8 0 0,5 1,11 1,71,0,3,61 Σy 0 3,69 8,54 13,4 15,85 18,33 0,7 k 8 8 8 8 8 8 8 y 0 0,4615 1,0675 1,6775 1,9815,915,59 ' y ( ( y ) ( y ) N (7) Po wstawenu wartośc lczbowych do wzoru (7) otrzymuje sę: ( ) ( 80,55) 0,45 + 0,47 + 0,43 + 0,44 +... +,61 ' y 44,6717 (8) 56 ' y ( y yy ) y ( yy ) (9) Po wstawenu wartośc lczbowych do wzoru (9) otrzymuje sę: ' y 160,5343 0,4615 3,69 + 1,6775 13,4 + 1,0675 8,54 + 1,9815 15,85 + (10),915 18,33 +,59 0,7 0,137565 ' xy ( ) y y xy k x x y ( k x ) (11) Po wstawenu do wzoru (11) danych lczbowych otrzymuje sę: ' x y 1,0 + 4 3,69 + 8 8( 1+ 4 + 8 + 1 + 14 + 16 18) ' ylgx 56 N 8,54 + 1 13,4 + 14 15,85 + 16 18,33 + 18 0,7 80,55 9,385 y ( lgx y ) ( k logx ) (1) Po wstawenu wartośc lczbowych do wzoru (1) otrzymuje sę: ' y 8 + 1,557 0,7 19,4359 Dla prostej y x: lgx 0,6005 3,69 + 0,90308 8,54 + 1,07918 13,4 + 1,461 15,85 + 1,0411 18,33+ ( 0,6005+ 0,90308+ 1,07918+ 1,1461 + 1,0411+ 1,557) 56 N ' ( x y) ' x ' N 80,55 c (13) 16 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

Po wstawenu wartośc lczbowych, wylczonych na podstawe zależnośc (3) oraz (11) do wzoru (13) otrzymuje sę: ' ( 9,385 ) c 44,5339 1917,714 Dla prostej y lgx: ' ( ylgx) ' (14) c ' ( lgx) Po wstawenu wartośc lczbowych, wylczonych poprzez podstawene zależnośc (6) (1) do wzoru (14) otrzymuje sę: ( 19,4359) ' c 39,07493 (15) 9,66743 Współczynnk nachylena prostych wyznacza sę z wzorów:, xy 9,385 by : x 0,1538 (16), x 1917,714 oraz, xlgx by : x, (lgx) 19,4359,010451 9,66743 (17) Wynk analzy warancyjnej zebrano w tabel nr 4. L.p. Zestawene parametrów analzy warancyjnej Tabela nr 4 Określene parametru Suma kwadratów Ilość stopn swobody Średn kwadrat 1 Prosta y:x Σ c 44,5339 1 44,5339. Prosta y:logx Σ c 39,07493 1 39,07493 3. Resztka od prostej y: ' y x 0,000375 5 0,0000475 Resztka od prostej y:logx 4. 5,459075 5 1,0918415 ' ŷ logx 5. Błąd ΣΣ y 0,137565 49 0,000807 6. Ogółem Σ y 44,6717 55 0,8117 Resztkę od prostej korelacj y:x wyznacza sę ze wzoru: ' ŷ ' ' ' X y y c (18) Po wstawenu wartośc lczbowych do wzoru (18) otrzymuje sę: ' ŷ X 44,6717 0,137565 44,5939 0,000375 Resztka od prostej korelacj y:lgx wyznacza sę ze wzoru: ', ', ŷ ŷ y c lgx (19) Po wstawenu wartośc lczbowych do wzoru (19) otrzymuje sę: ' y ˆ lg x 44,6717 0,137565 39,07493 5,45075 Poneważ resztka od prostej y:lgx ' y ˆ jest wększa od resztk y x lg x ' jest wększa od resztk ' yˆ x y:x to korelacja prostolnowa jest o wele stotnejsza. Korelacja zmennych jest zachowana pommo błędów. Wyraz wolny prostej korelacj strzałek ugęca wynos: a y bx (0) y a b x (1) N 80,55 a 0,1538 10,48571-0,150718 56 Ostateczne równane prostej korelacj: Y 0,1538-0,150718 () Współczynnk korelacj określono ze wzoru: r ' xy ', ( x y ) 0,5 (3) Po wstawenu wartośc lczbowych do wzoru (3) otrzymuje sę: 9,385 r 0,99845678 1917,714 44,6717 Współczynnk korelacj o wartośc 0,99845678 ( 1) pozwala na stwerdzene, że próby potwerdzły duże powązane zmennych. Grance ufnośc współczynnka nachylena prostej najmnejszych kwadratów określono wg wzorów:, (1 r ) y s ( ŷ ) (4) N gdze: s (y ) - warancja dowolnego oszacowana przecętnej wartośc y, N- - lość stopn swobody, służące do określena odchylena standardowego. Po wstawenu wartośc lczbowych do wzoru (4) otrzymuje sę: s (1 0,99845678 ) 44,6717 54 ( ŷ ) 0, 0055198 s ( ŷ) 0,0055198 0,0000133 (5) s (b) ' x 1917,714 s(b)0,001153431,1534 10-3 gdze: s (b) - warancja współczynnka nachylena prostej. POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 17

( ŷ ) s s (y) N s 0,0055198 0,000045558 56 ( y) 0, 00674973 Stosując test t-studenta dla 95% przedzału ufnośc: t(0,05n54),00 95% przedzał ufnośc 80,55 y 1,438 ± 0,00674973 1,445 1,451499 mm 56 95% przedzał ufnośc dla b: 0,1538± 0,1538 0,00115340,1538±0,003068. Wykresy odpowednch prostych przedstawono na rys.11. Analogczną analzę przeprowadzono dla ugęć trwałych. Zbór otrzymanych danych dla potrzeb dalszej analzy przedstawono w tabel nr 5. Rys.11. Prosta korelacj ugęć trójkąta hamulcowego w zależnośc od sły obcążającej Zbór danych do ustalena korelacj regresj (odkształcene trwałe) Tabela nr 5 x kn] 1 4 8 1 14 16 18 lgx 0 0,6005 0,90308 1,07918 1,1461 1,0411 1,557 1 0 0 0 0,0 0,04 0,09 0,15 0 0 0 0,05 0,09 0,14 0,3 3 0 0 0 0,04 0,08 0,09 0,10 4 0 0 0 0,04 0,07 0,10 0,15 5 0 0 0 0,06 0,11 0,14 0,1 6 0 0 0 0,05 0,09 0,15 0,1 7 0 0 0 0,06 0,10 0,16 0,3 8 0 0 0 0,05 0,08 0,13 0,0 Σy 0 0 0 0,37 0,66 1,00 1,48 k 8 8 8 8 8 8 8 y 0 0 0 0,0465 0,085 0,15 0,185 ' x 8 8 ( ) ( 1+ 4 + 8 + 1 + 14 + 16 + 18) 1 + 4 + 8 + 1 + 16 + 18 ' (lg x) 8 ( 0,6005 + 0,90308 + 1,07918 + 1,1461 + 1,0411 + 1,557 ) 8 ( 0,6005 + 090308 + 1,07918 + 1,1461 + 1,0411 + 1,557 ) 56 ( lg x) 8 ( 0,6005 + 0,90308 + 1,07918+ 1,1461 + 1,0411+ 1,557) ' 8 ( 0,6005+ 0,090308+ 1,07918+ 1,1461 + 1,0411+ 1,557) 56 56 9,66743 1917,714 18 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

' y 3,51 ( 0,0 + 0,04 +... + 0, ) 0,759 56 ( 0,37 0,0465 + 0,66 0,085 + 1,0 0,15 + 1,48 0,185) 0,049375 ' y 0,4953 ' 8 xy 1 0,37 + 14 0,66 + 16 1+ 18 1,48 19,157149 ( 1+ 4 + 8 + 1 + 14 + 16 + 18) ' (lgx) 1,07918 0,37 + 1,1461 0,66 + 1,0411 1,00 + 8( 0,6005 + 0,90308 + 1,07918 + 1,0411+ 1,0411+ 1,557) ' y 56 56 1,557 1,48 9,66743 3,51 ( 0,0 + 0,04 +... + 0, ) 0,759814 56 0,37 0,0465 + 0,66 0,085 + 1,0 0,15 + 1,48 0,185 3,51 ( ) 0,049375 8( 1+ 4 + 8 + 1 + 14 + 16 + 18) ' y 0,4953 ' xy 1 0,37 + 14 0,66 + 16 1,00 + 18 1,48 19,157149, y lg x 1,07918 0,37 + 1,1461 0,66 + 1,0411 1,0 + 8 ( 0,6005 + 0,90308 + 0,7918 + 1,1461 + 1,557 1,48) ' c 56 ' ( y lgx) ( ) dla prostej y : x, ( lgx) ( 1,113897814) 9,66743 Współczynnk nachylena prostych wynoszą odpowedno: x y 19,7157149, x 1917,714 ' b y :x ' ylgx (lgx) 1,113897814 9,66743 b y :logx, 0,01080841 0,1151709 56 1,557 1,48 3,51 1,113897814 0,18345 Resztka od prostej korelacj y:x: ' y ˆ 0,759814 0,049375 0, 069414 Resztka od prostej korelacj y:logx:, y ˆ log x 0,759814 0,049375 0,183451 0,1015504 Wynk analzy warancyjnej zebrano w tabel nr 6. 3,51 L.p. Określene parametru Suma kwadratów Ilość stopn swobody Średn kwadrat 1 Prosta y:x Σ c 0,069414 1 0,069414. Prosta y:logx Σ c 0,183451 1 0,183451 ŷ 3. Resztka od prostej y:x Σ x 4. 0,047666574 5 0,009533314 Resztka od prostej y:logx ˆ 0,1015504 5 0,044031 Σ Zestawene wynków analzy warancyjnej Tabela 6 y log x 5. Błąd ΣΣ y 0,049375 49 0,000807 6. Ogółem Σ y 0,759814 55 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 19

Z porównana resztek ' y ' ŷ od prostych y:x oraz y: logx z błędem wynka, że najstotnejsza jest korelacja prostolnowa, która wybrano do dalszej analzy: Wyraz wolny od prostej korelacj ugęć trwałych wynos: a y b x Po podstawenu danych lczbowych otrzymuje sę: y 73 3,51 a b 0,01080941 10,48571 0,044535913 56 7 56 Ostateczna postać prostej korelacj przedstawa sę następująco: y0,010080841 x-0,044535913 Współczynnk korelacj określono ze wzoru (3): 19,7157149 r 0,8580 1917,714 0,759814 Korzystając z tablcy 8. [] można wycągnąć wnosek, że korelacja stneje (dla N50 r0,443), a węc otrzymany współczynnk r jest wększy na pozome prawdopodobeństwa 0,001). Następne ustalono grance ufnośc współczynnka nachylena prostej regresj prostej najmnejszych kwadratów: s (1 0,8580 ) 0,7598814 54 0,001345056 b 7,01487011 10 1917,45 ( ŷ ) 0,001345056 s s 7 () s(b) 0,000837548 8,37548 10 () y s ( y ) N 4 0,001345056 0,000014956 56 Stosując test t-studenta określane t α t 0,005,N54,00 (tablca 6.1 źródła []). W zwązku z powyższym: 95% przedzału ufnośc: y y ±,00 0,0038673 7 N y 0,0667857 1 ± 0,07734654 95% przedzał ufnośc: b 0,01080841±0,07734654 b,01080841± 8,37548 10-4 na b 0,01080841±0,001675096 b,008505745 0,0011955937 Wykres prostej korelacj jest przedstawony na rys.1. Rys. 1. Prosta korelacj ugęć trwałych trójkąta hamulcowego w zależnośc od sły 4. STRZAŁKI UGIĘCIA WYZNACZANE METO- DĄ STATYSTYCZNĄ Jak wynka z przeprowadzonej analzy statystycznej, stneje korelacja prostolnowa pomędzy strzałką ugęca obcążena. Bardzo wysok współczynnk korelacj r0,9984 potwerdza duże powązane zmennych. Korelacja ta jest na pewno lepsza od korelacj logarytmcznej. Strzałk ugęca trójkątów hamulcowych można wyznaczyć metodą statystyczną. Wartość odchylena standardowego spodzewanej wartośc strzałek ugęca dla trójkątów hamulcowych obcążonych odpowedno słą P 1 10 kn oraz słą P 180 kn wynos odpowedno: ( ) 1 x x s ( yˆ ) ( ˆ s y) 1 + + (6) N, x Po wstawenu danych lczbowych otrzymuje sę: 1 ( ) ( 1 10,485) s ŷ 0,0055198 1 + + 56 1917,714 s ( yˆ ) 0,050991396 Poneważ dla sły P 1 10 kn, ŷ 1,677847 mm to spodzewana wartość strzałk ugęca przy 99% przedzale ufnośc wynos: 1,677847±,66 0,0509913961,677847±0,135637 czyl: 1,5410 1,813484, a po zaokrąglenu do dokładnośc pomarowej 1,54 1,81 mm. Poneważ dla P 180 kn, ŷ,5917 mm, to spodzewana wartość strzałk ugęca przy 99% przedzale ufnośc wynos: 0 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

s ( ŷ ) 0,0055198 1 + 1 56 + ( 18 10,485) 1917,714 s ( yˆ ) 0,05170177 a zatem:,5917±,66 0,05170177,5917±0,137577 9 mm, a po zaokrąglenu do dokładnośc pomarowej:,59±0,13 mm. Wartośc spodzewanych strzałek ugęca trójkątów hamulcowych oszacowano na podstawe rozkładu t-studenta. Rozkład ten ne jest rozkładem normalnym, chocaż w pewnych warunkach zblża sę do rozkładu normalnego. Jest to odrębna funkcja matematyczna, zależna od lczby pomarów wykorzystanych do oblczena odchylena standardowego s. Jeśl n jest lczbą elementów w próbkach, wahającą sę od do?, to t ma różny rozkład dla każdej wartośc n, zbeżny do rozkładu normalnego gdy n dąży do neskończonośc. Spodzewana strzałka ugęca dla sły P 180 kn zawera sę w grancach,4545,7965 mm, a po zaokrąglenu do dokładnośc pomarowej,45,7 mm. Wartość t obowązuje dla N56-54 stopn swobody przy prawdopodobeństwe 0,01 (tablca 6.1) []. Odpowedne wynk zebrano w tabel 7 dla prawdopodobeństwa 90%, 95%, 98% oraz 99,9% dla N56 stopn swobody (dla obcążeń trójkąta hamulcowego P 1 10 kn P 10 kn). Wyrażene ts () x można uznać za ocenane dokładnośc pomaru x. Jeśl np. 90%, 95%, 98% podobnych pomarów x wypadne w przedzale x ± ts() x, gdze t jest wzęte na podstawe stotnośc odpowedno 0,1, 0,05 oraz 0,0. Jeśl oznaczy sę grance dokładnośc, zwane zazwyczaj dokładnoścą symbolem l to wówczas otrzymuje sę zależność: ± t s() x (7) l0,95; x 0,05;N 5. WNIOSKI Przedstawona powyżej metoda badań prostej regresj korelacj pomędzy odpowedno obcążenam ugęcam może służyć do oceny powtarzalno- śc stosowanej technolog przez producenta. Jeśl spodzewana strzałka ugęca dla obcążeń, stosowanych w badanach tzn. P 1 10kN oraz P 180 kn dla trójkątów przeznaczonych dla ruchu SS oraz P 1 60 kn oraz P 90 kn cechuje sę małym stopnem rozproszena, można wnoskować, że przyjęta technologa wytwarzana jest prawdłowa. Szczególne jest to stotne w przypadku ultralekkch konstrukcj trójkątów hamulcowych, które mają strzałk ugęca bardzo zblżone do wyznaczonych kryterów. Warto zaznaczyć, że kryterum dopuszczalnej strzałk ugęca jest bardzo ważne z uwag na ogranczene skoku cylndra hamulcowego oraz zdolnośc regulacyjnych nastawaczy skoku klocków hamulcowych. Aby skok cylndra w klasycznych układach dźwgnowych był wystarczający należy uwzględnć wele czynnków jak zużyce wstawek klocków hamulcowych, zużyce sworzn tulejek w układach dźwgnowych, zużyce powerzchn tocznej koła, sprężyste ugęce elementów układu dźwgnowego. LITERATURA 1. Sobaś M.: Trójkąty hamulcowe nowej generacj dla wagonów towarowych. Pojazdy Szynowe nr 3/010.. Volk W.: Statystyka stosowana dla nżynerów. WN-T Warszawa. 1965. 3. Karta UIC 543: Hamulec. Przepsy dotyczące wyposażena wagonów. 13-te wydane ze styczna kwetna 007. 4. Karta UIC 83: Warunk technczne dostawy wstawek klocków hamulcowych z żelwa fosforowego dla pojazdów trakcyjnych wagonów. 5. Karta UIC 833: Warunk technczne na dostawę trójkątów hamulcowych. 3-ce wydane z lutego 004. 6. PN-91/K-88176: Wagony towarowe. Trójkąty hamulcowe. 7. Zagadnene UIC 6-110. Zwalczane hałasu. Zabudowa wstawek z tworzyw kompozytowych. Wytyczne zastosowana V-BKS (LL))-9 te wydane. 8. Zastosowane wstawek klocków hamulcowych z tworzyw sztucznych (V-BKS). Katalog Uszkodzeń. -ge wydane z 14.10.009. 9. Przepsy TSI: Decyzja komsj dotycząca specyfkacj nteroperacyjnośc odnoszącej sę do podsystemu tabor kolejowy wagony towarowe transeuropejskego systemu kole konwencjonalnych z dna 6 lpca 006 r. Dzennk Urzędowy Un Europejskej Zestawene spodzewanych strzałek ugęca na podstawe rozkładu t-studenta Tabela 7 Obcążene ugęce Pozom prawdopodobeństwa 0,90 0,95 0,98 0,99 0,999 t α α0,1 α0,05 α0,0 α0,01 α0,001 1,671,000,390,660 3,450 P 1 10 Ugęce kn [mm] 1,67±0,08 1) 1,67±0,10 1,67±0,1 1,67±0,13 1,67±0,17 P 1 180 Ugęce kn [mm],59±0,08 1),59±0,10,59±0,1,59±0,13,59±0,17 1) wartośc odchylena strzałk ugęca są równe dla sły obcążającej P 1 10 kn oraz P 180 kn, ale dopero po zaokrąglenu do drugego mejsca po przecnku POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 1

prof.dr hab. Inż. Marek Starz dr nż. Adam Mańka Poltechnka Śląska Aerodynamka a termodynamka układu koło kolejowe klocek hamulcowy W publkacj przedstawono podstawy aerodynamk pojazdów szynowych w uproszczonym, autorskm ujęcu, które w sposób loścowy obrazuje układ obcążeń dzałających na skład pocągu w trakce ruchu. W artykule wskazano na zakresy prac prowadzonych w ramach aerodynamk pojazdów szynowych oraz omówono jej specyfczne wykorzystane dla określena ntensywnośc oddawana cepła generowanego w trakce hamowana do otoczena z układu koło kolejowe klocek hamulcowy (KKH). Uzyskany w ten sposób rozkład współczynnka konwekcj jest podstawową welkoścą nezbędną do wykorzystana w trakce modelowana wszelkch zjawsk termcznych w układze KKH. W ramach publkacj przedstawono równeż wynku rozkładu prędkośc strug powetrza dla hamowana lokomotywą EU07 z prędkośc 100 km/h. W artykule przedstawono podstawy aerodynamk pojazdów szynowych w uproszczonym, autorskm ujęcu, które w sposób loścowy obrazuje układ obcążeń dzałających na skład pocągu w trakce ruchu. W artykule wskazano na zakresy prac prowadzonych w ramach aerodynamk pojazdów szynowych oraz omówono jej specyfczne wykorzystane dla określena ntensywnośc oddawana cepła generowanego w trakce hamowana do otoczena z układu koło kolejowe klocek hamulcowy (KKH). Uzyskany w ten sposób rozkład współczynnka konwekcj jest podstawową welkoścą nezbędną do wykorzystana w trakce modelowana wszelkch zjawsk termcznych w układze KKH. W ramach publkacj przedstawono równeż wynku rozkładu prędkośc strug powetrza dla hamowana lokomotywą EU07 z prędkośc 100 km/h. 1. Wstęp Dynamczny rozwój transportu szynowego na śwece oraz slna tendencja zmerzającą ku redukcj kosztów eksploatacj przy zachowanu należytego bezpeczeństwa zmusza konstruktorów do poszukwana nowych rozwązań techncznych, które sprostały by tym wymaganom. Prace zwązane z aerodynamką w transporce szynowym prowadzone są od dawna a wybtnym przykładem nowatorstwa w tej dzedzne jest lokomotywa PM 36 o konstrukcj opracowanej przez profesora Xężopolskego elementach zmnejszających opory aerodynamczne opracowanych przez profesora Zembrzuskego. Ta bardzo nowatorska jak na 1936 rok pośpeszna lokomotywa parowa (Polsce przyznano złoty medal za ten parowóz w 1937 r. na Mędzynarodowej Wystawe Sztuk Technk w Paryżu) o "aerodynamcznym kształce" była zaprojektowana dla prędkośc do 140 [km/h] posadała o 48% mnejszy opór aerodynamczny w porównanu do wersj klasycznej. Fot. 1. Wzualzacja lokomotywy parowej Pm 36 [3] Obecne, w wynku rozwoju metod numerycznych w oblczenach nżynerskch (MES, MEB, CFD), aerodynamką pojazdów szynowych zajmują sę w Polsce różne ośrodk w tym Katedra Transportu Szynowego Poltechnk Śląskej jednak wodącą rolę stanową nadal prace badawcze analtyczne realzowane pod kerunkem profesora W. Gąsowskego [1].. Uproszczona, autorska nterpretacja oporów aerodynamcznych w transporce szynowym Złożony charakter opsu matematycznego przepływu powetrza w otoczenu badanych elementów, w których bazuje sę na równanach Navera-Stokesa POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

powoduje, że newele zagadneń zwązanych z aerodynamką możną rozwązać w sposób analtyczny bez wprowadzana szeregu uproszczeń. Na dowód skal trudnośc w analtycznym podejścu do aerodynamk można przedstawć fakt, że w 000 roku Instytut Matematyczny Claya ogłosł równana Navera-Stokesa jednym z sedmu problemów mlenjnych matematyk zaoferował 1 000 000 dolarów nagrody za podane rozwązana lub kontrprzykładu [4]. Dlatego też, dla poglądowego ale ne tylko jakoścowego a równeż loścowego przedstawena w jak sposób powetrze oddzałuje na jadący pojazd, autorzy artykułu proponują podejśce mechanczne mając oczywśce śwadomość uproszczeń czynonych w ten sposób. Bazując na gęstośc (suchego) powetrza, które w temperaturze 50C przy cśnenu 100 kpa ma wartość ρp 1,168 kg/m3 można myślowo zastąpć "wycnek powetrza" o wymarach 1 1 1 metra cężarkem o mase 1,168 kg "zaweszonym" w środku modelowego sześcanu rys.. Rys.. Interpretacja fzyczna oporów aerodynamcznych Cxc Rys. 3. Interpretacja fzyczna oporów aerodynamcznych - Cxc składowa cśnena (kształtu) czoła składu Take przedstawene oporów ruchu, mmo ż daleke od rozważań akademckch, pomaga w loścowym określenu sł dzałających na czoło pojazdu szynowego w trakce ruchu. Jak wdać na przedstawonym rys. 3 wprawene utrzymane pojazdu w ruchu wymagana cągłej konecznośc pokonywana przez pojazd sł wynkających z potrzeby "odsuwana" mas powetrza z przekroju pojazdu. Jednocześne, jak przedstawono to na rys. 4, ukształtowane czoła składu ma zasadnczy wpływ na rozkład sły aerodynamcznej na wartośc składowej nazywanej oporam aerodynamcznym ruchu Cxc oraz sły docsku pojazdu do szyn podczas jazdy. Należy jednak w tym momence zaznaczyć, że na opory aerodynamczne ruchu opsywane współczynnkem Cx składają sę zawsze dwe składowe, z których jedna wynka z różncy cśneń ukształtowana czoła składu Cxc a druga składowa ma zasadncze znaczene w całach podłużnych w tym w pocągu, w którym tarce lepke Cxt może powodować wększe opory ruchu nż same Cxc. Tą składową oporów ruchu pocągu przedstawono na rys. 4. Rys. 4. Interpretacja fzyczna oporów aerodynamcznych Cxt tarce lepke Dlatego też mówąc o oporach ruchu szczególne w transporce szynowym należy meć na uwadze fakt, że całkowty opór ruchu stanow sumę składowej cśnena (wynkającej z kształtu czoła końca składu) oraz składowej tarca lepkego powetrza o ścany zewnętrzne pojazdu CxCxc+Cxt. Na podstawe prowadzonych dośwadczeń stwerdzono, że optymalny współczynnk wydłużena wynos 3 [-] rys. 5. Należy w tym mejscu zaznaczyć, że projektując skład pocągu szybkego należy z równe dużą starannoścą zaprojektować czoło składu jak konec. Wynka to z faktu tworzena sę podcśnena na tylnej ścane pocągu, które to powoduje słę hamującą proporcjonalną do wartośc cśnena powerzchn na którą dzała. Różnce w geometr czoła końca pocągu w nowoczesnych konstrukcjach pocągów szybkch mają już znaczene estetyczne ne mają wększego wpływu na tak bardzo nske wartośc składowej kształtu oporu ruchu Cxc. Istotne natomast jest ukształtowane dalszej częśc pocągu w tym osłonęce odberaków prądu, wózków jezdnych tp. Równe ważnym czynnkem wpływającym w sposób zasadnczy na opory ruchu a tym samym na wytracaną bezproduktywne energę jest opór "tarca" powetrza o powerzchne boczne pocągu Cxt. Co cekawe, projektowane wytwarzane pojazdów o powerzchn z małym współczynnkem tarca ma znaczene ne tylko estetyczne ale równeż jest uzasadnone ekonomczne, tak samo zresztą jak opłacalne jest myce tych powerzchn pocągu maksymalne co dwa dn robocze (TGV nne koleje szybke). POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 3

wyznaczene rozkładu współczynnka konwekcj w układze koło kolejowe klocek hamulcowy (KKH). To netypowe wykorzystane aerodynamk do wyznaczena ntensywnośc chłodzena układu KKH pozwolło autorom na przeprowadzene blansu energetycznego hamowana pocągu a co za tym dze precyzyjne wyznaczene lośc cepła, która jest generowana w trakce hamowana w strefe styku koła klocka hamulcowego jest przewodzona przez elementy konstrukcj a następne oddawana do otoczena poprzez konwekcję radację. Rys. 5. Interpretacja współczynnków aerodynamcznych Zakłada sę, że analza zjawsk aerodynamcznych optymalzacja kształtu powerzchn pocągu ma znaczene dla pojazdów których prędkość przekracza 10 km/h. Należy tu zaznaczyć, że dla prędkośc do 60 km/h udzał oporów aerodynamcznych jest pomjalny, dla prędkośc do 10 km/h stanow on już od 0-30% oporów ruchu natomast dla 00 km/h opory te wzrastają do 80% całkowtych oporów ruchu [1]. 3. Zwązek aerodynamk z termodynamką w transporce szynowym Wspomnane wcześnej prace mały na celu wyznaczane a w zasadze optymalzację geometr konstrukcj pojazdów szynowych w celu mnmalzacj oporów aerodynamcznych lub odpowednm kształtowanu proporcj pomędzy ch składowym - analogczne jak dla pojazdów wyścgowych, co zostało omówone już w poprzednm rozdzale. Dla przedstawena zwązku pomędzy aerodynamką a układem koło kolejowe klocek hamulcowy (KKH) można wstępne powedzeć, że uzyskany na drodze badań aerodynamcznych rozkład prędkośc strug powetrza ma zasadncze znaczene dla określena ntensywnośc chłodzena układu KKH. Aerodynamka to dzał fzyk a konkretne mechank płynów w ramach którego bada sę analzuje parametry przepływu powetrza (generalne gazów) w otoczenu cała stałego odwrotne. Jednocześne przepływ (stan) powetrza jest równeż przedmotem zanteresowana termodynamk, która tak układ termodynamczny opsuje poprzez znajomość: cśnena (opór aerodynamczny to sła wynkająca z różncy cśneń dzałających na powerzchnę); prędkośc strug powetrza (zmany gęstośc objętośc strug) oraz temperatury. Powyższe welkośc pozwalają na ops termomechanczny otoczena badanego układu. Analza przepływu powetrza wokół pojazdu szynowego jego elementów, oprócz aerodynamcznych oporów ruchu pozwala równeż na wyznaczene rozkładu prędkośc strug powetrza, która z kole pozwolła autorom na dośwadczalne numeryczne 4. Badana aerodynamk otoczena koła kolejowego klocka hamulcowego Jak już wspomnano wcześnej przeprowadzene badań aerodynamk otoczena układu KKH ne ma na celu określena oporu aerodynamcznego wytwarzanego przez te elementy konstrukcj ale pozwala na uzyskane rozkładu prędkośc przepływu powetrza wokół koła klocka hamulcowego co z kole umożlw określene rozkładu współczynnka konwekcj na powerzchnach tych elementów. Wyznaczene rozkładu współczynnka konwekcj dla koła kolejowego wstawk hamulcowej (oraz obsady) jest elementem nezbędnym do dalszych prac zwązanych z modelowanem prowadzenem oblczeń kół kolejowych. Źródła lteraturowe ne podają wartośc współczynnka konwekcj α [W/mK] dla wstawek wykonanych z żelwa P10, a tym bardzej dla wstawek hamulcowych wykonanych z nowych materałów kompozytowych czy speków. Trudno zatem uwzględnć w modelu numerycznym tę welkość (dla analzy przepływu cepła wynkających z nch naprężeń konwekcja jest czynnkem wodącym), ne mówąc już o uwzględnenu wpływu prędkośc strug powetrza temperatury na wartośc współczynnka konwekcj. Brak precyzyjne wyznaczonego rozkładu współczynnka konwekcj dla układu KKH, a w szczególnośc dla koła kolejowego, jest jednym z powodów otrzymywana bardzo dużych rozbeżnośc pomędzy wynkam analzy numerycznej MES rozkładu temperatury naprężeń a wynkam badań dośwadczalnych. Brak rzetelnych danych dotyczących warunków brzegowych a w szczególnośc wartośc współczynnka konwekcj który jest elementem decydującym o wartoścach maksymalnych temperatury jej rozkładze, unemożlwa uzyskane warygodnych wynków oblczeń numerycznych symulacj. Wyznaczene wartośc współczynnka konwekcj w funkcj prędkośc strug powetrza temperatury zwększa unwersalność zastosowana uzyskanych wynków badań, natomast wyznaczene dodatkowo rozkładu prędkośc strug powetrza wokół pojazdu szynowego (w tym przypadku lokomotywy EU07) 4 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

pozwala na bezpośredną aplkację uzyskanych wynków badań dla badanego modelu. Należy jednak zaznaczyć, że prędkośc wyznaczone w poszczególnych mejscach otoczena układu KKH znaczne różną sę od prędkośc ruchu lokomotywy. Zależność ta jest stotna dla budowy model numerycznych, w których ne można przyjąć wartośc współczynnka konwekcj dla prędkośc lokomotywy, lecz dla prędkośc powetrza opływającego modelowaną powerzchnę. Jest to szczególne ważne podczas modelowana elementów lokomotyw, gdze przepływ powetrza wokół układu KKH jest znaczne wolnejszy nż w wagonach (szczególne towarowych), w których struga powetrza dzała bezpośredno na ten układ. Dlatego też podczas analzy modelowana przepływu cepła w układze KKH należy wząć pod uwagę rodzaj pojazdu, a najlepej wyznaczyć dla nego rozkład prędkośc strug powetrza dopero dla tak wyznaczonych prędkośc strug powetrza określać wartośc współczynnka konwekcj. Należy węc wyraźne oddzelć dwa etapy badań: perwszy etap wyznaczana współczynnka konwekcj dla całego zakresu prędkośc strug powetrza temperatury powerzchn próbk oraz drug, w którym wyznaczana jest rzeczywsta prędkość strug powetrza w różnych punktach otoczena układu KKH w funkcj prędkośc ruchu pojazdu. Wynka stąd, że do modelu numerycznego należy wperw określć chwlową prędkość modelowanego pojazdu, następne określć chwlową prędkość strug powetrza w otoczenu wszystkch modelowanych powerzchn, a dopero po tym przypsać dla tych powerzchn wartośc współczynnka konwekcj. Istneje możlwość uwzględnena równeż temperatury powerzchn (np. na podstawe wynków z wcześnejszego kroku analzy przepływu cepła), jednak wpływ temperatury powerzchn cała na wartość współczynnka konwekcj jest znaczne mnejszy nż wpływ prędkośc strug powetrza. Ze względu na brak możlwośc zakupena czujnków, które pozwolły by na pomar prędkośc strug powetrza w otoczenu badanych elementów lokomotywy, opracowany wykonano czujnk rezystancyjne, które następne poddano wzorcowanu w tunelu aerodynamcznym. Czujnk te wykonano jako połączene termopar podłączonych do systemu pomarowego, których zadanem był pomar spadku temperatury w wynku chłodzena czujnka przez strugę powetrza, oraz rezystora, który nagrzewany był przez płynący przez nego prąd (rys. 5 8). Wykonane w ten sposób czujnków pozwolło na ch umeszczene w poblżu badanych powerzchn, w mejscach stotnych z punktu wdzena późnejszej weryfkacj uzyskanych wynków. Dodatkowo, dzęk wykonanym w ten sposób czujnkom pomary są o wele tańsze nż gdyby były wykonane nnym sposobam, co w przypadku 48 punktów pomarowych ne jest bez znaczena. Czujnk te wykonano, a następne ndywdualne wzorcowano w tunelu aerodynamcznym w całym zakrese prędkośc strug powetrza (45 [m/s]) w celu zapewnena dużej dokładnośc pomaru. Dla umożlwena rejestracj, wzualzacj wstępnej analzy merzonych welkośc opracowano autorsk program komputerowy w środowsku Delph Cede Gear. Oprogramowane to poberało dane pomarowe poprzez port USB jako dane z wrtualnego portu COM. Przed przystąpenem do badań zmerzono położene wszystkch czujnków względem elementów konstrukcyjnych. Zarejestrowano równeż temperatury początkowe czujnków po ustablzowanu sę temperatury. Wartość prądu płynącego przez rezystory podłączone równolegle ustalono tak, aby ch temperatura ne przekroczyła 70 0C. W czase prób wzorcowana czujnków w tunelu aerodynamcznym przeprowadzono równeż pomary pozwalające na określene czasu bezwładnośc czujnka, który ustalono na 4 sekundy. Rys. 6. Wdok lokomotywy EU-07 w czase montażu czujnków do badań aerodynamcznych Rys. 7. Wdok rozmeszczena czujnków prędkośc powetrza w otoczenu układu KKH POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 5

Rys. 8. Wdok czujnków umeszczonych w otoczenu układu KKH lokomotywy EU07 110 Prędkość pojazdu [km/h] 100 90 80 70 60 50 40 30 0 10 1:5 1:50 1:48 1:46 1:44 1:4 1:40 1:38 1:36 1:34 1:3 1:30 1:8 1:6 1:4 1: 1:0 1:18 1:16 1:14 1:1 1:10 1:08 1:06 0 Czas Rys. 9. Przebeg prędkośc lokomotywy EU07 podczas badań na szlaku Katowce - Glwce Wynk badań aerodynamcznych lokomotywy EU07 60 /h] powetrza [km Prędkość strug 0 10 0 30 40 50 60 50 40 30 0 10 0 1019 18171615 14 13 100 90 80 70 60 50 40 30 0 10 0 Pręd ko loko ść ruc hu mo [km tywy /h] Dlatego też przebeg badań ustalono tak, aby czas jazdy ze stałą prędkoścą, a zarazem czas pomaru, przekroczył 4 sekundy. W trakce badań eksploatacyjnych czas jazdy z ustaloną prędkoścą był welokrotne dłuższy, by zapewnć ustalene sę temperatury czujnków. Badana przeprowadzono na szlaku Katowce-Glwce dla prędkośc 0 100 km/h - rys. 9. Wykonane badań dla wększych prędkośc ne było możlwe ze względu na ogranczena na szlaku kolejowym. Na podstawe przeprowadzonych badań eksploatacyjnych możlwe było natomast określene prędkośc strug powetrza w 48 punktach pomarowych w funkcj prędkośc ruchu lokomotywy. Na sporządzonym wykrese - rys. 10 wdoczny jest rozkład prędkośc strug powetrza w różnych punktach pomarowych. 1 11 Numer czuj10 9 8 7 6 5 4 3 1 nka Rys. 10. Zależność prędkośc strug powetrza od prędkośc ruchu lokomotywy EU07 w poszczególnych punktach pomarowych 6 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

Dla lokomotywy EU-07 można stwerdzć, że nawet przy prędkośc 100 km/h, prędkość strug powetrza w otoczenu układu hamulcowego koła ne przekracza 0 km/h. Natomast średna prędkość strug powetrza w otoczenu układu KKH jest ponad dzesęcokrotne mnejsza nż prędkość ruchu pojazdu. Wynka to główne z zastosowana spojlerów oraz z ukształtowana lczby elementów konstrukcj otoczena układu KKH lokomotywy. Punkty, w których umejscowono czujnk pomarowe dla wybranego koła lokomotywy, pokazano na rys. 11, gdze przedstawono równeż rozkład prędkośc strug powetrza w otoczenu układu KKH dla prędkośc lokomotywy 100 km/h. Jedyne czujnk nr 6 15 (rys. 11) umeszczone były w poblżu spolera lokomotywy drabnk metalowej. Przepływ powetrza w tych mejscach jest bardzej swobodny nż w przypadku osłonętego układu KKH dlatego prędkośc w tych punktach są znaczne wyższe. Ze względu na brak dodatkowych elementów konstrukcj w wagonach osobowych, tj. slnków, układu przenesena napędu czy spojlera, można przypuszczać, że prędkośc przepływu powetrza w poblżu koła kolejowego wagonu osobowego są zblżone do prędkośc ruchu pojazdu. Kerunek Ruchu 13 11 3 1 4 5 A1 8 16 7 1 1 0 19 18 17 14 9 10 15 6 Nr czujnka 3 1 0 19 18 17 14 13 1 3 4 5 9 11 10 8 16 7 1 15 6 0 10 0 30 40 50 60 Prędkość strug powetrza [km/h] Rys. 11. Rozkład prędkośc strug powetrza w otoczenu układu koło-klocek hamulcowy podczas jazdy z prędkoścą 100 km/h Należy zaznaczyć, że sytuacja taka jest korzystna jeśl berze sę pod uwagę oddawane cepła ze wstawk hamulcowej koła do otoczena, czyl ma sę na uwadze naprężena maksymalne. Jednocześne ntensywne chłodzene elementów układu KKH redukuje temperatury maksymalne równeż w strefe styku, a tym samym, zgodne z prawem Archarda, wpływa korzystane na ntensywność zużyca trących elementów, co jest aktualne kerunkem prac prowadzonych w celu optymalzacj elementów układu KKH w ramach pracy badawczej [5]. Otrzymane wynk badań eksploatacyjnych posłużyły do weryfkacj modelu numerycznego analzy przepływu powetrza CFD w otoczenu układu KKH lokomotywy EU-07 rys. 1. Wyznaczone rozkłady prędkośc strug powetrza w otoczenu układu KKH posłużyły do wyznaczena wartośc średnej prędkośc. Dopero dla tak wyznaczonej prędkośc możlwe jest określene wartośc współczynnka konwekcj. Czynność taką należy powtórzyć dla wszystkch modelowanych powerzchn układu KKH dla całego zakresu prędkośc ruchu pojazdu. Metodyka wyznaczana rozkładu wartośc współczynnka konwekcj dla modelowanych powerzchn układu koło-klocek hamulcowy pokazana została schematyczne na rys. 13. Jak wdać na przedstawonym schemace, dopero znajomość dwóch grup danych, tj.: rozkładu prędkośc strug powetrza wokół układu KKH dla modelowanego pojazdu oraz wartośc współczynnka konwekcj w funkcj prędkośc powetrza temperatury, pozwala na poprawne określene wartośc współczynnka konwekcj w budowanych w Katedrze Transportu Szynowego modelach. Rozkład prędkośc strug powetrza wokół układu KKH można oczywśce wyznaczyć różnym metodam, jednak w artykule przedstawono wynk analzy numerycznej przepływu powetrza CFD zweryfkowanej po wykonanu badań dośwadczalnych podczas jazdy lokomotywą EU07. Na rysunku 14 przedstawono makro do programu ANSYS, napsane w celu umożlwena zadawana współczynnka konwekcj dla poszczególnych elementów skończonych zgodne z wartoścam uzyskanym w analze rozkładu tego współczynnka z badań stanowskowych eksploatacyjnych dla koła lokomotywy EU07. Trudność zadawana obcążeń powerzchnowych bezpośredno na elementy skończone wynka z konecznośc wyselekcjonowana elementów zewnętrznych, a następne zadana współczynnka konwekcj jedyne na te powerzchne elementu, które opsują zewnętrzne powerzchne obcążanej bryły. Ze względu na brak tak specyfcznej procedury w programe ANSYS opracowano makro, w którym problem wyszukwana dla każdego elementu powerzchn zewnętrznych zrealzowano z wykorzystanem funkcj podającej numer elementu sąsednego względem zadanego numeru powerzchn (ANSYS ne posada takej funkcj). 5. Wnosk W artykule przedstawono podstawowe aspekty zwązane z aerodynamką pojazdów szynowych. W autorsk znaczne uproszczony ale loścowy sposób przedstawono zagadnene oporu ruchu wraz z jego składową zwązaną z kształtem czoła końca pocągu oraz tarcem lepkm na powerzchn bocznej składu pocągu. POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 7

.16 1.944 1.78 1.51 1.96 1.08.864.648.43.16 0 0 Prędkość strug powetrza [m/s].04.048.01.036.06 DIS T Układ KKH.07.096.1.084.108.14 E Odległość punktów od powerzchn [m] Rys. 1. Rozkład prędkośc strug powetrza w otoczenu układu koło kolejoweklocek hamulcowy lokomotywy EU07 uzyskany z analzy CFD Rozkład prędkośc strug powetrza (otoczene KKH) T(x, y,z,v) Prędkość lok. EU07 Na podstawe badań aerodynamk lokomotywy EU07 oraz oblczeń numerycznych przepływu CFD w programe Ansys Współczynnk konwekcj (model MES 3D) α α R(x, y) F v Prędkość lok. EU07 Rozkład wartośc wsp. konwekcj w otoczenu układu KKH dla różnych prędkośc lok.eu07 Współczynnk konwekcj (stanowsko) θ α ( θ, T ) a) b) Prędkość strug powetrza Własnośc otrzymane na podstawe badań laboratoryjnych na stanowsku TC-01 ( θ, T ) T T(x, y,z,v) (x, y) T T(x, y,z,v) (x,y) Rys. 13. Schemat wyznaczana rozkładu wartość współczynnka konwekcj dla układu KKH w funkcj prędkośc ruchu wybranego pojazdu szynowego B C Przedstawona w kolejnych rozdzałach metodyka wyznaczana rozkładu współczynnka konwekcj, który jest nezbędny podczas budowy model numerycznych zwązanych z zagadnenam termcznym, może być pomocna przy realzowanu podobnych zadań dla nnych pojazdów szynowych. Przedstawone wynk rozkładu prędkośc strug powetrza uzyskane na podstawe własnych badań aerodynamk lokomotywy EU07 stanową podstawę do dalszych prac zwązanych z optymalzacją układu KKH [5]. Lteratura [1] Gąsowsk W. "Aerodynamka pocągu", WZPITE, Radom, 1998r; [] Baron A. "Zasady oblczeń oporów aerodynamcznych pojazdów szynowych", OBRPS Poznań [3] http://www.max3d.pl/forum/ showthread.php?t65986, 01.04.15; [4] http://www.claymath.org/ mllennum, 01.04.15; [5] Starz M., Mańka A., nn. Sprawozdane roczne pracy badawczej N509 19784, nr PBU- 11/RT4/011 pt.: Optymalzacja konstrukcj układu hamulcowego pojazdu szynowego z uwzględnenem sprzężena zjawsk mechancznych, termcznych aerodynamcznych, luty 01; [6] Mańka A. Starz M. "Analza zjawsk mechancznych termcznych zachodzących w układze koło kolejowe klocek hamulcowy" Monografa, Wydawnctwo - Pracowna Komputerowa Jacka Skalmerskego, Katowce 011 rok. Rys. 14. Autorske makro do programu ANSYS umożlwające zadawane współczynnka konwekcj dla poszczególnych elementów skończonych - a) oraz wynk jego dzałana - b) 8 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

dr nż. Marek Sobaś mgr nż. Tomasz Antkowak mgr nż. Darusz Kalnowsk Instytut Pojazdów Szynowych TABOR w Poznanu Wózek lokomotywy typu 111E W artykule dokonano przeglądu rozwązań wózków europejskch lokomotyw czteroosowych na ch tle przedstawono budowę wózka 111E, przeznaczonego do zabudowy pod lokomotywą elektryczną dwutrakcyjną typu 111Ed, wyprodukowaną przez PESA Bydgoszcz. Przedstawono dane technczne oraz zaprezentowano konstrukcję poszczególnych podukładów podzespołów zabudowanych na wózku 111E. Konstrukcja wózka została opracowana przez Instytut Pojazdów Szynowych Tabor w ramach projektu celowego pt. Unwersalna lokomotywa elektryczna welosystemowa o budowe modułowej na prędkośc powyżej 00 km/h w latach 009-01, fnansowany z budżetu Mnsterstwa Szkolnctwa Wyższego. 1. WSTĘP Ostatna lokomotywa elektryczna czteroosowa projektu produkcj krajowej opuścła bramy wrocławskej fabryk Pafawag w 1997 r. Była to EP09-047, oznaczona symbolem konstrukcyjnym 104Ea. W latach 1998-00 u wrocławskego producenta wytworzono lokomotywy typu 11E (ser EU43) oraz 113E (ser EU11), zaprojektowane we współpracy z ówczesnym Ośrodkem Badawczo-Rozwojowym Pojazdów Szynowych w Poznanu (obecne Instytut Pojazdów Szynowych Tabor ), jednak ne weszły na stan PKP zostały sprzedane zagrancznym przewoźnkom. Dopero w 01 r. na mędzynarodowych targach InnoTrans w Berlne premerę mały dwe lokomotywy elektryczne czteroosowe, zaprojektowane wyprodukowane w kraju welosystemowa E4MSU produkcj Newag Glwce oraz jednosystemowa, dwutrakcyjna 111Ed produkcj PESA Bydgoszcz. Stanową one jedyne perwszy z elementów całej rodzny pojazdów o konstrukcj modułowej, przygotowanej przez obu producentów. 111Ed została wyposażona w dwa wózk -osowe typu 111E, zaprojektowane przez Instytut Pojazdów Szynowych Tabor w Poznanu w ramach projektu celowego pt. Unwersalna lokomotywa elektryczna welosystemowa o budowe modułowej na prędkośc powyżej 00 km/h w latach 009-01, fnansowany z budżetu Mnsterstwa Szkolnctwa Wyższego.. PRZEGLĄD ROZWIĄZAŃ WÓZKÓW NOWOCZESNYCH LOKOMOTYW CZTEROOSIOWYCH.1. Bombarder TRAXX F140 MS Kanadyjsk koncern Bombarder zaprojektował serę lokomotyw elektrycznych spalnowych, bazujących na wspólnym pudle wózkach, różnących sę wyposażenem elektrycznym, oznaczonych jako TRAXX. Konstrukcja pojazdów wywodz sę od jednosystemowej lokomotywy, na kolejach DB oznaczonych jako sera 18. Obecne do ser pojazdów dołączyła lokomotywa hybrydowa, należąca do trakcj elektrycznej, ale wyposażona w dodatkowy agregat prądotwórczy, służący do zaslana slnków na nezelektryfkowanych boczncach. Wdok przykładowej lokomotywy F140 MS z rodzny TRAXX został przedstawony na rys..1, natomast wdok wózka znajduje sę na rys... Rama wózka została wykonana jako płaska dwuobwodowa. Maźnca zestawu kołowego połączona jest z ramą wózka za pomocą prowadnka prostego z przegubam gumowo-metalowym. W I stopnu usprężynowana zastosowano parę sprężyn śrubowych. Do tłumena ruchów ponowych pozomych służą tłumk hydraulczne. Pudło opera sę na dwóch parach sprężyn welkogabarytowych. Sprężyny z każdej z par osadzono wzdłuż ostojncy wózka. Do przenoszena POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 9

Rys..1. Wdok lokomotywy TRAXX F140 MS frmy Bombarder [14] sł pocągowych z wózka na pudło służy cęgło trakcyjne. Slnk z jednej strony przykręcono do środkowej poprzeczncy wózka, a z drugej osadzono na os poprzez łożyska toczne. Rys..4. Wdok wózka lokomotywy ES64F4 [3] Rys... Wdok wózka lokomotywy TRAXX F140 MS [14].. Semens ES64F4 ES64F4 jest perwszym przedstawcelem gamy lokomotyw z rodzny EuroSprnter, zaprojektowanych wyprodukowanych przez Semens Moblty. Perwsze zamówene na 100 sztuk tej lokomotywy złożyły koleje nemecke Deutsche Bahn AG w 1999 r. Lokomotywa charakteryzuje sę maksymalną prędkoścą jazdy 140 km/h przeznaczona jest główne do prowadzena pocągów towarowych zarówno krajowych jak mędzynarodowych. Istneje możlwość podwyższena prędkośc do 160 km/h, co czyn ją atrakcyjną równeż dla przewozów pasażerskch. Wdok lokomotywy oraz wózka zostały przedstawone na rys..3 oraz.4. Rama wózka została wykonana jako przestrzenna dwuobwodowa. Maźnca zestawu kołowego połączona jest z ramą wózka za pomocą prowadnka trójramennego z przegubam gumowo-metalowym. W I stopnu usprężynowana zastosowano parę sprężyn śrubowych. Do tłumena ruchów ponowych pozomych służą tłumk hydraulczne. Pudło opera sę na dwóch parach sprężyn welkogabarytowych, osadzonych w zagłębenu ostojnc. Sprężyny z każdej z par osadzono wzdłuż poprzecznej os wózka. Do przenoszena sł pocągowych z wózka na pudło służy czop skrętu. Slnk z jednej strony przykręcono do środkowej belk skrętowej wózka, a z drugej osadzono na os poprzez łożyska toczne..3. Semens ES64U4 Lokomotywa ES64U4 jest kolejnym przedstawcelem rodzny EuroSprnter, przeznaczonym do pracy unwersalnej. Jednak jej osąg spowodowały, że Rys..3. Wdok lokomotywy EuroSprnter ES64F4 frmy Semens [15] 30 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

Rys..5. Wdok lokomotywy EuroSprnter ES64U4 frmy Semens [15] Rys..6. Wdok wózka oraz zespołu napędowego hamulcowego lokomotywy ES64U4 [3] jest wykorzystywana główne w przewozach pasażerskch. Jeden z wyprodukowanych egzemplarzy lokomotywy oznaczonej jako 116 05-5 w dnu wrześna 006 r. ustanowł rekord prędkośc pojazdu konwencjonalnego. Podczas jazd próbnych w okolcach Norymberg osągnął prędkość 357 km/h. Lokomotywy od 008 r. w lośc 10 sztuk eksploatowane są równeż w Polsce przez przewoźnka PKP Intercty. Wdok lokomotywy ES64U4 oraz wózka zostały przedstawone na rys..5.6. Rama wózka została wykonana jako przestrzenna dwuobwodowa. Maźnca zestawu kołowego połączona jest z ramą wózka za pomocą prowadnka trójramennego z przegubam gumowo-metalowym. W I stopnu usprężynowana zastosowano parę sprężyn śrubowych. Do tłumena ruchów ponowych pozomych służą tłumk hydraulczne. Pudło opera sę na dwóch parach sprężyn welkogabarytowych, osadzonych w zagłębenu podłużnc. Sprężyny z każdej z par osadzono wzdłuż poprzecznej os wózka. Do przenoszena sł pocągowych z wózka na pudło służy czop skrętu z prowadnkem. Napęd lokomotywy ES64U4 jest przenoszony z slnków prądu przemennego poprzez przekładnę zębatą na wał drążony. Jest on połączony ze sprzęgłem sześcocęgłowym, którego cęgna przykręcone są do koła. Głównym hamulcem lokomotywy jest hamulec elektrodynamczny. W przypadku zbyt małej sły hamowana załączany jest hamulec cerny. Z dużym kołem zębatym przekładn połączone jest równeż małe koło zębate wału hamulcowego, na którym znajdują sę dwe wentylowane tarcze hamulcowe z zacskam..4. Semens Vectron Lokomotywy z rodzny Vectron, wyprodukowane przez Semens Moblty są pojazdam unwersalnym, przeznaczonym zarówno do pracy w pocągach pasażerskch jak w towarowych. Wózk wszystkch odman pojazdów zostały przystosowane do prędkośc 00 km/h, nezależne od parametrów lokomotywy. Wózk mogą zostać wyposażone w aktywne tłumk wężykowana, których odpowedne sterowane zmnejsza sły prowadzące podczas przejazdu przez łuk toru, co w konsekwencj pozytywne wpływa na zmnejszene zużyca koła. W 01 r. na targach Innotrans w Berlne mała mejsce premera nowej lokomotywy z rodzny Vectron, zaslanej prądem przemennym wyposażonej dodatkowo w agregat prądotwórczy, umożlwający manewry na nezelektryfkowanych boczncach. Wdok lokomotywy oraz wózka zostały przedstawone na rys..7.8. POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 31

Rys..7. Wdok lokomotywy Vectron DC X4-C0 [15] Rama wózka została wykonana jako przestrzenna dwuobwodowa. Maźnca zestawu kołowego połączona jest z ramą wózka za pomocą prowadnka trójramennego z przegubam gumowo-metalowym. W I stopnu usprężynowana zastosowano parę sprężyn śrubowych. Do tłumena ruchów ponowych pozomych służą tłumk hydraulczne. Pudło opera sę na dwóch parach sprężyn typu flexcol, osadzonych w zagłębenu podłużnc. Sprężyny z każdej z par osadzono wzdłuż poprzecznej os wózka. Do przenoszena sł pocągowych z wózka na pudło służy czop skrętu. Slnk z jednej strony przykręcono do środkowej poprzeczncy wózka, a z drugej osadzono na os poprzez łożyska toczne, umożlwające przesuw os. Podstawowe dane technczne lokomotyw oraz własnośc ch układów begowych zostały przedstawone w tabel.1. Rys..8. Wdok wózka lokomotywy X4-C0 3. LOKOMOTYWA DWUTRAKCYJNA TYPU 111Ed Lokomotywa 111Ed została wyprodukowana w 01 r. przez zakłady PESA w Bydgoszczy jako perwsza z rodzny lokomotyw modułowych Gama, w której znaleźć sę mają pojazdy w różnych konfguracjach, przedstawonych w tabel 3.1. Zestawene podstawowych parametrów nowoczesnych lokomotyw 4-osowych Tabela.1. 3 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

Typ pojazdu Typ lokomotywy Zaslane Układ os Przeznaczene Prędkość maks. Uwag 111Ea elektryczna 3 kv DC Bo Bo towarowa 140 km/h --- 111Eb elektryczna 3 kv DC Bo Bo unwersalna 160 km/h --- 111Ec elektryczna 3 kv DC Bo Bo towarowa 140 km/h 111Ed elektryczna 3 kv DC Bo Bo unwersalna 160 km/h system Marathon system Marathon 111Ee elektryczna 3 kv DC 15 kv 16,7 Hz Bo Bo towarowa 140 km/h --- 111Ef elektryczna 5 kv 50 3 kv H DC 15 kv 16,7 Hz Bo Bo unwersalna 160 km/h --- 5 kv 50 H 111Eg elektryczna 3 kv DC Bo Bo pasażerska 189 km/h --- 111Eh 111DEa 111DEb Podstawowe parametry lokomotyw z rodzny Gama Tabela 3.1. elektryczna spalnowo - elektryczna spalnowo - elektryczna 3 kv DC 15 kv 16,7 Hz 5 kv 50 H Bo Bo pasażerska 189 km/h --- --- Bo Bo towarowa 140 km/h --- --- Bo Bo unwersalna 160 km/h --- Ogólny wdok lokomotywy został przedstawony na rys. 3.1, natomast podstawowe parametry, charakteryzujące opsywany pojazd podano w tabel 3.. 111Ed spośród welu lokomotyw elektrycznych wyróżna sę zabudową dodatkowego agregatu prądotwórczego systemu Marathon (slnk spalnowy Caterpllar C15 ACERT sprzęgnęty z prądncą prądu przemennego typu GLp 500 S4 frmy EMIT Żychln o mocy 40 kva), służącego do zaslana slnków trakcyjnych w przypadku braku napowetrznej sec trakcyjnej. System ten służy do manewrów ze składem wagonowym na końcowych lub początkowych odcnkach pracy trakcyjnej jest przeznaczony główne dla przewoźnków towarowych. Podczas jazdy przy zaslanu z agregatu prądotwórczego maksymalna prędkość ogranczona jest do 40 km/h przy zachowanu pełnej sły pocągowej przy rozruchu. Przy pracy na agregace prądotwórczym lokomotywa może przejechać ok. 40 km. Rys. 3.1. Wdok lokomotywy typu 111Ed POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 33

Podstawowe parametry lokomotywy typu 111Ed Tabela 3.. Podstawowe dane technczne wózka 111E Tabela 4.1. Parametr Jedn. Wartość Układ os - Bo Bo Długość ze zderzakam mm 19 500 Max szerokość mm 3 000 Wysokość (pantograf opuszczony) mm 4 000 Baza lokomotywy mm 10 700 Baza wózka mm 800 Średnca kół nowych / mm 1 50 / 1 170 zużytych Max sła pocągowa kn 300 Max sła hamowana ED kn 150 Masa własna t 80 Masa służbowa t 8 Mnmalny promeń łuku toru, przez który może przejechać lokomotywa m 80 V max km/h 160 V max przy zaslanu agregatem km/h 40 Ilość moc cągła slnków trakcyjnych kw 4 x 1 400 5 600 Rodzaj hamulca - elektrodynamczny ED elektropneumatyczny EP zespolony pneumatyczny lokomotywy sprężynowy postojowy BP Lokomotywa 111Ed po perwszych próbach na torach producenta została skerowana na badana na tor dośwadczalny w Węglewe k. Żmgrodu, należący do Instytutu Kolejnctwa w Warszawe. Po uzyskanu tymczasowego dopuszczena do ruchu, w porozumenu z przewoźnkem towarowym Lotos Kolej pasażerskm PKP Intercty przeszła eksploatację nadzorowaną. Przeznaczene Parametr Wartość lokomotywy rodzny Gama Masa wózka [kg] 17 000 ± 3% Moc slnka [kw] 1 400 Przełożene przekładn 4,808 Baza wózka [mm] 800 Prędkość maksymalna [km/h] 160 Szerokość toru [mm] 450 Średnca koła nowego / zużytego [mm] Ø1 50/ Ø1 170 Szerokość weńca koła [mm] 140 Rozstaw środków maźnc [mm] Usprężynowane Ugęce statyczne usprężynowana I-go II-go stopna dla lok. o mase 8 t [mm] Przesuw poprzeczny wózka względem pudła [mm] Najmnejszy promeń łuku toru przez który może przejechać lokomotywa o baze 10,7m [m] Wymary czopa os [mm] 100 dwustopnowe 34 50 80 Ø160x05 Skrajna wózka wg UIC 505-1 [5] 4. BUDOWA WÓZKA TYPU 111E Wózek 111E umożlwa jazdę dwukerunkową z prędkoścą ne wększą nż 160 km/h. Maksymalny nacsk statyczny zestawu kołowego na tor wynos 01 kn. Eksploatacja wózka jest możlwa w zakrese temperatur otoczena z przedzału -30 C +60 C. Podstawowe dane technczne wózka zostały przedstawone w tabel 4.1. Wzualzację wózka typu 111E przedstawono na rys. 4.1. Procentowe udzały mas wózków w mase całego pojazdu oraz mas częśc konstrukcj krajowej w całkowtej mase częśc zostały przedstawone na rys. 4.. Rys. 4.1. Wzualzacja wózka lokomotywowego typu 111E 34 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

Rys. 4.. Udzał masowy: a) wózków w mase całego pojazdu; b) częśc konstrukcj własnej w całkowtej mase częśc Masa wózków stanow ok. 40% masy całego pojazdu. Komponenty zamawane u poddostawców na ogół skatalogowane stanową 45% masy wózka, a pozostała część stanow masę elementów dedykowanych konstruowanych dla konkretnego typu wózka. Zawarte na rys. 4.. b) dane pokazują trendy w obecne projektowanych konstrukcjach wele komponentów wózka jest skatalogowanych, często gotowych do użyca wymagających tylko odpowednch warunków zabudowy. Do najważnejszych grup, które stanową konstrukcję własną, przeznaczoną do wózka 111E można zalczyć ramę z częścam przyspawanym, zestaw kołowy, usprężynowane I-go IIgo stopna, układ przenesena napędu oraz układ wspornków pasecznc odgarnaczy. Rama wózka została wykonana jako konstrukcja spawana o przekroju zamknętym. Zastosowano zestawy kołowe monoblokowe z kołam o średncy nomnalnej okręgu tocznego równej Ø150mm. Do prowadzena zestawu kołowego służy prowadnk trójramenny. Usprężynowane I stopna zrealzowano poprzez zastosowane stalowych sprężyn śrubowych. W II stopnu usprężynowana zastosowano dwe pary sprężyn welkogabarytowych (po jednej parze na stronę wózka), ułożonych w os wzdłużnej wózka. Do napędu pojazdu służą asynchronczne slnk trakcyjne, z których napęd jest przekazywany poprzez podatne sprzęgło welopłytkowe na przekładnę walcową z nej na zestaw kołowy. Przenesene sły pocągowej zrealzowano za pomocą skośnego cęgła trakcyjnego. Do tłumena drgań ponowych, poprzecznych oraz wężykowana służą tłumk hydraulczne. Hamowane jest realzowane poprzez cztery cylndry hamulcowe, docskające okładzny do tarcz hamulcowych, przykręcanych do kół. Układ wyposażony jest w system przecwpoślzgowy. W maźncach zestawów kołowych znajdują sę bezobsługowe łożyska toczne. Do zabezpeczena wózka przed opadnęcem na tor przy podnoszenu służy układ weszaków. W celu zmnmalzowana zużyca obrzeży kół zastosowano układ smarowana. Na rys. 4.3 przedstawono udzał procentowy mas poszczególnych grup konstrukcyjnych w mase całkowtej wózka. 4.1. Rama wózka Rama wózka stanow konstrukcję spawaną, składającą sę z dwóch ostojnc, połączonych w środku belką skrętową oraz dwema czołowncam. Do budowy ramy zostały wykorzystane elementy wykonane ze stal S355J+N według normy PN-EN 1005- :005(U) [7]. Podstawowe własnośc mechanczne materału zastosowanego do budowy ramy wózka typu 111E zostały podane w tabel 4., a wdok modelu ramy przedstawono na rys. 4.4. Podstawowe dane technczne stal S355J [7] Tabela 4.. Materał Grubość elementu [mm] Granca plastycznośc R e [MPa] Wytrzymałość doraźna R m [MPa] S355J <16 355?16 345 470 630 Rys. 4.3. Procentowy udzał mas poszczególnych zespołów konstrukcyjnych wózka w mase całkowtej wózka W oparcu o wymagana zawarte w norme PN-EN 13749:011 [1] przeprowadzono oblczena wytrzymałośc statycznej zmęczenowej ramy dla nacsku pojedynczego zestawu kołowego na tor równego,5 t. Model oblczenowy ze względu na nesymetryczność obcążeń budowy obejmował całą konstrukcję nośną ramy wózka. POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 35

3 4.. Zestaw kołowy 1 Rys. 4.4. Rama wózka lokomotywowego typu 111E Oznaczena: 1 czołownca, ostojnca, 3 belka skrętowa W modelu oblczenowym uwzględnono wszystke elementy mające wpływ na pracę układu nośnego oraz właścwe zamodelowane wprowadzena odebrana analzowanych obcążeń. Wymary geometryczne kształty poszczególnych elementów przyjęto na podstawe dokumentacj konstrukcyjnej []. Konstrukcja spawana spełna wymagana normy PN-EN 15085-1+A1:013-09E [13]. Po przeprowadzenu analzy wytrzymałoścowej ramy wózka stwerdzono, że pozom naprężeń powstających w rame wózka dla obcążeń określonych w norme PN-EN 13749:011 [1] ne przekracza wartośc dopuszczalnych, co potwerdza dostateczną wytrzymałość ramy dla wszystkch zdefnowanych przypadków. Ze względu na fakt powstawana w procese spawana ramy naprężeń spawalnczych zalecono przeprowadzene odprężana wbracyjnego celem znaczącej redukcj naprężeń spawalnczych. Zabeg ten pozwala na uzyskane stablzacj wymarowej ramy oraz wpływa na podwyższene trwałośc eksploatacyjnej ramy. Naprężena resztkowe w spawanych ramach wózków pojazdów szynowych są neodłączne zwązane z przemanam fazowym w procesach spawana. Występują także przy obróbce mechancznej. Ich występowane wpływa negatywne na stablność wymarową konstrukcj wózka, powodując w długm czase jego odkształcena (odkształcena zwłoczne) a także zwększając podatność na pękane korozję naprężenową. Mejsca koncentracj tych naprężeń stanową karby zmnejszające wytrzymałość zmęczenową [16]. Dlatego też stotą odprężana wbracyjnego jest doprowadzene obrabanego elementu do odkształceń dynamcznych. Stosuje sę w tym celu zabeg zwany odprężanem wbracyjnym rezonansowym, polegający na doprowadzanu elementu do drgań rezonansowych, a węc takch, w których częstotlwość wbratora zgodna jest z częstotlwoścą drgań własnych elementu [16]. Zestaw kołowy został zaprojektowany dla maksymalnego nacsku na tor równego,5 t. Zestaw składa sę z dwóch kół monoblokowych o średncy tocznej Ø150 mm wtłoczonych na oś. Na każdym kole zamontowane są dwe tarcze hamulcowe. Wdok zestawu kołowego do wózka typu 111E został przedstawony na rys. 4.5. Rys. 4.5. Wdok modelu zestawu kołowego wózka lokomotywowego typu 111E Oś zestawu kołowego została wykonana ze stal ulepszanej ceplne, oznaczonej jako EA4T, zgodne z normą PN-EN 1361+A1:011 [9]. Masa os jest równa 59 kg. W środku obrotu os wykonano otwór przelotowy o średncy Ø80 mm. Taka konstrukcja umożlwa przeprowadzene badań defektoskopowych na całej długośc os drążonej, bez konecznośc demontażu zestawu kołowego oraz łożysk. Istnene otworu przelotowego ne wpływa w znaczący sposób na zmnejszene wytrzymałośc os. Badana os drążonej wykonuje sę w całej objętośc materału poprzez głowce wprowadzane do otworu przelotowego. Dostęp do nego jest utrudnony, dlatego też koneczne jest wykonywane badań specjalne przeznaczonym do tego układem, przedstawonym przykładowo w [1]. Badana defektoskopowe os są badanam porównawczym. Otrzymane wynk odnos sę do wynków otrzymanych w badanu wzorców os z określonym nacęcam. Wzorce badawcze zostały określone w normach procedurach. Przed dopuszczenem do badań muszą otrzymać certyfkat, 36 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

wydany przez właścwą jednostkę badawczą [1]. Pomary drążonych os zestawów kołowych pojazdów szynowych przeprowadza sę dwoma głowcam o częstotlwośc pracy MHz kące wprowadzana wązk 45, skerowanym przecwbeżne. Z badanam defektoskopowym os drążonych wąże sę klka problemów [1]. Koneczny jest stablny cągły kontakt głowcy z osą. Najskutecznejszym sposobem na jego zapewnene jest zalane os olejem. Podczas pomarów od mejsca zmany średncy os mogą pojawć sę błędy pomaru, wskazujące na wadę. Aby upewnć sę, że wada ne występuje należy dokonać obrotu os o 360. Wada ne występuje, jeśl przyrząd wskazuje tą samą wartość na całym obwodze. Poprawna dentyfkacja wskazań chwlowego mejsca badana jest możlwa poprzez zewnętrzne pomary odległośc kąta obrotu, ale znaczne wygodnejsze precyzyjne jest zastosowane rozwązana konstrukcyjnego z układem dentyfkacj położena. Dane dentyfkacyjne os zostały nanesone na metalową opaskę, zaweszoną na os. Zapsano na nej nformacje dotyczące numeru zestawu kołowego jego typu, datę montażu zestawu oraz znak właśccela. Na os znajdują sę dwa koła monoblokowe, osadzone poprzez wtłaczane. Wykonano je ze stal ER8, zgodne z normą PN-EN 136+A:011 [10]. Pojedyncze koło posada masę nomnalną 645 kg. W poblżu pasty znajduje sę otwór, w trakce normalnej eksploatacj zabezpeczony korkem. Służy on do stłaczana koła w stane maksymalnego zużyca z os. Wenec koła posada profl S100/h8/e3,5/6,7%, zgodny z normą PN-EN 13715:011+A1 [11]. Do każdego z kół dokręcono za pomocą 18 śrub M1 dwe tarcze hamulcowe, wykonane z żelwa szarego dostarczone przez frmę Knorr-Bremse. Każda z nch posada masę równą 185 kg. Tarcze od strony wewnętrznej posadają użebrowane dla ntensyfkacj przepływu powetrza chłodzącego. 4.3. Zespół napędowy Lokomotywy typu 111Ed zostały wyposażone w zespoły napędowe, składające sę z slnka trakcyjnego, sprzęgła oraz przekładn trakcyjnej. Został on zaprojektowany specjalne dla zastosowana w wózkach nowych lokomotyw typu 111Ed. Wdok zespołu napędowego został przedstawony na rys. 4.6. Moment obrotowy z wału slnka elektrycznego jest przekazywany na podatne sprzęgło welopłytkowe typu SRS1000 frmy Kupplungwerk Dresden. 3 5 Rys. 4.6. Wdok układu napędowego lokomotywy typu 111Ed [4] Oznaczena: 1 slnk trakcyjny typu DKLBZ 4514-4A, podatne sprzęgło welopłytkowe typu SRS1000, 3 przekładna walcowa typu DURUTRAIL RS1--4,81, 4 drążek reakcyjny, 5 oś zestawu kołowego Służy ono do kompensowana przesunęć osowych, promenowych kątowych. Sprzęgło jest połączone z małym kołem zębatym przekładn typu DURUTRAIL RS1--4,81. Moment obrotowy jest przekazywany dalej na duże koło zębate, osadzone na os zestawu kołowego. Do napędu zastosowano elektryczny slnk trakcyjny typu DKLBZ 4514-4A, wyprodukowany przez frmę VEM Sachsenwerk Dresden. Jest to slnk trójfazowy, klatkowy asynchronczny. Podstawowe dane technczne slnka zostały podane w tabel 4.3. Jeden z końców wału wrnka jest połączony z wałem wejścowym przekładn poprzez podatne sprzęgło welopłytkowe. Slnk ne posada własnego przewetrzana do jego chłodzena służy wymuszony przez oddzelne wentylatory obeg powetrza. Na stojane po strone przecwnej do sprzęgła umeszczono 6 czujnków temperatury. Take same czujnk w lośc sztuk znajdują sę w zespole rdzena stojana. Wdok slnka z podzałem na poszczególne podzespoły przedstawono na rys. 4.7. Montaż slnka odbywa sę w dwóch etapach. Najperw poprzez odpowedn wspornk slnk jest osadzany kształtowo w przynależnym gneźdze, znajdującym sę we wspornku przyspawanym do belk skrętowej wózka. Po zakończenu tej operacj slnk przykręca sę do wspornka poprzez 8 śrub M36 z nakrętkam samozabezpeczającym frmy Flag& Hommel w celu unemożlwena ch odkręcana na skutek drgań występujących podczas jazdy. 4 1 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 37

Podstawowe dane technczne slnka DKLBZ 4514-4A Tabela 4.3. Parametr Jedn. Wartość Oznaczene typu - Producent - Izolacja - DKLBZ 4514-4A VEM Sachsenwerk VPI, klasa cepła 00 Wentylacja - wymuszona Stopeń ochrony slnka / skrzyn zacskowej - IP / IP 65 Masa slnka kg 155 kg Moc nomnalna kw 1 400 kw Napęce V 340 V Natężene prądu A 398,6 A Prędkość obrotowa przy mocy nomnalnej Prędkość obrotowa maksymalna obr/mn 1 489 obr/mn 3 700 Częstotlwość prądu Hz 50 Sprawność % 96,77 Współczynnk cosφ - 0,90 Moment obrotowy przy mocy nomnalnej Moment obrotowy maksymalny Nm 8 976 Nm 11 579 Przekładna trakcyjna typu DURUTRAIL RS1--4,81 została wykonana w zakładach Henschel Antrebstechnk Kassel. Jest to jednostopnowa przekładna walcowa o zębach prostych. Podstawowe parametry przekładn zostały przedstawone w tabel 4.4. Podstawowe dane technczne przekładn DURUTRAIL RS1--4,81 Tabela 4.4 Parametr Jedn. Wartość Oznaczene typu - DURUTRAIL RS1--4,81 Producent - Henschel Kassel Przełożene - 4,808 Masa przekładn z osą zestawu kołowego (bez sprzęgła, drążka kg 1496 k j Ilość oleju l j ) l 8 9 Małe koło zębate jest połączone podatnym sprzęgłem welopłytkowym z wałem slnka trakcyjnego, natomast duże koło zębate jest osadzone na os zestawu kołowego. Całość znajduje sę w dwuczęścowej obudowe, wykonanej technką odlewana z żelwa sferodalnego. Część górna jest łączona z częścą dolną poprzez śruby. W tylnej częśc obudowy znajduje sę otwór wlewowy oleju, który służy równeż za wskaźnk pozomu oleju podczas jego uzupełnana. Korek wlewowy jest wyposażony w pręt, posadający właścwośc magnetyczne, służący do wychwytywana zaneczyszczeń oraz produktów zużyca. Dodatkowy otwór nspekcyjny znajduje sę od strony bocznej. W jego poblżu u dołu znajduje sę korek spustowy oleju. Nad tablczką znamonową w poblżu korka wlewowego oraz w poblżu drążka reakcyjnego znajdują sę dodatkowe otwory nspekcyjne, służące do oceny stanu uzębena kół zębatych przekładn. Przekładna z jednej strony opera sę na os zestawu kołowego, a z drugej jest podweszona do ramy wózka za pomocą drążka reakcyjnego. W przegubach drążka znajdują sę elementy gumowometalowe, zapewnające pewną podatność. Właścwośc przegubów gumowo-metalowych zostały przedstawone w tabel 4.5. Rys. 4.7. Wdok slnka trakcyjnego typu DKLBZ 4514-4A z podzałem na podzespoły [4] Oznaczena: 1 stojan, osłony stojana, 3 nadajnk mpulsów, 4 łożyska toczne, 5 wrnk, 6 sprzęgło podatne, 7 skrzynka zacskowa, 8 czujnk temperatury 38 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

Właścwośc przegubów gumowo-metalowych drążka reakcyjnego Tabela 4.5. Parametr Jedn. Wartość Sztywność promenowa kn/mm 56 Sztywność osowa kn/mm 10 Sztywność skrętna kn/mm 10 Sztywność kardanczna kn/mm 75 Dopuszczalny kąt skrętu ± 3 Dopuszczalny moment skręcający Nm/ 60 Tak sposób zaweszena przekładn powoduje zmnejszene masy neusprężynowanej, co w konsekwencj powoduje zmnejszene nekorzystnego oddzaływana na tor. Dla wózka 111E masa neusprężynowana jest równa 3,51 t w przelczenu na pojedynczy zestaw kołowy. Zastosowany zespół napędowy umożlwa jazdę lokomotywy z maksymalną prędkoścą 160 km/h. W celu podwyższena prędkośc do 190 km/h należy zastosować slnk DKLBZ 4515-1 frmy VEM Sachsenwerk Dresden o mocy 1500 kw oraz przekładnę trakcyjną typu Durutral RS1-4,03 frmy Henschel Antrebstechnk Kassel o przełożenu 4,033. Dla koła o średncy okręgu tocznego Ø150 mm dla maksymalnej prędkośc obrotowej slnka elektrycznego równej 3700 obr/mn lokomotywa może osągnąć prędkość maksymalną ok. 16 km/h. 4.4. Usprężynowane I stopna prowadzene zestawu kołowego Wdok układu prowadzena zestawu kołowego oraz usprężynowana I stopna w wózku lokomotywowym typu 111E został przedstawony na rys. 4.8. Rys. 4.8. Układ prowadzena zestawu kołowego oraz usprężynowana I stopna w wózku 111E Zestaw kołowy został osadzony w maźncy produkcj FAG Schwenfurt za pomocą zespołu łożysk walcowych 160x70x170, równeż frmy FAG. W wózku 111E zastosowano trzy rodzaje maźnc, różnących sę wyposażenem dodatkowym: 4 maźnce ze szczotkam uzemającym typu Frost frmy Stemmann Schüttorf, maźnce ze szczotkam uzemającym, czujnkem temperatury prędkośc oraz maźnce ze szczotkam uzemającym, czujnkam temperatury prędkośc oraz nadajnkem prędkoścomerza. Prowadzene zestawu kołowego jest realzowane za pomocą prowadnka trójramennego frmy GMT, przedstawonego na rys. 4.9. Do mocowana prowadnka do ramy wózka maźncy zastosowano przeguby gumowo-metalowe. 1 3 Rys. 4.9. Prowadnk trójramenny zastosowany w wózku lokomotywowym typu 111E Oznaczena: 1 element kuty, trójramenny, przeguby zamocowane do ramy wózka, 3 przegub zamocowany w maźncy Przesunęce ponowe układu prowadzena jest ogranczone regulowanym odbjakem metalowym, zbudowanym pomędzy maźncą a ramą wózka. Zabezpecza to jednocześne zestaw kołowy przed opadnęcem na tor podczas podnoszena wózka. W perwszym stopnu usprężynowana dla każdej maźncy zastosowano parę sprężyn śrubowych, osadzonych w korpuse maźncy. Sprężyny wykonano ze stal sprężynowej 5CrMoV4+HH zgodne z normą PN-EN 10089:005P [8]. Wymagana wysokość sprężyn jest wynkem zastosowana podkładek regulacyjnych. W celu zolacj prądowej pod każdą sprężyną zamontowano podkładk wykonane z materału neprzewodzącego. Ruch wzdłużny maźncy jest unemożlwony dzęk prowadnkow trójramennemu, a ruch poprzeczny ogranczany jest za pomocą odbjaków poprzecznych ne jest regulowany. POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 39

Do wygaszana drgań układu zastosowano ponowy tłumk hydraulczny typu 01.55.635 frmy GEREP Suderburg. Dla zabezpeczena elektrycznego układu zastosowano lnkę uzemającą, łączącą maźncę z ramą wózka. Właścwośc układów I stopna usprężynowana oraz prowadzena zestawu kołowego w wózku 111E zostały przedstawone w tabel 4.6. Właścwośc I stopna usprężynowana prowadzena zestawu w wózku 111E Tabela 4.6. Parametr Jedn. Wartość Średnca pręta sprężyny mm 39 Kerunek zwjana sprężyny - prawy Średnca podzałowa sprężyny mm 19 Średnca zewnętrzna sprężyny mm 58 Średnca wewnętrzna sprężyny mm 180 Całkowta lość zwojów sprężyny - 5 Ilość zwojów czynnych sprężyny - 3,5 Długość sprężyny neobcążonej mm 80 Długość sprężyny pod obcążenem mm 11 Podatność sprężyny mm/kn 1,6 Ugęce sprężyny max. obcążonej mm 93 Mękkość / sztywność usprężynowana I stopna mm/kn kn/mm 0,03 4,943 Sztywność wzdłużna prowadnka kn/mm 7 ± 15% Sztywność poprzeczna prowadnka kn/mm 10 ± 15% Sła tłumena tłumka przy V0,1 m/s Sła tłumena tłumka przy V0,3 m/s Max. przesuw poprzeczny zestawu kołowego względem ramy wózka kn kn 3 mm 10 4.5. Usprężynowane II stopna oparce pudła na wózku Układ usprężynowana II stopna oparca pudła na wózku 111E został przedstawony na rys. 4.10. Pudło lokomotywy opera sę na dwóch parach welkogabarytowych sprężyn śrubowych, osadzonych w gnazdach w rame wózka w pudle. Do ustawana wysokośc sprężyn służą podkładk regulacyjne. Pomędzy ramą wózka a pudłem zabudowano ponowe tłumk hydraulczne typu 63-01.55.636 frmy GEREP (po jednym na stronę) oraz pozome tłumk hydraulczne typu 63-01.55.637, równeż frmy GEREP. Do tłumena ruchów wężyko-wych wózka służą dwa tłumk hydraulczne typu 63-01.85.064 Rys. 4.10. Układ usprężynowana II stopna oparca pudła na wózku 111E frmy GEREP, rozmeszczone względem sebe po przekątnej wózka. Dla lokomotyw o prędkośc maksymalnej wyższej nż 160 km/h stosuje sę 4 tłumk wężykowana. Właścwośc układu II stopna usprężynowana zostały przedstawone w tabel 4.7. Właścwośc II stopna usprężynowana oparca pudła na wózku 111E Tabela 4.7. Parametr Jedn. Wartość Średnca pręta sprężyny mm 5 Kerunek zwjana sprężyny - prawy Średnca podzałowa sprężyny mm 97 Średnca zewnętrzna sprężyny mm 349 Średnca wewnętrzna sprężyny mm 45 Całkowta lość zwojów sprężyny Ilość zwojów czynnych sprężyny Długość sprężyny neobcążonej Długość sprężyny pod obcążenem - 9,5-8 mm 735 mm 570 Podatność sprężyny mm/kn,9 Ugęce sprężyny max. obcążonej Mękkość / sztywność usprężynowana II stopna Sła tłumena tłumka ponowego przy V0,1 m/s Sła tłumena tłumka ponowego przy V0,3 m/s Sła tłumena tłumka pozomego przy V0,1 m/s mm 06 mm/kn kn/mm 0,9333 1,0715 kn 6 kn 9 kn 4 40 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

Sła tłumena tłumka pozomego przy V0,3 m/s Sła tłumena tłumka wężykowana przy V0,001 m/s Sła tłumena tłumka wężykowana przy V0,1 m/s kn 6 kn 1 kn 5 Przesuw poprzeczny wózka względem pudła mm 50 Najwększy luz mędzy ograncznkam obrotu mm 146 Max. kąt skrętu wózka (mędzy ograncznkam) 4 04 15 4.6. Przenesene sł pocągowych wózek pudło Sły pocągowe z ramy wózka na pudło pojazdu są przenoszone poprzez skośne ustawone cęgło trakcyjne. Wdok układu przenesena sł trakcyjnych został przedstawony na rys. 4.11. Rys. 4.11. Układ przenesena sł pocągowych z ramy wózka 111E na pudło lokomotywy Układ przenesena sł trakcyjnych składa sę z cęgła trakcyjnego oraz dwóch czopów, przykręcanych do odpowednch wspornków na rame wózka pudle pojazdu. Każdy z czopów przykręcany jest za pomocą 8 śrub M0, natomast cęgła trakcyjne do każdego z czopów przymocowano poprzez 3 śruby M16, zabezpeczone dodatkowo przed odkręcenem podkładką systemu Nord-Lock. W przypadku uszkodzena jednego z elementów układu stneje możlwość jego wymany. Cęgło trakcyjne jest nachylone pod kątem 8? do pozomu główk szyny. W gnazdach na obu końcach cęgła umeszczono przeguby gumowo-metalowe typu 715 0 frmy Phoenx. Ich podatność umożlwa swobodne ruchu wózka pod pudłem, ogranczone jedyne poprzez układ odbjaków. Cęgła trakcyjne posadają zabezpeczena przed opadnęcem na tor w postac lnek stalowych, dokręcanych do elementów pudła lub ramy wózka. 4.7. Układ hamulcowy Wózek 111E wyposażony jest w hamulce tarczowe uruchamane za pomocą sprężonego powetrza mechanzmów zacskowych. Tarcze hamulcowe zostały przykręcone do kół zestawów kołowych wózka. Okładzny cerne są zgodne z kartą UIC 541-3 [6]. Mechanzmy zacskowe przykręcane są do wspornków przyspawanych do dolnych pasów podłużnc wózka. Przy każdej z os zabudowane są dwa rodzaje cylndrów hamulcowych. Jeden z nch został dodatkowy wyposażony w sprężynowych hamulec postojowy. Mechanzmy zacskowe uruchamane są za pomocą pneumatycznych cylndrów hamulcowych, wyposażonych w mechanzmy samoregulacyjne, które uwzględnają zużyce wstawek cernych tarcz hamulcowych. Mechanzm zacskowy charakteryzuje sę budową modułową składa sę z słownka hamulcowego oraz urządzena regulacyjnego, zależnego od stopna zużyca okładzn cernych tarcz hamulcowych. Hamulec posada zbornk pomocnczy hamulca postojowego zntegrowany w obudowe. Istneje możlwość mechancznego odluźnana zbornka pomocnczego poprzez ręczne uruchamane za pomocą cęgła lub klucza do odluźnana. Dodatkowo dzała układ odluźnana automatycznego zbornka pomocnczego poprzez tłok z czujnkem, który służy do rozpoznawana pęknęca gętkego przewodu cśnenowego (cśnene odhamowana). Dźwgne szczęk zostały wykonane jako konstrukcja segmentowa. Na poprzeczncach wózka umejscowono dźwgne luzowana (po jednej na stronę wózka) do których podłączono 4 lnk odluźnające (dwe na dźwgnę) umejscowono je na podłużncach (po dwe na stronę wózka). Układ odluźnana został przedstawony na rys. 4.1. Zaletą takego rozwązana możlwość odluźnena hamulca z każdej strony pojazdu, poneważ dźwgna luzowana pozwala na jednoczesne uruchomene urządzeń do awaryjnego luzowana w maksymalne czterech urządzenach hamulcowych. Rys. 4.1. Rozmeszczene lnek odluźnających, dźwgn oraz cylndrów hamulcowych na wózku 111E POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 41

4.7. Układ paskowana smarowana obrzeży kół W lokomotywe 111Ed zastosowano układ lkwdacj poślzgu przy rozruchu hamowanu. Jednym z jego elementów jest układ paskowana powerzchn tocznych kół zestawu kołowego. Jego elementem wykonawczym jest podgrzewana dysza z urządzenem paskującym typu C860, dostarczona przez frmę Knorr Bremse. Zbornk pasku został zabudowany w nadwozu pojazdu. W celu zmnejszena zużyca obrzeży kół oraz ustalena kryterum odnowy proflu koła wyłączne zużyca powerzchn tocznej na lokomotywe zabudowano układ smarowana obrzeży kół systemu Raljet frmy Bjur Delmon. Elementem wykonawczym systemu są dysze, zabudowane na wspólnym wspornku z dyszam paskującym. Możlwa jest regulacja ch położena w zależnośc od zużyca zestawu kołowego. Zbornk środka smarnego oraz urządzene sterujące pracą układu zamontowano w nadwozu lokomotywy. Układ smarowana obrzeży kół załącza sę automatyczne po osągnęcu przez pojazd prędkośc mnmalnej, określonej w sterownku. Podczas jazdy w danym kerunku smar natryskwany jest na koła poprzez dysze na zestawach prowadzących wózków, czyl na 1. oraz 3. os lokomotywy, patrząc od kerunku jazdy. Wdok elementów wykonawczych układów paskowana smarowana obrzeży kół został przedstawony na rys. 4.13. Rys. 4.13. Wdok elementów wykonawczych układu paskowana smarowana obrzeży kół wózka 111E 4.9. Wyposażene dodatkowe Poza podstawowym grupam konstrukcyjnym na wózku 111E zabudowano równeż układ przewodów pneumatycznych oraz elektrycznych. W skład układu przewodów pneumatycznych wchodzą przewody powetrzne z rur nerdzewnych, elastyczne przewody przyłączenowe cylndrów hamulcowych układu smarowana obrzeży kół, złączk grodzowe (umeszczone na dolnych pasach czołownc), złączek prostych, kątowych trójnkowych wyposażonych w uszczelnające perścene odcnające oraz z zespołów obejm. Na wózku koneczne było poprowadzene połączeń elektrycznych, doprowadzających zaslane 4V DC do urządzeń, doprowadzających odberających sygnały z czujnków oraz połączeń elektrycznych poszczególnych elementów wózka, tzn.: grzałk dyszy paskującej, urządzeń uzemających na maźncach, czujnków zabudowanych w maźncach oraz do czujnków prędkośc obrotowej na slnku trakcyjnym. Osłony przewodów elektrycznych wykonano z przewodów ochronnych PMA. Wszystke przewody złącza wykonano w klase zolacj IP68. Przewody elektryczne 4V DC są podłączone do gnazda złącza Hartng, zamontowanego na dolnym pase poprzeczncy ramy wózka. Przewody wysokoprądowe urządzeń uzemających (3 kv DC) doprowadzono bezpośredno z pudła lokomotywy do szczotek uszynających, zabudowanych na maźncach. Ponadto na wózku zastosowano połączena elektryczne przewodam uzemającym maźnce z ramą wózka oraz slnk trakcyjne z ramą. W celu podnesena estetyk wykonana wózka wszystke przewody oraz rury w marę możlwośc zostały poprowadzone od strony wewnętrznej lub dolnej. 5. WNIOSKI Wózek 111E został opracowany w celu zastosowana go pod lokomotywam elektrycznym spalnowo-elektrycznym z rodzny Gama. Zastosowane rozwązana umożlwają jazdę z maksymalną prędkoścą 160 km/h. Wózek stanow zwartą, kompaktową konstrukcję, co jest korzystne z punktu wdzena ewentualnego rozmeszczena urządzeń podłogą lokomotywy. Podstawowe elementy wózka jak rama, zestaw kołowy (koła ose), maźnca, sprężyny I stopna wahacz są w stane przeneść obcążena wynkające z nacsku zestawu kołowego na tor równego,5 t. Wózek może obsłużyć rodznę lokomotyw o mase brutto zawerającej sę w przedzale 80 90 t, przy czym wymagane są tylko neznaczne modyfkacje pozostałych elementów tzn. usprężynowana II stopna oraz tłumków 4 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

hydraulcznych (pozomych, ponowych oraz wężykowana). W przypadku budowy lokomotywy o prędkośc 189 km/h koneczna będze wymana układu slnk-przekładna, przy czym przełożene przekładn będze wynosło 4,033. Przy wymane zespołu jego punkty mocowana wspornków na rame pozostaną w tych samych mejscach. Wózek jest wyposażony w hamulce tarczowe, co gwarantuje w przypadku ch użyca nższy pozom emsj hałasu w stosunku do lokomotyw tradycyjnych, posadających hamulce klockowe. Lokomotywa jest wyposażona jako jedna z perwszych pojazdów tego typu w koła monoblokowe ze stal ER8. Wózek 111E wpsuje sę w aktualne tendencje rozwojowe układów begowych lokomotyw lnowych. Jego konstrukcja stanow skok rozwojowy w stosunku do dotychczas projektowanych wózków lokomotywowych w Polsce. Cechują go nowoczesne rozwązana, w nczym ne odbegająca od europejskch standardów, kreowanych przez czołowych producentów taboru. Dzęk swojej unwersalnośc może zostać zabudowany pod każdą z lokomotyw rodzny Gama, produkowanych przez zakłady PESA Bydgoszcz. BIBLIOGRAFIA [1] Mchnowsk Wł., Merzwa J., Machała P., Uchrońsk P., Badane kolejowych zestawów kołowych, materały konferencj DEFEKTOSKOPIE 011, 9 11 lstopada 011, Ostrawa, Czechy [] 111E-0116-3-1, Sprawozdane z analzy wytrzymałośc ramy wózka 111E, praca wewnętrzna IPS Tabor Poznań, nepublkowana, marzec 01 [3] OR-9670, Przegląd badana rozwązań techncznych stosowanych w lokomotywach elektrycznych na prędkość powyżej 00 km/h, praca wewnętrzna IPS Tabor Poznań nepublkowana, grudzeń 009 [4] Dokumentacja konstrukcyjna wózka lokomtywowego typu 111E [5] UIC 505-1 Pojazdy kolejowe. Skrajna pojazdów, maj 006 [6] UIC 541-3 Hamulec. Hamulec tarczowy jego zastosowane. Ogólne warunk dopuszczena okładzn hamulcowych, lstopad 006 [7] PN-EN 1005-:005(U), Wyroby walcowane na gorąco ze stal konstrukcyjnych Część : Warunk technczne dostawy stal nestopowych. [8] PN-EN 10089:005P, Stale walcowane na gorąco na sprężyny ulepszane ceplne Warunk technczne dostawy [9] PN-EN 1361+A1:011, Kolejnctwo Zestawy kołowe wózk Ose Wymagana dotyczące wyrobu [10] PN-EN 136+A:011, Kolejnctwo Zestawy kołowe wózk Koła Wymagana dotyczące wyrobu [11] PN-EN 13715:011+A1, Kolejnctwo Zestawy kołowe wózk Koła Zarysy zewnętrzne weńców kół [1] PN-EN 13749:011, Kolejnctwo Zestawy kołowe wózk Metody określana wymagań konstrukcyjnych dla ram wózków [13] PN-EN 15085-1+A1:013-09E, Kolejnctwo Spawane pojazdów szynowych ch częśc składowych Część 1: Postanowena ogólne [14] Materały reklamowe frmy Bombarder Transportaton [15] Materały reklamowe frmy Semens Moblty [16] Strona nternetowa: www.wbropol.eu (dostęp: 17.10.013) POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 43

mgr nż. Darusz Kalnowsk Instytut Pojazdów Szynowych TABOR Aktualny stan wedzy dotyczący zagadnena bezpeczeństwa przed wykolejenem W artykule przedstawono aktualne nformacje dotyczące bezpeczeństwa przed wykolejenem kolejowych pojazdów szynowych, zebrane na podstawe norm europejskch, opracowań komsj ORE, kart UIC, Techncznych Specyfkacj Interoperacyjnośc oraz przepsów krajowych. Opsano stotę współczynnka bezpeczeństwa przed wykolejenem, sposób do jego oblczenowego wyznaczana oraz metodykę badań dośwadczalnych. 1. Wprowadzene do problematyk Do lat 60. XX weku problemem bezpeczeństwa przed wykolejenem ne zajmowano sę w szerszym zakrese. Dopero po ser wykolejeń krytych wagonów towarowych nowej konstrukcj, charakteryzujących sę zwększoną sztywnoścą w stosunku do dotychczasowych konstrukcj, zaczęto poszukwać rozwązana tego problemu. W tym celu powołano grupę badawczą B55, wchodzącą w skład ORE / ERRI (Offce for Research and Experments of the UIC / European Ral Research Insttute), której efektem pracy był raport Rp.5, określający krytera bezpeczeństwa jazdy wagonów towarowych po torze zwchrowanym. [7] Obecne bezpeczeństwo przed wykolejenem stanow jeden z parametrów sprawdzanych podczas badań homologacyjnych nowego oraz modernzowanego taboru kolejowego. Procedury pomarowe oraz merzone wartośc zostały określone w norme europejskej EN 14363:007, mającej status polskej normy. [4] Poszczególne etapy procedury homologacyjnej kolejowego pojazdu szynowego zostały przedstawone na schemace na rys. 1.1. Cały proces homologacyjny składa sę z trzech głównych etapów. W perwszej kolejnośc dokonuje sę sprawdzena podstawowych parametrów konstrukcyjnych, określonych w dokumentacj projektowej. Jest to etap weryfkacj projektu na zgodność z obowązującym przepsam normam. Po jego przejścu pojazd kerowany jest na próby stacjonarne, które sprawdzają jego przystosowane do jazdy. W ch zakres wchodz pomar momentu obrotowego wózka, pomar statycznych, ponowych nacsków kół na szynę na torze prostym, pomar kołysana pudła oraz określene współczynnka bezpeczeństwa przed wykolejenem. Po zakończenu prób statycznych z wynkem pozytywnym badany pojazd kerowany jest na próby ruchowe. Przeprowadzane są one po uzgodnenach z właśccelem nfrastruktury kolejowej odbywają sę na normalnej ln kolejowej, użytkowanej w prowadzenu rozkładowego ruchu pasażerskego towarowego. Odcnek takej ln pownen spełnać wymagana, określone w norme [4]. Rys. 1.1. Etapy procedury homologacyjnej kolejowego pojazdu szynowego. Opracowano na podstawe [4] Próby begowe przeprowadzane są w dwóch zakresach: pełnym lub ogranczonym. Pełny zakres prób dotyczy pojazdów nowych, w których zastosowano nowe rozwązana technologczne. W przypadku, gdy do badań wyznaczany jest pojazd zmodernzowany, częścowo przebudowany lub będący częścowo zunfkowany z stnejącym już pojazdam, które posadają śwadectwa dopuszczena do ruchu (jak np. w przypadku kolejnej wersj konstrukcyjnej jednego typu wagonu kolejowego) można stosować ogranczony zakres badań. Jednym z elementów prób stacjonarnych jest określene współczynnka bezpeczeństwa przed wykolejenem. Marodajne jest wyznaczene tego współczynnka na torze badawczym (z wchrowatoścą lub bez wchrowatośc) lub na stanowsku badawczym poprzez wyznaczene odcążena koła Q w oparcu o próby wchrowana oraz oblczenowe wyznaczene 44 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

wartośc sły prowadzącej Y. Istneje równeż możlwość oblczenowego określena wartośc współczynnka bezpeczeństwa przed wykolejenem na podstawe znajomośc wybranych parametrów konstrukcyjnych pojazdu. W dalszej częśc artykułu zostane przedstawony aktualny stan wedzy dotyczący bezpeczeństwa przed wykolejenem pojazdów szynowych.. Istota współczynnka bezpeczeństwa przed wykolejenem Podczas wjazdu pojazdu szynowego w łuk toru w marę zmnejszana sę promena krzywej przejścowej toru zmnejsza sę luz pomędzy obrzeżem a główką szyny. Po jego wyczerpanu koło styka sę z szyną w dwóch mejscach na proflu koła. W wynku dalszego zmnejszana sę promena zwększana sę przechyłk toru koło może uneść sę na obrzeżu, tworząc styk jednopunktowy. Układ sł po unesenu koła został przedstawony na rys..1. Q γ W Rys..1. Rozkład sł w jednopunktowym styku koła z szyną. Objaśnena oznaczeń w tekśce. Na rys..1. przedstawono prawe koło zestawu kołowego (1 na rys..1.), poruszające sę po szyne zewnętrznej łuku lewego bez przechyłk ( na rys..1.). Symbolem γ oznaczono kąt pochylena obrzeża koła względem os pozomej. Prostopadle do obrzeża została poprowadzona sła normalna, na rys..1. oznaczona jako N. Prostopadle do nej dzała sła tarca, stanowąca loczyn współczynnka tarca pomędzy materałem koła szyny (na rys.1. oznaczony jako µ) oraz wartośc sły normalnej. Po złożenu wektorów obu sł otrzymuje sę wektor sły wypadkowej, oznaczony jako W. Rzutując słę wypadkową na oś pozomą ponową otrzymuje sę odpowedno: słę prowadzącą Y oraz słę ponowego nacsku Q. Ich stosunek stanow podstawowy parametr charakteryzujący bezpeczeństwo przed wykolejenem danego pojazdu. Po uwzględnenu zależnośc geometrycznych z rys..1. otrzymuje sę następujący wzór: Y Q neb Y N µn N sn γ µ N cos γ N cos γ + µ N sn γ Przekształcając wzór (1) oraz redukując wyrazy podobne otrzymuje sę zależność: (1) Y Q neb tgγ µ 1+ µ tgγ Otrzymany stosunek sły prowadzącej do sły nacsku ponowego, wyrażony wzorem () stanow kryterum bezpeczeństwa przed wykolejenem. Jego przekroczene skutkuje zwększonym prawdopodobeństwem zejśca zestawu kołowego z szyny w rezultace wykolejenem pojazdu. Rzeczywsty stosunek sł prowadzących do sły ponowego nacsku może zostać otrzymany w wynku przeprowadzena znormalzowanych badań danego pojazdu lub oblczenowe wyznaczene na podstawe danych konstrukcyjnych. Metody te zostaną przedstawone w 4. oraz 5. rozdzale nnejszego artykułu. () 3. Wymagana normatywne badań współczynnka przed wykolejenem 3.1. Norma PN-EN 14363:007 Jak wynka ze wzoru () wartość oblczenowego współczynnka bezpeczeństwa przed wykolejenem zależy bezpośredno od współczynnka tarca pomędzy kołem szyną oraz od kąta pochylena obrzeża koła. Dla współczynnka tarca równego 0,36 (wartość określona w norme [4]) oraz obecne stosowanego kąta pochylena obrzeża 70 dla kół nowych otrzymuje sę współczynnk bezpeczeństwa przed wykolejenem równy: 0,8 dla jazdy po torze prostym w normalnych warunkach jazdy dla łuków toru o promenu mn. 300 m, 1, dla jazdy po torze wchrowatym w warunkach quasstatycznych, przy stałej prędkośc jazdy, neprzekraczającej 10 km/h dla łuku toru o promenu 150 m. Współczynnk Y/Q 0,8 dla łuków torów o promenu R? 300 m przyjęto na podstawe pomarów zużyca główk szyny na torach europejskch. W ten sposób określono średn pozom zużyca dla całego kontynentu europejskego na jego podstawe wyznaczono przytoczony współczynnk, który zapewna odpowedn pozom bezpeczeństwa dla przejeżdżających wagonów towarowych przyjęto go za obowązujący w norme europejskej [4]. Norma [4] określa trzy główne metody eksperymentalnego wyznaczana współczynnka bezpeczeństwa przed wykolejenem: przejazd przez tor z odcnkem zwchrowanym, przejazd przez tor bez wchrowatośc oraz pomar wchrowana kół na stanowsku badawczym. Perwszą z metod wyznaczana wartośc stosunku Y/Q jest przejazd przez tor badawczy z określoną wchrowatoścą. W norme [4] określono wymagana, jake mus spełnać odcnek toru, na którym będą przeprowadzane przejazdy badawcze. Tor pownen odzwercedlać normalne warunk typowego toru POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 45

uwzględnając zarys szyny, szerokość stan utrzymana. Łuk toru mus meć stały promeń R150 m. Na łuku pownen znajdować sę odcnek zwchrowany o wchrowatośc 3, położony na fragmence toru ze stałym promenem łuku. Wchrowatość pownna być zrealzowana poprzez zmanę wysokośc położena zewnętrznej szyny. Przykładowy tor badawczy z odcnkem wchrowatym, zgodny z normą [4] przedstawono na rys. 3.1. a) b) Rys. 3.1. Przebeg przykładowego toru badawczego z odcnkem wchrowatym o stałej wchrowatośc 3. a) promeń łuku toru w funkcj długośc toru badawczego b) przechyłka toru w funkcj długośc toru badawczego Na rys 3.1. odcnek o stałej wchrowatośc znajduje sę pomędzy 150 a 180 metrem toru. Badana współczynnka Y/Q należy przeprowadzać w suchych warunkach pogodowych aby uwzględnć najwyższy możlwy współczynnk tarca na styku pary koło-szyna. Pojazd pownen być badany w stane próżnym dla jak najmnejszych nacsków ponowych. Przejazd pownen sę odbywać ze stałą prędkoścą, ne wyższą nż 10 km/h w celu mnmalzowana sły wzdłużnej. W przypadku pojazdu trakcyjnego pownen on być przetaczany ne korzystając z własnego napędu. Przejazd przez tor wchrowaty pownen zostać wykonany przynajmnej 3 razy. W przypadku przekroczena maksymalnego dopuszczalnego współczynnka (Y/Q) obl 1, przy jednoczesnym pozostanu koła na szyne podczas każdego z przejazdów, pownno sę dokonać pomaru unesena koła. Gdy zmerzona wartość jest nższa od 5 mm to warunkowo uznaje sę, że pojazd przeszedł badana ze skutkem pozytywnym. Dla takego przypadku należy dodatkowo dokonać pomaru kąta zarysu zewnętrznego obrzeża, który w każdym mejscu na zaryse ne pownen przekraczać 70. Zmerzony zarys koła dołącza sę do raportu z badań. Ponowne należy sprawdzć czy na proflu koła szyn ne znajdują sę pozostałośc smaru lub wlgoć. Badane po przekroczenu dopuszczalnego Y/Q daje wynk pozytywny gdy podczas 3 przejazdów zostały zachowane powyższe ogranczena. 3.. Technczne specyfkacje nteroperacyjnośc Technczne specyfkacje nteroperacyjnośc (TSI) ne wprowadzają nowych kryterów bezpeczeństwa przed wykolejenem. Wszystke przywołane w nch wartośc mają swoje odzwercedlene w europejskej norme PN-EN 14363:007. TSI [8, 9, 10] ogólne przedstawają kryterum Prudhomme a (opsane w rozdzale 4) jako granczną słę poprzeczną Y oraz wartośc granczne stosunku Y/Q w zależnośc od promena łuku toru, odpowedno 0,8 dla łuków R? 50 m 1, dla łuków R < 50 m. TSI dla kole dużych prędkośc [8] dodatkowo podaje dopuszczalne parametry proflu koła, które muszą być spełnone dla zachowana odpowednego pozomu bezpeczeństwa przed wykolejenem: kąt pochylena obrzeża (γ na rys..1.) pownen wynosć co najmnej 67 kąt powerzchn stożkowej proflów kół pownen zawerać sę w zakrese 3,7 8,5 stożkowatość ekwwalentna pownna przyjmować wartośc ujęte w tabel 3.1. Granczne wartośc stożkowatośc ekwwalentnej dla pojazdów dużych prędkośc [8] Tabela 3.1. V max pojazdu [km/h] Granczna wartość stożkowatośc ekwwalentnej [-] 190 V max 30 0,5 30 < V max 80 0,0 80 V max 300 0,10 V max > 300 0,10 4. Oblczena teoretyczne współczynnka bezpeczeństwa przed wykolejenem Granczna dopuszczalna wchrowatość pojazdu g * lm w odnesenu do rozstawu os obrotu wózków wagonu (lub rozstawu os wagonu dwuosowego) a * wynos: * 5 g lm 7 dla a * < 4 m; (3) * a * 15 g lm + dla 4 m a * 0 m; (4) * a * 5 g lm 3 dla 0 m a * 30 m; (5) * a * 85 g lm dla a * > 30 m; (6) * a Granczna dopuszczalna wchrowatość pojazdu g + lm w odnesenu do rozstawu os wózka a + wynos: 46 POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

+ 5 g lm 7 dla a + < 4 m; (7) + a + 15 g lm + dla a + 4 m; (8) + a Wskutek stnena luzów na ślzgach bocznych sztywnych d ZGI1, d ZGI, d ZGII1, d ZGII zmnejsza sę wchrowatość w odnesenu do bazy pojazdu g*. Iloścowo wyraża sę ją wzorem: g G b b G A d ZGI 1 + d ZGI + d a ZGII 1 * + d ZGII (9) gdze: b A rozstaw okręgów tocznych [mm]; b G odległość os pojedynczego ślzgu bocznego od os wzdłużnej wózka [mm] d ZGI1, d ZGI, d ZGII1, d ZGII luzy na ślzgach bocznych na wózku I oraz II [mm] Wzór (9) obowązuje dla ślzgów bocznych sztywnych. Dla wózków ze ślzgam bocznym sprężystym zmnejszene wchrowatośc oblcza sę w odmenny sposób, który zostane przedstawony w kolejnych publkacjach. Przekrój przykładowego wózka ze ślzgam bocznym sztywnym przedstawono na rys. 4.1. wartość sły poprzecznej, dzałającej na tor, którą należy przyłożyć do toru z równoczesnym jego ponowym obcążenem słą Q 0 aby dokonać jego trwałej deformacj poprzecznej. Współczynnk k 0,85 został przyjęty dla wagonów towarowych z racj dużego rozrzutu wymarów geometrycznych toru, po którym poruszają sę pocąg towarowe. Założono gorszy stan utrzymana ln, po których poruszają sę pocąg prowadzące wagony towarowe. 5. Dośwadczalne wyznaczane stosunku Y/Q 5.1. Wyznaczane stosunku Y/Q na badawczym torze wchrowatym Jedną z metod pomaru współczynnka bezpeczeństwa przed wykolejenem jest przejazd przez tor ze znormalzowanym odcnkem wchrowatym. Wymagana normy [4] podano wcześnej, a przykładowy przebeg toru przedstawono na rys. 3.1. W Polsce jednym z ośrodków, mających do dyspozycj tor wchrowaty jest Instytut Pojazdów Szynowych Tabor w Poznanu. Na rys. 5.1. przedstawono tor z odcnkem wchrowatym, znajdujący sę na terene Instytutu. Rys. 4.1. Przekrój poprzeczny wózka ze ślzgam bocznym sztywnym. Całkowta wchrowatość pojazdu ma wpływ na odcążene koła prowadzącego. Wyraża sę je następująco: * + ( g gg ) c * + ( ) + g c ta a ta( a ) Qrzecz (10) gdze: Q 0 statyczny nacsk pojedynczego koła na szynę na torach prostych bez przechyłk [kn] k 1 dla lokomotyw, zespołów trakcyjnych, wagonów slnkowych osobowych; k 0,85 dla wagonów towarowych []. Wzór (11) nazywany jest kryterum Prudhomme a. Za jego pomocą wyznacza sę granczną Rys. 5.1. Badawczy tor wchrowaty Instytutu Pojazdów Szynowych Tabor w Poznanu. Z obu stron toru do szyn, pomędzy podkładam, przymocowano układ tensometrów, generujących sygnały elektryczne wywołane odkształcenam ponowym poprzecznym. Cały układ chronony jest przed uszkodzenam mechancznym (np. wskutek wykolejena sę pojazdu) metalową osłoną z wyprowadzonym gnazdem na jednej ze ścan. Do gnazda przyłącza sę kable, prowadzące do przetwornka pomarowego, zberającego sygnały ze wszystkch układów tensometrycznych. Fragment toru badawczego z układam tensometrów w metalowych osłonach został przedstawony na rys. 5.. Na podstawe sygnału elektrycznego z układu tensometrów, zberanych przez przetwornk pomarowy, w programe komputerowym wyznaczane są sły prowadzące oraz sły ponowego nacsku dla prawego lewego koła prowadzącego zestawu kołowego. Ich stosunek stanow współczynnk bezpeczeństwa przed POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 47

wykolejenem. Jego przebeg jest rejestrowany równocześne z pozycją pojazdu na torze badawczym. Norma [4] wymaga równeż pomaru unesena koła prowadzącego perwszego zestawu kołowego badanego pojazdu. Czynność tą realzuje sę poprzez montaż specjalnego wspornka do maźncy zestawu kołowego, do którego z kole przykręca sę przetwornk pomarowe. Wdok układu, służącego do pomaru unesena koła został przedstawony na rys. 5.3. posada odcnek prosty łuk o stałym promenu R150 m. Na torze ne stosuje sę krzywych przejścowych przechyłk. Wagon należy ustawć w torze tak, aby koło skrajnego zestawu o najmnejszym nacsku ponowym znajdowało sę na szyne zewnętrznej było kołem prowadzącym. Warunk badań utrzymana toru są dentyczne jak dla przypadku toru badawczego z wchrowatoścą. Podczas przejazdu merzy sę sły prowadzące na obu kołach prowadzącego zestawu kołowego, słę ponowego nacsku wewnętrznego koła zestawu prowadzącego oraz kąt nabegana zestawu prowadzącego. Po dokonanu pomarów, otrzymane wartośc podstawa sę do wzorów (1) oraz (13): Y Q ja Q Y jk,mn ja, med + Q jh (1) ( Y + Y ) h Q jh ja j (13) b Wartość otrzymanego lorazu porównuje sę z wartoścą granczną, przedstawoną w rozdzale 3.1 nnejszego artykułu. A Rys. 5.3. Układ do pomaru unesena koła prowadzącego badanego pojazdu szynowego. Unesene koła prowadzącego powoduje jednoczesne unesene maźncy z przymocowanym do nej mechanzmem pomarowym. Ruch wspornka powoduje obnżene położena pręta z rolką prowadzącą, połączonego z mechanzmem pomarowym przegubowo. Rolka podczas ruchu pojazdu cały czas toczy sę po szyne. Ruch pręta z rolką powoduje ruch tłoczka w urządzenu pomarowym, co generuje mpuls elektryczny, odberany przez przetwornk pomarowy. Sygnał po przetworzenu jest zamenany na nformację o zmane położena koła względem szyny. Z racj różnych odległośc pomędzy maźncą na główką szyny dla różnych pojazdów szynowych przed rozpoczęcem pomarów unesena koła wymagana jest kalbracja zastosowanych urządzeń pomarowych. 5.. Wyznaczane stosunku Y/Q na stanowsku do badana wchrowana na torze badawczym bez przechyłk Wymaga sę aby stanowsko badawcze do wchrowana mało podparce mnmum dwóch zestawów kołowych jednego wózka umożlwało ch podnoszene opuszczane. W ten sposób symulowane jest wchrowane wagonu jednocześne na baze wózka baze wagonu, zgodne ze wzoram (3 8). Po osągnęcu wymaganej wchrowatośc dokonuje sę pomaru sł ponowego nacsku dla wszystkch kół. Następne pojazd kerowany jest na tor badawczy. Tor 48 5.3. Ocena bezpeczeństwa przed wykolejenem na stanowsku do badana wchrowana na stanowsku do pomaru skrętu wózków Metoda oceny bezpeczeństwa na stanowsku do wchrowana może służyć wyłączne do badań pojazdów o konwencjonalnej technolog, posadających dwa wózk dwuosowe z osam o proflu charakteryzującym sę kątem pochylena obrzeży kół w zakrese 68 70. Do oblczeń przyjmuje sę neco nne wartośc wchrowatośc grancznych nż przedstawone uprzedno. Granczna wchrowatość dla wózków g + lm wynos: + g 7 lm dla a + < 5 m; (14) + 0 g lm + a + 3 dla a + 5 m; (15) Granczna wchrowatość dla nadwoza pojazdu wyraża sę następująco: * 0 g lm * a + 3 (16) Badane łącznego wchrowana wózka nadwoza pojazdu należy wykonywać na urządzenu, umożlwającym podnoszene opuszczane mnmum dwóch os jednego wózka pojazdu. Podczas badań merzy sę przemeszczena oraz sły ponowego nacsku poszczególnych kół pojazdu. Na odpowednm stanowsku dokonuje sę równeż pomaru momentu obrotowego wózka. Istotą opsywanej metody badawczej jest wyznaczene stosunku odcążena koła prowadzącego do POJAZDY SZYNOWE NR 4/013

sły ponowego nacsku przy braku wchrowatośc oraz współczynnka X, charakteryzującego zachowane sę wózka na łukach o małym promenu. Granczne welkośc, określone normą [4] zostały przedstawone poprzez wzory (17) (18): Q 0,6 Q X 0 M z, R mn + a Q0 0,1 (17) (18) gdze: Q 0 sła ponowego nacsku pojedynczego koła na szynę na torze płaskm prostym; Q odchyłka od wartośc Q 0 dla warunków maksymalnej wchrowatośc pojazdu; M z,rmn moment potrzebny do obrotu wózka względem nadwoza o kąt φ. Kąt φ dla danego pojazdu oblcza sę według zależnośc (19): * a ϕ (19) Rmn gdze: a * ½ wartośc bazy pojazdu a * [m]; R mn mnmalny promeń łuku, możlwy do przejechana przez dany pojazd [m]. Kąt φ jest wyrażony w radanach. Zależność dla współczynnka X, określona wzorem (18) obowązuje dla wszystkch pojazdów pasażerskch oraz lokomotyw. Dla pojazdów towarowych współczynnk X pownen być mnejszy od wartośc grancznej, przedstawonej na wykrese na rys. 5.4. X [-] 1) położene narożnkowe: oś prowadząca nabega na szynę zewnętrzną łuku, a oś tylna nabega na szynę wewnętrzną. Dla obu os został wyczerpany luz poprzeczny q (na stronę). Położene narożnkowe przedstawono na rys. 6.1. q kerunek ruchu Ω ξ Rys. 6.1. Położene narożnkowe wagonu po wyczerpanu przesuwu os skrajnych. ) położene z tyłu swobodne: oś prowadząca nabega na szynę zewnętrzną łuku z wyczerpanem luzu poprzecznego q, a tylna oś znajduje sę w położenu swobodnym. Położene z tyłu swobodne zostało przedstawone na rys. 6.. kerunek ruchu Ω ξ Rys. 6.. Położene z tyłu swobodne wagonu po wyczerpanu przesuwu os przednej. p 3) położene z przodu swobodne: oś prowadząca znajduje sę w położenu swobodnym, a tylna oś nabega na szynę zewnętrzną. Położene z przodu swobodne zostało przedstawone na rys. 6.3. p x 0 x 0 x x q ε q ε ZAKRES NIEDOPUSZCZALNY ZAKRES DOPUSZCZALNY Q 0 [kn] Rys. 5.4. Granczna wartość współczynnka X dla pojazdów towarowych w zależnośc od nacsku os na tor. [4] 6. Wpływ kąta nabegana na współczynnk Y/Q Dla wagonu (lub wózka) -osowego występuje 5 przypadków położena zestawów kołowych w łuku toru: Rys. 6.3. Położene z przodu swobodne wagonu po wyczerpanu przesuwu os tylnej. 4) położene skrajne zewnętrzne: obe ose wagonu nabegają na szynę zewnętrzną łuku. Położene skrajne zewnętrzne zostało przedstawone na rys. 6.4. POJAZDY SZYNOWE NR 4/013 49