Dobór profili kół i szyn do badań symulacyjnych

W istniejącej infrastrukturze miejskiego taboru szynowego zachodzi duże zróżnicowanie. Dotyczy ono zarówno typów pojazdów eksploatowanych w aglomeracjach miejskich jak i rodzajów torowisk. Pomijając kwestię szerokości toru, która nie we wszystkich miastach odpowiada 1435 mm, w istniejących torowiskach występują różne rodzaje szyn. Stosowane są typowe szyny kolejowe jak np.: UIC60 i UIC49 oraz szyny rowkowe specyficzne dla miejskiej komunikacji tramwajowej. Również zestawy kołowe wyposażone są w koła o różnych profilach. Najczęściej w Polsce są stosowane koła o profilach T i PST. Profil PST jest profilem nowszym i powstał jako modernizacja profilu T.

Badania symulacyjne modeli pojazdów rozpatrywanych w pracy zostaną poprzedzone analizą geometrii trzech par układu koło – szyna. Przedmiotem analizy będą parametry geometryczne punktu kontaktu koła z szyną takie jak promienie krzywizny w punkcie styku oraz promień toczny koła. Parametry te mają, zgodnie z teorią Hertza, ważny wpływ na obliczanie wartości sił stycznych i normalnych działających na koła, a przez to na dynamikę układu.

Przeanalizowane zostaną następujące pary profili:

1. Ri60N – PST, 2. UIC60 – PST, 3. Ri60N – V15.

Poniższe podrozdziały będą poświęcone poszczególnym parom kół i szyn.

4.2.1. Parametry kontaktu między szyną rowkową Ri60N a kołem o profilu PST.

Do wyznaczania parametrów przyjmujemy, że promień toczny koła wynosi nominalnie 0.33 m.

Położenie punktu kontaktu na kole i szynie jest przedstawione na rysunku 4.7.

67

Rys. 4.7. Położenie punktów kontaktu na szynie (rysunek górny) i kole (rysunek dolny).

Położenie punktów odpowiada sytuacji, gdy kąt nabiegania zestawu =0, a jego położenie y względem środka toru zmienia się od -0.015 m do 0.015 m. Zmianom tego położenia towarzyszą zmiany krzywizny profilu koła i szyny pokazane na rysunku 4.8, oraz zmiany promienia tocznego koła (rys. 4.9).

Rys. 4.8a. Zmiany krzywizny profilu szyny odpowiadające zmianom położenia punktu kontaktu.

0 0,009

PARA - SZYNA ROWKOWA RI60n PROFIL KOLA PST 105N POLOZENIA PUNKTU KONTAKTU NA SZYNIE

0 0,008 0,016 0,024 0,032

-0,008

PARA - SZYNA ROWKOWA RI60n PROFIL KOLA PST 105N POLOZENIE PUNKTU KONTAKTU NA KOLE

0 0,003 0,006 0,009 0,012 0,015

PARA - SZYNA ROWKOWA RI60n PROFIL KOLA PST 105N PROMIEN KRZYWIZNY SZYNY W PUNKCIE KONTAKTU

PRAWA SZYNA LEWA SZYNA

68

Rys. 4.8b. Zmiany krzywizny profilu koła odpowiadające zmianom położenia punktu kontaktu.

Rys. 4.9. Zmiany promienia tocznego koła odpowiadające zmianom położenia punktu kontaktu.

W szerokim zakresie przemieszczeń zestawu, od ok. -4 mm do ok. 4 mm parametry kontaktu nie ulegają dużym zmianom. Promień krzywizny profilu koła i szyny pozostają prawie niezmienne a promień toczny koła wynosi ok. 0.33 m. Ekwiwalentna stożkowatość profilu koła jest również niewielka i wynosi =0.05.

Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że zestaw kołowy o profilach PST poruszający się po szynie rowkowej o profilu Ri60n ma „niewielkie” właściwości samosterujące wynikające z jego geometrii.

4.2.2. Parametry kontaktu między szyną rowkową UIC60 a kołem o profilu PST.

Na rysunkach 4.10, 4.11 i 4.12 pokazane są parametry kontaktu dla pary UIC60 i profilu PST analogicznie jak dla pary Ri60n i PST.

0 0,003 0,006 0,009 0,012 0,015

PARA - SZYNA ROWKOWA RI60n PROFIL KOLA PST 105N PROMIEN KRZYWIZNY KOLA W PUNKCIE KONTAKTU

PRAWE KOLO LEWE KOLO

PARA - SZYNA ROWKOWA RI60n PROFIL KOLA PST 105N ZMIANY PROMIENIA TOCZNEGO

PRAWE KOLO LEWE KOLO

69

Rys. 4.10. Położenie punktów kontaktu na szynie (rysunek górny) i kole (rysunek dolny).

Podobnie jak w poprzednim przypadku położenie punktów odpowiada sytuacji, gdy kąt nabiegania zestawu =0, a jego położenie y względem środka toru zmienia się od -0.015 m do 0.015 m.

Rys. 4.11a. Zmiany krzywizny profilu szyny odpowiadające zmianom położenia punktu kontaktu.

0 0,008 0,016 0,024 0,032

-0,008

PARA - SZYNA UIC60 PROFIL KOLA PST 105N POLOZENIA PUNKTU KONTAKTU NA SZYNIE

0 0,009 0,018 0,027

PARA - SZYNA UIC60 PROFIL KOLA PST 105N POLOZENIE PUNKTU KONTAKTU NA KOLE

0 0,003 0,006 0,012 0,015

-0,003

PARA - SZYNA UIC60 PROFIL KOLA PST 105N PROMIEN KRZYWIZNY SZYNY W PUNKCIE KONTAKTU

PRAWA SZYNA LEWA SZYNA

70

Rys. 4.11b. Zmiany krzywizny profilu koła odpowiadające zmianom położenia punktu kontaktu.

Rys. 4.12. Zmiany promienia tocznego koła odpowiadające zmianom położenia punktu kontaktu.

Analiza zmian geometrycznych parametrów kontaktu (w zakresie jak poprzednio, tj. od -4 mm do 4 mm przemieszczeń zestawu) pokazuje zmiany promienia krzywizny szyny przy równoległym braku zmian promienia krzywizny koła i niewielkie zmiany w przebiegu promienia tocznego. W badanym zakresie ekwiwalentna stożkowatość profilu koła wzrosła względem PST i wynosi =0.065.

Ponieważ wraz ze wzrostem ekwiwalentnej stożkowatości rośnie tendencja do przyjmowania przez zestaw pozycji centralnej względem toru można z tego wywnioskować, że para profili UIC60 – PST ma „lepsze” właściwości samocentrujące niż para PST i Ri60N.

4.2.3. Parametry kontaktu między szyną rowkową Ri60N a kołem o profilu V15 z Blackpool.

Położenia punktów kontaktu dla tej pary są przedstawione na rysunku 4.13, zmiany krzywizn na rysunku 4.14, a zmiana promienia tocznego na rysunku 4.15.

0 0,003 0,006 0,009 0,012 0,015

PARA - SZYNA UIC60 PROFIL KOLA PST 105N PROMIEN KRZYWIZNY KOLA W PUNKCIE KONTAKTU

PRAWE KOLO LEWE KOLO

0 0,003 0,006 0,012 0,015

-0,003

PARA - SZYNA UIC60 PROFIL KOLA PST 105N ZMIANY PROMIENIA TOCZNEGO

PRAWE KOLO LEWE KOLO

71

Rys. 4.13. Położenie punktów kontaktu na szynie (rysunek górny) i kole (rysunek dolny).

Rys. 4.14. Zmiany krzywizny profilu szyny (rysunek górny) i koła (rysunek dolny) odpowiadające zmianom położenia punktu kontaktu.

0 0,009

PARA - SZYNA ROWKOWA RI60n PROFIL KOLA BLACKWOOD POLOZENIE PUNKTU KONTAKTU NA SZYNIE

0 0,008 0,016 0,024 0,032

PARA - SZYNA ROWKOWA RI60n PROFIL KOLA BLACKWOOD POLOZENIE PUNKTU KONTAKTU NA KOLE

0 0,003 0,006 0,009 0,012 0,015

PARA - SZYNA ROWKOWA RI60n PROFIL KOLA BLACKWOOD PROMIEN KRZYWIZNY SZYNY W PUNKCIE KONTAKTU

PRAWA SZYNA LEWA SZYNA

PARA - SZYNA ROWKOWA RI60n PROFIL KOLA BLACKWOOD PROMIEN KRZYWIZNY KOLA W PUNKCIE KONTAKTU

PRAWE KOLO LEWE KOLO

72

Rys. 4.15. Zmiany promienia tocznego koła odpowiadające zmianom położenia punktu kontaktu.

Analizując przede wszystkim wyniki zmian promienia tocznego koła zauważyć można istotną zmianę w porównaniu do wyników otrzymanych dla poprzednio rozważanych par.

Najistotniejszą cechą tej pary profili jest kontakt koła z obrzeżem pojawiający się dla większych niż poprzednio wartości przemieszczenia poprzecznego zestawu. Zachodzi on dla przemieszczeń y =~ 6 mm. W badanym zakresie od -6 mm do 6 mm ekwiwalentna stożkowatość profilu koła wynosi =~0.075. Daje to podstawy do stwierdzenia, że para ta ma najlepsze właściwości związane z samocentrowaniem zestawu. Dlatego też zostanie ona użyta w badaniach symulacyjnych pojazdów z wózkami niekonwencjonalnymi.