Eksploatacyjna intensywność zużycia kół kolejowych

(1)

ZESZY TY N A U K O W E PO LITECHN IK I ŚLĄSKIEJ Seria: T R A N SPO R T z. 38

1999 Nr kol. 1433

P iotr A D A M IEC K azim ierz W ITA SZEK M irosław W ITA SZEK

EKSPLOATACYJNA INTENSYWNOŚĆ ZUŻYCIA K ÓŁ KOLEJOW YCH

S treszczenie. W pracy przeprow adzono badania intensyw ności zużycia stali na obręcze kól

kolejow ych i szyny. W yniki tych badań zostały użyte do obliczenia intensyw ności zużycia eksploatacyjnego kół kolejowych. O kreślono zależność tej intensyw ności od poślizgu w zdłużnego w okręgu tocznym , prom ienia łuku toru oraz tw ardości koła i tw ardości szyny.

SERVICE WEAR INTENSITY OF RAIL WHEELS

Sum m ary. In this w ork research o f wear intensity o f tyre and rail steels has been made.

Results o f these experim ents have been used to calculate service w ear intensity o f rail wheels.

The dependence o f the wear intensity on the longitudinal creep in the tread o f the w heel, the track curvature, the wheel and rail hardness have been calculated

1. W STĘP

Para trybologiczna koło kolejow e - szyna należy do skojarzeń pracujących w trudnych w a

runkach. Pow odują one intensyw ne zużycie elem entów tej pary. Zużycie to m a duży w pływ na niezaw odność kół i szyn kolejowych, która decyduje o bezpieczeństw ie jazdy. Zatem problem zużycia kół i szyn kolejow ych ma duże znaczenie w transporcie szynowym.

W artykule przedstaw iono m etodę prognozow ania intensyw ności zużycia kół i szyn kole

jow ych na podstaw ie m odelu zużycia zbudowanego za p o m o cą analizy w ym iarowej.

(2)

40 P. A dam iec, K. W itaszek, M. W itaszek

2. M O D E L ZU ZY CIA

W celu zbudow ania m odelu zużycia wybrano na podstaw ie literatury [1-4] czynniki decy

dujące o intensyw ności zużycia. W ielkości te charakteryzują m ateriał i w arunki w spółpracy elem entów pary ciernej. Jako czynniki m ateriałow e wybrano:

■ skład chem iczny m ateriału koła w yrażony za pom ocą następującego rów now ażnika węgla:

_ 4 • Mn Si

C F —C + --- + — ,

(1)

E 19 10

gdzie: C, M n, Si - odpow iednio zaw artość węgla, m anganu i krzem u w %,

■ tw ardość k o ła H B\ i tw ardość szyny H B 2.

W ybranym i w ielkościam i charakteryzującym i w arunki pracy pary ciernej są:

■ m aksym alny nacisk H ertza po’,

■ poślizg y i prędkość poślizgu v;

■ droga tarcia Z, zw ana rów nież d rogą poślizgu:

l = 2an Y , (2)

a - półoś elipsy styku sprężystego lub połow a szerokości prostokątnego obszaru tego styku w

kierunku prostopadłym do osi koła lub walca, n - ilość obrotów .

Z ałożono, że zużycie liniow e Z je s t funkcją w ybranych param etrów . Z tej funkcji za pom o

cą analizy w ym iarow ej zbudow ano m odel zużycia [2]:

£ - /

/

' i f l L y c "

HB , ’ HB, ’7 ’ E

⁽³⁾

W celu w yznaczenia w artości w spółczynników m odelu przeprow adzono laboratoryjne i eksploatacyjne badania zużycia ściernego. Badania te obejm ow ały stale na obręcze gatunku P54 i P60 oraz stale n a szyny gatunku 900A. Skład chem iczny i tw ardość badanych m ateria

łów podano w tabelach 1 i 2.

T abela 1 Skład chem iczny i tw ardość badanych stali na obręcze

Nr G atunek Składa chem iczny w % Tw ardość

C Mn Si P S HB

1 P54 0,56 0,69 0,22 0,018 0,035 203

2 P54 0,53 0,73 0,22 0,016 0,004 292

3 P60 0,61 0,79 0,30 0,016 0,004 280

4 P60 0.61 0,76 0,29 0,017 0.006 203

(3)

Eksploatacyjna intensyw ność zużycia kół kolejowych 41

Tabela 2 Skład chem iczny i twardość badanych stali na szyny

Nr G atunek Składa chemiczny w % Tw ardość

C Mn Si P S HB

6 900A 0,74 1.09 0,29 0,015 0,015 294

7 900A 0,70 1,09 0,29 0.016 0.016 255

L aboratoryjne badania zużycia ściernego wykonano na stanow isku A m slera, które praco

wało w układzie rolka-rolka, przy tarciu tocznym z poślizgiem .

W spółczynniki m odelu w yznaczono przeprowadzając regresję w yników laboratoryjnych badań zużycia. Przeprow adzono ocenę statystycznej istotności w pływ u poszczególnych zm iennych m odelu na intensyw ność zużycia. Stwierdzono, że brak było podstaw do uznania statystycznej istotności w pływ u rów now ażnika węgla, gdyż w spółczynnik regresji odnoszący się do tej zm iennej rów nał się zero z praw dopodobieństw em 0,97. D latego w dalszych obli

czeniach nie uw zględniano rów now ażnika węgla. Otrzymano następujące rów nanie:

-7 f

l

-

0,00075

^Po

V , 31428

,

>,1,38016 2

l H B J ^{{ H B}

■7^1,03036 (4)

O trzym ane zależności przedstaw iono graficznie na rys. 1 i 2.

c ii>, Wc 111)

00

Maksymalny nacisk Hertza [MPa]

Rys. 1. Z ależność liniow ej intensyw ności zużycia Z /l koła od m aksym alnego nacisku H ertza i poślizgu dla tw ardości koła równej 250 HB i twardości szyny 300 HB

Fig. 1. Linear w ear intensity Z /l of wheel vs. maxim um herzian pressure and creepage for wheel hardness 250 HB and rail hardness 300 HB

(4)

42 P. A dam iec, K. W itaszek, M. W itaszek

■g1 0.05

• i Twardość

kola [HB]

ee .S3 0,04

o 250

'■% O 0.03O T-

>

S 0.02

- - 2 7 5

— 300

- - 3 2 5

— 350

I 0,01 ---'---'--- '--- '... ... ""■-"I

- 1 2 0 0 220 240 260 280 300

Twardość kola [HB]

Rys. 2. Z ależność liniow ej intensyw ności zużycia ZA koła od tw ardości koła i szyny przy m aksym alnym nacisku hertzow skim 500 M Pa i poślizgu 1 %

Fig. 2. L inear w ear intensity ZA o f w heel vs. wheel and rail hardness for m axim um herzian pressure 500 M Pa and creepage 1 %

Z rysunków 1 i 2 w ynika, że liniow a intensyw ność zużycia koła rośnie ze w zrostem naci

sku, poślizgu oraz tw ardości szyny, natom iast m aleje ze w zrostem tw ardości koła.

3. E K SPL O A T A C Y JN A IN T EN SY W N O ŚĆ ZUŻYCIA KÓŁ

P rzebieg koła określa się w kilom etrach przebytych przez pojazd. D latego eksploatacyjna liniow a intensyw ność zużycia koła je s t stosunkiem jeg o zużycia liniow ego do drogi przeje

chanej przez koło. W celu w yznaczenia tej intensyw ności z m odelu zużycia przeliczono drogę tarcia l na drogę przebytą przez koło L:

(5)

gdzie:

(6)

(5)

Eksploatacyjna intensyw ność zużycia kół kolejowych 43

Siły działające pom iędzy kołem a szyną potrzebne do obliczenia m aksym alnego nacisku H ertza w m odelu obliczono:

■ dla pow ierzchni tocznej koła dzieląc ciężar pojazdu przez liczbę kół,

* dla obrzeża z m odelu H eum anna, w którym uw zględniono wpływ siły odśrodkow ej na siły boczne [5],

O bliczenia eksploatacyjnej, liniow ej intensywności zużycia przeprow adzono dla cztero- osiow ego w agonu w ęglarki typu 408W , o masie własnej 19,5 t, ładow ności 60,5 t, rozstaw ie czopów skrętu w ózków 8,5 m i rozstaw ie osi w ózka 2 m. W obliczeniach przyjęto, że szyb

kość ja z d y wynosi 60 km /h. W yznaczono zależność intensyw ności zużycia od poślizgu w zdłużnego w okręgu tocznym , prom ienia łuku toru, m asy w agonu, tw ardości koła i tw ardo

ści szyny (rys. 3-6).

Z rys. 3 i 4 w ynika, że poślizg w zdłużny w okręgu tocznym i masa w agonu m ają znaczący w pływ na eksploatacyjną intensyw ność zużycia kół zarów no w okręgu tocznym , ja k i na obrzeżu. Prom ień łuku ma w pływ na intensyw ność zużycia koła na obrzeżu.

Poślizg wzdłużny w o kręgu tocznym %

Rys. 3. Z ależność eksploatacyjnej, liniowej intensyw ności zużycia kół w agonu w ęglarki typu 408W od poślizgu i prom ienia łuku: 1-w okręgu tocznym , 2-5-na obrzeżu przy pro

m ieniu łuku odpow iednio: 1000, 800, 600 i 400 m

Fig. 3. Service linear w ear intensity o f wheels o f freight w agon type 408W vs. creepage and curve radius: 1-wear o f the tread, 2-5-w ear o f flange by curve radius respectively 1000.

800, 600 and 400 m

(6)

44 P. A damiec, K. W itaszek, M. W itaszek

Masa w a g o n u [t]

Rys. 4. Z ależność eksploatacyjnej, liniow ej intensyw ności zużycia kół w agonu w ęglarki typu 4 0 8 W od m asy w agonu i prom ienia łuku: 1-w okręgu tocznym , 2-5-na obrzeżu przy prom ieniu łuku odpow iednio: 1000, 800, 600 i 400 m; poślizg w zdłużny kół w okręgu tocznym wynosi 1 %

Fig. 4. S ervice linear w ear intensity o f w heels o f freight wagon type 408W vs. w agon m ass and curve radius: 1-wear o f the tread, 2-5-w ear o f flange by curve radius respectively 1000, 800, 600 and 400 m; longitudinal creepage o f the tread 1%

T w a rd o ść kota [HB]

Rys. 5. Z ależność eksploatacyjnej, liniowej intensyw ności zużycia kół w agonu w ęglarki typu 4 0 8 W od tw ardości koła i prom ienia łuku: 1-w okręgu tocznym , 2-5-na obrzeżu przy prom ieniu łuku odpow iednio: 1000, 800, 600 i 400 m; poślizg w zdłużny kół w okręgu tocznym w ynosi 1 %

Fig. 5. S ervice linear w ear intensity o f wheels o f freight w agon type 408W vs. w heel hardness and curve radius: 1-wear o f the tread, 2-5-w ear o f flange by curve radius respectively

1000, 800, 600 and 400 m; longitudinal creepage o f the tread 1%

(7)

E ksploatacyjna intensyw ność zużycia kół kolejowych 45

T w a rdo ść szyny [HB1

Rys. 6. Z ależność eksploatacyjnej, liniow ej intensyw ności zużycia kół w agonu w ęglarki typu 408W od tw ardości szyny i prom ienia łuku: 1-w okręgu tocznym , 2-5-na obrzeżu przy p rom ieniu łuku odpow iednio: 1000, 800, 600 i 400 m; poślizg w zdłużny kół w okręgu tocznym wynosi 1 %

Fig. 6. Service linear w ear intensity o f w heels o f freight wagon type 408W vs. rail hardness and curve radius: 1-wear o f the tread, 2-5-wear o f flange by curve radius respectively

1000, 800, 600 and 400 m; longitudinal creepage o f the tread 1%

4. U W A G I I W N IO SK I K O Ń CO W E

O bliczenia przeprow adzone w pracy wykazały, że m atem atyczny m odel zużycia, w ykorzy

stujący analizę w ym iarow ą param etrów m ateriałowych i eksploatacyjnych um ożliw ia oblicze

nie intensyw ności zużycia kół kolejowych. Param etrami m ateriałow ym i w ystarczającym i do w yznaczania intensyw ności zużycia kół kolejowych są tw ardości koła i szyny. W zrost tw ar

dości kół pow oduje spadek intensyw ności ich zużycia, natom iast w zrost tw ardości szyn wy

w ołuje skutek przeciw ny. W arunki w spółpracy elem entów pary ciernej koło-szyna charakte

ryzuje m aksym alny nacisk hertzow ski i poślizg. Ich w zrost w yw ołuje zw iększenie się inten

sywności zużycia kół.

M asa pojazdu w pływ a na w artości sił działających pom iędzy kołem a szyną, a zatem i na n a cisk hertzow ski w tej parze ciernej. W zrost masy pojazdu pow oduje w zrost intensyw ności zużycia kół zarów no na pow ierzchni tocznej, ja k i na obrzeżu. W ażnym czynnikiem w pływ a

jącym na zużycie obrzeży kół jest prom ień łuku toru. Prom ień ten w pływ a na w ielkość siły działającej pom iędzy obrzeżem a bokiem główki szyny. W zrost prom ienia łuku toru pow o

duje spadek w artości tej siły i co za tym idzie - eksploatacyjnej, liniowej intensyw ności zuży

cia.

(8)

46 P. Adamiec, K. W itaszek. M. W itaszek

L iteratura

1. A dam iec P ., W itaszek M., W itaszek K.: Intensyw ność zużycia stali n a obręcze kół kolejo

wych. Z eszyty N aukow e Politechniki Śląskiej, s. Transport, z. 30, G liw ice 1998, s. 71-78.

2. A dam iec P., W itaszek M ., W itaszek K.: M odelow anie zużycia przy tarciu tocznym z poślizgiem . V I Sem inarium N aukow e "Nowe technologie i m ateriały w m etalurgii i inżynierii m ateriałow ej, K atow ice, 17. 05. 1998, s. 178-181.

3. W itaszek M ., W itaszek K., A dam iec P.: O kreślanie trw ałości kół kolejow ych m etodam i laboratoryjnym i. Zeszyty N aukow e Politechniki Śląskiej, s. Transport, z. 33, G liw ice

1998, s. 255-266.

4. Clayton P.: T he relations betw een w ear behaviour and basic m aterial properties for pearlitic steels. W ear, 60 (1980) p. 75-93.

5. B ujnosov A .P., A gapov E.V., Cichalevskij I.S.: D vizenije kolesnoj pary lokom otiva po krivom u ucastku puti. K onstrukcionno technologiceskie obespecenie nadeżnosti koles re l’sovyh ekipazej. S bom ik naucnych trudov. Sankt-Peterburg, 1997, s. 127-135.

Recenzent: Prof. dr hab. inż. Paw eł Piec

W płynęło do R edakcji: 15.10.1999 r.

A bstract

The p aper presents the m ethod o f calculating the w ear intensity o f rails and w heels based on the w ear m odel constructed w ith the help of dim ensional analysis. The calculations carried out during the research proved that the m athem atical model o f the w ear, using the dim ensional analysis o f the m aterial properties and service param eters m akes possible the calculation of the w ear intensity o f the railw ay wheels. The m aterial property sufficient to determ ine the w ear intensity o f rail w heels is the hardness o f w heels and rails. T he w orking conditions o f the tribological w heel/rail system is characterized by m axim um H ertzian pressure and creep.