Ś o t^ T R A N S P O R T z. 48 N r kol. 1604
Marcin K RU PA, H enryk B Ą K O W S K I
OCENA ZUŻYCIA SZYN KOLEJOWYCH PRZY TARCIU TOCZNO - ŚLIZGOWYM
Streszczenie. W p racy przeprow adzono badania zużycia próbek ze stali szynow ej w gatunku 900A obrabianej cieplnie na stanow isku badaw czym A m slera. A nalizow ano zm iany struktury w arstw y w ierzchniej w zależności od drogi toczenia.
A S S E S S M E N T O F R A I L S ’ W E A R D U R IN G R O L L IN G - S L ID IN G FRICTIO N
Sum m ary. This w o rk presents results o f w ear tests o f heat trated rail steel grade 900A. These tests have been carried out on A m sler m achine. M icrostructural changes de
pending on rolling distance have been analysed.
1. W STĘP
Transport kolejow y w brew w ielu w cześniejszym prognozom odgryw a w ciąż zn aczn ą rolę w gospodarkach p oszczególnych krajów . R osnąca prędkość pociągów , zw iększana m asa przew ożonych tow arów p o w o d u ją w zrost atrakcyjności tego środka transportu. Jednakże w zrastające obciążenia w transporcie szynow ym w pływ ają na zużycie eksploatacyjne szyn, podstawow ego elem entu naw ierzchni kolejow ej.
Szynom kolejow ym staw iane są coraz w yższe w ym agania dotyczące zarów no param etrów metalurgicznych, ja k i w łaściw ości m echanicznych i cech geom etrycznych. W rezultacie w prow adzenia m etod w ytw arzania stali, takich jak : proces konw ektorow o-tlenow y, odtlenia- nie bez użycia alum inium oraz odgazow anie próżniow e, uzyskano znaczne ograniczenie za
wartości w odoru, zm niejszenie ilości w trąceń niem etalicznych i ujednorodnienie składu che
micznego. W w yniku zabiegów obróbki cieplnej poprzez rozdrobnienie struktury perlitycznej otrzymano w ysoką w ytrzym ałość i tw ardość szyn.
M imo w ysokich p aram etrów w ytrzym ałościow ych gw arantow anych przez producentów szyny należą do w yrobów hutniczych, których zużycie eksploatacyjne je s t ciągłym proble
mem w św iatow ym kolejnictw ie. D latego konieczne się staje przeprow adzenie badań m ają
cych na celu poznanie charakteru ich zużycia, gdyż są elem entem odpow iadającym za b ezp ie
czeństwo transportu kolejow ego.
2. CEL I Z A K R ES P R A C Y
Celem pracy było określenie form y zużyw ania się stali o strukturze perlitycznej podczas pracy w w ęźle tarcia typu ro lk a - rolka. W ęzeł ten m odeluje parę c iern ą koła pojazdu szyno
wego - szyna [1,2]. O bciążenie rolek zostało tak dobrane, aby uzyskane m aksym alne naciski H ertza odpow iadały naciskom pow stającym pom iędzy kołam i w agonów pasażerskich a szy
nami.
B adania przeprow adzono w ykorzystując próbki w ykonane ze stali szynow ej w gatunku 900A obrobionej cieplnie. D o b ó r średnic próbki i przeciw próbki um ożliw ił uzyskanie pośli
zgu 0,29% , przy obciążeniu 200 N. U zyskano w ten sposób nacisk ok. 260 M Pa, który p o zw olił na otrzym anie zużycia zm ęczeniow ego pow ierzchni.
Zakres pracy obejm uje:
badania m odelow e n a stanow isku A m slera, badania m etalograficzne n a m ikroskopie św ietlnym . 3. M E TO D Y K A B A D A Ń
3.1. M ateriały stosow ane w badaniach
Do badań w ykorzystano stal szynow ą w gatunku 900A obro b io n ą cieplnie o składzie chem icznym i w łasnościach m echanicznych podanych w tablicach 1 i 2. Z arów no skład che
m iczny, ja k i w łasności tej stali są zgodne z w ym aganiam i karty U IC 860.
T ablica 1 ______________ A n aliza w ytopow a szyny U IC 60 ze stali w gatunku 900A _____ _________
c % Mn % S i% P % S % C r % Ni % Cu % AI %
0,730 1,040 0,300 0,019 0,013 0 , 0 2 0 0 , 0 1 0 0,030 0,003
T ablica 2 W łasności m echanicznych stali w gatunku 900A obrabianej cieplni__________
Re, M Pa R m , M Pa A5, % K C U , J /cm ż HB
750 1230 13,6 31 356
Przeciw próbka w y konana zo stała ze stali łożyskowej Ł H 15 o tw ardości 62 H RC.
W ym iary próbek i p rzeciw próbek zestaw iono w tablicy 3. Średnice rolek zostały tak do
brane, aby uzyskać o d p o w ied n ią w artość poślizgu ( 7 = 0,29% ).
T ablica 3 Średnice zew nętrzne próbki i przeciw próbki um ożliw iające uzyskanie odpow iedniego
poślizgu Średnica próbki
d„ [mm]
Średnica przeciw próbki dr |m m |
Szerokość prób. i przeciw pr.
a [mm]
44 39,97 1 0
Sposób w ytoczenia próbki z głów ki szyny przedstaw ia rys. 1.
Rys. 1. Schem at sposobu w y cin an ia próbek z szyny Fig. 1. Schem e o f specim en m achining from rails
3.2. U rządzenia b ad aw cze
Do badań w ykorzystano stanow isko badaw cze A m sler. U kład b ad aw czy tw o rzą dw ie rolki toczące się w zajem n ie po sobie rys.2. Prędkość kątow a dolnej rolki je s t 1,104 razy większa niż górnej. Prędkości liniow e na obw odzie rolek oraz poślizg m ożna dodatkow o re
gulować poprzez odpow iedni dobór ich średnic.
Rys. 2. Schem at układu badaw czego n a stanow isku A m slera Fig. 2. Schem e o f research system on A m sler m achinę
Rolki um ocow ane są n a dw óch obracających się w ałkach: dolnym i górnym . N a w ałku górnym m ocow ano p ró b k ę w y k o n an ą z badanego m ateriału, natom iast na w ałku dolnym przeciwpróbkę. R olki dociskane są do siebie za pom ocą m echanizm u sprężynow ego. W trak
cie badań rejestrow ano siłę tarcia pom iędzy p ró b k ą a przeciw próbką.
W badaniach w y korzystano rów nież w agę laboratoryjną do p om iaru zu ży cia w agow ego o dokładności do 0 , 0 0 0 1 g o raz m ikroskop św ietlny i kam erę um ożliw iające w ykonanie zdjęć powierzchni oraz w arstw y podpow ierzchniow ej próbki.
3.3. Param etry badań
Badania prow adzono p rz y następujących param etrach:
prędkość o brotow a 2 0 0 obr/m in,
- obciążenie 200 N,
Próbka oraz p rzeciw p ró b k ą są napędzane oddzielnie, dlatego poślizg p om iędzy badanym i rolkami je st funkcją param etrów geom etrycznych (prom ieni rolek). P rzełożenie pom iędzy wałkiem dolnym a górnym rów ne je s t 1,104. D latego do obliczenia poślizgu w ykorzystano następującą zależność [3,4]:
Ri - prom ień p rzeciw próbki w m m , R2- prom ień próbki w m m , 7- p o ślizg w %.
W celu obliczenia m aksym alnych nacisków H erza po n a pow ierzchni b adanych próbek za
stosowano em piryczny w z ó r [3,4]:
poślizg nacisk
0,29 %, 258 MPa.
gdzie:
gdzie:
Q - siła docisku = 200N , E - m odui Y ounga = 2* 105 M Pa, Ri - prom ień przeciw próbki w mm , R.2 - prom ień próbki w m m , a - szerokość styku = 1 0 mm .
4. W Y NIKI B A D A Ń
M odelow anie zużycia n a stanow isku A m slera przeprow adzono w seriach badaw czych po 4000 cykli (obrotów próbki). K ażdorazow o po zakończeniu serii dem ontow ano próbkę, a na
stępnie w ażono i rejestrow ano stan pow ierzchni tocznej za p om ocą m ikroskopu św ietlnego oraz kam ery (rys. 3).
a ) b )
Rys. 3. Stan pow ierzchni tocznej próbki po 100 000 cykli - w idoczne m ikropęknięcia: a - po
w iększenie 30x, b - pow iększenie 150x
Fig. 3. M ikrocracks on rolling surface o f specim en after 100 000 revolutions: a - m agnifica
tion 30x, b - m agnification 150x
W yniki badań oraz zaobserw ow ane zm iany próbki zapisyw ano w karcie pom iarow ej za
w ierającej num er serii, stan liczn ik a obrotów , liczbę cykli, w agę próbki, siłę tarcia oraz uw a
gi-
Po zakończeniu badań, tj. 730 000 cykli, próbka została p ocięta celem w ykonania zgładu m etalograficznego. Sposób w yk o n an ia zgładu przedstaw ia rys. 4.
Zgład ten um ożliw ił obserw ację na m ikroskopie św ietlnym struktury oraz zm ian w e
w nętrznych próbki szczególnie pod p o w ierzchnią to czn ą (rys. 5).
Rys. 4. Sposób w ycinania zgładów z próbki Fig. 4. W ay o f m icro sectio n m achining
from specim en
Rys. 5. O dkształcona plastycznie w arstw a p odpow ierzchniow a próbki z pęk n ię
ciam i. P ow iększenie 100x. Traw iono n ita le m ,
Fig. 5. P lastically deform ed subsurface layer o f specim en w ith cracks. M agnifica
tion lOOx, nital etched
4.1. O kreślenie ubytku m asy próbki
N a podstaw ie pom iarów liczby cykli oraz m asy próbki sporządzono w ykres zależności ubytku m asy Z g od całkow itej drogi tarcia (rys. 6).
0.9
OS
Droga tarota [m)
Rys. 6. U bytek m asy próbki Z g w funkcji drogi toczenia Fig. 6. M ass loss o f specim en Z g vs. distance rolled
Po zakończeniu bad ań przy 730000 cykli, co odpow iada 101 km pokonanym przez p rób
kę, ubytek m asy w yniósł 0,77 g, co stanow i 0,75 % ubytku m asy próbki.
4.2. O kreślenie w sp ółczyn n ik a tarcia
N a rysunku 7 przedstaw iono zm iany w spółczynnika tarcia ju. zarejestrow ane podczas b a dań w funkcji drogi tarcia.
0.12
0.00 20000.00 40000,00 00000,00 00000.00 100000.00 120000.00
droga ta rd a [m]
Rys. 7. W ykres w spółczynnika tarcia w funkcji drogi pokonanej przez próbkę Fig. 7. Friction coefficient vs. distance rolled
N a podstaw ie otrzym anych w artości w spółczynnika tarcia p obliczono jeg o w artość śred
nią w ynoszącą 0,072. W literaturze podaje się, że w artość w spółczynnika tarcia dla dw óch stalowych ciał toczących się sw obodnie po sobie w ynosi 0,05. Po uw zględnieniu w artości poślizgu y = 0,29% i obciążenia 200 N uzyskana średnia w artość /z je s t zg o d n a z oczekiw a
niami, co św iadczy też o p o praw ności w ykonania badań oraz pom iarów .
4.3. O kreślenie głębokości odkształcenia oraz długości pęknięć w arstw y w ierzchniej Pom iar odkształcenia w arstw y w ierzchniej próbki oraz długości pęknięć podpow ierzch- niow ych dokonano za p o m o c ą program u kom puterow ego obsługującego m ikroskop św ietlny.
Z asadę tego pom iaru przedstaw iono na rys. 8.
Rys. 8. Pom iar głębokości odkształcenia w arstw y w ierzchniej. P ow iększenie 500x. T raw iono nitalem
Fig. 8. M easurem ent o f ou ter layer deform ation depth. M agnification 500x. N ital etched N a podstaw ie tych po m iaró w obliczono w artość średnią odkształcenia ró w n ą 135 /im.
Określono rów nież śre d n ią długość pęknięć podpow ierzchniow ych ró w n ą 131 /xm.
5. A N A LIZA W Y N IK Ó W B A D A Ń
O bserw acje pow ierzchni próbki w ykazały, że do około 12 000 cykli nie w ystępow ały istotne zm iany je j pow ierzchni. Po przekroczeniu 12 000 cykli na pow ierzchni próbki zauw a
żono pojaw ienie się b rązow ego nalotu, co m oże w skazyw ać na proces utleniania się. N astęp
nie po 2 0 0 0 0 cykli zauw ażono stopniow e zanikanie pow stałej w cześniej w arstew ki tlenków i pojaw ianie szarom atow ego śladu w spółpracy, który przy ok. 57 000 cykli zajął całą po
w ierzchnię to czn ą próbki. To stopniow e rozszerzanie się śladu w ynika z d o cierania się po
wierzchni próbki z p o w ierzch n ią przeciw próbki. Podczas tego docierania obserw ow ano zm iany w spółczynnika tarcia, gdzie najpierw nastąpił je g o w zrost do w artości 0,1 1, a następ
nie stabilizacja na p o zio m ie 0,06 - 0,08 aż do zakończenia badań.
Przy około 57 000 cykli pojaw iły się poprzeczne b ruzdy (rys. 9). Po obserw acji n a m ikro
skopie w arstw y podpow ierzchniow ej próbki stw ierdzono, że są to pęknięcia zm ęczeniow e, co widać na rys. 1 0.
Rys. 9. Poprzeczne m ikropęknięcia pow stałe na próbce. P ow iększenie 30x Fig. 9. M ikrocracks on w orn surface o f
specimen. M agnification 30x
Rys. 10. Pęknięcia w w arstw ie w ierzchniej próbki. W idoczna utw orzona płytka (1). P ow iększenie 400x. Traw iono nitalem
Fig. 10. Cracks in ou ter layer o f specim en.
1 - flake-like w ear particle. M agnifi
cation 400x. N ital etched N a podstaw ie obserw acji podczas badań stw ierdzono następujący m odel zużycia:
- docieranie się pow ierzchni próbki z przeciw próbką,
- inicjacja pęknięć p o d pow ierzchniow ych próbki, (rys. 11 a) - rozszerzanie się pęknięcia,
- propagacja pęk n ięcia do pow ierzchni próbki, (rys. 1 lb ) - cykliczne tw orzenie się płytek n a pow ierzchni i następnie ich odryw anie w skutek w spół
pracy z przeciw próbką. (rys. 1 lc )
C
Rys. 11. Schemat zużywania się próbki: a - inicjacja pęknięcia, b - propagacja pęknięcia do powierzchni próbki, c - tworzenie płytek, d - usuwanie płytek
Fig. 11. Scheme o f specimens wear: a-initiation crack, b - propagation crack to surface, c - formation wear flake, d - elimination wear flake
Występowanie powyższego modelu zużycia potwierdza zdjęcie z rys. 10.
Podczas obserwacji zgładu na mikroskopie świetlnym zauważono zmiany w strukturze warstwy wierzchniej, która odkształciła się plastycznie w kierunku przeciwnym do kierunku
toczenia. O dkształcenie ziaren perlitu je st w ynikiem obciążeń styku rolka - rolka. Pow stałe pęknięcia zm ęczeniow e p rzeb ieg ają w zdłuż granic steksturow anych ziaren perlitu.
6. W N IOSK I
N a podstaw ie w yników badań oraz obliczeń stw ierdzono, że:
1. Podczas pracy stali szynow ej gatunku 900A przy tarciu tocznym z poślizgiem 0,29% w y
stępują dw a typow e procesy: docieranie i zużyw anie ustabilizow ane.
2. W iodącym procesem zużycia podczas docierania je s t utlenianie.
3. W trakcie ustabilizow anego zużyw ania się próbki z badanej stali szynow ej ubytek m ate
riału następuje głów nie w w yniku zm ęczenia stykow ego, a pow stające produkty zużycia m ają kształt płatków . Z użyciu tem u tow arzyszy odkształcenie plastyczne m ateriału w ar
stwy w ierzchniej. In icjacja pęknięć prow adzących do pow staw ania produktów zużycia m a m iejsce na granicach odkształconych ziam perlitu.
Literatura
1. M uster H ., S chm edders H ., W ick K., Pradier H.: R ail roling contact fatigue. T he per
form ance o f natu raly y hard and hed-hardened rails in trac, W ear n r 191(1996) 54-64.
2. G rassie S., N ilsson P., B jurstrom K., Frick A., H ansson L.: A lleviation o f rolling con
tact fatigue on S w ed en ’s heavy haul railw ay, W ear n r 253 (2002).
3. K ocańda S.: Z m ęczeniow e pękanie m etali, W ydaw nictw a N aukow o-T echniczne, W arszaw a 1985.
4. B urakow ski T., W ierzchoń T.: Inżynieria pow ierzchni m etali, W ydaw nictw a N au k o w o-T echniczne, W arszaw a 1995.
R ecenzent: D oc. dr hab. R om an K uziak
A bstract
In this w ork w ear m echanism s o f perlitic rail steel grade 900A during rolling friction w ith slip o f 0,29% have b een determ ined. Tw o periods: running in and steady w ear h av e been found out. D uring running in the m ain w ear m echanism is oxidation. M aterial loss during steady w ear is caused by co n tact fatigue o f outer layer.
Praca wykonana w ramach BW-452/rtl/2003
