Metodologia projektowania i wdrażania nowych konstrukcji kół kolejowych zestawów kołowych

K atarzyna CH R U ZIK

METODOLOGIA PROJEKTOWANIA I WDRAŻANIA NOWYCH KONSTRUKCJI KÓŁ KOLEJOWYCH ZESTAWÓW KOŁOWYCH

S treszczenie. N ow e pojazdy szynowe i ich elem enty pow inny spełniać kilka podstaw ow ych założeń, n a które uw agę należy zw rócić ju ż na etapie projektow ania. Przy czym optym alizację projektow ania w arunkują w ym agania staw iane obecnie now ym zestaw om kolejow ym i ich elem entom : bezpieczeństw o, trw ałość i niezaw odność, dbałość o środow isko, niski koszt w ytw arzania i eksploatacji, podejście system ow e.

NEW WHEELS CONSTRUCTION OF RAILWAY WHEEL SETS DESIGNING AND IMPLEMENTATION

S u m m a ry . N ew railw ay vehicles and their elem ents ought to m eet several basic specifications during their designing. A nd optim ization o f designing is contingent upon present requirem ents o f new railw ay w heel sets and their elem ents: safety, durability and reliability, environm ent care, low costs o f m anufacture and operation, system approach.

1. W PRO W AD ZEN IE

K olejow y zestaw kołow y je st jednym z najw ażniejszych elem entów układu napędow ego pojazdu szynow ego. Do jego podstaw ow ych zadań należą: um ożliw ienie m chu pojazdu, prow adzenie pojazdu po torze, przeniesienie ciężam pojazdu, przenoszenie sił obw odow ych od napędu i ham ow ania, przenoszenie obciążeń dynam icznych pow odow anych nierów nością to m n a elem enty resom jące. N a rysunku 1 pokazano typow e konfiguracje kolejow ych zestaw ów kołow ych z kołem m onoblokow ym .

Zdefiniow anie danych projektow ych - rys.2 - je st pow iązane ze zużyciem zm ęczeniow ym , które zachodzi w elem entach pojazdu pod w pływ em eksploatacji (wg UIC 515 trw ałość pojazdu szynow ego pow inna być taka, aby m ógł on być efektyw nie eksploatow any w ciągu 30 lat). N a zużycie zm ęczeniow e m a w pływ m iędzy innymi:

geom etria, w łasności m ateriałów , w arunki pracy i obciążenia. S ą to podstaw ow e dane projektow e, ale uw zględnienie w obliczeniach w ytrzym ałościow ych tych w szystkich cech je st bardzo tm dne.

Danym i w ejściow ym i p rzy projektow aniu koła zestaw u kolejow ego są przede w szystkim standardy oraz n orm y europejskie i krajow e, np. w Polsce b ęd ą to: P N 98/K- 91018, PN 98/K -91019, P N 98/K -91056, UIC 510.2, U IC 812.2, U IC 812.3, U IC 510.2, EN 13103, EN 13104 itp., oraz dodatkow e w ym agania zam aw iającego, np. pionow e i poziom e obciążenia statyczne lub dynam iczne.

170 K. Chruzik

Założenia projektowe dla nowego koła kolejowego

<

opisujących własności materiałów

opisujących warunki brzegowe

T

Poprawa własności materiałowych

Charakterystyka zmęczeniowa

materiału

wynikające z:

- charakterystyki trakcji - masy wagonu - prędkości jazdy - mocy hamowania - czasu hamowania

opisujących wpływ na środowisko

naturalne

-wpływ hałasu -wpływ drgań Inne

Badania doświadczalne prototypu

T

Eksploatacja kontrolowana

Rys. 1. Proces projektow ania i w drażania now ych kól kolejow ych zestaw ów kołow ych Fig. 1. D esigning and im plem entation process o f new railw ay w heels

Rys.2. Typow e konfiguracje zestaw ów z kołem m onoblokow ym Fig. 2. Typical configuration o f sets w ith m onoblock wheel

Jedną z m etod w eryfikacji w ytrzym ałości zm ęczeniow ej przyjętej w praktyce s ą m etody dośw iadczalne oparte na poddaw aniu elem entów konstrukcji zam ierzonem u obciążeniu oraz ocena ilości cykli do chw ili w ystąpienia uszkodzenia. B adania te są je d n ak bardzo czasochłonne i drogie. O becnie coraz częściej do oceny trw ałości zm ęczeniow ej stosuje się m etody obliczeniow e oparte na sym ulacjach kom puterow ych w ykonyw anych w program ach w ykorzystujących M etodę Elem entów Skończonych (M ES)[1],

A nalizę trw ałości konstrukcji zestawu kołow ego m ożna zobrazow ać schem atycznie jak na rysunku 3.

Symulacja dynamiki ruchu zestawu (stan ustalony, rozruch, hamowanie)

Wyznaczenie przebiegów czasowych sit w elementach kolejowego zestawu

kołowego

Model elementów skończonych

i —

Naprężenia dla sił jednostkowych

Pole naprężeń lub odkształceń konstrukcji wynikające z obciążeń

ANALIZA TRWAŁOŚCI t " . Czas bezpiecznej eksploatacji

Rys. 3. Procedura do analizy trw ałości konstrukcji kolejow ego zestaw u kołow ego Fig. 3. Procedurę for durability analysis o f railw ay w heel set construction

D anym i w ejściow ym i procedury są dane o topologii układu pojazd-tor oraz dane m ateriałowe. K onieczne je s t rów nież zdefiniow anie zaburzeń zew nętrznych w pływ ających na ruch analizow anego obiektu. W przypadku pojazdów szynow ych m oże to być profil toru. N a podstaw ie sym ulacji ruchu w czasie stanu ustalonego, ja k rów nież w czasie rozruchu (rozpędzania) czy ham ow ania w yznaczane są siły (najczęściej przebiegi czasow e sił) w elem entach łączących poszczególne bryły analizow anego układu. Przebiegi tych sil stanow ią podstaw ę oszacow ania trw ałości konstrukcji. R ów nolegle stosując m etodę elem entów skończonych (M ES) w yznacza się pole odkształceń lub naprężeń konstrukcji. Najczęściej w tych obliczeniach stosuje się jednostkow e w artości składow ych w ektora obciążenia. Ze w zględu na to, że konstrukcja (pojedyncze odkształcalne elem enty konstrukcji) traktow ana je st jako obiekty liniowe, stosując zasadę superpozycji oblicza się pole naprężeń lub odkształceń dla pojedynczych składow ych w ektora obciążeń, a następnie składa wyniki dla złożonego w ieloosiow ego stanu obciążenia. N astępnie w ykonuje się analizę trwałości zm ęczeniow ej za p om ocą dostępnych oprogram ow ań (np. LM S FA LA N C S).

Takie podejście skraca czas pow staw ania konstrukcji. P odejście to um ożliw ia n a etapie projektow ania m odyfikację w łasności konstrukcji tak, aby zw iększyć je j wytrzym ałość zm ęczeniow ą. Jednak ostateczny najbardziej w iarygodny test przeprow adza się za pom ocą badań eksperym entalnych [1].

B adania eksperym entalne m o g ą także posłużyć do uzyskania danych w ejściow ych dla kolejnych etapów projektow ania.

2. D ANE O PISU JĄ C E G E O M ETR IĘ

W zależności od m iejsca i w arunków eksploatacji geom etria now ego ko ła m a narzucone niektóre w ym iary geom etryczne lub ich granice. W pracy [2] pokazano próbę optym alizacji geom etrii koła kolejow ego zestaw u kołow ego m ając na uwadze:

172 K. Chruzik

• zm niejszenie naprężeń w ynikających z obciążeń m echanicznych;

• zm niejszenie naprężeń w ynikających z obciążeń term icznych;

• przem ieszczenie główki koła w zględem piasty;

• m inim alizację m asy koła.

Porów nanie w ykonano dla koła standardow ego UIC.

Aby otrzym ać koła optym alne ze w zględu na poszczególne w ym agania m odyfikow ano sześć param etrów geom etrycznych koła. O ptym alizację przeprow adzano dla m inimalnej i m aksymalnej w artości param etru, co dało 26 = 64 kombinacji.

A nalizow ane odpowiedzi pochodzące z kalkulacji tych 64 kom binacji m o g ą być używ ane w celu ustalenia w ielom ianu em pirycznej postaci w zoru:

y = Po + P ,X| + P2 X 2 + - P 6X6 + P,2X1X 2 + - + Pl23XlX2X3 + - + P123456 XIX 2 X 3X 4 X 5 X 6 ( ! ) X| - X6 to 6 zm iennych zakodow anych w celu przyjęcia wartości -1 na niższym poziom ie i +1 na wyższym poziom ie. W spółczynniki Pi - Pć są głów nym efektem , który szacuje średnią zm ianę w odpowiedzi, kiedy jed en przechodzi od niskiego (-) do w yższego (+) poziom u każdej pojedynczej zm iennej. Także interakcje (P12, P123,— P123450) pom iędzy różnym i param etram i są w ykryte dzięki użyciu m etody FFDM .

Rezultatem tej pracy były przybliżone w zory w yznaczania optym alnej konstrukcji koła ze w zględu na:

• przem ieszczenie obręczy koła wyw ołane ham owaniem ;

• masę koła;

• naprężenia w ynikające z kontaktem koła z szyną;

• sztyw ność koła.

3. D A NE O PISU JĄ C E W ŁA SNO ŚCI M A TERIAŁO W E

Zadaniem projektow ania now ych stali na kolejow e zestaw y kołow e je s t zwiększenie bezpieczeństw a pasażerów , zm niejszenie ilości defektów kół, a tym sam ym zw iększenie ich trwałości. M usi być to oczyw iście, stal zgodna ze standardam i i norm am i, a poszukiw anym celem projektow ania je st stal zgodna z w ym aganiam i odbiorcy.

M ateriał, z którego są w ykonane zestawy kołowe, je st kluczow ym w śród m ateriałów zastosow anych w kolejnictw ie, poniew aż odpow iednia je g o selekcja zapew nia bezpieczeństw o i spełnienie w ym agań niskich kosztów w ytw arzania i eksploatacji.

K olejnym problem em projektow ania now ych gatunków stali są dokładne badania zm ęczeniow e projektow anego lub zm odyfikowanego materiału. N a rysunkach 4 i 5 pokazano przykład stanow isk do badań zm ęczeniow ych kolejow ych zestaw ów kołow ych [3],

Rys.4. Stanowisko badawcze do testów zmęczeniowych koła Fig.4. Research stand appropriated for fatigue wheel investigation

Rys. 5. Stanow isko badaw cze do testów zm ęczeniow ych osi Fig. 5. R esearch stand appropriated for fatigue axle investigation

4. D A NE O PISU JĄ C E W A R U N K I BR ZEG O W E

B ardzo w ażne je s t określenie oddziaływ ania w ynikającego z kontaktu koła z szyną, czyli w arunków brzegow ych eksploatacji. N a rysunku 6 pokazano uniw ersalne stanow isko do badań zestaw ów kolejow ych - firm y Lucchini - um ożliw iające sym ulację dynam iki jazd y zestaw u kolejow ego [3].

Rys. 6. U niw ersalne stanow isko do badań zestaw ów kołow ych Fig.6. U niversal research stand appropriated for w heel sets studies

5. D A N E O PISU JĄ C E W PŁ Y W N A ŚRO DO W ISK O N A TU R A LN E

D użą w agę ju ż na etapie projektow ania przykłada się obecnie do ochrony środow iska naturalnego. Tw orząc elem enty pojazdów m usim y pam iętać o redukcji hałasu i drgań, jakie one pow odują. N ow oczesne rozw iązania konstrukcji kół p o zw alają w dużym stopniu redukow ać hałas i drgania, co je s t szczególnie w ażne w przypadku ich użytkow ania w aglom eracjach miejskich.

Zastosow anie nowej konstrukcji koła pow leczonego w arstw ą alum iniow o-polim erow ą skutecznie zredukow ało hałas w yw ołany ja z d ą pociągu, szczególnie w trakcie ja zd y po łuku - rysunek 7 [3].

174 K. Chruzik

Rys.7. Redukcja hałasu: a) na poziom ie ogólnym , b) w czasie ja z d y po łuku

Fig. 7. N oise reduction: a) on general level, b) during the m ovem ent along curved railway track

6. O PTY M A LIZA C JA PR O JEK TO W A N IA

Znając obciążenia zew nętrzne kół oraz ich charakterystykę m ateriałow ą m ożem y rozpocząć analizę num eryczną. O bciążenia w ynikające z kontaktu koła z szyną zależą od odcinka drogi, po ja k im toczy się kolo. D uży w pływ na pole odkształceń i naprężeń m a także zużycie koła. N a rysunku 8 pokazano m ożliw e kom binacje obciążeń koła

Rys. 8. O bciążenia k oła w trakcie eksploatacji Fig. 8. O peration loads o f w heel

Zam odelow anie obciążeń w ynikających z ham ow ania pociągu zależy od rodzaju zastosow anych ham ulców .

W przypadku ham ulca tarczow ego należy zdefiniow ać w arunki brzegow e opisujące strum ień m ocy dostarczonej przez klocek (jego m iejsce przyłożenia i w artość), sposób, w jaki koło oddaje ciepło, a także czas ham ow ania

Ham ulec tarczow y um ieszczony na tarczy koła w ym usza jeszcze uw zględnienie w obliczeniach sił w ynikających z zam ocow ania ham ulca. W ynikiem analizy num erycznej są m apy odkształceń i naprężeń w yznaczanych obciążeń.

N astępnie w yniki są oceniane zgodnie z założonym i kryteriam i, którym i m ogą być np:

karty UIC 510.2, schem at H aigha, czy schem at Smitha.

7. B A D A N IA D O ŚW IA D C ZA LN E PRO TOTY PU

Po analizie num erycznej tw orzony je st prototyp koła, który przechodzi wiele badań na stanow iskach dośw iadczalnych.

Jako pierw sze przeprow adzane są badania statyczne. N a rysunku 9 pokazane je st stanow isko do badań statycznych składające się z dw óch 500 kN hydraulicznych pras, które um ożliw iają zastosow anie zarów no siły pionow ej Fz na czopie, ja k i poziom ej F= na gwincie [3]-

Rys. 9. Stanow isko do badań statycznych kół kolejow ych

Fig. 9. Research stand appropriated for static test o f railw ay wheels

N aprężenia (pochodzące od sił pionow ych) są m ierzone w punktach, gdzie osiągają m aksim um dla różnych nieregularnych pozycji - od 0 do 360°. U m ożliw ia to znalezienie cyklu obciążeń w punktach naprężeń m aksym alnych dla jednego obrotu koła, co w połączeniu z w ykresem H aigha um ożliw ia znalezienie rów now ażnika sym etrycznego cyklu uszkodzeń.

8. EK SPLO A TA C JA K O N TR O LO W A N A (W A LID A CJA )

K olejnym etapem procesu projektow ania i w drażania now ego produktu je st eksploatacja pod ścisłą k o n tro lą w trakcie której przeprow adzane są testy i badania na prototypie. Pełne inform acje otrzym ujem y dopiero poprzez porównanie now ych rozw iązań ze starą w ersją lub innym, podobnym rozw iązaniem .

176 K. Chruzik

9. O PTY M A LIZA C JA K O SZ T Ó W EK SPLO A TA CJI

W trakcie eksploatacji kontrolow anej duży nacisk kładzie się n a optym alizację kosztów utrzym ania kolejow ych zestaw ów kołowych. N a rysunku 10 pokazany je st przykład zw iększenia trw ałości poprzez zm niejszenie uszkodzeń n a pow ierzchni tocznej koła.

Rys. 10. P ełen obraz pow łoki: a) pierw otne rozw iązanie po przejechaniu 80 000 km , b) nowe rozw iązanie po procesie optym alizacji i przejechaniu 320 000 km

Fig. 10. Com plete coating view: a) initial solution after 80 000 km distance covered; b) new solution after optim ization process and 320 000 km distance covered

L ite ra tu r a

1. Uhl T., C hudzikiew icz A.: A naliza trw ałości konstrukcji pojazdów szynowych w procesie projektow ania, P ojazdy Szynow e, A rłam ów 2000.

2. M. Ferm er: O ptim ization o f a Railw ay Freight C ar W heel b y U se o f a Fractional Factorial D esign M ethod, C halm ers U niversity o f T echnology, D ivision o f Solid M echanics, 1993.

3. F. Trom bini: N ew W heels for N ew Requirem ents. Solid w heels w ith brake discs m ounted on the web: F eatures and analisys m ethodology. 1st International Conference Paris - France 2002.

Praca wykonana w ram ach B adań Własnych BW - 468 /R M 10-4/2002.

Recenzent: Prof, dr hab. inż. Paweł Piec

A b stra c t

New railw ay vehicles and their elem ents ought to m eet som e basic requirem ents and they should be taken into consideration during designing process. A nd optim ization o f designing is contingent upon present requirem ents o f new railw ay w heel sets and their elements: Safety, D urability and Reliability. Environm ent Care. Low C osts o f M anufacture and O peration. System A pproach. O ne o f fatigue strength verification m ethods , being in practical application, are experim ental m ethods . They are based on intentional loading process o f constructional elem ents and cycles quantity estim ation process until the failure appears. N evertheless, these research are very expensive and tim e - consum ing. Now adays, in order to fatigue strength estim ation, we often use analytical m ethods based on sim ulation o f finite elem ents m odels.