Henryk K U L IK O W S K I
BADANIA LA BO R A TO R Y JN E ZUŻYCIA STALI NA K OŁA JEZDNE POJAZDÓW SZYNO W YC H
S tr e sz c z e n ie . W arty k u le zam ieszczo n o w y n ik i badań la b o ra to ry jn y c h zużycia stali w ę g lo w y c h i n isk o sto p o w y c h w w aru n k ach tarcia tech n iczn ie su ch eg o przy w sp ó ł
p racy z ż e liw e m w y so k o fo sfo ro w y m . B ad an ia d o ty c z y ły n astę p u ją c y c h g a tu n k ó w stali:
4 5 -T , 5 5 -T , 5 5 -N , P 6 0 -T , 4 0 H -N , 40 H -T , 40 H M -T , 45G 2N .
LABORATORY W EAR TESTS OF STEEL FOR RAIL VEHICLE WHEELS
S u m m a r y . T h e p ap er in clu d es re su lts o f lab o rato ry w e a r tests o f carb o n an d low - a llo y ed steel in the c o n d itio n s o f the tech n ically dry frictio n w ith c o o p eratio n o f high- p h o sp h o ru s cast iron. T he tests co n cern ed the fo llo w in g steel sorts: 4 5 -T , 55-T , 55-N , P 6 0 -T , 4 0 H -N , 4 0 H -T , 4 0 H M -T , 45G 2N .
1. W STĘP
P o w szech n ie na k o ła je z d n e - o b ręcze i k o ła m o n o b lo k o w e p o jazd ó w szy n o w y c h , sto so wane są stale w ę g lo w e . W celu u zy sk a n ia k o rz y s tn y c h w łasn o ści u ż y tk o w y c h p o d d aw an e są one o b ró b ce c ie p ln e j po leg ającej na u lep szan iu c iep ln y m lub n o rm alizo w an iu . T endencje światowe d o sk o n a le n ia te c h n o lo g ii kół je z d n y c h m .in. dotyczą:
• z a stą p ie n ia sta li w ę g lo w y c h p ew n y m i g atu n k am i stali n isk o sto p o w y ch .
• te n d e n c ji o b n iż a n ia zaw arto ści w ę g la w stali z uw agi n a d ążen ie do w y e lim in o w a n ia , w w a ru n k a c h e k sp lo a ta c ji, zu ży ć w y n ik a ją c y c h z o d d z ia ły w a n ia zm ęc zen ia ciep ln eg o . P o tw ierd zen iem teg o je s t fak t sto so w an ia, d la o k re ślo n y c h w aru n k ó w e k sp lo atacji, g atu n ków stali z d o d a tk a m i m an g an u , ch ro m u , n iklu i m o lib d en u [1,2]. P rz y k ła d o w a stal, o s y m bolu R M S C , p rz y zaw arto ści w ęg la 0 ,20% , z d o d atk am i ch ro m u 1% , m o lib d e n u 1,19% , z a stosow ana w N ie m c z e c h na o b ręcze kół sz y b k o b ie ż n y c h lo k o m o ty w o ra z w a g o n ó w m o to ro wych, p o z w o liła w ek sp lo a ta c ji sk u teczn ie w y elim in o w ać p ęk n ięc ia sp o w o d o w a n e o b ciąż e
niami c ie p ln y m i w p ro c e s a c h h a m o w a n ia i p o ślizg u k ó ł po szynach. R ó w n ie ż w F in lan d ii, dla kół lo k o m o ty w , zasto so w a n o stal, k tó ra przy składzie ch em iczn y m : C = 0 ,0 5 5 % , Si = 0,25% .
130 H. Kulikowski
M n = 0 ,8 0 % , C r = 4 ,2 0 % , N b = 0 ,0 5 % , m a w łasności m ech an iczn e R,,, = 1000 M P a, Re = 830 M P a [3],
W a rty k u le o k re ślo n o zu ż y c ie stali zarów no w ęg lo w y ch , ja k i n isk o sto p o w y ch , w bada
n iach la b o ra to ry jn y c h , przy w sp ó łp racy z żeliw em w ysok o fo sfo ro w y m . Z realizo w an e badania s tan o w isk o w e d o ty c z y ły n astę p u ją c y c h g atu n k ó w stali:
• w ę g lo w y c h - 4 5 -T , 55-T , 55-N , P60-T ,
• n isk o sto p o w y c h - 4 0 H -N , 40 H -T , 40 H M -T , 45G 2-N .
S tale p o d d an o o b ró b ce ciep ln ej - no rm alizo w an iu lub ulepszaniu cieplnem u.
2. M E T O D Y K A B A D A Ń
D o w y z n a c z e n ia w z o ró w em p iry czn y ch , o p isu jący ch ch arak tery sty k ę trib o lo g iczn ą pan ciernej stal - żeliw o , p rz ep ro w ad zo n o serię bad ań , k tó ry ch m eto d y k a zo stała opracow ana przy w y k o rz y sta n iu m a te m a ty c z n e j teorii p lan o w an ia dośw iadczeń.
P rz y ję ty z a p u n k t w y jśc ia sch em at m eto d y czn eg o o biektu badań - ry s. 1. p o zw o lił rozpa
try w ać p ro ces ta rc ia ja k o o b iek t sterow ania, o nieznanej charak tery sty ce, w k tó ry m wyróżnio
no:
• czy n n ik i w e jśc io w e X,
• c z y n n ik i z a k łó c ające X zk,
• pro cesy trib o lo g ic z n e PT,
• c z y n n ik i w y jśc io w e Y.
R y s . 1. S c h e m a t s y s t e m u m e t o d y c z n e g o o b ie k tu b a d a ń F ig . 1. S c h e m e o f m e t h o d o l o g i c a l s y s t e m o f th e te s te d o b je c t
W ytypow ano ja k o najbardziej o d p o w ied n ie czy n n ik i badane o k reślają ce w y m ia r p rzestrze
ni czynnikowej - p ręd k o ść o raz n acisk je d n o s tk o w y , zm ien ian e w p rzed ziałach : 5-35 m s' 1 i 0,4-1,2 M Pa, u to ż s a m ia n y c h z w arto ściam i, które s ą stosow ane w ek sp lo atacji h a m u lc a k lo c kowego w p o ja z d a c h szynow ych.
W badaniach p rz y ję to p la n ek sp e ry m e n tu z d ete rm in o w an y , p o liselek cy jn y , ro taln y [4], Dla szukanych fu n k cji o b iek tu b ad ań p rzy jęto m odel m atem aty czn y m ający postać:
Y = c p ' v b, (1)
gdzie:
Y - c z y n n ik w y n ik o w y lo so w y (p , Z lub T), p, v - z m ie n n e zd ete rm in o w an e,
a, b, c - stałe.
W spółczynniki a, b, c w y zn aczo n o przy zasto so w an iu m eto d n u m ery czn y ch .
Badania z u ż y c ia stali realizo w an o na stan o w isk u , którego zasad ę d ziałan ia u w idoczniono na rys. 2.
Napęd z siln ik a p rąd u zm ien n eg o (1), ty p u T 2 7 2 7 E /4 firm y S koda, o m o cy 11 kW , m ają
cego m o żliw o ść b ezsto p n io w ej reg u lacji p rędkości obrotow ej w zak resie 2 0 0 -1 8 0 0 obr/m in.
przenoszony je s t p rz e z p rz e k ła d n ię (2), zw ięk szającą obroty na w rzecio n o (3), na k tó ry m m o cowana je s t p rz e c iw p ró b k a (4) w y k o n a n a z żeliw a P10. W o b u d o w ie (5) zn ajd u je się, ułoży- skowana to czn ie w sp ó ło s io w o z w rzecio n em (3), g ło w ica p o m ia ro w a (6), w której um ieszcza się dwie p ró b k i (7).
13
Rys.2. S c h e m a t id e o w y s t a n o w is k a d o b a d a n ia c h a r a k te r y s ty k i tr i b o lo g ic z n e j Fig.2. S c h e m e o f th e s ta n d f o r t e s t in g th e tr i b o lo g ic a l c h a r a c te r is tic s
W sta n o w isk u za sto so w a n o u k ład c h ło d ze n ia, składający się z w e n ty la to ra (22), n ap ęd za
nego siln ik ie m tró jfa z o w y m o m ocy 0,4 kW , o raz specjalnej o słony (23), dzięki której m o żli
we b y ło k ie ro w a n ie stru m ie n ia p o w ietrza na g ło w icę (6). U kład w łączan o w trak cie trw ania próby, a w y łą c z a n o po je j zak o ń czen iu , kiedy p ara ciern a o siąg ała tem p eratu rę otoczenia.
132 H. Kulikowski
3. W Y N IK I B A D A Ń
P rzeb ieg i z m ia n z u ż y c ia w funkcji prędkości p rzed staw io n o n a ry s. 3 i 4. W zajem ne usy
tu o w an ie k rz y w y c h w u k ład zie w sp ó łrzęd n y ch p o zw ala p rzypuszczać, że z aró w n o zmiana sk ład u c h e m ic z n e g o stali, ja k też stan obróbki cieplnej, w y w arły istotny w p ły w n a przebieg p ro cesó w w strefie k o n tak tu tarcio w eg o . U w id o czn ił się on w zm ian ach , k tó ry m podlegał zaró w n o w sp ó łc z y n n ik tarcia, ja k i zużycie. F u n k cje ilustrujące zm ian ę zu ż y c ia w funkcji p ręd k o ści d la n a c is k u je d n o s tk o w e g o p = 0,6 M P a p oddano analizie staty sty czn ej, a uzyskane w y n ik i te sto w a n ia p rz e b ie g ó w z = f(v), rys. 3, pod an o w e w n io sk ach z badań.
R y s .3 . Z m i a n a z u ż y c i a w f u n k c j i p r ę d k o ś c i , p r z y n a c is k u j e d n o s t k o w y m p = 0 ,4 M P a , d la s ta li: 1 - P 6 0 -T , 2 - 5 5 - T , 3 - 5 5 - N , 4 - 4 5 - T , 5 - 4 5 G 2 - N , 6 - 4 0 H - N , 7 - 4 0 H - T , 8 - 4 0 H M - T
F ig .3 . W e a r c h a n g e in s p e e d f u n c t io n , w ith u n it p r e s s u r e p = 0 ,4 M P a , f o r th e f o ll o w i n g s te e l s o r ts : 1 - P60-T.
2 - 5 5 - T , 3 - 5 5 - N , 4 - 4 5 - T , 5 - 4 5 G 2 - N , 6 - 4 0 H - N , 7 - 4 0 H - T , 8 - 4 0 H M - T
R y s .4 . Z m i a n a z u ż y c i a w f u n k c j i p r ę d k o ś c i , p r z y n a c is k u je d n o s t k o w y m p = 0 ,6 M P a . d la s ta li: I - P60-T.
2 - 5 5 - T , 3 - 5 5 - N , 4 - 4 5 - T , 5 - 4 5 G 2 - N , 6 - 4 0 H - N , 7 - 4 0 H - T , 8 - 4 0 H M - T
F ig .4 . W e a r c h a n g e in s p e e d f u n c t io n , w ith u n it p r e s s u r e p = 0 ,6 M P a , f o r th e f o ll o w i n g s te e l s o r ts : 1 - P 6 0 -T . 2 - 5 5 - T , 3 - 5 5 - N , 4 - 4 5 - T , 5 - 4 5 G 2 - N , 6 - 4 0 H - N , 7 - 4 0 H - T , 8 - 4 0 H M - T
4. W N IO SK I Z B A D A Ń
F unkcje o p isu ją c e p rzeb ieg zużycia, przy w zrastający ch p aram etrach p , v, m a ją ch arak ter m onotonicznie ro sn ą c y c h . U w id aczn ia się w y ra ź n ie w ięk sze zu ży cie stali w stan ie n o rm a li
zowanym w o d n ie sie n iu do ty ch , które p o d d an e by ły zab ieg o w i h a rto w an ia i odpuszczania.
W yniki p rz e p ro w a d z o n e g o te sto w a n ia u p o w a ż n ia ją d o stw ierd zen ia, że g a tu n k i stali P60-T, 55-T , 4 5 -T , 4 5 G 2 -N , 4 0 H -N , przy w zrastającej p rędkości v, c h arak tery zu je identyczny przyrost śre d n ic h w arto ści zu ży cia, przy czy m kształtu je się ono k ażd o razo w o n a in n y m p o ziomie, co u w id a c z n ia w zajem n e p rz e m ieszczen ie k rzyw ych. F ak t te n w o d n ie s ie n iu do p rz e biegów o z n a c z o n y c h n a ry s, 3 num eram i 1, 2 ,4 w y tłu m a c z y ć m o żn a w p ły w e m , ja k i na w ie l
kość zu ż y c ia w y w a rła z ró ż n ic o w a n a zaw arto ść w ę g la w stali. T e sto w a n a h ip o teza zerow a, o równości w sp ó łc z y n n ik ó w reg resji, zo stała o d rzu co n a w p rz y p a d k u p o ró w n a ń stali P 60-T . przyjętej w b a d a n ia c h za u k ład o d n iesien ia, z g atu n k am i 55-N , 4 0 H -T , 4 0 H M -T . W śród nich stal 55-N w y k a z y w a ła , w c a ły m zak resie zm iany p ręd k o ści n ajn iższą, a g a tu n k i 4 0 H -T i 40HM -T n a jw y ż s z ą o d p o rn o ść n a zużycie. D o d atk o w e p o ró w n an e p o m ięd zy śred n im i w a rto ściami zu ży cia, p rzep ro w ad zo n e d la w sz y stk ic h b ad an y ch m ateriałó w przy sta ły c h p rę d k o ściach v = 20 m s' 1 i v = 30 m s '1, p o zw o liło z ry z y k ie m 5% b łęd u stw ierd zić b rak istotnych różnic p o m ię d z y g atu n k am i 55-T i 45-T .
L IT ER A TU R A
1. K arw ala K ., K u lik o w sk i H .. T u łeck i A.: T ech n o lo g iczn e p ro b lem y trw ało ści zestaw ó w k o ło w y ch p o d k ą te m p rz y sto so w a n ia p o ja z d ó w szy n o w y c h do z w ięk szo n y ch p rędkości.
R o zp raw a d o k to rsk a , IP S z PK , K rak ó w 1991.
2. P o y et P., L ie u ra d e H .P ., P aszk o J., F atig u e b e h a v io u r o f w ear resistan t steels u sed in rail
w ay n etw o rk s. B u lletin du C ercie d ’E tu d es des M etaux 15 (17), 7 .1 -7 .1 3 . L iege, B elgium M ay 1989.
3. N e w m a te ria ls c u t w h eel w ear. In tern atio n al R ailw ay Jo u rn al, D e c e m b e r 1988, s. 51-53.
4. P o lań sk i Z .: M eto d y o p ty m alizacji w tech n o lo g ii m aszy n . PW N , W arszaw a 1987.
R ecenzent: D r h ab.inż. M arek S itarz P ro f.P o l¡tech n ik i Śląskiej
Abstract
In the p a p e r the a u th o r d e term in es the steel c o n su m p tio n in the c o n d itio n s o f the te c h n i
cally dry frictio n w ith co o p e ra tio n o f h ig h -p h o sp h o ru s cast iron. T he stand tests co n cern the follow ing so rts o f the c arb o n steel: 4 5 -T , 5 5-T , 55-N , P 60-T , an d o f th e lo w -allo y ed steel:
134 H. Kulikowski
4 0 H -N , 4 0 H -T , 4 0 H M -T , 45G 2-N . T he steels h ave been treated w ith heat, norm alised or to u g h en ed .
T o d efin e em p irical fo rm u las, d escrib in g the courses o f w ear in speed function, o f the fric
tio n al p a ir „steel - c a st iro n ” the m athem atical th eo ry o f the exp erim en t p lan n in g has been used. T he fu n ctio n s th a t d escrib e the w ear co u rses have the g radually ascen d in g character. It is c lea rly v isib le th a t the w ear o f n o rm alised steels is considerably h ig h er than o f hardened and d raw n ones.
