Wpływ żeliwnych wstawek hamulca klockowego na powstawanie zużycia falistego kół tocznych pojazdów szynowych oraz szyn

Z E S Z YT Y NAUK O WE POLITECHNIKI ŚLĄS KI EJ

Seria: TR AN S PO RT z. 14 Nr kol. 1048

_________ 1989

Paweł PIEC

Instytut Pojazdów Szynowych P olitechnika Krakowska

w p ł y w Że l i w n y c h w s t a w e k h a m u l c a k l o c k o w e g o NA PO W STAWANIE Z U ŻY CI A FAL IS TE G O KÓŁ TOCZNYCH PO JA Z DÓ W S Z Y N OW Y CH ORAZ SZYN

S t r e s z c z e n i e . Praca zawiera wyniki badań st a no wi sk o wy ch i eks- ploatacyjnych nad powstawaniem zużycia falistego kół podczas ha mo ­ wania hamulcem klockowym. Autor w ramach stypen di u m brał udział w tych badaniach oraz przeprowadził a n a li zę zare j es tr ow a ny ch p od­

czas badań wartości syg na łó w mierzonych wielkości. Badania s t a n o ­ wisk ow e i eksploatacyjne przeprowadzono w ośrodku badawczym kolei DB w Minden. W badaniach określono w p ł y w ma t er ia łu wstawek h a m u l c o ­ wych na p ow stawanie zużycia falistego kół. O k reślono także wyniki p ow stawania zużycia falistego: prędkość liniową podczas hamowania, nacisk klocka hamulcowego na koło oraz m i ni malny czas trwania p r o ­ cesu hamowania. Na podstawie przeprowadzonej anaj.izy widmowej drgań koła i klocka hamulcowego określono wartość częstot li wo ś ci ich p r z y ­ spieszeń. W zakończeniu pracy przedstawiono proces p owstawania z u ż y ­ cia falistego kół oraz szyn.

1. WPROW AD ZE N IE

Do n ajważniejszych ro dzajów zużycia zestawów k ołowych p o j az dó w s z y n o ­ wych należą :

- pęknięcia zm ęczeniowe osi,

- pęknięcia zm ęczeniowe tarczy koła, - ścieranie powierzchni tocznej, - podcięcia obrzeża,

- płaskie miejsca i narosty,

- rozwalcowanie na powierzchni tocznej, - p ol uzowanie obręczy,

- pęknięcia zmęczeniowe na powierzchni tocznej, - w ykruszenia zmęcz en i ow e na powierzchni tocznej, - o w a l i z a c j a Koła,

- zużycie faliste koła.

Podział ten obejmuje te rodzaje zużycia, które pod wzg lę d em s t a t y ­ s tycznym stanowią duży procent przypadków, jak i te które wy st ępują rza­

dziej, ale ze względu na zagrożenie be zp ieczeństwa ruchu lub obniżenie komfortu jazdy powinny być również rozpatrywane [i] .

246 P. Piec

Zużyciem falistym nazywamy w ys tę p u j ą c e w regularnych od ległościach trwałe n i ep orzędane zmiany stanu warstwy wierzchniej obręczy lub szyny, w w y niku czego okres użytkowania ulega skróceniu.

Należę do n i c h : - zmiany twardości,

- zmiany struk tu r al ne w s e nsie mikro- i makro-, - zmiany c hropowatości powierzchni,

- zmiany z a barwienia (obszary jasne i ciemniejsze), - odkszta łc e ni a plastyc zn e materiału.

Na rys. 1 pr ze d stawiono schemat poglądowy warstwy w ierzchniej elementu ze zuż yc i em falistym. Odległości między wzniesieniami, s ta n ow ią ce n a j ­ większy procent, w y no s zą 3-5 cm, a ich wysokości około 0, 05 mm.

Rys. 1. Schemat poglądowy warstwy w ie rzchniej el ementu ze z użyciem fali­

stym

h - w ysokość wzniesienia, L - odległość dwóch sąsiednich wz ni esień Fig. 1. The pictorial s cheme of the sur f ac e layer of the c orrugated e l e ­

ment

h - the rise height, L - distance between two s uc ce s si ve rises

2. IN TE NSYWNOŚĆ Z U Ż Y C I A FA L IS TE GO

Zużycie faliste wy st ę p u j ą c e na powierzchni tocznej kół pojazdów s z y n o ­ wych oraz p ow ierzchni jezdnej szyn jest problemem, którego rozwiązaniem zajmują się od wielu lat różne ośrodki badawcze. P ierwsze publikacje z w i ą ­ zane z tym tematem spotyka się już w 1885 roku. Pochodzą one z Anglii.

Fink (1953) w swojej pracy p rzedstawia problem zużycia falistego oraz stan jego badań w okresie mi ni o ny ch 60 lat [

2

] . Rosemeier (1954) pr ze d­

stawia wyniki badań zużycia falistego szyn prze pr ow a dz on yc h przez Ośrodek Badawczy DB w Minden [

3

]. W badaniach ob e jm ujących 400 km linii kolejowej do o bliczeń statyst yc zn y ch przyjęto 5170 km szyn. Okazało się, że 4 6 , 5 % szyn wyk az u je zużycie faliste.

Zuży ci e faliste w y s t ę p uj e nie tylko na szynach, ale także można go spot ka ć na kołach p ojazdów szynowych. Fakt ten pot wi e rd za ją w swoich p ra­

W pł yw żeliwnych wstawek. 247

cach: Langerke (1935), Fink (1953), Gössl (1955), Birman (1958), Du'skow (1964), Werner (1973), Bugarcic (1974), W i l le nb ri n k (1979), Skvor (1980), Piec (1980),

Skvor w celu ograniczenia zużycia falistego kół lo k omotyw e l e k t r y c z ­ nych w pr ow a d z i ł 23 zmiany w zakresie jej konstrukcji, technologii i e k s ­ ploatacji. Na rys. 2 przedstawiono w y ni ki z tych badań w z akresie z a s t o ­ sowa ni a różnych materi ał ó w na obręcze k ół [

3

] . Obręcze w y k o na ne z mato-

!

.«6

I b

ł

! _*

*

z

A

Ekstremalni

/\

z u ż y c ie

/ j ta ttste

/ / / /

z1

^{HAK 850}

j g Mocne A zu ż y c ie

A faliste

IT AI SI DER

Z 51 obe,regular A n e c u zy c ie

Ą fa lis te

-

^{£ X H}

A

g Hate,

pojedyncze zużycie fa lis te

(

^{B L S 3}

) i

^{0 B r a k}

n

1

^zużycia

fa listeg o

U SPT

* v *

Rys. 2. W pł yw materiału obręczy na i n t en sy wn o ść p o ws ta wa n ia zużycia f a l i ­ s tego kół lokomotywy elektrycznej : prze b ie g lokomo ty w y - 30000 km, o d l e ­

głość wzniesień - 15 cm

Fig. 2. Influence of the wheel tyre material on the co r rugation rate of e lectric locomotive wheels: run of the l oc om ot i ve - 30000 km, distance

between two rises - 15 cm

riału KVR nie wykazywały zużycia falistego. Dla p oz ostałych materi a łó w inte n sy wn oś ć powstawania tego zużycia była zróżnicowana. Różnice te p r z e d ­ s tawiono na rys. 3. Pomiary wysokości w z n i e s i e ń zużycia falistego zostały w yk on an e po przebiegu lokomotywy 30000 km. O d le gł o śc i wz ni es i eń wynoszę w tym przypadku 15 cm. Podobny obraz tego zużycia st wierdzono także na kołach wago nó w osobowych, które eks pl oa t ow an e są na tych samych liniach k olejowych (patrz [li , rys. 46)..

Na kołach w a g o n ó w osobowych EH IIB 23 78 s t w ie r dz on o w Szwajcarii w y ­ s tę po w an ie zużycia falistego, którego kształt zobra zo wa n o na rys. 4.

Przebieg wagonu w tym przypadku w y n os ił 52000 km, wy s ok oś ć w z niesienia 0 ,0 4 mm. VI pracy JY] podano, że zużycie faliste nie tylko pogarsza w s p ó ł ­ pracę zastawu kołowego z szyną i kl ockiem hamulcowym, ale jednocześnie p owoduje wzrost poziomu natężenia dźwięku podczas jazdy pociągu. Przykła-

248 P. Piec

Rys. 3. Wyniki pomiaru zużycia falistego p owstałego na obręczach kół w y ­ konanych z różnych ma te r i a ł ó w (patrz rys. 2)

Fig. The measurement results of the corrugation of the wheel tyres made of various ma te rials (see fig. 2)

Rys. 4. Obraz zużycia falistego u tw orzonego na po w ierzchni tocznej koła wa gonu os obowego E W 1IB 2378 (Rhatische B a h n ): skala 1:1, w ysokość wznie­

sień - 0, 0 4 mm (ciemniejsze obszary), przebieg - 52000 km Fig. 4. Viaw of the c or rugation wear of the rolling surface of the wheel of the E W IIB 2378 (Rhatische Bahn) passenger coach (scale 1:1, the rises

height - 0 , 0 4 mm (the more dark regions), run - 52000 km

dowo wzrost w y s o k o śc i w zn i e s i e n i a zużycia falistego o 10,u powoduje wzrost poziomu n at ężenia dźwięku o. 2,6 dB dla pr ędkości jazdy 120 km/h.

Z pomi a ró w zużycia falistego kół przep ro w ad zo ny c h w zakładach n a pr aw ­ czych w a g o n ó w w RFN wynika, Ze spośród przebadanych z estawów kołowych z hamulcem kl ockowym aż 6 0 % w yk az uj e zużycie faliste, zaś w przypadku hamulca tarczowego tylko 3 - 5 % (Hartwig 1981). Obraz tego zużycia w tym przypadku jest taki sam jak pr zedstawiony na rys. 4.

W il le nb i ng (1979) w swojej pracy podaje w yniki pomiaru natężenia dźwięku z a r e j e s t ro wa ne g o podczas p rz e jazdu pocięgu. W s kładzie pocięgu znajdowały się wagony wy po s a ż o n e w hamulec klockowy oraz wagony w yp o s a ż o ­

W pł yw żeliwnych wstawek. 249

ne w hamulec tarczowy. Wyniki z tych pomi a ró w zaobr az o wa no na rys. 5. Z ry­

sunku tego wynika, że poziom natężenia dźwięku zmierzony podczas przejazdu

Rys. 5. Wykres przebiegu poziomu natężenia d źwięku zmie r zo ne go w o dległości 7,5 m od osi toru podczas pr ze jazdu pocięgu z p r ę d ­

kości? 140 km/h

LIII, L118 - lokomotywa, K - wagony z h a m u l ­ cem klockowym, S - wagony z hamulcem t a rczo­

wym, (wartości mi n imalne na wyk re si e d o t y ­ czę środka wagonu)

Fig. 5. The run of the sound intensity level measured in the di stance of 7,5 m from the track axis during a run of the train with

the travelling speed of 140 km/h LIII, L118 - the locomotive, K - wagons equipped with the shoe brake, S - wagons equipped with the disc brake, (the minimal values on the diagram are relative to the

midd le of the wagon

1 0 3 10

<t

o, 1

i a>

«

02 -H 1 0 0

0)

P «

bL 10

p oc ię gu dla wago n ów z hamulcem klockowym jest o 10 dB (A) większy w p o r ó w ­ n aniu z poziomem natężenia dźwięku zmier zo n ym podczas jazdy dla wagonów z hamulcem tarczowym. Różnicę tę W il lenbrink w yjaśnia na p od stawie p r z e ­ p rowadzonych obserwacji zestawów kołowych, które były w y mo n to wa ne z w a ­ gonów. Z obserwacji tej wynika, że w sz ystkie zestawy z hamulcem klockowym

wykazywały w wi ęk s zy m lub m n i e j ­ szym stop n iu zużycie faliste.

Zestawy kołowe z hamulcem tarc zo ­ wym nie wykaz yw ał y zużycia fali­

stego.

Raquet (1978) w swojej pracy podaje wyniki pomiaru p r z ys pi e ­ szeń koła w k ierunku promieniowym p odczas przejazdu pocięgu z p r ę d ­ kości? 160 km/h po szynach s z l i f o ­ w any c h oraz po szynach wy ka zuję- cych zużycie faliste, rys. 6 [5] . W yst ę po wa ni e zużycia falistego na szynach powoduje ponad 10-krotny wzrost tych przyspieszeń. W celu w ye li m i n o w a n i a s zkodliwego o dd zi a ­ ływania zużycia falistego szyn w pr o wa dz on o w praktyce ich s zl i fo ­ wanie. Zb ud owano w tym celu s p e ­ cjalne wagony wyposażone w o d p o ­ wiednie urzędzenia do szlifowania.

P4

Fi

C zęstotliwość5 kHz

Rys. 6. Widmo promieniowych przy­

spieszeń koła

A - szyny szlifowane, B - szyny wy- kazujęce zużycie faliste, prędkość

jazdy - 160 km/h

Fig. 6. The spectrum of the radial accelerations of the wheel A - the grinded rails, Q - the rails with corrugation, the travel­

ling speed - 160 km/h

250 P. Piec

Pierwszy wagon do szlifo wa ni a szyn z bu d owano w RFN w 1950 roku. Podobne wagony zbudowano w U S A w 1955 roku oraz w Szwajcarii i we Francji. Wpro­

w adzenie do e k sp l oa ta cj i ze s ta wó w kołowych z z a m o c ow an ym i na kołach tłumi­

kami (rys. 7), umożliwiło także o bn iżenie poziomu natężenia dźwięku pod­

czas jazdy pociągu o około 10 dB (rys. 8).

16 tłum ików na każdej s t r o n ie

elem en ty rezonansowe tłu m ią c a

Rys. 7. Koło monob lo ko w e z zamontow an ym i tł umikami drgań Fig. 7. The solid w heel with the mounted vib ra t io n dumper

Odcinek toru kolej ow eg o [km]

Rys. 8. Vi/ykres z pomiaru poziomu n at ężenia dźwięku

I - szyny wy k az uj ąc e małe zużycie faliste, II - szyny ze zużyciem falistym, III - szyny szlifowane

- koła bez tłumików.

--- koła z z a m on t ow an ym i tłumikami, prędkość jazdy - 160 km/h

Fig. 8. The diagram drawed on the basis of the s o un d intensity level m ea su rements

I - the rails showing a small currogation, II - the rails with the corrugation, III - the grinded rails

--- - the w hels without dumpers, - the wheels with mounted dumpers, the travelling speed - 160 km/h

W p ł y w żeliwnych wstawek. 25 1

Procentowy udział szyn i kół wykazujących zużycie faliste oraz fakt szli fo w an ia szyn czy też montowania dynamicznych tł umików na kołach w ce­

lu obniżenia poziomu natężenia dźwięku świadczy o skali i zasięgu tego zużycia.

3. P RZ Y CZ YN Y Z U ŻY CI A FALISTEGO

Proces po wstawania zużycia falistego uzależniony jest od bardzo wielu czynników. Badania zmierzające do ich o k re ś le ni a pr o wa dz on e są od momentu s tw ie r d z e n i a tego zużycia na szynach i kołach z e s ta wó w kołowych p ojazdów szynowych. Prace te Kummrow (1976) dzieli na pięć grup. Autorzy r e p r ez en ­ tujący posz cz e gó ln e grupy jako przyczynę zużycia falistego wskazują:

I - drgania szynyj - wymuszone, - rezonans, II - drgania skrętnej

- koła, zestawu kołowego, - rezonans,

- drgania wywołane tarciem, III - drgania poprzecznej

- koła, zestawu kołowego, - poślizg poprzeczny,

- n abieganie obrzeża na szynę, - jazda w łuku,

IV - ma te ri a ł szyny (własności)j - błędy walcowania,

- stopień umocnienia (zmienny), V - procesy fizykochemicznej

- tworzenie się martenzytu,

- p r zekroczenie dopuszczalnych n aprężeń kontaktowych, - tworzenie się tlenków.

Skvor (1979) prze ds ta w ił wyniki z badań wp ływu obręczy wykon an yc h z różnych mater ia ł ów na powstawanie zużycia falistego kół. Z badań tych wynika, że obręcze w ykonane z materiału KVR nie wyk a zu ją zużycie fali s te ­ go (rys. 2). Obręcze wykonane z pozostałych materiałów, które u w z gl ęd ­ niono w badaniach, wykazywały po takim samym pr ze bi e gu różną intensywność zużycia falistego.

W ykonana analiza prac dotyczących badań zużycia falistego szyn i kół, w tym również szkodliwego oddziaływania tego zużycia na o to c zenie oraz pr z ep ro wa d zo ne obserwacje i pomiary zużycia z e s t aw ów kołowych w zakładach n ap rawczych taboru kolejowego w RFN (Krefeld, Dui s bu rg - Weddau, Opladen, Darmstadt), S zwajcarii (Landguart, Bellinzona), jak również udział,w na­

radach naukow o- t ec hn ic z ny ch w roku 1980 (Aachen - Krettek, Minden - Werner,

2 5 2 P. Piec

zespół stanow i sk ow yc h badań hamul co wy ch kolei OB, Stuttgart - Lletz, Land- quart - Skvor, Bern - Weber) stanowiły podstawę do opracowania planu ba­

dań zużycia falistego kół, W planie tym wsk az a no na wp ł yw materiału ws ta ­ wek klocków h am ulcowych na p ow stawanie zużycia falistego kół.

Postawiono hipotezę, że drgania wień ca koła i klocka h a mulcowego s ą przy­

czynę zużycia falistego kół podczas hamowania. Takiego sposobu podjeścia nie spotyka się w pracach dotyczęcych badań zużycia falistego.

4. WYNIKI BADAft ZUŻY CI A FA LI S TE GO NA STANOWISKU HA M UL C O W Y M

Badania na stanowi s ku hamulco wy m bezwładnościowym, w których Autor ucze st ni c zy ł w ramach stypendium naukowego, zostały przeprowadzone w ośrodku badawczym kolei OB w Minden w roku 1981 i 1986. Współpracujęce elementy na tym stano wi s ku maję rzeczywiste wymiary. Z as tosowano koło m on oblokowe typ 88 oraz wsta wk i klocka hamulcowego w ykonane z dwóch róż­

nych mater ia ł ów - z żeliwa oraz prasowane z pr oszków metali. Dla obu ma­

teriałów wstawek przepr o wa dz on o próby hamowania do zatr z ym an ia określane nazwę "hamowanie s t o p ” oraz próby hamowania przy stałej prędkości ok re ­ ślane nazwę "hamowanie const". Próby te wykonano dla różnych wartości prędkości i różnych war to śc i n acisków klocka na obręcz.

Podczas prób ha mo wania rejestrowano n a3 tępujęce wielkości:

- obroty koła, - czas hamowania,

- prędkość liniowę na obwodzie koła, - nacisk klocka h am ulcowego na koło, - ciśnienie w cylindrze hamulcowym, - w s pó łczynnik tarcia,

- przysp ie s ze ni e wieńca koła w trzech kierunkach,

- p rz yspieszenie klocka hamulcowego w trzech kierunkach.

Po zako ńc ze ni u kolejnych prób hamowania fotografowano powierzchnie cierne koła i wstawki. Dla ok r eślonych warunków "hamowania stop" sfilmo­

wano za pomocę s zybkobieżnej kamery obraz zmian po w ierzchni ciernej koła.

Wartości sygnałów m ierzonych w ie lkości zostały zapisane:

- na 14-ścieżkoweJ taśmie magnetyczne^

- w formie wykr es u na oscylografie, - w formie wydruku.

Na podstawie tych zapisów oraz dokumentacji filmowej i fotograficznej pr z ep ro wa d zi ł analizę całości badań. W celu wykonania tej analizy w y k o ­ rzystano ap ar at u rę udostępnionę przez ośrodek badawczy kolei DB w Minden oraz Wyższę Szkołę Techni c zn ę w Aachen. Wyniki z pomi ar ów stanowiskowych, zapisane na 14-ścieżkowej taśmie m a n g e t y c z n a j , poddano wę skopasmowej ana-

Wpływ żeliwnych wstawek. 253

lizie sygnału drgań przy interwale częstotliwości w y n o s z ą c y m 25 Hz (1981) i 80 Hz (1986).

Podczas tej analizy b a d a n o:

a) w p ł y w wstawek żeliwnych i z pr os zk ó w metali na p o ws ta wa n ie zużycia falistego koła,

b) warunki hamowania (czas, prędkość, nacisk klocka hamul co we g o na obręcz), dla których w ys tępuje zużycie faliste,

c) w p ły w materiału wstawek klocków hamulcowych na warto ść w s p ó łc z yn ni ka t a r c i a ,

d) widmo przyspieszeń wieńca koła podczas hamowania w s t a wk am i że liwnymi i z pro sz k ów metali,

e) widmo przyspieszeń klocka hamulcowego podczas ha mo wa n ia ws tawkami z ż e ­ liwa i z proszków metali,

f) zmianę drgań w łasnych koła po kolejnych prz et a cz an ia c h powierzchni c i e r n e j .

W tablicy 1 p r ze ds tawiono wyniki z wybranych prób "hamowania stop".

Z tablicy tej wynika, że podczas hamowania ws ta wk am i ż e liwnymi zużycie faliste powstaje jeżeli prędkość w ynosi około 100 km/h, a nacisk klocka na obręcz około 40 N/cm . Podczas hamowania w s t a w ka m i z proszków metali

2

zużycie faliste nie powstaje. Czas trwania hamowania po t rzebny dla u ks zt ał t ow an ia się zużycia falistego na powierzchni koła wyno si około 9 sekund, tablica 2.

Tabl ic a 1

Z es tawienie wyni kó w z w y br anych prób "hamowania stop"

Warunki hamowania

Występowanie zużycia falistego na powierzchni ciernej koła

po h a mo wa ni u w s t a wk ę prędkość

poczęt kowa

|j< m/hj

nacisk klocka na obręcz

¡N/cm2]

żeliwa z proszków

metali

100 40 tak nie

80 40 nie nie

60 40 nie nie

40 40 nie nie

254 P. Piec

Tablica 2

Zestaw ie n ie w a r u nk ów ha mo wania dla wybranych prób s ta n owiskowych wstawki żeliwne

Lp.

Nacisk klocka na obręcz [jj/cm^]

Prędkość Czas

h a m o w a ­ nia

M

Moc h a m o w a ­

nia

[kw]

U t wo rz e­

nie z u ż y ­ cia fa­

listego p o c z ą t ­

kowa [km/h]

k o ń c o ­ wa [km/h]

1 40 100 70 27 106 tak

2 30 99 ,6 99,6 9,9 67 tak

3 40 120 0 104 87 tak

4 40 120 115 4,4 98 nie

5 40 120 110 10,4 72,8 tak

6 15 120 120 9,9 40 nie

7 80 40 0 11,3 76 nie

8 25 40 40 20,35 30 nie

Na rys. 9 pr zedstawiono widok ogólny wycinka p o wierzchni koła po pró­

bie hamowania, podczas którego nie p o wstało zużycie falisto, poz. 8 w ta­

blicy 2. Ten sam wycin e k p ow ierzchni koła lecz po próbie hamowania dla w a r u nk ó w odpowi ad aj ę cy ch poz. 2 w tablicy 2, podczas którego powstało zu­

życie faliste, przedst aw i on o na rys. 10. Na kole tym w i d o c z n e s ą małe ob­

szary o c ie mn iejszym zabarwieniu. Wstawka klocka h am ulcowego w sp ół p ra cu ­ jąca podczas tej próby hamowania z kołem wykazy wa ła na p ow ierzchni tręcej i ntensywne ślady w ytarcia z wyra źn y m zaba rw i en ie m ciemnoniebieskim.

Rys. 9. Widok ogólny po wierzchni ciernej koła bez zużycia falistego po pró­

bie hamowania, tablica 2, poz. 8

Fig. 9. General v ew of the friction surface cf the wheel without corruga­

tion after the braking test (see table 2, item 8)

Wp ł yw żeliwnych wstawek. 255

Rys. 10. Widok ogólny wycinka powierzchni cierne] koła z w id o cznym z u ż y ­ ciem falistym po próbie hamowania, tablica 2, poz. 2

Fig. 10. General view of the friction surface s ec t or of the wheel with visible corrugation after the braking test (see table 2, item 2)

W y t a rc ie to było zlok al i zo wa ne na małym o b szarze w ś>odkowe] części p o ­ w ierzchni. ślady wytarcia wstawki pokrywaję s ię ze śladami zużycia fali­

s te go na kole, które także usytuowane jest w części środkowej.

Na podstawie analizy widmowo] drgań stwierdzono. Ze podczas "hamowania s t o p ” amplitudy drgań koła i klocka hamulcowego maję n ajwiększę wartość w poczętkowe] fazie hamowania. Częstotliwości drgań maję w przybliżeniu s ta łę war to ść n iezależnę od zmian prędkości podczas hamowania. Amplitudy drgań koła i klocka hamulcowego podczas hamowania ws t awkami z proszków m e t a li maję w artości 10-100 razy mniejsze w porównaniu do w artości a m pl i­

tud podczas hamowania wstawkami żeliwnymi. W tablicy 3 zesta wi o no w a r t o ­ ści względ n yc h m ak sy malnych amplitud drgań p r zy sp i es ze ń koła podczas ha mo ­ wania ws ta wkami z proszków metali i z żeliwa.

Tablica 3

Z estawienie wartości względnych amplitud drgań przys pi e sz eń koła podczas hamowania wstawkami z dwóch różnych ma te ri a łó w

Materiał wstawki

Kierunek drgań koła

styczny osiowy promieniowy

Proszki motali 1 1 1

Żeliwo 100 10 100

Na rysunkach 11, 12, 13 oraz 14, 15 i 16 p r z e ds ta w io no kolejno w a r t o ­ ści szczy to wy c h widm p r zy spieszeń stycznych, osiowych i promien io wy ch

2 5 6 _{P. Piec}

X

X X V ^Xk

£

X

>

JT

X

^{* . V}

M

^V

*

^f

A

_*

1

X

* 5 r<

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

C z ę s to tliw o ś ć (k H z ]

Rys. 11. Wykres w a r to śc i s z cz yt o wy ch wi d m przys p ie sz eń stycznych koła dla początkowej fazy h am owania (sporządzony na p od stawie przeprowa d zo ny ch prób

h a m o w a n i a )

Fig. 11. Diagram of the peak values of the wheel t angential acceleration spectrums for initial braking phase (made on the basis of the braking

tests )

1 X

% ^X

XX X

X Mix

.} •

1

^ri

^{i {}

^{X X}

•iii * !

^£r

I ^tt

^i,

h S

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

C z ę s to tliw o ś ć I k H z ]

Rys. 12. Wykres w a r t o śc i szczyt ow yc h widm pr zy spieszeń os iowych koła dla początkowej fazy ha m owania (sporządzony na po ds tawie przeprowa dz on yc h prób

hamowania )

Fig. 12. Diagram of the peak values of the wheel axial ac ce l eration spec­

trums for initial baking phase (made on the basis of the braking tests)

W p ł y w żeliwnych _wstawke. 257

X V

X

* jr ^*

S

n

V

*

_T ^a _< ^k

« K M

* H / V .*

i

^Xk

a X

«r M

*

t V

* » *

*

^*

;*> ^{I '}

^{kk ■ k k}

IS

---»T

a

/*

I.KK

4

*r

; i

^«r

k ’ ri *

a

>

^«

A

*

* * v

_{* * lr}

ł *

*

^r

>4; ■* »

^{i u u}

—

4 i

^x

k

i*"

^{i *}

₉

» »

■ / *

/ i

51^ i 5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 C z ę s to tliw o ś ć 1kHz)

Rys. 13. Wykres wart o śc i szczytowych widm przy s pi es ze ń promieniowych koła dla początkowej fazy hamowania (sporządzony na podstawie p r zeprowadzonych

prób hamowania)

Fig. 13. Diagram of the peak values of the wheel radial a cc el eration spec- trums for initial barking phase (made on the basis of the braking tests)

t gl

200

160

120

80

40

a

a

*

*

--- *

*

V

>*■

{

y

^k

»A

A * V

<r

« T t - m

t ■Of *

. ‘i

^{. * *}

■

^{* ;}

*■?

^{r *}

C zęs to tliw o ść 1kHz]

Rys. 14. Wykres wa rt oś ci szczytowych widm pr zy s pieszeń stycznych klocka hamulc ow eg o dla początkowej fazy hamowania (sporządzony na podstawie

przeprowadzonych prób hamowania)

Fig. 14. Diagram of the peak values of the brake shoe tangential a c ce le ­ ration spectrums for the initial braking phase (on the basis of the

braking tests)

258 P. Piec

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

C z ę s to tliw o ś ć Ik H z l

Rys. 15. Wykres war t oś ci s zc zytowych widm przespieszeń osiowych klocka ha­

m ul cowego dla początkowej fazy hamowania (sporządzony na podstawie prze­

p ro wa dzonych prób hamowania)

Fig. 15. Diagram of the peak values of the brake shose axial acceleration spectrums for the initial braking phase (made on the basis of the braking

tests )

ir*

« i

■ * >

* * k

X

« X k

i i * ' k * h i

S'

^«’

* k

V ;

^■* Jtyor *

"¿4

**x>

« k

M

- f i , ,

*

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

C z ę s t o t l i w o ś ć 1 k H z l

Rys. 15. Wykres w a r to śc i s zc zytowych widm przyspieszeń p romieniowych kloc­

ka hamu l co we go dla początkowej fazy hamowania (sporządzony na podstawie p rzeprowad zo ny c h prób hamowania)

Fig. 15. Diagram of the peak values of the brake shoe radial accelerations for the initial braking phase (made on the basis of the braking tests)

W p ł y w żeliwnych wstawek. 259

w ie ńc a koła oraz klocka hamulcowego. Z rysunków tych wynika, że n a j wi ęk ­ s ze w artości amplitud maję przyspie s ze ni a s t yc zn e klocka oraz p r o m i e n i o ­ we koła. Z w ykresu na rysunku 14 można w y d z ie li ć częstotl i wo ść o w ar to ś c i około 800 Hz o węskim zakresie zmian. U w z g l ę d n i a j ę c , dla utwo rz on e go p od­

czas hamowania obrazu zużycia falistego p r z e d s ta w io ne go na rys. 10, prę d ­ kość V = 99,6 km/h oraz ob liczoną na podstawie po mi ar ó w na o b w o dz ie koła średnią wartość odstępów pomiędzy obszarami o ciem ni ej s zy m za barwieniu Lp = 3,6 cm, można określić cz ęstotliwość s t ycznych d rgań klocka h a m u l c o ­ w e g o :

V 99,6 . 1 0 “

f p ° “ 3 , Ł . 3600 = 764 HZ

R easumując powyższe można stwierdzić, że cz ęstotliwość fp o dp owiada p rz ed s t a w i o n e m u na rys. 14 zak r es ow i c z ę s t ot li wo ś ci ,d la którego amplitudy m aj ą najwię ks ze wartości.

5. B A D A N I A EKSPLOATACYJNE P O W S T A W A N I A Z U Ż YC I A F A L I S T E G O KÓŁ

Badania eksploatacyjne, w których Autor uczestniczył, p r z e p r ow ad zo n o na o d ci nk u toru kolejowego M in den-Porta w roku 1981. Wagon ba dawczy w y p o s a ­ żony był w koła typ 88 oraz hamulec klockowy z w s t a wk am i z żeliwa. Przed ba d an ia mi wsta w ki poddano, napromieniowaniu. Próbę "hamowania stop" prze- p ro wa dz o no dla prędkości 100 km/h i nacisku klocka na koło 40 N/cm . Po zakońc ze ni u hamowania odtwor zo no na pap ie rz e czułym na pr o mi en io w an ie (któremu poddano wstawkę) rzeczywistą powie r zc hn ię s tyku koła z wst aw k ą (rys. 17). Obraz tej odbitki świadczy, że kontakt koła z w s t aw k ą klocka h am ul c ow eg o występował szcze g ól ni e intens yw n ie na o g r a n ic zo n yc h obszarach p owier z ch ni trącej koła. Z przeprowadzonej analizy widmowej przy sp i es ze ń s t y c z ny ch klocka hamulcowego wynika, że w początkowej fazie hamowania n a j ­ w i ę k sz ą war to ś ć amplitudy mają c z ę s t o tl iw oś c i w z ak r e s i e 750 Hz (rys.18).

' * * f §

I—*t T 1--- 1---1--- 1---1--- 1-1---1 ----1-- 1----1 ~j--- 1--1---1---1--- 1-1--1---- 1---- 1--1--- 1—

50 6 0 M 70

Rys. 17. Wycinek odtworzonej na papierze czułym na pr om i en io wa n ie r ze cz y­

wi stej po wierzchni styku koła podczas ha mowania z napro mi e ni ow an ą wstawką klocka h amulcowego

Fig. 17. The sector of the real contact eurfa ce of the wheel during bra- king with the irradiatec1 brake shoe, re producted on the ph o to graphic

paper

260 P. Piec

Rys.

szeń cyjne,

-o

D

E

a

<

Częstotliwość

18. Charakter przebiegu gęstości widmowej mocy stycznych przyspie- klocka h am ulcowego w początkowej fazie hamowania: badania eksploate

"hamowanie stop", V = 100 km/h, nacisk klocka na koło 40 N/cm^, wstawki żeliwne, k - współczynnik

Fig. 18. The run charakter of the power spectral c o ncentration of the shoe brake tangential accelerations in the initial braking phase: o p er a­

tional tests, "stop braking", V = 100 km/h, pressure of the brake shoe against the wheel - 40 N/cm , grey cast iron inserts, k - coefficient

P orównując badania eksploatacyjne z badaniami stanowiskowymi można stwierdzić zgodność ich wyników.

5. ZAKO ŃC ZE NI E

Badania st a no wiskowe wykazały, ż e :

a) mat e ri ał wst aw ki z pr oszków metali, który charakt er yz u je się dobrymi w ł a s no śc i am i tłumiącymi drgania, nie powoduje powstawania zużycia fa­

listego na p ow ierzchni koła,

b) wsta wk i żeliwne powodują p o wstawanie zużycia falistego na kole jeżeli za c howane są war un k i hamowania: prędkość około 100 km/h, nacisk klocka na koło około 40 N/cm , minimalny czas trwania hamowania około 9 s e ­

p

kund ,

c) n ajwiększe war t oś ci amplitud mają pr z yspieszenia styczne klocka h amul­

cowego oraz pr omieniowe koła,

d) amplitudy prz ys pi e sz eń s ty cz n yc h klocka hamulcowego mają największe w ar to ś c i w z akresie częstot l iw oś ci około 800 Hz.

Badania eksplo at ac yj n e na odcinku toru kolejowego dla wa gonu z h a m ul ­ cem kl o ckowym i ws ta wkami żeliwnymi wykazały zgodność w y n ik ów w o dn i e s i e ­ niu do badań stanowiskowych.

Reasumując całość badań należy stwierdzić, że przyczynę powstawania zużycia falistego, które tworzy s ię w początkowej fazie hamowania dla w a ­ runków okre śl o ny ch w niniejszej pracy, są drgania koła i klocka hamu l co ­ wego o c zę s totliwości około 800 Hz. Drgania te powodują wzrost dy na m ic z­

nych n aprężeń kontaktowych między kołem i wstawką klocka hamulcowego.

Oddział y wa ni e to jest szcz eg ól n ie wi doczne jeżeli styk koła z wstawką odbywa się na małej powierzchni. W początkowej fazie hamowania następuje s zybki wzrost temperatury warstwy wierzchniej wstawki na powierzchni trą­

W p ł y w żeliwnych wstawek. 261

cej . Powoduje to wygięcie wstawki, a tym samym styk koła z w s ta wk ę staje si ę liniowy lub punktowy. Po p r zekroczeniu dopuszczalnych na pr ęż e ń k o nt a k­

towych w wyniku oddziaływania dynamicznej siły o c z ę s t ot li wo ś ci około 800 Hz następuje miejscowe de fo rmowanie materiału na tak ukształtowanych ma k roobszarach powierzchni kontaktowej. W badaniach e k sp l oa ta cy j ny ch uj aw ­ nia się to w formie intensywn ie js z eg o sczepiania się m at eriału wst aw k i z kołem. W badaniach stanowi sk o wy ch deformacja ta jest bardziej widoczna.

Na powier z ch ni koła występuję małe obszary, o dp ow iadające powierzc hn io w o ukształtowanej powierzchni kontaktowej między kołem a wstawką, na których w id oc zn e są ślady plastycznej deform ac ji o c ie mnoniebieskim zabarwieniu, co potwierdza wyst ęp ow a ni e wy sokich temperatur. Oest to zgodne z z a r e j e ­ strowanym za pomocą szybkobieżnej kamery obrazem za ch od z ą c y c h zmian na p ow ierzchni ciernej koła podczas hamowania [ i]. Na p o dstawie analizy tego filmu w zwolnionym tempie stwierdzono, że w początkowej fazie hamowania w ys tę pu j ą w og ra n iczonym odstępie czasu intensywne w y rz uc a n i e r o z ż ar zo ­ nych cząstek ś c i e r a n e g o materiału.

P rz eprowadzone w 1986 roku pomiary w zakładzie odl ew an i a wstawek że­

liwnych w Ratingen wykazały, że szybki wzrost temperatury w arstw w i e r z ­ chnich wstawki na p ow ierzchni trącej powoduje jej w y g ię ci e w takim s t o p ­ niu, że promień jej krzywizny wzras ta o około 5 cm.

Wsta w ki wy konane z p roszków metali nie tylko tłumią drgania powstające w kole i klocku hamulcowym podczas tarcia ale także ze w z g lę du na lepsze przewodn ic tw o cieplne (około 75% stano w i proszek miedzi) p rz e ci wdziałają p ow stawaniu wysokich g radientów temperatury.

W z ak ończeniu należy stwierdzić, że tak ukształtowany o braz p o w i e r z ­ chni koła z wi do cz n ym z u życiem falistym będzie z kolei oddzi ał yw a ł na w sp ół p r a c ę koła z szyną. Przedstawione wyniki badań uzewnę tr z ni aj ą jedną z przyczyn zmian c hropowatości koła, w której to zmianie w ie lu autorów dopatruje się przyczyn zużycia falistego szyn.

L IT ER AT U RA

[|l] Piec P. : Mechanizm powstawania zużycia falistego kół tocznych wago nó w w war u nk ac h h am owania klockowego oraz sposoby przeciwdziałania.

M onografia 71, Politechnika Krakowska, Kraków 1988.

¡_2] Fink M.: Die Entstehung der Schienenriffeln. Der Stand der Riff el ­ forschung nach rund 60 Jahren. Glasers Annalen, 77 (1953) nr 11.

[3] Rosemeier H.: Unters uc h un ge n über Schienenriffeln. Die Bundesbahn, 1954, nr 5.

[V]

Skvor F. : Riffel - oder Polygonbildung von Sc hi e ne nf ahrzeugen.

V er ke h rstechnik in der Schweiz. 1979/80, nr 16.

[5l Hartwig K. : Erforschung der Sc h wi ngungsmarken auf den Laufflächen der Räder. Un te rsuchung von Radsätzen in AW Darmstadt. Versuchsanstalt Minden, Bericht 214/Fbbk 1,8, 12.06.1981.

262 P. Piec

[6] Raquet E . , T a ck e G. : Die S ch al labstrahlung der Schi en en r äd er und Erprobung Sc h al geaämpfter Räder für Fern- und Nahverkehr. Ei se nbahn­

technische Rundschau, 1978, nr 4.

|j7J Langerke A. : Be tr ie b se rfahrungen mit dr ei achsigen Gelenkwagen.

V e r k e h r s t e c h n i k , 1935, nr 25.

[8, Gössl N . : Die härtsche Fläche zw ischen Rad und Schie ne bei Z u g k r a f t ­ beaufschlagung und il-.re Auswirk u ng auf die ausnu tz ba re Haftung.

E is enbahntechnische Rundschau, 1955, nr 4.

[

9

] Birmann F.: S c h i e n e n e i f f e i n , ihre Erforschung und Verhütung, VDI-Z, 1958, nr 100.

[10] Düskow A.: Entstehung, Formen und Häufigkeit von Flächen Riffeln auf den Radreifen von Strassenbähnwagen. Elektrische Bahnen, 1964, nr 6.

[11] Werner K . : Radriffeln und periodischer G r üb ch enverschleis bei Roll- s ta ndversuchen durch W e ch se lw i rk un ge n mit to nfrequenten Eigens ch wi n ­ gungen und kohärenten U lt raschallfeldern. Arch iv für Ei s enbahn­

technik, 1973, nr 28.

[

12

] Bugarcic H . : U- Ba hn -Versuche über das Z us am me n wi rk en von Rad Schiene hinsichtlich G eräuschentwicklung, Laufverhalten. Stossübertragung, Reibung, Ab nützung und We l le nb il d un g - II. Teil. Verkehr und Technik, 1974, nr 11.

[133

Kummrow R.: Riffelbildung an der Ge 4 /4 II der RhB. Zwischenbericht zur Li te r at urrecherche über Riffel- und W e l l e n b i l b u n g , Winterthur, 6.2.1976.

[

14

] Willenbrink L , : Neurer Erkontnisse zur S c h a ll a bs tr ah l un g von Schienenfahrzeugen. E i se nb ah n te ch ni s ch e Rundschau, 1979, nr 5.

Recenzent ¡ Doc. dr hab. inż. Eu g eniusz Switoński

Wpłynęło do Redakcji 19.10.1989 r.

BJIHHHHB 'ü'iyHHOrO BAIUMAKA T0BÍ03H0Í1 KOJIOJIKH Jjlfl C03£ABAHHH B0JIH00EPA3H0r0 H3H0CA HECyiĘHX KOJIEC nO^EffiKHofÖ COCTABA H PEJÍbCOB P

^{e 3 10 m e}

Padoia ooflepacaica pe3y4BiaiH accjieAOBaHnii Ha HcnaraTeibHou cieHfle h b 3KcnjiyaTaqzH co3flaBaHna BOJiHoo6pa3Horo K3Hoca Kojiec bo BpeMa lopMcateHHa kojioaohhhm Topno3ou. ABTop B nepeflejiax OTHneHflHa yaacTBOBaa 8 3Tkx HccaeAO- BaHHax h npoBeflM aHaxH3 3HaaeHHä curHajioB H3MepeHi|Hx BejiHHHH perHcipupoBaH- híjx bo BpeMa nccjie,noBHnä. Hccjie^oBaHHa Ha HcnuTaTejibHOMic tö h a s h 3Kcnjiyaia- HHOHHHe npoBefleHO b HOcaeflOBaTejfŁĆKOM neHTpe HB b MzH^eH. B HcnuiaHHax onpe- .ąeaeHO BJinaHHe Maxepaana topmo3hhx CamMaroB Ha c03AaBamte BOJiHoo6pa3Horo H3H0ca KOJiec, OnpsejieHO Toxe ycjioBHa C03,naBaHHH B04Hoodpa3Horo H3Hocaj jiHHeflHaa. cKopooiŁ bo BpeMa TopMoaceHHH, flaBaeHHe TopuosHoro SamMana Ha Koaeco h MHHHMajiLHorc BpeMemi TopMoaceHHOro npouecca. H a ooHOBaHHH

W pł yw że li wnych wstawek. 2 6 3

I N F L U E N C E OF T H E G R E Y CAST IRON BRAKE S HOES ON T HE CORRUGATION OF BOTH T H E RAIL V EH IC L E S ROLLING WHEELS A ND THE RAILS

S u m m a r y

The work comprises the results of the stand and operational i n v e s ti g a­

tions on the p he no m en on of the wheel corrugation generated during braking with the shoe brake. Such investigations as well as the analysis of the recorded sign al s valu es have been carried out during the author's s c i e n ­ tific schollar sh ip . T h e stand and op erational experiments have been carried out at the OB Railway Research Centre of Munden. In the in ve s t i g a ­ tions, an in f luence of the brake shoes material on corrugation of the wheels was determined. The conditions of the co rrugation generation such as: the vehicle travelling speed during braking, the pressure of the brake sh os against the wheel and the braking process minimal duriation time have been determ in ed as well. On the basis of the spectral analy­

sis of the wheel and the brake shoe vibration, the frequency value of their acc el er a ti on was determinad. In the ending of the work, the m ec hanism of the wheel s and rails co rrugation has been presened.