Laura PER C H U Ć
BADANIA POŚLIZGÓW KÓŁ POJAZDÓW SZYNOWYCH I TWORZENIA SIĘ MARTENZYTU
Streszczenie. Pęknięcia i w ykruszenia spow odowane płaskimi m iejscami prow adzą do dużych kosztów w konserw acji zestaw ów kołowych. Sądzi się, że lepsze zrozum ienie procesu kształtow ania (form ow ania) m artenzytu w okół płaskich miejsc koła i wynikającego stąd w ykruszenia przyczyni się do oszczędności w eksploatacji i naprawie zestawów kołowych.
STUDY OF SLIP OF THE WHEEL RAIL VEHICLES AND MARTENSITE FORMATION
Sum m ary. Flat-induced cracks and spalls lead to large costs for w heelset maintenance. It is believed that the better know ledge about the process o f form ation o f martensite around a w heel flat, and about the ensuing spalling, will facilitate money-saving im provem ents in w heelset operation and maintenance.
1. W STĘP
Poślizg zestaw u kołow ego po torze je st zjawiskiem zupełnie norm alnym i m a ono niepom yślne konsekw encje dla koła, poniew aż drastycznie zwiększa koszty naprawy [5, 6], Przyczynam i poślizgu są źle wyregulowane, zam arznięte lub uszkodzone ham ulce, źle funkcjonujące urządzenia przeciwpoślizgowe lub zbyt duże siły ham owania w porównaniu do sił adhezji kontaktu koło-szyna. Zanieczyszczenia na torach, takie ja k liście, smar, oszronienia, m róz i śnieg, pogłębiają ten problem.
K iedy koło je st zablokowane i ślizga się po torze, na powierzchni tocznej koła tworzy się płaskie m iejsce. W zrost tem peratury wywołany poślizgiem i gwałtowne ochłodzenie warstwy wierzchniej m ateriału koła może doprowadzić do formowania się m artenzytu wokół płaskiego m iejsca [1,2]. M artenzyt stanowi fazę kruchą i posiada strukturę krystaliczną (układ
132 L.Perchuć
tetragonalny) prow adzący do rozszerzenia objętościow ego o ok. 0.5% w porów naniu ze strukturą perlityczną. T a zm iana objętości daje bardzo duże naprężenia własne ściskające w strukturze m artenzytu i odpow iednio duże naprężenia własne rozciągające w m ateriale otaczającym ww. strukturę m artenzytu [3].
Jeżeli zestaw kołow y z płaskim i miejscam i nadal pracuje, a także m artenzyt wokół płaskiego m iejsca nie został usunięty poprzez reprofilację, to wtedy w obszarze struktury m artenzytycznej będ ą pow stawały pęknięcia zm ęczeniow e wskutek działania naprężeń kontaktow ych podczas toczenia się koła.
Pęknięcia będ ą się nadal powiększać i stosunkow o duże kawałki m ateriału będ ą się odryw ać od pow ierzchni tocznej koła. Takie w ykruszenia zazwyczaj pozostaw iają wgłębienia o głębokości od 1 do 5 m m otoczone pęknięciam i, które często osiągają od 10 do 15 mm długości licząc od linii okręgu tocznego.
W ykruszenia spow odow ane płaskimi m iejscam i również w yw ołują duże obciążenia udarow e, pochodzące od toczącego się koła. M ogą one pow odować poważne uszkodzenia w naw ierzchni kolejowej oraz zaw ieszeniu pojazdu i łożyskach. Koszty w przypadku w ycofania zestaw u kołow ego (z w ykruszeniam i) są w ysokie z pow odu częstych reprofilacji powierzchni tocznej kół.
W Szw ecji w ykruszenia spowodow ane spłaszczeniem koła (płaskie miejsca) prowadziły do uszkodzeń w łożyskach tocznych i zawieszeniach - w niektórych przypadkach z zagrożeniem dla bezpieczeństw a ruchu kolejowego. Około 25% w ycofanych w szystkich zestaw ów kołow ych posiadało w ykruszenia spow odow ane płaskim i m iejscami. W skali rocznej przerost kosztów napraw y w skutek tego został oszacowany na ok. 2 min dolarów [1]. Sądzi się, że dodatkow e koszty w postaci niefunkcjonalnych pojazdów i zaburzeń w ruchu kolejow ym , jak też dodatkow a konserw acja nawierzchni, zaw ieszeń pojazdów oraz łożysk tocznych są kilkakrotnie w iększe.
W Szw ecji z pow odu jej surowego klim atu, zimy, trwającej od 3 do 5 m iesięcy w ciągu roku, a także dużych obszarów leśnych i opadania liści je sie n ią oraz relatyw nie krótkich odległości sygnalizacyjnych (zazwyczaj 800-1000 m na liniach konw encjonalnych) płaskie m iejsca kół i w ykruszenia pozostają dużym problem em. Dlatego lepsze zrozum ienie m echanizm ów będących u podstawy tw orzenia się m artenzytu wokół płaskiego m iejsca na pow ierzchni tocznej kół pow inno m ieć duże znaczenie. Sądzi się, że lepsze zrozum ienie tych zagadnień pozw oli na ulepszenia na następujących odcinkach funkcjonow ania kolei:
• lepsze oryginalne m ateriały na koła, dostosowane do pracy w warunkach, gdzie należy się spodziew ać płaskich miejsc,
• lepsza konserw acja zestaw ów kołow ych mających płaskie miejsca (ostrzejsze kryteria przy określaniu ilości materiału, poddanego działaniu ciepła, który ma być usunięty),
• lepsze system y diagnozow ania pojazdów, które w przypadkach zakleszczania kół m ogą posiadać ew entualne wykruszenia wskutek płaskich miejsc oraz potrzeby wymiany kół.
2. PR ZEG LĄ D LITER A TU RY
Badań naukow ych pośw ięconych płaskim miejscom jest niewiele. W zasadzie w literaturze głów nie m ożna znaleźć informacje na tem at badań eksperym entalnych, np.:
Kum agai i in., 1991, Kigawa, 1988, Kigawa i K imoto 1990, ewentualnie na tem at płaskich m iejsc (N ew ton i Clark, 1979, Kaku i Jam ashita 1985, Igeland, 1994).
N ajnow sze inform acje zawarte są w projekcie J. Jergeus, 1997. W ykorzystane są w nim wyniki poprzednich badań dotyczących przemian fazowych w związku z zagadnieniami hartow ania (utw ardzania, ulepszania cieplnego) przeprowadzonych przez: H ildenwalla (1997), S jostrom a (1982), Jarvstrata (1990) na Politechnice w Linkoping. Oczywiście wyniki tych badań stanow ią bazę dla badań ilościowych nad skom plikowanym zjawiskiem interreakcji pom iędzy tem peraturą, m ikrostrukturą a naprężeniem.
3. CEL BA D A Ń
C elem badań było ustalenie i zastosowanie nowoczesnego m odelu materiału term oplastycznego dla w yjaśnienia problem u zjawiska płaskich m iejsc na kole [4],
4. M O D ELE K O M PU TER O W E
Przem iany fazowe, naprężenia oraz powstawanie pęknięć i ich rozprzestrzenianie się w yw ołane poślizgam i kół s ą zagadnieniami sprzężonymi. Sprzężenia te przedstawiono na rys. 1.
134 L.Perchuć
R y s .l. P o le te m p e r a tu r k o n tro lu je p ro c e sy p rz e m ia n faz o w y ch (sp rz ę ż e n ie 1). P rz e m ia n y fa z o w e p o w o d u ją g e n e r o w a n ie c ie p ła lu b je g o p o c h ła n ia n ie , c o p o n o w n ie o d d z ia łu je n a te m p e ra tu rę (2 ). T e m p e ra tu ra i p r z e m ia n y fa z o w e p o w o d u ją n a p rę ż e n ia (3 ,4 ). Po le n ap rę że ń o d d z ia łu je na te m p e ra tu rę , w ó w c z a s e n erg ia j e s t ro z p ra s z a n a , d z ię k i o d k s z ta łc e n iu p la sty c z n e m u (5 ). M ik ro s tru k tu ra z n a jd u je s ię ró w n ie ż po d w p ły w e m o d d z ia ły w a n ia p o la n a p rę ż e ń (6 ). Z a le ż n o śc i (5 ) i (6 ) s ą tutaj p o m in ię te . N a p rę ż e n ia s z c z ą tk o w e w z a je m n ie o d d z ia łu ją z n a p rę ż e n ia m i k o n ta k to w y m i p o w o d u ją c ro z p rz e strz e n ia n ie się p ę k n ię ć (7 , 8)
F i g .l . T e m p e ra tu re fie ld c o n tro ls p h a se tra n s fo rm a tio n p ro c e sse s (c o u p lin g 1). P h ase tra n s fo rm a tio n s g e n e ra te or c o n s u m e h e a t w h ic h re -a ff e c ts te m p e ra tu re (2). T e m p e ra tu re a n d p h a se tra n s fo rm a tio n s c a u s e stresses (3 ,4 ). S tress fie ld in flu e n c e s te m p e ra tu e s as en erg y is d is sip a te d d u e to p la stic flo w (5). M ic ro stru c tu re is also a ffe c te d b y s tre ss fie ld (6 ). C o u p lin g s (5 ) a n d (6 ) are n e g le cte d here. R esid u a l stre sse s in te ra c t w ith ro llin g c o n ta c t s tre ss e s c a u s in g p ro p a g a tio n (7 ,8 )
5. T W O R Z E N IE SIĘ M A RTEN ZY TU
M odelow e podejście do zagadnień pow stawania płaskich m iejsc oraz m artenzytu w okół tych m iejsc na pow ierzchniach tocznych kół kolejow ych zostało w ykorzystane w projekcie badaw czym w ykonanym na W ydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki w C halm ers w Szwecji (D epartm ent o f E ngineering M etals at Chalm ers University o f T echnology, Sweden) [3]. D zięki w ykorzystaniu program u ABA Q US udało się dokonać obliczeń i ustalić, w jakich
w arunkach dochodzi do tworzenia się martenzytu. Sformułowano zależność pomiędzy głębokością pow staw ania m artenzytu a ilością pochłoniętego ciepła przez materiał koła oraz czasem trw ania poślizgu koła - rys. 2 [4],
A ï [mm]
0.0
0.5 1.0 1.5 2.0
2.5 3.0 3.5 4.0
P
[kWJR y s.2 . O b lic z o n a g łę b o k o ść m a rte n z y tu p o m n ie jsz o n a o g łę b o k o ść m a te ria łu ro z to p io n e g o (ro z d a rte g o ). K ażdy k w a d ra t p rz e d sta w ia j e d n o c ie p ln e /m ik ro stru k tu ra ln e o b lic z en ie . K rz y w e (lin ie c ią g łe ) b e z linii p rz e ry w a n e j o b e jm u ją o b s z a r p ra w d o p o d o b n e g o tw o rz e n ia się m a rte n z y tu . O b sz a r p o m ię d z y g ó r n ą lin ią c ią g łą a lin ią p rz e ry w a n ą j e s t to o b s z a r p o w sta w a n ia m a te ria łu ro z to p io n e g o (ro z d a rte g o ) d o w ięk szej g łę b o k o ś c i n iż m a te ria ł p rz y p o w staw a n iu m a rte n z y tu (Je rg e u s, 1994)
F ig .2 . C a lc u la te d m a rte n s ite d e p th re d u c ed by d ep th o f m elted d o w n /to rn aw ay m aterial. E ach sq u are re p re sen ts o n e th e rm a l/m ic ro s tru c tu r a l calcu la tio n . S o lid cu rv e s e n co m p ass a re a w h e re m a rte n site is lik ely to h av e fo rm e d . In a re a b e tw e e n u p p e r so lid lin e and d ash ed lin e m aterial is likely to be m e lte d d o w n /to m aw ay to a g re a te r d e p th th e n th a t o f m a rte n site fo rm atio n , see (Je rg e u s (1 9 9 4 )). E x a m p le s 1 and 2 a n d a re m ark ed w ith c irc le s a n d n u m b e rs
6. PO D SU M O W A N IE
O statnie w yniki badań laboratoryjnych i eksploatacyjnych [5] kół w skazują na to, że m artenzyt tw orzy się tylko w przypadku pewnych kombinacji wzbudzonej mocy cieplnej oraz czasu trw ania poślizgu - rys. 2. Poniżej zagrożonego obszaru austenityzow anie nie jest m ożliw e. Powyżej tego sam ego obszaru objętość nagrzanego m ateriału wokół spłaszczenia na
136 L.Perchuć
pow ierzchni koła je st zbyt duża, aby umożliwić gw ałtowne schłodzenie niezbędne do rozpoczęcia tw orzenia się i uform ow ania się martenzytu.
N iestety, ja k na razie korelacja w yników numerycznych i eksperym entalnych je st trudna, poniew aż część generowanego ciepła wydzielanego na zewnątrz koła nie je st znana. W przyszłości je d n ak ten czynnik będzie uwzględniany. Duże nadzieje zw iązane są z udoskonaleniem oprogram ow ania pozwalającego na uw zględnienie w ielu m odelow anych w łaściw ości.
7. W NIOSK I
Ze w zględu na szerokie zainteresow anie problem em form ow ania się m artenzytu wokół płaskich m iejsc na pow ierzchni tocznej kół kolejowych w yw ołanych poślizgam i kół wydaje się w skazane kontynuow anie badań prowadzących do lepszego zrozum ienia w arunków sprzyjających pow staw aniu tego typu struktury.
LITER A TU R A
1. Jergeus J.: M artensite form ation in railway wheel flats. Chalm ers U niversity o f T echnology, D ivision o f Solid M echanics, Gothenburg, Szwecja, 1994.
2. Jergeus J., L unden R. and Gullers P.: M artensite form ation around railw ay w heel flats.
Proceedings o f the 1 l lh International W heelset Congress, Paris, France, 1995.
3. Jergeus J.: M artensite form ation and residual stresses around railway wheel flats. Report F I 91, C halm ers U niversity o f Technology, Division o f Solid M echanics, Gothenburg, Szw ecja, 1996.
4. Jergeus J.: M artensite form ation and dam age around railway wheel flats, 6lh International Heavy H aul C onference, Cape Town, South Africa, 1997.
5. Perchuć L., S itarz M.: Badania laboratoryjne i eksploatacyjne poślizgu kół napędow ych pojazdów szynow ych, M iędzynarodow a Konferencja „T R A N SPO R T ’ 97” , Ostrawa- K atow ice 1997.
6. Perchuć L., Sitarz M., W iederm ann J.: Klasyfikacja i przyczyny defektów kolejow ych zestaw ów kołow ych w czasie eksploatacji, Konferencja Naukow o-Techniczna „Postęp i przem iany w P K P -1997” .
Recenzent: Dr hab.inż. M arek Sitarz Prof.Politechniki Śląskiej
A bstract
A railway w heel flat is a flat spot on the rolling surface o f a w heel caused by its unintentional sliding on the rail. Under certain sliding conditions, martensite, w hich is a brittle phase o f carbon steel, will form around such a flat. The presence o f martensite often leads to cracking and spalling o f the material in the tread o f a rolling wheel having a flat. Flat-induced cracks and spalls lead to large costs for wheelset maintenance. It is believed that the better know ledge about the process o f formation o f m artensite around a wheel flat, and about the ensuing spalling, will facilitate money-saving improvements in wheelset operation and maintenance.
