PRZYDATNOŚĆ TWORZYW SZTUCZNYCH NA WIEiCE KÓŁ JEZDNYCH SZYNOWYCH MASZYN TRANSPORTU BLISKIEGO

Seria: Mechanika z. 53 Hr kol. 439

Władysław Bińkowski

PRZYDATNOŚĆ TWORZYW SZTUCZNYCH NA WIEiCE KÓŁ JEZDNYCH SZYNOWYCH MASZYN TRANSPORTU BLISKIEGO

Streszczenie. Zastosowanie w maszynach transportu bliskiego, kół jezdnych o wieńcach z tworzyw sztucznych przyczynia się do znaczne­

go zmniejszenia zużycia bieżników kół oraz szyn. Dzięki dużej od- kształcalności tworzyw sztucznych, następuje zmniejszenie stykowych nacisków powierzchniowych co pozwala na dobór średnic wieńców kół zbliżonych do wartości średnic kół stalowych. Wieńce z TS wykazują nieco większy opór tarcia potoczystego, nie rzutuje to jednak na dobór mocy silnika mechanizmu jazdy.

Wstęp

Wśród przyczyn przestojów dźwignic, przemieszczających się po torze szy­

nowym, znaczny udział dotyczy przypadków odmowy działania mechanizmów jaz­

dy tych maszyn. Najbardziej odczuwalne są skutki przedwczesnego zużycia współpracujących ze sobą elementów: koło jezdne - szyna [1t4].

Jedną z możliwości zwiększenia trwałości wspomnianych elementów jest za­

stosowanie do wykonania bieżników kół a także obrzeży - tworzyw sztucznych • (TS) np. poliamidu 6 (PA6) czy poliuretanu (FU). Przeprowadzone w tym za­

kresie dotychczasowe doświadczenia są na tyle obiecujące [5], że można wiązać duże nadzieje na poprawę istniejącego stanu. Koła jezdne, wykonane z TS wykazują bowiem nie tylko bardzo małe zużycie bieżników i obrzeży lecz również powodują minimalne zużycie szyn, po których się przemieszcza­

ją. Oprócz dużej odporności na zużycie ścierne tworzywa sztuczne w odróż­

nieniu od metali cechują się dużą zdolnością do tłumienia drgań.

Dobór podstawowych rozmiarów geometrycznych

Tworzywa sztuczne w rodzaju poliamidów czy poliuretanów wykazują małe w porównaniu ze stalą wartości modułu sprężystości, co powoduje dużą ich odkształcalnośó pod wpływem obciążenia. Przy nacisku koła jezdnego z bież­

nikiem o powierzchni pasa kulistego na płaską szynę, zamiast styku punkto­

wego wskutek odkształcalności koła występuje styk powierzchniowy. W wyni­

ku zwiększa się nośność koła jezdnego i następuje spadek naprężeń styko­

wych.

Niech koło jezdne, toczące się po płaskiej szynie obciążone jest siłą pionową P, przyłożoną w śrcdku kuli o promieniu fi, opisanej na bieżniku koła (rys. 1).

Rys. 1

Wskutek odkształcenia bieżnika w okolicy styku z szyną, zamiast styku punk­

towego, utworzy się ślad zetknięcia w postaci koła o promieniuj as - w przypadku koła jezdnego wykonanego ze stali,

a-j. - w przypadku koła jezdnego wykonanego z TS (np. poliamidu 6).

Z przekształcenia wzoru Hertza, można te promienie wyrazić:

A

P .cf k ’

3 f t gdziet

(1)

(la)

8 K 1 * K2________

+ 3 ^ 1 •‘■V j) '

(Ib)

Ponieważ dla omawianego przypadku: “ R oraz Rg-j •> R^2 “ COt to cT= 2R

Stosunek

g d z -■i

Es(1 T ~

o 3 2 (1

—arr*

V t .)

1 8

kt = 3

Et • Ea

E s ^ V 1 " 'V s )

Jeżeli przyjąć, że wartości liczby Poiasona v t ” 'Pg» *°

at \ Es O s < 1 " v t> + Et(1 - ^ s ^ T - 2 (1 -Vg‘) Et . Eg

Es + Et 2 E*

Ponieważ E^. S 0,01 . E , to«

El + Bt - Es, wobec tego«

a , 3 E

__ t ^ — % I 3

ś "

3,7.

(2t)

W przypadku zetknięcia kulistego bieżnika koła z płaską szyną, najwięk- szy nacisk stykowy w środku koła będącego śladem zetknięcia, wynosi«

w i J 7 *

wobec tego stosunek«

Pi a 2 , .

rt max ■ III S3 t Ii s\ ~ ■ ) S3 I m 3 TST'"1 1

°s max at 3,7 ^3,7

Wynika stąd, że duża odkształcalność TS kompensuje jego mniejszą od stali wytrzymałość, przyczyniając się do zmniejszenia wartości stykowego nacisku powierzchniowego.

Przy jednakowych rozmiarach geometrycznych kół jezdnych z bieżnikami o powierzchni sfery kulistej, przemieszczających się po stalowych szynach płaskich, wystąpią w przypadku zastosowania TS - naciski stykowe kilkuna­

stokrotnie niższe niż dla kół stalowych. Wartość p nie przesądza o mo­

żliwościach pojawienia się odkształceń trwałych, gdyż w tym miejscu za­

chodzi trójosiowy stan napięcia, określony naprężeniami głównymi sx « S y = - ^ (1 - 2v) . pj S 2 « -p

wg hipotezy energii odkształcenia postaciowego

D l a ^ = 0 , 3 , 6 m 0 , 2 p ^ . k

Pdop ■ 5 * kc Przykład

Średnica koła jezdnego D = 2R -* 400 mm. Przy obciążeniu koła jezdnego ze stali 60G o twardości na powierzchni ^ 270 HB siłą P = 4000 daN stykowy nacisk powierzchniowy«

ps . 0,388

A

"21

4 0 0 0

20

■s N *dop Dla koła jezdnego z TS (poliamid 6)

P . ^ “ 0,388

Ps < Pdop - 14000 daN/cm2 [6]

„ 13700 daN/cm2

a+ P

p^. “ Pg(^—) * ~ 1000 daN/cm

Promienie kół - śladów zetknięcia wyniosą«

dla koła stalowego

p . r „ ( 2 i . i o ^ ~2 ) 4 0 0 0 * 2 0 ° 0 , 3 7 3 C m

dla koła z TS

łt " “s * 3,7 «» 0,373 . 3,7 = 1,38 cm

W przypadku kół walcowych współdziałających z szyną płaską, maksymalny nacisk powierzchniowy w okolicy styku wynosi«

...» • V E, -1 Es * A * . A (l-y2).b.R(Ea+Et) 1

* ( l - ^ > ( V Et>

\

gdzie«

b - odcinek zetknięcia koła walcowego z szyną płaską.

Przyjmując najniekorzystniej niską wartość modułu sprężystości tworzywa»

p

E^. = 17000 daN/cm oraz wyrażając stosunek»

E E

r T T - Et ’ ponieważ Eg^ > Et

3 X

jak również przy przyjęciu V ^ = 0,4 otrzymuje się wartość

" W i “ v t j " A

17000 1(1 - 0,4 )

80,

stąd

d = 80

- max _A b.k s pdop 2

Przyjmując P^op = 4°° daN/cm przy długotrwałym obciążeniu,zaś przy krót­

kotrwałym wartość o 50$ wyższą» Pdop D 600 daN/cm2 , przy spełnieniu warunków»

- temperatura otoczenia tQ < 35°C,

- prędkość jazdy vj 5 m/s, dla skrajnego przypadku otrzymuje się«

3doP ■ 8 o y k - 4o°- Stąd promień koła jezdnego

R = 0,04 . ■£; gdzie« P [daNj R,b [cml

Opory ruchu

Opór toczenia koła jezdnego»

gdzieś f

U -- liczba tarcia potoczystego.

Dla PA6 (koła walcowe po płaskiej szynie) liczba tarcia potoczystego przyjmuje wartości (8 ■£ 10) . 10-3 w zakresie temperatur (20 f 60°C)[7.8].

Dla kół stalowych, toczących się po szynie stalowej płaskiej ■w =(0,7t1,5)

. ID"3.

Przyrost całkowitego oporu jazdy spowodowany zwiększoną liczbą tarcia potoczystego kół jezdnych z TS (z uwzględnieniem oporu tarcia ł.iżyak tocz­

nych) jest stosunkowo niewielki i wynosi ok. 20-405& całkowitego oporu jaz­

dy kół stadowych. Przyrost ten jest znacznie niniejszy w przypadku łoż- - skowania ślizgowego.

Wnioski

Zastosowanie TS na bieżniki a także obrzeża kół jezdnych szynowych maszyn transportu bliskiego stwarza możliwości znacznego zwiększenia trwa­

łości kół jezdnych i szyn.

Duża zdolność tłumienia drgań wieńców kół jezdnych wykonanych z TS pozwa­

la na ograniczenie wpływu niekorzystnych zjawisk dynamicznych, pojawiają­

cych się zwłaszcza przy większych prędkościach ruchu jazdy.

Dzięki, aużej odkształcalności TS, następuje zmniejszenie wartości maksy­

malnych nacisków na powierzchni śladu zetknięcia koła z szyną co pozwala na dobór zbliżonej wartości jego średnicy ze średnicą koła stalowego. Nie pociąga to za sobą konieczności zmiany przełożenia przekładni mechanizmu jazdy. Zwiększenie odkształcalności TS objawia się również wzrostem opor i tarcia potoczystego i 20t-405ó wzrostem całkowitego oporu jazdy.

LITERATURA

[jt J BHiKOWSKI W. i inni: Problemy Remontowe Hutnictwa 41*1970, s.1?11.

[2] BINKOWSKI W. i inni: Problemy Remontowe Hutnictwa 45,1971, S.10-J13.

BINKOWSKI W.: Zeszyty Naukowe Politechniki śląskiej, Mechanika z.52, 1973, s. 97f106.

[4] BINKOWSKI W.: Problemy Remontowe Hutnictwa 3,1973, a. 21*25.

[5 ] Polyamid - Katzlaufr&der. Maschinenmarkt, 59, 1969.

[b] PIETKIEWICZ A., SOBOLSKI R.: Dźwignice WNT, Warszawa 1969.

|j7j ADAMCZYK J., BI1&0WSKI W., PILLICH W. i inni: Techniczne i ekonomicz­

ne aspekty stosowania tworzyw sztucznych w budowie dźwignic,urządzeń przeładunkowych i urządzeń transportu ciągłego. Praca naukowo-badaw­

cza, niepublikowana. Instytut Podstaw Konstrukcji Maszyn,Gliwice 1974.

[8j TIETZ J.: "Pórdern und Heben" 7 /1 9 6 9 , s. 424-428.

UPHI'OAHOCTb JMAC’fHAUG A JIh 01>u a0 3 XOAOJJHa PBJUjCObUX KOJliiC C P E ^ C T B BJIH iH EPO T PA H C nuPT A

P e 3 Ki m e

npHMOHeHMe xoA ohbcx KOJiec c o6oa3mh u s n jia o m a o c b cp e A C T B a x S.iH stnero T p a H cn o p T a H B J ia e ic a n pK 'iH H oii MeHbmero H 3H oca o S o a o b a p e jib C O B .E A a ro A a p a Sojot moft Ae<JopMHpyeMOCTH ruiaCTM acc n a o iy n a e i yMeHbmeHHoe y A ejib H o e AaajieH H e v t o A aeT 303M0XH0CTB HCA5HpaTb AHOMeTp ObOAOB KOJleC noXOXHSi Ha A H a M e ip CTaJIbHUX K o jie c . O SoA a H3 n jiaoT M aoo npoHBjiHBT H e3H avH TeiibH 0 S o a e e B uooK oe c o n p o iH B jie - HHe TpeHHH K an eH H a, oAH axo s t o t $ a x i He B x u se T n a no A do p m o h h o cth A B H raT ejiH x o a o b o t o MexaHH3Ma.

THE ADAPTABILITY OP PLASTICS TO THE PRODUCTION OP TRAVELLING-WHEEL RIMS OP SHORT - DISTANCE RAH, TRANSPORTERS

S u m m a r y

The application of travelling wheels with rims made of plastics in short distance transporting machines contributes to a considerable reduction of the wear of wheel treads and rails. Due to the good deformability of plas­

tics the contact pressure on their surfaces is reduced, so that it beco­

mes possible to choose such diameters of the wheel rims that approach the values if the diameters of steel wheels. Plastics rims display a somewhat greater rolling friction drag, but this does not bear upon the choice of the power output of the engine of the vehicle.