ZESZY TY N A U K O W E PO L IT E C H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: TR A N SPO R T z. 48
2003 N r kol. 1604
Piotr A DAM IEC, Jerzy D Z IU B IŃ S K I, H enryk BĄ K O W SK I
ZUŻYCIE POW IERZCHNIOWE SZYN
Streszczenie. W pracy przedstaw iono form y zużyw ania szyn kolejow ych ze szczególnym uw zględnieniem łuszczenia. B adano typow e zużyw anie się eksploatacyjne typu spalling szyn zwykłych i obrobionych cieplnie na stanow isku A m slera w układzie rolka-rolka. Z am ieszczono wyniki badań zużycia W agow ego, intensyw ności zużycia, w yniki badań produktów zużycia oraz wyniki obliczeń zużycia szyn z w ykorzystaniem m echaniki pękania. Stw ierdzono, że dom inującym procesem zużyw ania się stali szynow ej je s t proces pow ierzchniow ego łu szczenia się (spalling) w skutek dużych odkształceń i pow stałych zaw alcow ań prow adzących do lokalnego odryw ania się cząstek.
SURFACE WEAR OF RAILS
Sum m ary. Types o f rails w ear have been discussed w ith the special considering o f the spalling type. Service rails w ear o f the spalling type o f rails heat treatm ent and w ithout teat treatm ent on the Amsler stand in the roller-roller system has been tested. Result o f the w eight w ear test, the intensity o f wear, the w ear products test and the rail w ear calculation based on the fracture m echanics have been presented. It has been found the dom inant type o f the rail steel w ear is the spalling type as a result o f large strains on the surface, leading to the local tearing o ff o f particles.
1. W PR O W A D ZEN IE
Szyny stanow ią bardzo w ażny elem ent toru stanow iący o bezpieczeństw ie jazd y . Ich zużywanie się decyduje o trw ałości i niezaw odności szyn, tzn. o czasie i praw dopodobieństw ie uzyskania tzw. zużycia dopuszczalnego. W ielkość takiego zużycia w ynosi w zależności od warunków eksploatacyjnych od 12 do 16 m m [ 1],
W torze w y stęp u ją ró żn e form y zużycia szyn. N ajczęściej spotyka się zużycie typu spalling w postaci łuszczenia i o dryw ania się cząstek w w arstw ie w ierzchniej. M o g ą w ystępow ać rów nież form y zużycia typu w ybuksow ań (scuffm g) lub w ykruszeń zm ęczeniow ych (shelling), o któ
rych w spom ina się w pracy [2], P rzykłady różnych postaci zużycia zostały skatalogow ane w edług UIC [3],
W edług Z aczkow skiego [4] o trw ałości i niezaw odności szyn decyduje ich norm alne zużycie eksploatacyjne, które zw ykle przyjm uje form ę zużyw ania się poprzez łuszczenie (spalling).
W pracy badano form y zużyw ania się szyn typu spalling, które m odelow ano n a urządzeniu A mslera za p om ocą układu rolka-rolka, z których jed n a rolka stanow iła p róbkę stali szynow ej, natom iast druga rolka ja k o przeciw próbka była w ykonana ze stali łożyskow ej ŁH 15 po obróbce cieplnej. W próbach tych p rodukty zużycia w ystępow ały w postaci drobnych cząstek odryw ających się od pow ierzchni.
P. A dam iec, J. D ziubiński, H. B ąkow ski Zużycie takie m o ż n a opisać za p o m o cą m odelu A rcharda ja k o zużycie ubytkow e proporcjonalne do nacisku i drogi, a odw rotnie proporcjonalne do tw ardości próbek:
gdzie:
Z - zużycie w agow e g,
C - w spółczynnik proporcjonalności, P - nacisk w M Pa,
S - droga tarcia w m, H - tw ardość w M Pa.
( 1)
Zużycie typu spalling m o żn a rów nież opisać za p o m o cą m odelu Suh [5], w ykorzystującego m echanikę pękania. W m odelu takim w ystępuje w zrost szczeliny rów noległej do pow ierzchni.
W zrost ten je st zgodny z rów naniem P arisa opisującym w zrost szczeliny zm ęczeniow ej:
§ - / > ( « ) ■ (2)
gdzie:
dC - przyrost szczeliny,
dN - przyrost cykli zm ęczeniow ych,
AK - zakres w spółczynnika intensyw ności naprężeń, /3, n - stale m ateriałow e.
M odele te w ykorzystano do analizy uzyskanych w yników zużyw ania się stali szynow ych.
Badano zużyw anie się p róbek w ykonanych z szyn zw ykłych S49 nie obrabianych cieplnie o średniej tw ardości 260 HB i szyn UIC 60 po obróbce cieplnej o średniej tw ardości 330 HB.
Obydwie partie szyn w ykonane by ły ze stali St90PA (0,60-^0,80% C; 0,80-^1,30% M n; 0,10-^0,50%
Si), przy czym szyny nie obrobione cieplnie charakteryzują się w łasnościam i m echanicznym i na poziom ie Rm>880 M Pa, As>10%, tw ardość ok. 260 HB i strukturze perlitycznej o odległości m iędzy płytkam i cem entytu ok. 0,20 firn, natom iast szyny obrabiane cieplnie p o siad ają w łasności rzędu: Rm>1080 M Pa, A5>10%, KCU>25 J/cm 2, tw ardość 320 - 390 HB i w ykazują strukturę drobnopłytkow ego perlitu o odległościach m iędzy płytkam i ok. 0,10 pm.
2. PRZEPROWADZENIE BADAŃ
2.1. Badania zużycia w agow ego szyn
Badania m odelow e zu ży w an ia się szyn przeprow adzono na stanow isku A m slera (ry s .l) w ykorzystując próbki ze stali szynow ych w postaci rolek o średnicy nom inalnej 42,5 m m i szerokości 10 m m przy nacisku pucrtza = 587 M P a oraz przeciw próbkę ze stali łożyskow ej ŁH15 o średnicy 38,8 m m i szerokości 10 m m , uzyskując poślizg 0,78%.
Zużycie pow ierzchniow e szyn 9
Rys. 1. M aszyna do badania ścieralności typu A m sler Fig. 1. A m sler m achine for the w ear investigation
W łaściw ości stali szynow ej zestaw iono w tablicy 1.
T ablica 1 W łaściw ości m echaniczne stali w gatunku 900A
Rodzaj szyny Rm [M Pa] Re [M Pa] A 5 [%] K C U [J/cm 2] HB
O brobiona
cieplnie 1230 750 13,6 31 356
Surowa po
w alcow aniu 973 515 12 26 288
W czasie b adań dokonyw ano pom iaru ubytków w agow ych oraz rejestrow ano produkty zużycia w form ie drobnych płytek. D o oceny w ielkości produktów zużycia w ykorzystano m ikroskop optyczny N eophot w yposażony w kam erę telew izyjną um ożliw iający kom puterow ą analizę w ielkości uzyskanych płytek. W yniki badań zużycia przedstaw iono w tablicy 2 i na rys. 2.
T ablica 2 W y m iary cząstek zużycia
Stan stali O bciążenie, p o ślizg
W ym iary cząstek zużycia Średnica
cząstek ftm
O dchylenie standardow e
a firn
W skaźnik kształtu
G rubość cząstek /zm Po obróbce
cieplnej
N acisk L=587 M Pa, Poślizg y= 0,78 %
180 + 251
208 4,1 0,99 19,3 + 30,3
24 Bez obróbki
cieplnej
N acisk L=587 M Pa, Poślizg y= 0,78 %
383 + 463
432 74,0 0,97 32,5 + 38,9
36 Uwaga: średnie w ielkości obliczono z 20 pom iarów
10 P. Adamiec, J. Dziubiński, H B ąkow ski
Droga tarcia [m]
[- - — - st. szyn obrobiona cieplnie — ■— st. szyn, w stanie surowym po w alcowaniu
Rys 2 Zużycie stali szynow ych [6]
Fig 2 W ear o f Steel raili [6 ]
Przykłady p roduktów zużycia przedstaw iono na rys. 3 - 6 .
Rys. 4. Produkty zużycia stali szynow ej surowej nie obrobionej cieplnie, pow.
150x
Fig. 4. Particles as w ear p roduct o f rail w ithout heat treatm ent, M ag 150x Rys. 3. Produkty zużycia stali szynowej po
obróbce cieplnej, pow . 150x Fig 3. Particles as w ear p roduct o f heat
treatm ent rail, M ag 150x
zużycieobjętościowe[mnłj
Zużycie pow ierzchniow e szyn 11
Rys. 5. Pow ierzchnia zużycia stali szynow ej Rys. 6 . Pow ierzchnia zużycia stali szynow ej obrobionej cieplnie, pow . 500x surowej nie obrobionej cieplnie, pow.
Fig. 5. The surface w ear o f h eat treatm ent rail, 500x
M ag 500x Fig. 6 . T he surface w ear o f rail w ithout heat treatm ent, M ag 500x
2.2. O bliczenie zużycia szyn z zastosow an iem m echaniki pękania
Do obliczeń zużycia objętościow ego szyn w ykorzystano w zór (3) i m odel (rys. 7) podany w pracy [7]:
V = p - S + C e\ d C e (3)
gdzie:
8 = a - [3 - stała,
a - w spółczynnik proporcjonalności,
P - stała w rów naniu P arisa opisującym w zrost szczeliny zm ęczeniow ej, n - w ykładnik w rów naniu Parisa,
y - w spółczynnik proporcjonalności, H - tw ardość,
k - bezw ym iarow a w ielkość zależna od w spółczynnika tarcia /r, grubości zużytej cząstki d i długości pęknięcia Ce ,
p - obciążenie, naprężenie kontaktow e, S - droga tarcia,
d- grubość zużytej cząstki, Ce- długość pęknięcia,
a - połow a długości kontaktu nierów ności z p o w ierzchnią przy czym , C c= 3 •a, D = 2 ■a, D - średnica zużytej cząstki.
12 P. A dam iec, J. D ziubiński, H. B ąkow ski
Rys. 7. M odel w zrostu szczeliny zm ęczeniow ej:
2a - szerokość styku rów na średnicy cząstki D, d - odległość pęknięcia od pow ierzchni, a zarazem grubość płytki, C e - długość pęknięcia zm ęczeniow ego
Fig. 7. G row th m odel o f fatigue crack:
2a - w idth contact is m ake the diam eter o f particle D, d - crack distance from surface as w ell thickness o f particles, C e - length o f fatigue crack
P rzy obliczeniach brano p od uw agę drogę tarcia 5 w spółpracującej p ary trybologicznej i naprężenie kontaktow e p . Stałe f i i n dla stali szynow ych w stanie surow ym po w alcow aniu f ) = 2,56 • 10-7 G Pa'4 p m '\ n = 4 oraz d la stali obrobionych cieplnie /? = 5,67 • 10-7 G P a"4 p m 1, w =4 przyjęto z pracy [8]. W artość a przyjęto jak o 10000, co oznacza liczbę kontaktów na 1 m rów ną ok. 5870000 przy naciskach 587 M Pa. W artość k przyjęto za [5] d la w spółczynnika tarcia
Iu = 0,5 rów ną k = 0 ,1 . W artość C e i d w yznaczono z badań m etalograficznych cząstek zużycia (tabl. 2). W yniki obliczeń i p om iarów zużycia zestaw iono na rys. 8 .
z u ż y c ie o b ję to ś c io w e z m ie rzo n e pm3
[ • st. szyn, w stanie surowym A st. szyn. po obróbce cie p ln e j]
Rys. 8 . Porów nanie w yników obliczonych i eksperym entalnych zużycia szyn Fig. 8. C om parison o f calculated and experim ental w ear results o f rails
Zużycie pow ierzchniow e szyn 13
3. a n a l i z a w y n i k ó w b a d a ń
W pracy m odelow ano eksploatacyjne zużycie szyn na stanow isku A m slera. B adano próbki ze stali szynow ych w gatunku 900A surow ych nie obrobionych cieplnie i obrobionych cieplnie.
Stw ierdzono proporcjonalność ubytków w agow ych do drogi tarcia dla obu b adanych stali (rys. 2), przy czym uzyskane zależności różniły się istotnie intensyw nością zużycia (Z/S w zór 1), która była odw rotnie p roporcjonalna do tw ardości badanych stali (rys. 2). W badanych stalach szynowych istotnie ró żn ią się także p rodukty zużycia. W przypadku szyn surow ych cząstki osiągały średnicę praw ie 500 ¡im , a ich grubość w ynosiła 36 gm (tabl. 2). C ząstki w tym przypadku są prawie dw ukrotnie w iększe od cząstek zużycia stali obrobionych cieplnie, których średnica w ynosi ok. 200 fim , a grubość 24 /xm. R óżnice te w idoczne są rów nież na pow ierzchni zużycia próbek (rys. 5 i 6). N a p o w ierzchniach tych w idać w yraźne efekty zaw alcow ań typow e dla bardzo dużych lokalnych odkształceń, które p o w o d u ją łuszczenie się na pow ierzchniach, p rz y czym w ielkość produktów tego łu szczen ia je s t odw rotnie proporcjonalna do tw ardości badanych stali (tabl. 2, rys. 3 i 4). W ykorzystanie do analizy w yżej opisanego zużyw ania się stali szynow ych modelu Suh (w zór 3), pozw ala n a stw ierdzenie zgodności obliczeń z eksperym entem , co najm niej co do rzędu w ielkości (rys. 7). M etoda obliczeń zużycia w ydaje się być p opraw na p rzy założeniu określenia średnicy D i grubości cząstek d na podstaw ie badań m etalograficznych oraz popraw nej interpretacji tych w ielkości p rzy p o sługiw aniu się w zorem (3), tzn. D =2 a oraz Q = 3 -a , gdzie D je st średnicą cząstek, natom iast 2 -a je s t w ielkością kontaktu obliczonego w zoram i H ertza, a Ce jest długością pęknięcia podpow ierzchniow ego. U m ożliw ia to w stępne p rzew idyw anie zużycia eksploatacyjnego szyn na podstaw ie obliczeń zużycia zgodnie z m odelem Suh.
4. W NIOSKI
1. D om inującym pro cesem zużyw ania się stali szynow ej je s t proces pow ierzchniow ego łuszczenia się (spalling) w skutek odkształceń i pow stałych zaw alcow ań prow adzących do lokalnego odryw ania się cząstek.
2. W ielkość tych cząstek dochodzi do 0,25 m m 2, przy grubości do 0,05 m m , przy czym w ielkość ta zależy w yraźnie od tw ardości stali, tzn. w przypadku szyn tw ardych (356 H B) obserw uje się w iększe ilości m niejszych cząstek, których w ielkość n ie przekracza 0,1 m m 2, a grubość w ynosi ok. 0,02 mm . P rzy badaniu szyn surow ych (288 H B ) cząstki by ły praw ie dw ukrotnie w iększe.
3. W ykorzystanie do o ceny zużyw ania się szyn obliczeniow ego m odelu Suh pozw ala określić przybliżone ich zużycie.
14 P. A dam iec, J. D ziubiński, H. Bąkow ski
Literatura
1. A dam iec P., D ziubiński J., John A.: Z użycie i trw ałość szyn kolejow ych. Przegląd M echaniczny n r 7-8, 2002, ss. 54-58.
2. Report N r 1 E R R I D l 73 - R eview o f rolling contact fatigue in rails. U trecht 1990,
3. ERRI D 173/R P15 - A proposal for revision o f the 1979 edition o f the U IC catalogue o f rail defects. U trecht 1997.
4. Z aczkow ski W .: Intensyw ność eksploatacji n a sieci PK P i w innych zarządach kolejow ych.
Drogi K olejow e n r 11, 1989, ss. 229-233.
5. Flem ing J. R., Suh N. P.: M echanics o f crack propagation in delam ination w ear. W ear, 44 (1977), pp. 39-56.
6 . Bąkow ski H.: W pływ obróbki cieplnej na w łasności w arstw y w ierzchniej. Praca M agisterska, P olitech n ik a Śląska, K atow ice 2002 (praca nie publikow ana).
7. A dam iec P., D ziubiński J.: Zastosow anie m echaniki pękania do oceny zużycia. Zeszyty N aukow e P olitechniki Św iętokrzyskiej nr 50, K ielce 1993, ss. 121-128.
8 . D ziubiński J., Szym ański A.: A bbrennstum pfschw eissen von Schienen und m echanische E igenschaften d er V erbindungen. Schw eissen und Schneiden n r 1, 1990, pp. 22-25.
R ecenzent: Prof. dr hab. inz. Edm und Tasak
Abstract
Surface w ear o f rails it has been investigated. It has been found the dom inant type o f rails w ear is the spalling type as result o f large strains on the surface leasing to the local tearing o ff particles.
Praca wykonana w ramach BK-221/RT1/2003
