XIII K O N F E R E N C JA N AUKOW A
„PO JA Z D Y SZY N O W E ‘98”
ZN POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 1998 Seria: TRA N SPO RT z. 31, nr kol. 1392
Rom an B O G A C Z
USZKODZENIA SZYN I KÓŁ SPOWODOWANE DYNAMICZNYM ODDZIAŁYWANIEM SZYBKICH POJAZDÓW SZYNOWYCH
Streszczenie. Praca dotyczy zagadnień związanych z m odelow aniem i analizą w spółdziałania szybkich pojazdów szynowych z torem. Podano opis w ybranych zjaw isk dynam icznych m ających w pływ na niektóre uszkodzenia kół i szyn kolejowych. O m ó
w iono w yniki teoretycznych i eksperym entalnych badań krajow ych i św iatowych doty
czących przeciążeń dynam icznych i ich skutków. Skoncentrowano uwagę na zagadnie
niach dynam icznych zachodzących w średnim zakresie częstotliw ości i prędkości około 2 0 0 km/h.
THE RAILS A N D WHEELS D AM AG ES CA U SE D B Y D YN AM IC INTERACTIO N OF HIGH SPEED RAIL VEHICLES
Summary. The paper deals w ith the problem s connected w ith m odelling and analysis o f high-speed train-track interaction. Description o f selected dynam ic phenom ena which cause som e dam ages o f wheels and rails is given. The results o f theoretical and experi
m ental research in Poland and other countries including dynam ic overloading problem s and their effects are presented. Attention is focused on the dynam ic problem s w hich oc
cur in m edium range o f frequencies and the speed o f about 200 km/h.
1. W STĘP
Ponad 20 lat tem u rozpoczął się kolejny okres rozwoju szybkiego transportu kolejowego w w ielu krajach. Rozwój sieci autostrad, transportu lotniczego z system em satelitarnej kon
troli lotu spow odow ał, że w ielu decydentów uważało transport kolejowy za zabytek techniki.
Jednak w prow adzenie przewozów kontenerow ych, zwiększenie dopuszczalnych naci
sków na oś w agonów tow arow ych oraz zwiększenie prędkości przewozów pasażerskich, a szczególnie w zględy ekologiczne i względy bezpieczeństw a przyczyniły się do renesansu transportu kolejow ego, który staje się częścią zsynchronizow anego i zintegrow anego systemu transportu.
W zrost prędkości jazdy pojazdów pow oduje istotny w zrost obciążeń dynam icznych za
rów no elem entów pojazdów, jak i drogi (toru). Zalecenia dotyczące uw zględnienia nadwyżki dynam icznej (w ynoszącej około 30% obciążenia statycznego), są często (pom im o now ych
B a d a n ia fin a n s o w a n e p rz e z K B N (P B 9 T I 2 C 103 14)
teoretycznych i eksperym entalnych rezultatów), nadal bezkrytycznie przyjm ow ane za obow ią
zujące przez projektantów (nie tylko w kraju).
N ieznajom ość zjaw isk dynam icznych zachodzących w torze o elem entach sprężysto- plastycznych, stanow iącym strukturę periodyczną (zarówno ze względu na okresow e ułożenie podkładów , ja k i faliste zużycie - korrugacje) w spółdziałającym z zestawam i kołow ym i po
siadającym i rów nież w łasności lepkosprężysto-plastyczne i będącym i strukturam i okresow y
mi, je st przyczyną w ielu w ypadków oraz wysokich kosztów utrzym ania toru. Istotną trudność, k tó rą należy pokonać przy analizie dynam icznej tego typu układów, je st poza bardzo złożoną strukturą, niesam osprzężoność i nieliniow ość operatorów różniczkow ych m atem atycznego m odelu układu pojazd - tor.
Cl
JS
JT
£
...
/ . ! obc. s t /m
P st (T ) m a s a / k o ło
..
4 / /
/ o/
/ /
• 951 2 G a 951 2 w G
^ K 7 1 1 G o K 7 1 1 G
^ K 7 11 * G A.K7 11 • G
8 .3 8.1 9 .5 8 .2 6 .7 5.9
1.7 1 .2 1.3 1 .3 1.0 1.0
/ / /
o /
I ' / ' \
X")-----------V-V.
a' *■
/
o
X 4
iy
s ?
*
/
A ^ ""
i
A _
a.
>-
%
V
&
- /
5 0 1 0 0 150
p r ę d K o ś ć (Km /H )
200 2 5 0
R y s .l . O b c ią ż e n ie d y n a m ic z n e k o la m ie rz o n e n a linii T o k a id o (J a p o n ia ) o ró ż n y c h o b c ią ż e n ia c h sta ty c z n y c h i m a sa c h z e s ta w u p rz y p a d a ją c y c h na je d n o k o lo
Fig. I. D y n a m ie lo a d s o f w h e e l m e a su re d o n T o k a id o line fo r d iffe re n t static loads a n d u n s p ru n g m a sse s fo r o n e w h e e l
A naliza dynam iczna za pom ocą tradycyjnych modeli pojazdu szynow ego i toru pozw ala na badanie zjaw isk dynam icznych w bardzo ograniczonym zakresie częstości i prędkości ru
chu.
Jak w ynika z teoretycznych i dośw iadczalnych badań ([l] , [2]) oddziaływ ania koła i szyny (zestaw u kołow ego z torem ), obciążenia dynam iczne szyn i kół ju ż przy w zroście prędkości ja zd y od 100 km /h do 120 km /h w zrastają kilkakrotnie. N iektóre efekty dynam iczne osiągają w artości m aksym alne przy prędkości około 165 km/h, inne przy prędkości
U szkodzenia szyn 27
200 220 km /h. W iele zagadnień dotyczących dynamiki oddziaływ ania pociągu z torem a naw et koła z sz y n ą nie zostało jeszcze dostatecznie zbadanych. N iew łaściw e w yniki zw iąza
ne są z m odelow aniem zestaw ów kołowych, podkładów, a niekiedy i szyn jako brył sztyw nych, co w analizie dynam icznej w średnim zakresie prędkości (160 km /h) i częstości około 100 Hz je st zbyt daleko idącym uproszczeniem.
W niniejszym kom unikacie om ówim y kilka zagadnień zw iązanych z m odelow aniem i analizą w spółdziałania szybkich pojazdów szynowych z torem. Część drugą pośw ięcim y om ów ieniu w yników eksperym entalnych uzyskanych w przodujących krajach w technologii pojazdów szynow ych i m odelow aniu toru, trzecią część m odelow aniu zestaw u kołowego, następnie om ów im y zagadnienie kontaktu koła z szyną oraz podam y wnioski wynikające z przeprow adzonych badań.
2. B A D A N IA D O ŚW IA D C ZA LN E, TEORETYCZNE I UW AGI DO TYCZĄCE M O D E
LO W A N IA TO RU
Zarów no okresow e podparcie szyn (dyskretny rozkład podkładów), ja k i nierów ności na pow ierzchni tocznej szyn, a także wady geom etryczne ułożenia toru, podsypki i gruntu są znaną przy czy n ą w zrostu obciążeń dynam icznych. Mniej doceniane przez projektantów i badaczy są efekty dynam iczne w ywołane przez niejednorodny rozkład naprężeń w łasnych w szynach i kołach przez niejednorodności zagęszczenia podsypki i gruntu.
0 2 4 6 8 10 12
T (ms)
R ys. 2. O b c ią ż e n ie d y n a m ic z n e (w to n a c h ) w czasie p rz e ja zd u n ieró w n o ści Fig. 2. D y n a m ie lo a d s (to n n e s ) d u rin g p a ssin g th e m ic ro -d en ts
Zagadnienie te są przedm iotem teoretycznych i dośw iadczalnych badań w technolo
gicznie rozw iniętych krajach.
M
K
7 7 7 7 7 7 7 7 7 -
R y s. 3. M o d e l u k ła d u d y s k re tn e g o Fig. 3. D is c re te m o d e l o f th e sy stem
S zkodliw e oddziaływ anie okresow ego podparcia przy w zględnie dużej sztyw ności toru elim inow ane je s t optym alnym doborem param etrów sprężysto-lepko-plastycznych przekład
ki. Z agadnienie popraw nego przytw ierdzenia szyny do podkładu zapew niające odpow iednią elastyczność i rozpraszanie energii drgań stało się pow ażnym przedm iotem badań ze w zględu na istotny w pływ na zachow anie się pojazdów szynowych ju ż w średnim zakresie częstotli
wości (50-500 H z) przy prędkości przekraczającej 120 km/h.
Przykładem charakterystycznym w zrostu obciążenia dynam icznego toru m ogą być w y
niki badań przedstaw ione na ry s.l, ilustrującym m aksym alną w artość obciążenia szyny przez koło pociągu specjalnego typu „test train 951” na linii Tokaido w Japonii w zależności od prędkości (150-250 km /h), przy różnych wartościach statycznego obciążenia i różnych w arto
ściach m as nieusprężynow anych przypadających na jedno koło. Szczególny przypadek dyna
micznej odpow iedzi koła przejeżdżającego nierów ność o sinusoidalnym kształcie ( / = 1,2 m, a = 1 m m ) z prędkością 210 km /h ilustruje rys. 2 [3], W idoczny je st 8-krotny w zrost obcią
żenia dynam icznego. Podobny efekt w ystępuje w przypadku braku podsypki pod jed n y m z podkładów .
W celu określenia nadwyżki dynam icznej stosuje się dyskretyzację układu koło - szyna uw zględniając podatność zależną od częstotliw ości i prędkości ruchu. Schem at układu dys
kretnego przedstaw iony został na rys. 3.
W analizie zakłada się, że tor je st nieskończenie długi. Prowadzi to do uw zględnienia w yprom ieniow ania energii (tłum ienia) naw et w przypadku m odelu idealnie sprężystego. Faktu tego nie uw zględniają badacze zakładający, że tor je st sztywny. M a to szczególne znaczenie przy badaniu stanów stacjonarnych i zagadnień stateczności ruchu, gdyż około 70% dyssypo- wanej energii w rzeczyw istym torze je st w yprom ieniowyw ane w głąb podtorza.
N ajprostszym m odelem ciągłym może być belka B ernoulliego-Eulera spoczyw ająca na sprężystym lub lepkosprężystym podłożu. W przypadku analizy niskoczęstotliw ościow ej na
leży uw zględnić okresow ość rozm ieszczenia podpór mostu lub estakady, a w przypadku ana
lizy w średnim zakresie częstości okresow ość podparcia zw iązaną z rozm ieszczeniem podkła
dów. B adanie dynam iczne w zakresie częstotliw ości przekraczających 150 H z w ym agają u- w zględnienia nierów ności (korrugacji), a przy prędkości powyżej 120 km/h lepkosprężystych w łasności przekładki. Częstość drgań w łasnych podkładów mieści się na ogół w granicach 200-1500 Hz i w tym zakresie w pływ a istotnie na dynam iczne własności toru. Zatem w tym
U szkodzenia szyn . 29
zakresie częstotliw ości zachodzi konieczność m odelow ania podkładu ja k o układu ciągłego lub co najm niej zdyskretyzowanego.
Podsypkę i grunt w zależności od zagadnienia modeluje się jako podłoże sprężyste, lep- kosprężyste, sprężysto-plastyczne [3], bezinercyjne, inercyjne lub półprzestrzeń lepkospręży- stą, [4],
Badając zagadnienie dynam iczne toru należy uw zględnić naprężenie ściskające lub roz
ciągające zależnie od pory roku (dnia) oraz zm ienne w dużym zakresie własności podsypki.
W zakresie w yższych częstości belkę Bernoulliego-Eulera lepiej zastąpić m odelem Ti- m oshenki. Przegląd różnego rodzaju m odelow ania toru można znaleźć w pracy [5].
N ależy zw rócić uwagę na fakt, żc nawet precyzyjne m odelow anie toru i określenie przem ieszczeń (naprężeń) w funkcji częstości i m iejsca przyłożenia obciążenia nie zawsze w ystarczą do określenia odpowiedzi modelu na poruszające się z dużą prędkością obciążenie.
Pom ija się bow iem wyrazy wynikające z działania przyspieszenia Coriolisa i przyspieszenia dośrodkow ego.
R ys. 4 . M a k s y m a ln e p rz e m ie sz c z e n ie w fu n k c ji c zę sto śc i i p ręd k o ści Fig. 4. M a x im a l d is p la c e m e n t v e rsu s freq u e n c y a n d load sp eed
W przypadku m odelu - belki Tim oshenki przem ieszczenia w(x, 1) w poruszającym się z prędkością v() układzie współrzędnych opisane są następującym równaniem
2t|/ , f d w d 2
E - m oduł Younga, V|/ - kąt obrotu,
/ - m om ent bezw ładności przekroju, A - pole przekroju,
k - w spółczynnik kształtu przekroju, p - liniow a gęstość masy,
b - w spółczynnik tłum ienia, c - stała sprężystości podłoża, F/i (x, i) - obciążenie zewnętrzne.
W przypadku w ym uszenia o charakterze harm onicznym poruszającego się ze stałą prędkością v. o częstości oscylacji co i am plitudzie Fo, otrzym uje się jakościow o różne roz
w iązania przy poszczególnych częstościach i prędkościach [7]. M aksym alne przem ieszczenia przy jednostkow ej w artości Fo podano na rys. 4 zaznaczając przekrój w ynikający ze w zbu
dzenia okresow ym rozm ieszczeniem podkładów. W idać dość daleko idące podobieństw o do w yników eksperym entalnych otrzym anych przez badaczy szwedzkich (rys. 5), a w szczegól
ności przekroczenie granicy pierw szego rezonansu, który otrzym ujem y także w przypadku opisu dynam iki szyn, belką o m odelu Bernoulliego - Eulera.
A naliza dynam iczna w zakresie wyższych częstości i prędkości wym aga uwzględnienia okresow ego rozkładu podkładów oraz podatności przekładek i bezw ładności podkładów. M o
del takiego rozkładu ilustruje rys. 5.
R y s. 5. D y n a m ic z n e o b c ią ż e n ie fk N 2/H z] w z g lę d e m c z ę s to tliw o ś c i [H z] p rz y p rę d k o ści ja z d y 9 5 + n x 5 [k m /h ] Fig. 5. D y n a m ie lo ad [ k N 2/H z ] fo r th e s p e e d 9 5 + n x 5 [k m /h ]
A nalityczny sposób rozw iązania problem u wędrującego obciążenia oscylującego w zdłuż konstrukcji o okresow o zm iennych w łasnościach m ożna znaleźć w [6 ^ 8 ],
U w zględnienie okresow ego rozkładu podkładów (rys. 6 ) pow oduje dodatkow e zanika
nie zaburzeń w tzw. pasm ach zanikania, a w pasm ach przenoszenia propagację fali o nie zani
kającej am plitudzie w przypadku układu bez tłum ienia lub słabo zanikającej w przypadku tłum ienia w iskotycznego.
U szkodzenia szyn 31
N a rys. 7 podano przykładowo przem ieszczenia szyn i podkładów w w ybranych chw i
lach 0, T /8 , T/4, 3T/8, przy częstości 263,9 Hz leżącej w paśm ie przenoszenia i częstości 277 Hz leżącej w paśm ie zanikania.
2JO , t QJD
■ Qyllll Q,JO-
r-j-
IjrVvv
(h i
Cr
■ ma - I '
i zio
a
r
P(t)=s exp (L/t)
7///////S///
Ty W — — podkładka
yv7\ fysĄ s p r e i y s t a
ii. ul
i zE
Zs(nl, t)1 E"--^ ppodsypki011111“1
Rys. 6. M o d e l to ru z ło ż o n e g o z szy n , p o d k ła d ó w , p rz e k ła d k i i p o d sy p k i, ja k o s tru k tu ra o k re so w a Fig. 6. T r a c k m o d e l c o n sis tin g o f rails, sle e p e rs a n d b a lla st as p e rio d ic stru c tu re
N U M E R P O D K Ł A D U
R ys. 7. P rz e m ie s z c z e n ia to ru w w y b ra n y c h c h w ila ch czasu w p aśm ie p rz e n o sz e n ia i p a śm ie z a n ik a n ia Fig. 7. T ra c k d is p la c e m e n ts fo r sele c te d tim e in p a ssin g a n d s to p p in g b an d s
B ardziej szczegółow e om ów ienie w yników analizy m ożna znaleźć w pracach [6], [8 ]. W pew nych przypadkach ważne je s t uw zględnienie nieodwracalności charakterystyk toru m odelujących uplastycznienie i osiadanie. W yczerpującą analizę tych zagadnień m ożna zna
leźć w pracy [10|. A utor tej pracy dysponuje rów nież profesjonalnym program em um ożliw ia
jącym analizę tych zagadnień.
3. M O D E LO W A N IE Z E ST A W Ó W KOŁOW YCH
D ynam iczne zachow anie zestaw ów kołow ych m a istotny w pływ na własności układu pojazd - tor. Form y w łasne zestaw u bez tarcz ham ulcow ych oraz z czterem a tarczam i zostały przedstaw ione na rys. 8 , w g [ 11] oraz [ 12].
W spółczesne zestaw y kołow e wyposażone są w dwie lub cztery tarcze ham ulcow e, co w ym aga zw iększenia średnicy osi, by nie obniżać częstości drgań własnych.
Przy m ałych prędkościach pociągów w pływ obrotu je st pom ijalnie mały. Jednak przy prędkościach zbliżonych do 200 km /h je s t on niezwykle istotny. W ystępuje w ów czas rozdw o
je n ie w artości w łasnych na w spółbieżne i przeciwbieżne, które różnią się przy prędkości 250 km /h o około 30% i 2 0 % odpow iednio przy pierwszej i drugiej form ie w łasnej.
R y s. 8. S y m e tr y c z n e i a n ty m e try c z n e fo rm y w ła sn e z e s ta w ó w k o ło w y c h Fig. 8. S y m m e tric a n d a n tim e tric e ig e n fo rm s o f w h e else ts
U szkodzenia szyn 33
W yniki analizy drgań wym uszonych zestaw ów kołow ych o podatnych tarczach i w ień
cach w sk azu ją na m ożliw ość łatwego w zbudzenia drgań o częstotliwości około 100 Hz ju ż przy prędkości bliskiej 200 km/h. Zjawisko to nie w ystępuje ju ż tak intensyw nie przy prędko
ści 400 km /h. W yniki badań zaw ierają prace [13] i [14].
P onadto [2], [13] i [14] w przypadku sztywnej osi, podatnych tarcz i w ieńców kół w y
stępują zakresy niestabilności ruchu zależne od sztywności sprężystego kontaktu. Zjawisko to w ym aga dalszych badań z uwzględnieniem podatności wału na zginanie i skręcanie oraz u- w zględnienia poślizgu w strefie kontaktu.
Z akres niestabilności ruchu zestawu kołowego przy wybranych param etrach zestawów zależy od sztyw ności tzw. sprężyny H ertza charakteryzujących siłę norm alną i m om ent wiert- ny (tzw. spin). Te składow e (spin i siła normalna) są związane silnie nieliniow ą funkcją, co w pew nych zakresach prędkości powoduje powstanie cykli granicznych [15],
Bardziej w nikliw ych badań w ym agają zagadnienia propagacji fal w wieńcach kół ze
staw ów kołow ych. W ędrujące obciążenie m a tę sam ą wartość co w przypadku szyny, a więc poza podw ojeniem liczby wartości w łasnych wystąpić m ogą jakościow e różnice pomiędzy falami w spółbieżnym i i przeciw bieżnym i, podobnie ja k występuje to w szynie (belce) jako strukturze okresow o podpartej w przypadku fal przed i za poruszającym się obciążeniem [6 ], [15],
4. Z A G A D N IE N IE K O NTA K TOW E KOŁO-SZYNA
W iedza o zjaw iskach zachodzących w strefie kontaktu je st jeszcze niepełna pomim o intensyw nych badań w wielu ośrodkach naukowych i przem ysłowych. Ciągle jeszcze rozkład naprężeń norm alnych przyjm owany je st na podstaw ie rozważań H ertza z 1882 roku. K ontak
towe siły styczne opisuje teoria Kalkera, która pom im o ciągłych popraw ek nadal jest niedo
skonała [16]. O kreślona n a je j podstawie eliptyczna powierzchnia kontaktu stanowi punkt w yjścia do w yznaczenia tzw. kontaktow ych sztywności Hertza. Należy nadm ienić, że uogól
nienie na nie-H ertzow ską m etodę kontaktu zaw dzięczam y Piotrowskiem u [17], Podstawowe zależności pom iędzy siłami stycznym i a prędkościam i poślizgu są m odelow ane przez wielu badaczy ja k o zw iązki globalne bez wnikliwej analizy m ikropoślizgów zależnych od różnych param etrów m ateriału i gładkości powierzchni. W ażnym zagadnieniem m echaniki kontaktu je st określenie kinem atycznego w zbudzenia powodowanego nierównościam i.
P oza problem em nierówności o długości fali porównywalnej z półosiam i „elipsy” kon
taktu istotne są rezonanse w ieńca koła i szyny, a także podkładów, co w znanej autorowi lite
raturze nie było dotychczas równocześnie rozpatrywane.
N aw et w przypadku bardzo uproszczonego m odelu zestawu kołow ego, jakim jest sztyw ny układ o dw óch stopniach swobody, do którego stosuje się liniow ą teorię kontaktu K alkera [16], trudno się zgodzić z założeniem, że parametry „elipsy kontaktu” są stałe przy toczeniu się koła po nierównej szynie lub szynie nierów nom iernie podpartej.
O bciążenie dynam iczne toru idealnego geom etrycznie zależy, poza ju ż om ów ionym i pa
ram etram i V. Q, rów nież od okresow ego położenia podkładów, od przestrzennej zm iany po
datności, która m oże być spow odow ana zm iennością naprężeń w łasnych oraz niejednorodno
ścią podsypki lub podtorza. Przyspieszenie pionow e w zależności od prędkości jazdy V, przy założeniu ciągłego kontaktu koła i szyny oraz różnych parametrach charakteryzujących dłu
gość fali w szynie i jej am plitudę, podano na rys. 9. W idać jakościow ą zgodność z wynikam i pom iarów przedstaw ionym i na rys. 1. Zm ienność naprężeń w łasnych pozostaje po szlifowaniu korrugacji, co tłum aczy znacznie wcześniejsze pow stawanie nowych nierówności po szlifo
w aniu aniżeli w szynie nowej. Podobne zjawiska w ystępują w kolach. N ierów nom ierny roz
kład naprężeń w łasnych po obw odzie je st przyczyną uplastycznienia i nierów nom iernego zu
życia co m oże być źródłem poligonizacji kół, a następnie zm ęczeniow ego zniszczenia ich tarcz lub obręczy. O pracy obręczy w zakresie plastycznym świadczy rozkład naprężeń w ła
snych podany na rys. 10. Na rysunku tym podano również rozkład naprężeń w łasnych w szy
nie nowej i po długotrw ałej eksploatacji.
R ys. 9. P rz y s p ie s z e n ie w k ie ru n k u p io n o w y m w p rz y p a d k u k o rru g a c ji i fa listo ści szy n Fig. 9. A c c é lé ra tio n in v e rtic a l d ire c tio n in th e c ase o f c o rru g a tio n and w a v e sh ap e o f ra ils
P orów nanie rozkładu naprężeń własnych oraz nierów ności szyn skorrugow anych (rys. 11) o am plitudzie nierów ności powyżej 0.2 mm w skazuje w yraźnie na plastyczny charakter deform acji szyny. W ynika stąd, że szlifowanie szyn bez usunięcia naprężeń w łasnych stanow i zabieg niepełny, który pow inien być przeprow adzony dostatecznie w cześnie, gdy ściskające naprężenia własne nie osiągną wartości granicznej, lub gdy pow ierzchniow a w arstw a zdegradow ana nie utworzy struktury okresow ej. W przeciw nym przypadku w ym agana je st obróbka cieplna (odprężająca). Badania laserow ego ujednorod- nienia naprężeń w łasnych w IPPT-PA N są obecnie w stadium wstępnym.
N iezależnie od podanych wyżej czynników rozkład naprężeń stycznych na pow ierzchni kontaktu je s t istotnie zależny od własności ciernych m ateriałów koła i szyny. W yniki badań podane m .in. w [18] w skazują na w ystępowanie drgań sam ow zbudnych przy dw óch spośród trzech badanych m odeli tarcia.
W pracach [7,19] badane są rów nież efekty kontaktu kolo-szyna w skazujące na w pływ p aram etrów charakteryzujących w łasności plastyczne koła i szyny na pow staw anie korruga
cji. B adania w zakresie plastycznym są szczególnie ważne w przypadkach, gdy następuje ude
rzenie koła o szynę ze w zględu na nierówności, płaskie m iejsca lub nalepy. O dkształcenia plastyczne pow stałe przy przejeździe przez krzyżownicę lub przez niegładkie połączenie szyn znane są z praktyki, ale niedoceniane ze w zględu na krótki czas trw ania im pulsu (poniżej je d nej m ilisekundy przy prędkości 120 km/h ). Wyniki sym ulacji podobnego zagadnienia m etodą elem entów czasoprzestrzennych z adaptacją siatki podano w pracy [19].
U szkodzenia szyn 35
Rys. 10. R o z k ła d n a p rę ż e ń w ła sn y c h a ) w szy n ie n o w ej (ro z c ią g a ją c e g łó w k ę ) o ra z p o e k sp lo a ta c ji (śc isk a ją c e), b ) w o b rę c z y k o ła m o n o b lo k o w e g o (p o h a m o w an iu )
Fig. 10 .D is trib u tio n o f re s id u a l stre sse s a) in the w h e e lty p e o f m o n o b lo c k w h e el a fte r b re a k in g , b) in th e ra il
h e a d o f th e n e w rail (te n s ile ) an d a fte r s erv ice (c o m p re siv e )
R ys. 1 1. K sz ta łt p o w ie rz c h n i to c z n ej s z y n y z falisty m z u ży c ie m i ro z k ła d n a p rę ż e ń w ła sn y c h Fig. I I . S h a p e o f s u rfa c e o f c o rru g a te d rail and d istrib u tio n o f resid u al stresses
C zasoprzestrzenną analizę num eryczną toczącego się koła z uw zględnieniem płaskie
go obszaru kontaktu podano w pracach [2 0 ,21 ] uzyskując potw ierdzenie istotnego znaczenia zjaw isk falow ych, a w szczególności zm niejszającej się w raz ze w zrostem prędkości liczby fal na obw odzie w ieńca [20], Bardziej szczegółow a analiza num eryczna m oże się przyczynić do w yjaśnienia przyczyny poligonizacji kół pociągów super-ekspresowych.
5. U W A G I K O Ń C O W E
W referacie podano opis w ybranych zjaw isk dynam icznych m ających w pływ na niektóre uszkodzenia kół i szyn kolejow ych. Podano podstawy teoretyczne przyczyn pow staw ania du
żych przeciążeń dynam icznych, z których w ynikają następujące wnioski.
M odelow anie w spółdziałania pojazdu szynowego z torem oraz podukładu koło-szyna w przypadku prędkości przekraczających 120 km/h wym aga uw zględnienia przebiegów szybkozm iennych, drgań w ysokoczęstotliw ościow ych oraz zjaw isk falowych.
B adanie w łasności dynam icznych obu podukładów (tor, pojazd) oddzielnie prowadzi do fragm entarycznej oceny w spółdziałania w ym ienionych podukładów. Powinno być uzupełnio
ne analizą dynam iczną całego układu.
B adanie stateczności ruchu układu pojazd-tor oraz poszczególnych podukładów pozw a
la na określenie i w yelim inow anie bardzo dużych przeciążeń dynam icznych pow odujących szybkie zużycie elem entów pojazdu i toru.
LITER A TU R A
1. B ogacz R.. M einke P. and Popp K.: Zur M odellierung der hoherfrequenten R adsatz/ Gle- isdynam ik. In: System dynam ik der Eisenbahn, Eds. H .H ochbruck, K .K nothe and P. M e
inke, H ennigsdorf, 45-55, 1994.
2. B ogacz R.. M einke P. and D żuła S.: V ehicle/track-dynam ic interaction for high speed- frequency range, In: Dynamical Problem s o f M echanical System s, Eds. R.B ogacz and K .Popp, W arsaw , 165-179, 1993/94.
3. Ishida M., M iura S. and Kano A.: The influence o f track stiffness on track dynam ic be
haviour, Q uarterly Reports o f RTRI 38-3 1997, 9.
4. B ogacz,R.: On dynam ics and stability o f continuous system s subjected to distributed m oving load, Ing. Archiv. 53, 243-255 1983.
5. K nothe K., G rassie S.L.: M odelling o f railway track and vehicle/track interaction at high frequencies. V ehicle System Dynam ics, 22, 209-262 1993.
6. B ogacz R., K rzyżyński T „ and Popp K.: On dynam ics o f system s m odelling continuous and periodic guidew ays, A rchives o f M echanics, 45, 5, .575-593, 1993.
7. B ogacz R.: D ynam ics and corrugations o f high-speed w heel/rail system s, Czasopism o T echniczne 1995.
8. B ogacz R „ K rzyżyński T., Popp K., Szczebiot R.: Elem enty Pakietu Program u
„F L O R IA N ” , D ynam ika toru kolei konwencjonalnej, Sym ulacje w B adaniach i Rozw oju, R. B ogacz, L. B obrow ski (red.) W arszawa 1997, s. 436.
U szkodzenia szyn . 37
9. K rzyżyński T.: D ynam ika układów ciągłych o okresow ych własnościach struktury i w zbudzenia Prace [PPT 38/1995.
10. G rzyb A.: D rgania układów ciągłych pod w pływem bezinercyjnych obciążeń ruchom ych w zastosow aniu do problem ów zagadnień transportu, M onografia Pol. Krak., ser. M e
chanika 17, 1994.
11. Fingberg U.: Ein m odeli fur Kurvenquietschen von Schienenfahrzeugen, Dissertation, VDI Fortschnittsbericht 11/40, 1990.
12. M einders T.: M odelling o f railway w heelset as a rolling elastic m ultibody system . M achi
ne D ynam ics Problem (w druku).
13. Bogacz R., D żuła S.: Dynam ics and stability o f a wheelset in rolling contact m otion on rails. Proc. o f 1TTG International Sym posium on the Technological Innovation in Guided T ransports, Lille, France, 871-883, 1993.
14. D żuła S.: D ynam ika wirującego koła i zestawu kołowego m odelowanych układami cią
głym i, M onografia Pol. Krak., ser. M echanika 186, 1995.
15. B ogacz R., D żuła S.: Dynam ics and stability o f wheelset/track interaction m odelled as continuous nonlinear system. M echanics and Mech. Engineering vol. 1-2. 1997, pp. 157-
166.
16. K alker J., J.: Tree-D im ensional Elastic Bodies in Rolling Contact, vol. 2 o f Solid M echa
nics and its A pplications, Kluwer Academic Publishers, D ordrecht 1990.
17. Piotrowski .1.: The steady-state tangential contact problem for "falling drop" type o f con
tact area on corrugated rail by sim plified theory o f rolling contact", ILR-M ietteilsng, 267, TU , Berlin 1991.
18. B ogacz R., Ryczek B.: Dry friction induced vibrations. Analysis and experim ent, Eng.
Transaction 45. 3-4, 1997, pp. 487-504.
19. B ajer C., B ogacz R., Bonthoux C.: Adaptive space-tim e elem ents in the dynam ic elastic- viscoplastic problem , Com puter and Structure 39,5,1991,pp. 415-423.
20. B ogacz R., Bajer C.: Sym ulation o f contact problem in railway engineering. Proc.
S ym ulacja w Badaniach i Rozw oju, Jelenia Góra 1997 (w druku).
21. B ajer C.: The space-tim e approach to rail/wheel contact and corrugations problem . Comp.
A ss. M ech. Eng. Sci. 1998 (w druku).
Recenzent: Dr hab.inż. M arek Sitarz Prof. Politechniki Śląskiej
Abstract
T he paper deals w ith the problem s connected w ith m odelling and analysis o f high-speed train-track interaction. D escription o f selected dynam ic phenom ena w hich cause som e dam ages o f w heels and rails is given. The results o f theoretical and experimental research in Po
land and other countries including dynam ic overloading problem s and their effects are pre
sented. A ttention is focused on the dynam ic problem s which occur in m edium range o f fre
quencies and the speed o f about 200 km/h. In the paper the problem o f generation mechanism o f rail corrugation and reasons o f wheels polygonization is also considered. The new results o f studies on w heel/rail dynam ics show that the dynam ic overloading is greater as it was previ
ously assum ed and sufficiently large to cause plastic deformations. The inelastic effects are responsible for change o f initial residual stress distribution w hich during long tim e o f opera
tion is uniform . W hen the residual stress reaches a critical level then further plastification leads to initiation o f corrugations or polygonization. Some m ethods to protect the form ation are discussed in the paper.
