NAUKOWO-TECHNICZNA___________________ POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 1999 TRANSPORT SZYNOWY-NAUKA-PRZEMYSŁ’99 TRANSPORT z.36, nr kol. 1429
Marek KRUŻYŃSKI
ZUŻYCIE SZYN W ŁUKACH O MAŁYCH PROMIENIACH
Streszczenie. Przedmiotem badań była ocena wpływu smarowania powierzchni bocznej główki szyny zewnętrznej w łuku na jej zużycie, a podstawą oceny roczny cykl pomiarów przekroju poprzecznego główki szyny w łuku z szyną smarowaną i w łuku sąsiednim, w którym nie stosowano smarowania. Porównanie wyników pomiarów po
zwoliło na ocenę skuteczności smarowania.
A B R A S IV E R A IL W E A R IN A R C H W IT H S M A L L R A D IU S
Summary. Object of Investigation was assessment of influence of rail lubrication in abrasive wear. Basis of assessment war results of measurements the cross section of rail head in lubricated and non lubricated small radius of railway track. Comparation of me
asurement result lets to assess the effectiveness of lubrication.
1. W S T Ę P
Trwałość i niezawodność szyn jest jednym z najistotniejszych parametrów, decydujących o przydatności eksploatacyjnej nawierzchni kolejowej. O trwałości szyn, ułożonych w łukach o małych promieniach, decyduje zużycie boczne lub kątowe - szczególnie intensywne na liniach podgórskich i górskich, do których należy zaliczyć linię Wrocław - Jelenia Góra. Największe zużycie boczne rejestruje się tam na spadkach, a największe pionowe na wzniesieniach.
Jednym ze środków zaradczych, pozwalających na zmniejszenie intensywności zużywania się powierzchni bocznej główek szyn, jest smarowanie tych powierzchni w łukach na spad
kach, pod warunkiem że nie używa się piaskownic [1],
Próby wydłużenia żywotności szyn, przez zastosowanie smarowania wewnętrznej po
wierzchni główki szyny zewnętrznej, przeprowadzono w Okręgu Dolnośląskim PKP, na łuku
6 M . K r u ż y ń s k i
składającym się z dwóch krzywych przejściowych o długości 60 m oraz łuku kołowego o promieniu R=181 m i długości 250 m, w rejonie Wałbrzycha.
Przedmiotem badań była ocena skuteczności i wpływu smarowania powierzchni bocznej szyny zewnętrznej na jej zużycie, a podstawą oceny roczny cykl pomiarów przekroju po
przecznego główki szyny, w łuku z szyną smarowaną i w łuku sąsiednim, w którym nie sto
sowano żadnych środków zmniejszających zużycie główki szyny.
Porównanie wyników takich pomiarów pozwoliło na określenie skuteczności smarowania.
2. POMIARY PRZEKROJU POPRZECZNEGO GŁÓWKI SZYNY
Pomiar zużycia główki szyny wykonano przy użyciu profilomierza 6-punktowego.
Przeprowadzono 9 serii pomiarów w łuku ze smarowniczką (łuk S) i w sąsiednim niesma- rowanym łuku (N), w przekrojach pomiarowych w szynie zewnętrznej. Przekroje pomiarowe rozmieszczono na długości łuku i krzywych przejściowych, po cztery w każdym przęśle szy
nowym. W każdym z przęseł wyznaczono 1 przekrój w odl. — 0,5 m od początku przęsła (zgodnie z kierunkiem ruchu pociągów), 1 przekrój w odległości - 0,5 m od końca przęsła oraz dwa przekroje w środku przęsła, w odległości ~ 8 m od siebie i od przekrojów skrajnych.
Każdorazowy pomiar w każdym z przekrojów zawiera 6 odczytów. Odczyty a, b, c dotyczą bocznego zużycia główki szyny (rys. 1), natomiast trzy pozostałe odczyty oznaczone d, e, f odnoszą się do zużycia pionowego.
Opracowanie wyników przeprowadzono w ten sposób, że w celu określenia zużycia bocz
nego w każdym z przekrojów pomiarowych i w każdej serii pomiarów wybierano spośród odczytów a, b, c maksymalną różnicę między odczytem dla szyny nowej i odczytem dla szyny mierzonej. Tak wybraną wartość przyjmowano jako miarodajną dla zużycia bocznego główki szyny. W analogiczny sposób oznaczano miarodajną wartość pionowego zużycia główki szy
ny, wybierając spośród odczytów d, e, f wartość maksymalnej różnicy między wymiarem no
minalnym a uzyskanym z pomiarów. Dokładność pomiaru profilomierzem wynosiła
± 1 mm.
Rys. 1. Kąt zużycia cc(a-c) i ot(b-c)
3. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW
3.1. Wyniki pomiarów zużycia główki szyny smarowanej
Wyniki pomiarów zużycia główki szyny dla 84 przekrojów pomiarowych (504 punkty) rozmieszczonych na 21 przęsłach torowych opracowano komputerowo, dla każdej serii po
miarów osobno. Przedstawiono je w formie wykreślnej, jak np. na rysunku 2. Każdy z rysun
ków przedstawia wyniki pomiarów w jednej serii. Na każdym zaznaczono na osi rzędnych (pionowej) wartość zużycia w mm, a na osi odciętych (poziomej) położenie przekrojów pomiarowych z oznaczeniem kolejnych przęseł. Przęsło nr 0 znajduje się na pro
stej przed krzywą przejściową (zgodnie z kilometrażem), a przęsło nr 20 na prostej za krzywą
8 M . K r u ż y ń s k i
ZU2Y O E GŁÓWKI SZYWY K3M1AJI fVS
---zmtydc picmo** srtjóe boc*
Rys. 2.
przejściową po drugiej stronie łuku. Kierunek ruchu pociągów jest przeciwny do kierunku kilometrażu. Położenie smarowniczki w łuku (koniec krzywej przejściowej i początek łuku kołowego) zaznaczono przez umieszczenie osi rzędnych na wykresach, między przęsłami nr 17 i 18. Wszystkie wykresy są oznaczone numerami serii i symbolem oznaczającym łuk sma
rowany (np. IS) oraz datą wykonania pomiarów. Linią ciągłą oznaczono wartość pomierzone
go zużycia pionowego główki szyny, a linią "przerywaną" wartość pomierzonego zużycia bocznego.
3.2. Wyniki pomiarów zużycia główki szyny niesmarowanej
Wyniki pomiarów zużycia główki szyny dla początkowych 48 przekrojów pomiarowych rozmieszczonych na 12 przęsłach torowych (serie nr I i II) oraz dla 52 przekrojów pomiaro
wych rozmieszczonych na 13 przęsłach torowych (serie III - VI) opracowano analogicznie jak poprzednio dla łuku S. Wyniki uzyskane z każdej serii pomiarów przedstawiono na oddziel
nych wykresach, jak np. na rysunku 3, tzn. że każdy rysunek przedstawia wyniki pomiarów uzyskane w jednej serii. Na każdym zaznaczono na osi rzędnych wartość zmierzonego zuży
cia w mm, a na osi odciętych położenie przekrojów pomiarowych z oznaczeniem kolejnych przęseł.
Z l2YCIEGLOW>IJtZirVY
rcMUn iw
R ys. 3 .
3.3. Zużycie kątowe główki szyny i wstępna analiza wyników pomiarów
Ze względu na niebezpieczeństwo wykolejenia określenie kąta zużycia powierzchni bocz
nej główki szyny ma decydujące znaczenie
Dotyczy to szczególnie wewnętrznej powierzchni szyny zewnętrznej w łukach o małych promieniach. W literaturze określa się graniczną wartość kąta nachylenia bocznej powierzchni główki szyny do pionu na 25°. Przekroczenie tej wartości gwałtownie zwiększa prawdopodo
bieństwo wtoczenia się obrzeża koła na główkę szyny.
Wyniki pomiarów zużycia główki szyny przedstawione poprzednio umożliwiają wylicze
nie kąta zużycia a z zależności:
A c - A a . . . . t g a - + 0,125
24
gdzie A a = an - az oraz Ac = ca - cz
a0 i ca są wymiarami odpowiadającymi szynie nowej (nominalne), a az i cz wynikami pomiarów dla szyny zużytej (rys. 1).
10 M. Krużyński
Ostatecznie kąt nachylenia powierzchni bocznej główki szyny do pionu będący ważnym parametrem zużycia główki szyny wyznacza się z zależności:
a = arctg[0,0417 ( Ac - Aa) + 0,125] < 25°
Stosując tę zależność dla szyny nowej (Aa=Ac=0), otrzymuje się kąt nachylenia po
wierzchni bocznej główki szyny do pionu o wartości oę, = 70;co jest wartością nieco większą niż występująca w nowych szynach produkowanych w Polsce, ale daleką od wartości kąta oznaczającego maksymalne nachylenie dopuszczalne.
Zgodnie z podaną wyżej zależnością wykonano wybiórczo obliczenia kąta zużycia szyn w kilku charakterystycznych przekrojach zlokalizowanych w łuku smarowanym (S) i niesmaro- wanym (N). Dla tych przekrojów przeliczano również wzrost kąta nachylenia kąta w ciągu dziewięciomiesięcznej eksploatacji tom.
Do zilustrowania wyników pomiarów i stanu szyn zewnętrznych w torach łuków S i N przyjęto losowo następujące przekroje pomiarowe:
w torze S przekrój nr 70 (w pobliżu smarowniczki), przekrój nr 40 (w pobliżu środka łuku kołowego), przekrój nr 20 (w pobliżu początku łuku kołowego), oraz
w torze N przekrój nr 35 (w pobliżu końca łuku kołowego), przekrój nr 25 (w pobliżu środka łuku kołowego), przekrój nr 15 (w pobliżu początku łuku kołowego), Wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1 Łuk Se
ria Prze
krój Aa Ac oc° Se
ria Prze
krój Aa Ac a° Aa0
70 1,6 3,5 11,54 70 2,3 6,0 15,60 4,06
S I 40 0,1 4,0 16,05 VI 40 2,0 6,3 16,93 0,88
20 1,6 6,5 18,23 20 3,0 8,2 18,87 0,64
35 1,5 4,0 12,91 35 1,5 5,0 15,16 2,25
N I 25 0 4,5 17,36 VI 25 0,5 9,0 25,62 8,25
15 0 5,5 19,51 15 1,0 8,5 23,64 4,16
Średni wzrost kąta zużycia szyny w łuku S: a ' r = 1,86°
Średni wzrost kąta zużycia szyny w łuku N: a fr = 4,88°
Wyliczenia przeprowadzono na bardzo małej próbie losowej, ale tendencja została uwi
doczniona. Zużycie kątowe w łuku niesmarowanym w ciągu sześciu miesięcy było
<5a = 4,88° /1,86° = 2,62 raza większe niż w łuku smarowanym.
4. OGÓLNA ANALIZA WYNIKÓW POMIARÓW
W ogólnej analizie wyników badań szczególną uwagę zwrócono na przyrosty zużycia główki szyny. Całość uzyskanych wyników pomiarów w łuku smarowanym (S) posegregowa
no na wyniki odpowiadające łukowi kołowemu i krzywym przejściowym, a także początkom, częściom środkowym oraz końcom przęseł. Po przedstawieniu wyników pomiarów wykona
nych w łuku S w takim ujęciu porównano je z wynikami pomiarów w łuku niesmarowanym (N) w identycznym ujęciu.
Łuk kołowy smarowany podzielono dodatkowo na połowę, na początku której znajdował się punkt smarowania ŁK2 i na połowę przeciwległą ŁK1.
4.1. Porównanie przyrostów zużycia główki szyny w lukach
Do porównania przyjęto dane z opracowań statystycznych. Dla łatwiejszego dokonania analizy dane te dotyczące jedynie łuku kołowego zestawiono ponownie w tabeli 2.
Tabela 2 Średnie przyrosty zużycia główki szyny w łukach kołowych S i N
w okresie 5 miesięcy
Zużycie boczne Zużycie pionowe
Rodz.
łuku Część
łuku
początki przęseł A [ m m ]
środki przęseł A żjm m ]
końce przęseł Ażm [mm]
początki przęseł Aż^fmm]
środki przęseł Ażta[mm]
końce przęseł Azu [mm]
N cały 3,3 2,8 2,6 1,0 1,1 0,9
S ŁK1 1,2 1,8 1,0 0,0 0,2 0,0
ŁK2 0,0 0,5 0,1 0,0 0,1 0,1
12 M. Krużyński
Wnioski wynikające z zestawienia danych w tab. 2 są oczywiste. Największe przyrosty zu
życia zarówno bocznego, jak i pionowego w ciągu 5 miesięcy eksploatacji toru stwierdzono w łuku niesmarowanym (N).
Są one znacznie większe od przyrostów pomierzonych w części łuku smarowanego, znaj
dującej się przy urządzeniu smarującym i większe od przyrostów stwierdzonych w pozostałej części łuku S.
Efekty zastosowania smarowniczki można przedstawić w jeszcze bardziej syntetycznym ujęciu.
Średni przyrost zużycia bocznego szyny w łuku niesmarowanym wynosi Aźbn = 2,9 mm z odchyleniem standardowym = 0,36, a średni analogiczny przyrost zużycia bocznego w łuku smarowanym Aż^ = 0,77mm przy odchyleniu standardowym = 0,69 mm i stanowi tylko ok. 26 % przyrostu zużycia bocznego główki szyny w łuku niesmarowanym. Wynika z tego, że ze względu na zużycie boczne (decydujące o trwałości szyn w lukach o małych pro
mieniach) zastosowanie szyn smarowanych wydłuża ich żywotność czterokrotnie.
4.2. Zestawienie wyników porównań i analiz
Dla zobrazowania efektów powyższych rozważań i konkluzji z nich wynikających dane z pomiarów po przetworzeniu przedstawiono graficznie na rys. 4 i 5.
Na rysunku 4 przedstawiono intensywność zużycia bocznego szyny 5zb[mm/Tg] (linia cią
gła) i intensywność zużycia kątowego 5ctbc[°/Tg] (linia przerywana) w zależności od odległo
ści od urządzenia smarującego. Dla porównania pokazano poziomy intensywności zarejestro
wane w łuku niesmarowanym.
Na rysunku 5 przedstawiono narastające zużycie kątowe szyn zarejestrowane podczas po
miarów w łuku smarowanym i niesmarowanym oraz przypuszczalne w okresie od chwili wbudowania szyn nowych do momentu zabudowania urządzenia smarującego i od instalacji tego urządzenia do dnia rozpoczęcia pomiarów.
O 50 » 0 150 MO 250 » 0 3S0 100 ISO
© d t e ę ło f i a j j f t o r t w n i d k i |m ]
S a ^ i N ) - ś r e d n ie je d n o s tk o w e z u ż y c ie k ą to w e s z y n w ś ro d k a c h p r z ę s e ł łu k u n ie s m a ro w a n e g o 5 o ^ ( S ) - ś r e d n ie je d n o s t k o w e z u ż y c ie k ą to w e s z y n w ś r o d k a c h p r z ę s e ł łu k u s m a r o w a n e g o 5 z b( N ) - ś r e d n ie je d n o s tk o w e z u ż y c ie b o c z n e s z y n w ś r o d k a c h p r z ę s e ł łu k u n ie s m a r o w a n e g o 5 zt,(S ) - ś r e d n ie je d n o s tk o w e z u ż y c ie b o c z n e sz y n w ś r o d k a c h p r z ę s e ł łu k u s m a r o w a n e g o
R y s. 4 . Z a le ż n o ś ć je d n o s tk o w e g o z u ż y c ia b o c z n e g o 5 ż t i k ą to w e g o Scą* o d o d le g ło ś c i o d s m a ro w n ic z k i d la
ś ro d k o w y c h c z ę ś c i p r z ę s e ł to ro w y c h
p r z e b ie g p r i y p m r c a a l n y p o r t « « ? po tW traa n y
R y s. 5 . P r z e c ię tn e k ą to w e z u ż y w a n ie s ię s z y n w ś ro d k o w y c h c z ę ś c ia c h p r z ę s e ł
— w łu k u s m a ro w a n y m
— w łu k u n ie sm a ro w a n y m ( ś r e d n ie ) O n u m e r p r z ę s ła
k o n ie c
porórA*
boć bt IN lr 1.98 V T q = 100 V>
boćbctS). JJ»W awtj.%1--- \
01 Wbudo**»«
n o w y c h * i y n
począfek
poamrfa
14 M . K ru ż y ń s k i
5. W N IO S K I I U W A G I O G Ó L N E
N a w ie lk o ś ć z u ż y c ia g łó w k i szy n y w łu k u p o z io m y m o m ały m p ro m ie n iu m a w p ły w b a r
d z o w ie le c z y n n ik ó w , k tó re o p isa n e z o sta ły m .in . [1].
W p ra c y p rz e a n a liz o w a n o w p ły w u rz ą d z e n ia sm a ru ją ce g o sz y n y n a w ie lk o ś ć z u ż y c ia jej g łó w k i, sz c z e g ó ln ie b o c z n e g o , w fu n k cji o d leg ło śc i o d je g o lo k alizacji.
A n a liz ie p o d d a n o ró w n ie ż w z ro s t z u ży c ia w fu n k c ji c za su w o k re sie 9 -m ie się c z n e j e k s
p lo ata cji to ru . W y n ik i s k o n fro n to w a n o z a n alo g icz n y m i, o d p o w ia d ając y m i sz y n o m u ło żo n y m w łu k u o z b liż o n y c h p a ram etra ch g e o m etry cz n y ch i b e z u rz ą d z e n ia sm a ru ją c e g o . D o d a tk o w o w y k o n a n o w o b u łu k a c h p o m ia ry sz e ro k o ści (p rze św itu ), p rz e c h y łk i i strz ałk i c ię c iw y w łuku.
W n io s k i w y n ik a ją c e z w y ż ej w y m ien io n y ch p o m ia ró w p rz e d s ta w io n o w o d p o w ie d n ic h ro z d z ia ła c h , w k tó ry ch p rz e p ro w a d z o n o a n alizę w y n ik ó w . N a jw a ż n ie jsz e z n ich to:
s tw ie rd z o n o , że p rz y ro sty z u ży c ia g łó w k i sz y n y (b o c zn e g o , p io n o w e g o i k ą to w e g o ) w łuku n ie s m a ro w a n y m s ą w ie lo k ro tn ie w ię k sz e n iż w łu k u z u rz ą d z e n ie m sm a ru ją cy m ,
p rz y ro st z u ż y c ia g łó w k i sz y n y ro śn ie w ra z z o d le g ło śc ią o d m ie jsc a u sy tu o w a n ia sm aro w - n ic z k i. S tr e f a je j w y ra źn e g o o d d z ia ły w a n ia w y n o si 150 - 2 0 0 m ,
p rz e b ie g i w ie lk o ś ć z u ż y c ia g łó w k i szy n y n a p o c zą tk a c h , c zę śc ia c h ś ro d k o w y ch i k o ń cach p rz ę se ł to ro w y c h je s t z ró ż n ic o w a n y i m a o d m ie n n y c h arak ter,
p rz y ro s ty z u ż y c ia b o c z n e g o g łó w k i sz y n y s ą w ie lo k ro tn ie w ię k sz e n iż p io n o w e g o , co je s t c h ara k te ry sty c zn e d la łu k ó w o m ały c h p ro m ie n iac h u sy tu o w a n y c h n a sp a d k a ch . W tej sy tu acji m ia ro d ajn e d la o cen y sta n u szy n y są: w ie lk o ś ć z u ży c ia b o c zn e g o i k ą to w eg o ,
P o w y ż s z e w n io sk i sfo rm u ło w a n o n a p o d sta w ie k ró tk ie g o , d z ie w ię c io m ie się c z n e g o okresu o b se rw a cji w y b ra n y ch o d c in k ó w to ru , w z w ią z k u z czy m c h a ra k te r ich je s t sz a c u n k o w y , o p i
su ją cy p e w n e ten d e n c je , a nie śc isłe zależ n o śc i. K o n ty n u a cja p o m ia ró w p rz e z o k re s, k tóry p o z w o liłb y n a w y k o n a n ie p rzy n ajm n ie j ro c zn e g o cy k lu o b se rw a cji, u m o ż liw iła b y o k re ślen ie re la cji p o m ię d z y m ie rzo n y m i w ie lk o ś ciam i, o ra z ich z ależ n o śc i o d w ie lk o ś c i p rz e w o z ó w i c za su ek sp lo a tac ji.
Literatura
1. B a łu c h H .: T rw a ło ś ć i n iez aw o d n o ść e k s p lo atac y jn a n a w ierz ch n i k o lejo w e j. W K iŁ , W a r
sz a w a 1986.
