Cele modułu

• Poznasz zjawiska płaskiego miejsca i nalepu na kole.
• Dowiesz się, jakie są graniczne wymagania eksploatacyjne dla powierzchni tocznej.
• Zrozumiesz, dlaczego te uszkodzenia są groźne dla toru.

Skąd problem

Problemami badań i diagnostyki kół z płaskimi miejscami PKP zaczęły się interesować w końcu lat 70. XX wieku, kiedy sukcesywnie następował wzrost obciążenia toru pojazdami o większej masie dopuszczalnej. Efektem tych badań były pierwsze prototypy urządzeń pomiarowych wykorzystujących zjawisko utraty kontaktu koła z szyną.

Z punktu widzenia bezpieczeństwa eksploatacyjnego ważnym parametrem jest siła udaru uszkodzonego koła w szynę. Siła ta wywołuje dodatkowe impulsowe naprężenie w szynie, zagrażające jej pęknięciu. Znane są z eksploatacji przypadki licznych pęknięć szyn wskutek przejazdu wagonów z uszkodzoną powierzchnią toczną kół — i w konsekwencji wykolejeń.

Badania symulacyjne

Do analizy takich zjawisk wykorzystuje się specjalistyczne oprogramowanie do symulacji dynamiki pojazdów szynowych: Adams/Rail (obecnie Vi-Rail), Vampire, E-train, Simpack, Medyna oraz najmłodszy z nich — Universal Mechanism LOCO.

Zalety symulacji:

• niskie koszty badania prototypu i szybki cykl obliczeniowy,
• znaczne skrócenie czasu powstawania produktu,
• możliwość poznania wpływu parametrów obiektu na właściwości dynamiczne i odpowiedni ich dobór,
• brak konieczności prowadzenia prób na rzeczywistym obiekcie,
• wyeliminowanie niebezpieczeństwa związanego z eksperymentowaniem na realnym pojeździe.

Wady: wydłużenie czasu obliczeń przy większej dokładności, konieczność umiejętnej interpretacji wyników oraz znajomości programu wraz z jego błędami obliczeniowymi.

Model badawczy

Do symulacji wykorzystano model wagonu dwuosiowego, w którym na obręczy jednego z zestawów kołowych zamodelowano płaskie miejsce oraz nalep. Założenia:

• zestawy kołowe o średnicy 1000 mm, profil S1002 (europejski),
• szyny zamodelowane jako idealne (bez zużyć), profil UIC60,
• tor prosty idealny R = ∞,
• dwa rodzaje sztywności i tłumienia toru: tor twardy i tor miękki,
• wysokość strzałki uszkodzenia h = 1, 2 … 5 mm,
• prędkości wagonu V = 10, 30, 50, 70, 90, 110 km/h,
• masy pudła wagonu 10, 15, 20, 25 i 30 t.

Program UM LOCO umożliwia modelowanie pięciu rodzajów uszkodzeń obręczy zestawu kołowego: płaskie miejsce, elipsa, odkształcenia harmoniczne i punktowe.

Płaskie miejsce – fazy ruchu koła

Przy przetaczaniu się koła w obrębie płaskiego miejsca nacisk na szynę zmniejsza się. Przy tzw. prędkości krytycznej — około 30 km/h — następuje zjawisko utraty kontaktu zestawu z szyną. Wówczas ruch koła i szyny przebiegają od siebie niezależnie. W ostatniej fazie obrotu koła następuje udarowe zderzenie krawędzi płaskiego miejsca z szyną.

Wnioski z badań – płaskie miejsce

• Największe siły dynamiczne przekazywane na szynę przez koło z płaskim miejscem występują przy małych prędkościach wagonu — wtedy, gdy istnieje ciągły kontakt koło–szyna przez całą powierzchnię płaskiego miejsca.
• Sztywność toru ma znaczący wpływ: dla toru miękkiego siły dynamiczne pochodzące od uderzenia płaskiego miejsca są mniejsze niż dla toru twardego.
• Siła dynamiczna przekazywana na szynę przez koło z płaskim miejscem może osiągać cztero-, a nawet pięciokrotny przyrost oddziaływań w stosunku do sił występujących dla nieuszkodzonych obręczy kół.
• Największe wartości sił występują przy prędkościach z zakresu 10–40 km/h; po przekroczeniu prędkości krytycznej ulegają znacznemu zmniejszeniu.
• Uszkodzenia w postaci płaskich miejsc są szczególnie niebezpieczne w wagonach towarowych, poruszających się z reguły wolniej i bardziej obciążonych. Niestety właśnie w nich występują najczęściej, ze względu na niewłaściwą obsługę systemów hamulcowych.

Nalep

Nalep to materiał nawarstwiony na powierzchni tocznej koła. W pierwszej fazie koło najeżdża na nalep; od momentu osiągnięcia szczytowego punktu następuje odciążenie szyny, a następnie udar koła w szynę i dociążenie.

Graniczne wymagania eksploatacyjne

Z punktu widzenia granicznych wymagań eksploatacyjnych powierzchnia toczna koła nie może wykazywać:

• wgnieceń,
• płaskich miejsc dłuższych niż 60 mm dla kół o średnicy ≥ 630 mm,
• płaskich miejsc dłuższych niż 30 mm dla kół o średnicy < 630 mm,
• nalepów materiałowych o długości większej niż 60 mm lub 1 mm wysokości dla kół o średnicy > 630 mm,
• nalepów materiałowych o długości większej niż 30 mm lub 1 mm wysokości dla kół o średnicy < 630 mm,
• rys na przejściu między powierzchnią toczną a powierzchnią czołową,
• uszkodzeń powierzchni tocznej (wyrwania, dziury, rozwarstwienia) dłuższych niż 60 mm.

Źródło: Ogólna umowa o użytkowaniu wagonów towarowych (AVV), załącznik nr 10.

Podsumowanie kursu

Zanim przejdziesz do testu, sprawdź, czy potrafisz odpowiedzieć na poniższe pytania:

1. Czym różni się niezawodność od jakości i od trwałości?
2. Co opisują funkcje R(t), Q(t) i λ(t)?
3. Jakie cztery obszary obejmuje analiza RAMS?
4. Które poziomy utrzymania wymagają wyłączenia pojazdu z eksploatacji?
5. Czym różni się świadectwo odbioru 3.1 od protokołu odbioru 3.2?
6. Kto odpowiada za niezawodność wrodzoną pojazdu?
7. Dlaczego silniki asynchroniczne wyparły silniki prądu stałego w trakcji?
8. Przy jakich prędkościach płaskie miejsce generuje największe siły dynamiczne?