Loading

Niektóre problemy hamowania wagonów z kołami z tworzyw nietradycyjnych

dr inż. Maria Magdalena Żmuda-Sroka
Instytut Pojazdów Szynowych Politechnika Krakowska

 

"Trakcja i Wagon" Nr.8/1982

 

UKD:629.4-592.1(629.4-597.3:629.4.027.4:678.06]

Na liniach kolejowych całego świata coraz częściej spotykamy pojazdy zbudowane z materiałów o niskiej masie właściwej w porównaniu z masą właściwą stali. Wiąże się to nierozerwalnie z problemem obniżania masy pojazdów i wykorzystania uzyskanej w ten sposób nadwyżki mocy na zwiększenie prędkości jazdy.
Jednym z zespołów, w którym zastosowano materiały lekkie, są zestawy kołowe. Obniżenie ich masy, będącej masą nie usprężynowaną, wpływa na obniżenie masy wagonu oraz na zmniejszenie zużycia zarówno torów, jak i samego pojazdu.
W wytwarzaniu elementów zestawów kołowych powszechnie są stosowane: stopy Al (tarcze kół, osie, maźnice) i wzmocnione tworzywa sztuczne (tarcze kół, osie).
Wprowadzenie tworzyw nietradycyjnych na koła wagonów wiąże się z koniecznością przeprowadzenia szczegółowej analizy możliwości zastosowania klockowego hamulca stanowiącego najbardziej rozpowszechniony system hamowania pojazdów szynowych. Analiza taka pozwoliłaby odpowiedzieć na pytanie, czy współpraca pary ciernej: obręcz koła lekkiego —wstawka hamulcowa, przy początkowej prędkości hamowania wynoszącej powyżej 120 km/h, nie stanowi zagrożenia bezpieczeństwa jazdy.

Analiza hamulca klockowego

Podstawową ocenę hamulca klockowego stanowi jego obciążenie cieplne. Powszechnie wiadomo, że' w czasie hamowania energia cieplna, powstająca z przekształconej energii mechanicznej, powoduje wiele uszkodzeń i niekorzystnych zmian w materiałach współpracującej pary ciernej.
Graniczne obciążenie cieplne dla hamulca klockowego definiujemy w zależności od rodzaju użytych w zestawie kół. W wypadku kół obręczowanych jest to obciążenie cieplne, przy którym następuje — oprócz takich zjawisk, jak: rysy i lokalne zahartowania — początek luzowania obręczy.
Średnia temperatura powierzchni styku elementów pary ciernej zależy między innymi od własności cieplnych materiałów, z których elementy te wykonano, a także warunków odprowadzenia ciepła na zewnątrz.
Dominujący wpływ na wielkość wywiązującego się ciepła mają prędkość jazdy pojazdu oraz czas trwania procesu hamowania. W czasie hamowania pomiędzy elementami pary ciernej — obręczą i wstawką hamulcową mogą powstać tak duże ilości ciepła, że temperatura osiągnie wartość około 1000°C — w momencie zakleszczenia zestawu lub nieco niższą — przy długotrwałym hamowaniu na spadkach.
Rozkład strumienia cieplnego pomiędzy współpracującymi partnerami powoduje, że koło przenosi od 65 do 85% ciepła, klocek zaś odpowiednio od 35 do 15%. Na przykład wg Prellera [4] wartości te wynoszą: dla koła — 66,5%, dla klocka — 33,5%.
Ciepło wywiązujące się w trakcie współpracy koła z klockiem rozchodzi się w sposób nierównomierny. Na podstawie licznych doświadczeń oraz obliczeń Amerykanie określili rozkład izoterm w kole mo-noblokowym, hamowanym hamulcem klockowym, przy zmieniających się warunkach — prędkość początkową hamowania oraz czas hamowania aż do zatrzymania pojazdu [5]. Przykład rozkładu izoterm w kole monoblokowym dla określonych warunków pokazano na rysunkach 1 i 2. Otrzymany rozkład stanowi potwierdzenie nierównomiernego obciążenia cieplnego powierzchni tocznej koła. Obciążenie to w sposób wyraźny wzrasta w kierunku zewnętrznej płaszczyzny koła, osiągając maksimum w miejscu przejścia profilu tocznego w krawędź zewnętrzną, gdy tymczasem wewnętrzna część obrzeża jest obciążona w sposób minimalny.

 

Rys. 1.
Rozkład izoterm w kole monoblokowym przy hamowaniu klockowym hamulcem z prędkością około 97 km/h w 65 s po rozpoczęciu hamowania

 

Rys. 2.
Rozkład izoterm w kole monoblokowym przy hamowaniu klockowym hamulcem z prędkością około 145 km/h w 70 s po rozpoczęciu hamowania

Na podstawie wymienionych badań [5] sporządzono tablice, zestawiając w nich maksymalne wartości temperatury, występującej w wybranych punktach wieńca koła monoblokowego (rys. 3), w funkcji prędkości jazdy pojazdu oraz czasu hamowania.

 

Rys. 3.
Wieniec koła monoblokowego z zaznaczonymi punktami, w których określono maksymalne wartości temperatur

Linia, którą wyznaczają punkty 6 i 7 odpowiada połączeniu obręczy z wieńcem koła bosego w kołach obręczowanych.
Z danych zamieszczonych w tablicach widzimy że w miarę zwiększania prędkości, przy zachowaniu takich samych warunków hamowania, wzrasta temperatura, i to w całej objętości wieńca koła — od części tocznej aż po przejście w tarczę włącznie.
Doświadczenia prowadzone w Monachium z kołami obręczowanymi [3] pozwoliły stwierdzić między innymi, że początek luzowania obręczy następuje już po 20 minutach hamowania hamulcem klockowym, przy stałej prędkości jazdy równej 60 km/h. Temperatura w miejscu połączenia obręczy z wieńcem koła bosego wynosi wówczas około 245°C (temperatura przy powierzchni wieńca, mierzona w środku jego szerokości, wynosi około 240°C, przy powierzchni obręczy zaś 250°C). W tablicy 3 zestawiono wartości temperatur, jakie wystąpiły w czasie długotrwałego hamowania koła obręczowanego przy stałej prędkości, na rysunku 4 zaś pokazano umiejscowienie punktów na kole, w których przeprowadzano pomiary.
Analizując dane z przytoczonych badań [3, 5], można z dużym przybliżeniem określić wartości temperatury występującej w obrębie obręczy i wieńca koła bosego lub wieńca koła monoblokowego przy hamowaniu wagonu hamulcem klockowym.

Temperatura jako czynnik decydujący o systemie hamowania wagonów z kołami „lekkimi"

Lekkie zestawy kołowe są z reguły konstruowane jako zestawy z kołami obręczowanymi. Fakt ten jest podyktowany koniecznością zachowania odpowiedniej trwałości profilu tocznego koła przy współpracy ze stalową szyną o twardości HB = 300. Podstawowymi zatem tworzywami stosowanymi w budowie kół lekkich są: stal na obręcze oraz stopy Al lub wzmocnione włóknem szklanym żywice epoksydowe używane na koła bose [6].
Charakter połączeń pomiędzy obręczą a kołem bosym w tego typu zestawach decyduje o dopuszczalnych wartościach temperatury, jaka może wystąpić w procesie hamowania pomiędzy obręczą a wieńcem koła bosego.
Technologie montażu kół lekkich są ściśle związane z rodzajem tworzywa, z którego wykonano przeznaczone do łączenia elementy. Dlatego też przy montażu stalowych obręczy z tarczami wykonanymi ze stopów Al lub wzmocnionych tworzyw sztucznych stosuje się metodę wykorzystującą własności rozszerzalności cieplnej metali — połączenie skurczowe oraz spajanie elementów za pomocą klejów [1, 2, 7]. Wartości naprężeń skurczowych przy montażu kół lekkich są około 3-krotnie niższe niż przy montażu kół z materiałów klasycznych. Trwałość połączenia zapewnia spoina stanowiąca najczęściej kompozycję odpowiednich gatunków klejów.
Spoina klejowa zapewnia nie tylko konieczną wytrzymałość połączenia, ale także dobrą sprężystość i zdolność tłumienia hałasu.
Sprężystość kleju obniża wartość, przenoszonych z torów poprzez koła na pojazd, obciążeń udarowych. Zdolność tłumienia hałasu podnosi komfort jazdy, odporność zaś kleju na działanie czynników atmosferycznych, kwasów, alkaliów, a także wielu rozpuszczalników przedłuża trwałość złącza. Odpowiednia kohezja zapewnia spójność w obrębie kleju, a tym samym wysoką wytrzymałość mechaniczną spoiny.

 

Rys. 4.
Rozkład temperatur w kole obręczowanym z zaznaczeniem punktów jej pomiaru

 

Z produkowanych przez światowy przemysł chemiczny klejów jedynie kleje tzw. silikonowe mogą być w sposób krótkotrwały przeciążane termicznie do temperatury około 500°C, jednak dłuższa praca w tak wysokiej temperaturze powoduje zniszczenie spoiny.

Tablica 1
Maksymalne wartości temperatury występujące w wybranych punktacb wieńca koła monoblokowego przy hamowaniu z prędkością około 87 km/h (60 mil/h)

Miejsce występowania
temperatur
(wg rys. 3)
[°C]
W okresie hamowania po Po zatrzymaniu
pojazdu po 120 s
20 s 65 s 120 s
1 170 220 180 125
2 65 70 80 85
3 50 65 80
4 50 65 _
5 80 150 170 125
6 50 80 105 100
7 45 65 _
8 40 43 60 80
9 40 40 50 70

Montaż elementów maszyn z zastosowaniem spoin klejowych od których wymaga się zapewnienia wytrzymałości zarówno mechanicznej, jak i termicznej ,wykonuje się, stosując kompozycje kilku rodzajów klejów (kilka warstw klejów o różnych własnościach [1]). Kompozycje te nie mogą zapewnić tak wysokiej wytrzymałości termicznej złącza, jaka jest konieczna przy stosowaniu klockowych hamulców powietrznych.
W niniejszym opracowaniu przedstawiono dane, na podstawie których możemy wnioskować o maksymalnej temperaturze, jaka występuje w miejscu połączenia obręczy z wieńcem koła bosego — a więc o termicznej wytrzymałości złącza. Temperatura ta — jak łatwo zauważyć (tabl. 1, 2 i 3) — jest zależna przede wszystkim od prędkości jazdy pojazdu i czasu hamowania.
Należy pamiętać, że na złącze działają naprężenia będące sumą naprężeń dynamicznych i cieplnych, przy czym te ostatnie mają decydujący wpływ na wartość granicy odporności złącza na zniszczenie.
Maksymalna wartość temperatury, jaka występuje w miejscu połączenia obręczy z wieńcem koła, przy hamowaniu z prędkością około 140 km/h w czasie 120 s (tabl. 2), wynosi 360°C, a zatem znacznie powyżej wytrzymałości termicznej znanych kompozycji klejów epoksydowych (ok. 200°C), jednak mniej niż w wypadku zastosowania kleju silikonowego (ok. 500°C). Należy jednak zaznaczyć, że mamy tu do czynienia z krótkotrwałym hamowaniem, w którym współpraca pary ciernej: obręcz — klocek trwa 120 s. W czasie eksploatacji pojazdu występują okresy długotrwałego hamowania, co pociąga za sobą wytwarzanie się znacznych ilości ciepła, a więc wyższe temperatury w złączu niż podają to tablice. W tym wypadku granica wytrzymałości termicznej złącza zostanie przekroczona. Ponadto należy pamiętać, że spoina klejowa oparta wyłącznie na kleju silikonowym nie ma dostatecznej wytrzymałości mechanicznej — złącze obciążają siły udarowe, a wprowadzenie kompozycji klejów łączy się z obniżeniem ich wytrzymałości termicznej.

Tablica 2
Maksymalne wartości temperatury występujące w wybranych punktach wieńca koła monoblokowego przy hamowaniu z prędkością około 145 km/h (90 mil/h)

Miejsce występowania
temperatur
(wg rys. 3) [°C]
W okresie hamowania po Po zatrzymaniu
pojazdu
po 120 s
20 s 70 s 120 s
1 65 430 345 232
2 115 150 127 130
3 40 60 105
4 55 80
5 110 295 360 230
6 60 155 200 165
7 60 70
8 40 50 80 115
9 40 60 105
     

Tablica 3
Wartości temperatur występujące w wybranych punktach koła obręczowanego przy hamowaniu ze stałą prędkością v równą 80 km/h

Miejsce pomiaru
temperatur (wg rys. 4)
[°C]
Czas trwania hamowania
300 s 600 s 900 s 1200 s 1500 s 1800 s
1 110 180 200 240 275 290
2 60 110 140 180 190 210
3 50 100 120 150 160 180
4 30 65 90 100 130 140
5 20 20 40 45 70 75
6 20 23 30 40 50 50
 20 20 20 20 20 20

 

Godny podkreślenia jest fakt, że w przypadku zastosowania kół z Al lub tworzyw sztucznych rozkład temperatur przy hamowaniu może być różny od przedstawionego, zmierzając w kierunku niekorzystnym dla złącza klejowego.
Na podstawie dotychczasowych rozważań można stwierdzić, że przede wszystkim konieczne jest zastąpienie klasycznego hamulca klockowego innym rodzajem hamulca, np. hamulcem tarczowym wspomaganym magnetycznym hamulcem szynowym. Ponadto 'należy prowadzić badania, które przyczynią się do wyprodukowania kleju o koniecznej, w warunkach hamowania zestawów kołowych, odporności termicznej, co zapewniłoby bezpieczne połączenie między kołem bosym a obręczą, nawet przy stosowaniu hamulców klockowych.

Bibliografia:

[1] Hegenbarth F.: Aluminium Fahrzeuge der Schnellbahn San Francisco werden vorgestellt. Verkehr und Technik 1971 nr 3
[2] Hegenbarth F.: Ein Leichtradsatz fiir Hochyuschwintlg-keiten im RadJSchiene System Z.E.V. Glasers Annalen 1972 nr 96
[3} Preller F.: Die Leistungsfahigkeit von Reibungsbremsen, vor allem von Scheibenbremsen fiir Schienenfahrzeuge. Glasers Annalen 1966 nr 2
[4] Preller F.: Scheibenbremse fiir Schienenfarzeuge Deutsche Eisenbahntechnik. 1962 nr 2
[5] Riegel M. S., Levy S., Sliter J. A.: A Computer Pogram for Determining the Effect of Design Variation on Service Stresses in Railroad Wheels. Transactions of the ASME. Journal of Engiłieering for Industry 1966 nr 11
[6] Zmuda-Sroka M. M.: Kryteria doboru materiałów konstrukcyjnych na elementy biegowe pojazdów szynowych. Praca doktorska. Politechnika Krakowska IPSz 1978
[7] Praca zbiorowa: Acousta Flex whed suppresses notse. Railway Locomotives and cars 1971 nr 6
[8] Przepisy UIC (5U-1)