Loading

Zagadnienie utraty właściwości i relacji pojazdów w procesie ich użytkowania

dr inż. Mikołaj Moczorski
Centralne Biuro Konstrukcyjno-Technologiczne Zjednoczenia ZNTK

 

"Trakcja i Wagony" Nr.11-12/1980

 

UKD:629.4.004

Pojazdy jako systemy techniczne wykazują określone właściwości i relacje użytkowe. Z punktu widzenia remontów są istotne dwa typy właściwości i relacji pojazdów. Pierwszy -to takie, które pomagają w udzieleniu odpowiedzi na pytania:
- czy już remontować pojazd?
- jak remontować pojazd, tzn. czy remontować wszystkie jego elementy, czy tylko niektóre; jakie koszty remontu można uznać za uzasadnione; gdzie remontować pojazd itp.?
Drugi to te, które pozwalają przygotować proces produkcyjny remontowania pod względem technologicznym i organizacyjnym.
Do pierwszej grupy zaliczamy właściwości i relacje pojazdów, których znajomość oraz znajomość przebiegu ich zmian, pozwoli przy znanych zasadach remontowych, dla dowolnego elementu pojazdu, dowolnych warunków użytkowania i w dowolnym czasie ustalić dlaczego, kiedy i w jakim zakresie należy wykonać remont? Natomiast do drugiej grupy zaliczymy właściwości i relacje, na podstawie których będzie opracowywana technologia i organizacja procesów remontowych, dokumentacja sprzętu, maszyn, urządzeń i przyrządów niezbędnych w produkcji remontowej, a także będzie określana możliwość i celowość wykonywania naprawy w ogóle. Cechą charakterystyczną tych ostatnich właściwości i relacji jest to, że nie ulegają zmianie w okresie "życia" pojazdu, jeżeli tylko pojazd nie jest poddawany modernizacji. Pewne cechy pojazdu decydujące o właściwościach i relacjach użytkowych mogą także należeć do tej drugiej grupy właściwości i relacji remontowych. Przykładem właściwości i relacji tego typu mogą być ciężar i wymiary wpływające na konstrukcję urządzenia dźwigowego stosowanego w zakładzie remontowym, rodzaj materiału elementu pojazdu, który musi być wzięty pod uwagę przy opracowywaniu, np. środków do mycia czy technologii regeneracji zużytych powierzchni, amplituda i częstość drgań emitowanych przez przekładnię i wykorzystywanych do opracowania metody oraz urządzenia do diagnozowania stanu przekładni itp. Tego typu właściwości i relacje nie będą przedmiotem dalszych rozważań.
Właściwości i relacje istotne z punktu Widzenia remontów, zaliczane do pierwszej grupy, są nośnikami informacji o stanie obiektów. Rodzaje informacji podaje rysunek 1.
Jeżeli są ustalone zasady remontowe oraz kryteria techniczne, organizacyjne i ekonomiczne wykonywania remontów, to pozostają dwie grupy czynników zmieniaiacych sie w czasie:czynniki charakteryzujące stan techniczny pojazdu, określane za pomocą parametrów właściwości i relacji użytkowych pojazdu jako całości i jego składników oraz czynniki charakteryzujące sytuację w systemie eksploatacji określane za pomocą relacji między zadaniami i możliwością ich realizacji.Rozpatrzymy tę pierwszą grupę czynników.

 

Rys.1

 

 

Parametry właściwości i relacji obiektów

Pojazd - ogólnie obiekt fizyczny (system techniczny) -- musi spełniać określone wyma- ? gania, które są kształtowane w procesie jego projektowania i wytwarzania. Spełnienie wymagań wyraża się wystąpieniem zbioru żąda-nych wielkości fizycznych, które pozwalają odróżnić dany obiekt od innego. Są one określane za pomocą cech będących właściwościami obiektu i właściwościami zjawisk, jakie występują W obiekcie w procesie jego eksploatacji. Rozróżnia się cechy istotne, decydujące o naturze obiektu czy występujących zjawisk, wyróżniające je i nieistotne, których można nie brać pod uwagę przy rozpatrywaniu określonego zagadnienia. Podział cech na istotne i nieistotne zależy przy tym od typu rozpatrywanego problemu. Przykładem cechy istotnej może być moc silnika lokomotywy, a przykładem cechy nieistotnej kolor farby, którą ten silnik jest pomalowany. 
Aby określić istotne cechy ilościowo posługujemy się parametrami, tj. wielkościami fizycznymi i ekonomicznymi charakterystyczny- . mi dla rozpatrywanego obiektu, zjawiska czy procesu. Tak więc istotne właściwości i relacje obiektu możemy określić za pomocą parametrów technicznych i ekonomicznych, które przedstawimy w postaci zbioru wartości wielkości fizycznych i ekonomicznych. W celu określenia cech istotnych obiektu A. Kiliński [3] posługuje się pojęciem wymagań (np. wymagania użytkowe), określając pozostałe, mniej ważne, ograniczeniami. Zestawienie tych parametrów, które wpływają na zachowanie się obiektu w procesie użytkowania, można nazwać charakterystyką użytkową. Podobnie można mówić o charakterystyce obsługowej, remontowej czy eksploatacyjnej. Wielkości istotne opisujące stan obiektu możemy podzielić na zasadnicze i drugorzędne. Pierwsze, określane jako parametry zasadnicze, opisują właściwości i relacje, od których zależy wypełnianie przez obiekt podstawowych zadań. Drugie - parametry drugorzędne - opisują właściwości i relacje nie wpływające na wypełnianie zadań przez obiekt. Podział parametrów na zasadnicze i drugorzędne zależy od rozpatrywanego zagadnienia.

Przedziały zmienności parametrów

Wielkości opisujące stan obiektu nie mogą przyjmować wartości dyskretnych, to jest takich, dla których nie są dopuszczalne odchyłki od wartości. Z tego powodu dla wszystkich wielkości są ustalane dopuszczalne odchyłki, a wartości wielkości mieszczą się zawsze w ustalonych przedziałach zmienności (tolerancj;). Dla tego samego parametru można rozróżnić cztery rodzaje przedziałów zmienności.
1. Początkowy przedział zmienności, w którym mieszczą się parametry techniczne i ekonomiczne wyrobu nowego,
2. Użytkowy przedział zmienności, tj. taki, po przekroczeniu którego obiekt powinien być poddany zabiegom profilaktyki' lub naprawy, ponieważ w przeciwnym razie może nastąpić niemożliwe do przyjęcia pogorszenie parametrów technicznych i ekonomicznych procesu użytkowania oraz niekorzystne zmiany parametrów technicznych i ekonomicznych użytkowanego obiektu.
3. Graniczny przedział zmienności, po przekroczeniu którego obiekt przestaje być użytkowany na skutek braku fizycznych możliwości funkcjonowania albo w wyniku decyzji użytkownika.
4. Naprawczy przedział zmienności, w którym mieszczą się parametry obiektu po naprawie; może on odpowiadać początkowemu w przypadku zamiany niesprawnego elementu obiektu na nowy, identyczny oraz w przypadku, gdy istniejące metody naprawy pozwalają w sposób ekonomicznie uzasadniony przywrócić niesprawnemu obiektowi właściwości obiektu nowego. W większości przypadków w procesie remontowym jest możliwe doprowadzenie obiektu do wymiarów konstrukcyjnych, natomiast przeważnie nie jest możliwe przywrócenie drogą naprawy pierwotnych właściwości fizykochemicznych. Dzieje się tak na skutek zmian właściwości materiału, z którego wykonany jest obiekt w wyniku działania obciążeń (np. mikropęk-nięcia niewykrywalne w procesie naprawy), naturalnych procesów starzenia, na skutek świadomego wprowadzenia zmian w rezultacie zabiegów regeneracyjnych (np. napawanie, metalizacja natryskowa) albo z powodu braku technicznych możliwości przywrócenia pierwotnych właściwości naprawianemu elementowi.
Należy zauważyć, że początkowe i naprawcze przedziały zmienności mogą być określone względnie dokładnie na podstawie wyników badań i prób funkcjonowania nowych i naprawianych obiektów. Podobnie można określić wielkość użytkowego przedziału zmienności, choć kryterium wielkości tego przedziału w postaci pogorszenia parametrów procesu użytkowania oraz wzrostu intensywności pogarszania parametrów technicznych obiektu jest płynne ze względu na dynamikę potrzeb otoczenia, w jakim obiekt jest użytkowany.

 

Rys. 2. Położenie przedziałów zmienności parametrów

Tp - wielkość początkowego przedziału zmienności parametrów,
Tn - wielkość naprawczego przedziału zmienności parametrów,
Tu - wielkość użytkowego przedziału zmienności parametrów,
Tg - wielkość granicznego przedziału zmienności parametrów,
Pn - nominalna wartość parametru

Wielkość granicznego przedziału zmienności może być często określana tylko w przybliżeniu, ponieważ nie zawsze można z uwagi na bezpieczeństwo ludzi albo z uwagi na znaczną liczbę czynników wpływających na utratę własności i relacji przeprowadzić badania umożliwiające dokładne ustalenie wielkości takiego przedziału.W praktyce najczęściej korzysta się z użytkowego przedziału zmienności.

 

Rys. 3. Klasy stanów i odpowiadające im przedziały zmienności wartości (parametrów zasadniczych i drugorzędnych

Wielkości jakiegoś parametru są zmienną losową ciągłą, mogącą przyjmować dowolną wartość z określonego przedziału zmienności. Z tego powodu prawdopodobieństwo, że wielkość parametru przyjmie określoną założoną wartość jest równe zeru, choć nie oznacza to, że zdarzenie takie nie jest możliwe. Zależnie od charakteru parametru jego pogarszanie się może oznaczać wzrost lub spadek miary parametru. Położenie przedziałów zmienności parametrów przedstawia rysunek 2. Górna część rysunku, od linii o-o przedstawia sytuację, gdy pogarszanie się parametru oznacza zmniejszenie się jego wartości, dolna część rysunku - odwrotnie.

Klasy stanów obiektu

Obiekt najczęściej jest charakteryzowany przez zbiór właściwości i relacji, którym odpowiada zbiór parametrów. Oznacza to istnienie różnych cech mających wpływ na możliwość użytkowania obiektu i różnych wielkości przedziałów zmienności w ich poszczególnych grupach rodzajowych. W zależności od tego, w jakich przedziałach zmienności mieszczą się parametry zasadnicze i drugorzędne charakteryzujące obiekt, można rozróżnić następujące klasy stanów obiektu przyjęte za [8]: sprawności, zdat-ności, niesprawności i niezdatności. Rysunek 3 przedstawia klasy stanów i odpowiadające im możliwe przedziały zmienności wartości parametrów zasadniczych i drugorzędnych. Zakreskowane pola po stronach parametrów zasadniczych i drugorzędnych oznaczają przedziały zmienności, z których te parametry mogą przyjmować wartości wielkości.
W niektórych przypadkach mogą występować alternatywne relacje między wartościami parametrów zasadniczych i drugorzędnych. Na przykład stan zdatności występuje wówczas, gdy parametry zasadnicze przyjmują wartości z przedziału Tu, a drugorzędne z przedziału Tu albo z Tg, albo wykraczają poza Tg.
W przypadku obiektów, gdzie wydzielenie parametrów drugorzędnych będzie trudne lub gdy będą to parametry nieistotne z punktu widzenia rozpatrywanego aspektu użytkowania (np. kolor farby, jaką pomalowany jest resor) należy stosować nieco odmienne zasady klasyfikowania stanów niż na rysunku 3.

 

Rys. 4. Klasy stanów i odpowiadające im przedziały zmienności wartości parametrów zasadniczych

Przedstawiono to na rysunku 4. Sens rysunku 4 można zilustrować następującym przykładem. Silnik jest sprawny, gdy rozwijana moc mieści się w przedziale Tu, jest niesprawny, gdy moc spadnie do wielkości przyjmującej wartości z przedziału Tg. Można wówczas użytkować silnik w ograniczonym zakresie i przy większych kosztach; silnik jest zdatny, lecz niesprawny. Silnik jest niezdatny, gdy jego moc spada poniżej przedziału Tg. Nie można go użytkować.

Przyczyny utraty właściwości i relacji użytkowych

Utrata właściwości i relacji obiektu oznacza, że wartości parametrów wykraczają poza swoje użytkowe czy graniczne przedziały zmienności. Do utraty właściwości i relacji użytkowych dochodzi w wyniku działania bodźców energetycznych, które można utożsamić ze źródłami energii, z których energia przepływa do punktu akumulacji w obiekcie. Na ogół w danych warunkach występują różne źródła energii, ale pewne z nich dominują, przez co proces utraty właściwości i relacji przyjmuje dla dominującego rodzaju energii określoną postać fizykochemiczną. Można mówić o procesach fizykochemicznych towarzyszących zmianie własności i relacji obiektu oraz o symptomach tych procesów. Są one różne zależnie od postaci energii i mechanizmu jej akumulowania przez obiekt.
Istotne będą symptomy wynikające z dominującej postaci energii występującej w danym procesie utraty właściwości i relacji użytkowych.W praktyce ,na podstawie charakterystycznych procesów fizykochemicznych oraz obserwowanych przy tym symptomów,określa się przyczyny utraty właściwości i relacji ,odpowiednio do rodzaju dominującej w procesie energii (tabl.1.)
I.M. Mełamedow [5] w zakresie rodzajów energii wprowadza jeszcze podział na energię elektrostatyczną i elektromagnetyczną i promieniowania. Wśród przyczyn uwzględnia deformacje plastyczne, przebicia elektryczne, przepalenie i stopienie jako wynik oddziaływania cieplnego i starzenie. Pojęciem starzenia określa samoistne przejście ze stanu metastabilrego w bardziej stabilny o niższym poziomie energii wewnętrznej.
B.S. Sotskow [6] spośród przyczyn wyróżnia między innymi odparowanie materiału, dyfuzję składników materiału, procesy fotochemiczne, erozję elektryczną i elektrochemiczną, rekrystalizację materiału. Utrata właściwości i relacji użytkowych jest często nazywana ogólnie zużyciem obiektu. Zużycie jest określane jako zjawisko, w którym efekt ubytku materiału z powierzchni, zmiany w warstwie wierzchniej oraz Oba czynniki łącznie zachodzą w wyniku jedynie działania tarcia lub tarcia i towarzyszących mu zjawisk chemicznych i cieplnych. Używa się też terminu zużycie dla praktycznego określenia zmian właściwości i relacji zachodzących w skali makro. Ze względu na praktyczną użyteczność klasyfikację tak rozumianych zużyć podaje się w tablicy 2.

Tablica 1

Rodzaj dominującej energii Przyczyny utraty właściwości i relacji użytkowych obiektu
Mechaniczna naprężenia statyczne, i>ełzanie, zmęczenie, zużycie cierne
Chemiczna korozja metali, starzenie gumy, farb, izolacji, itd., butwienie drewna
Elektryczna elcktrokorozja
Cieplna nadtapianie

 

Charakterystyka zużyć

Na podstawie literatury fachowej można określić zwięzłą charakterystykę niektórych odmian zużycia.
1.Zużycie ścierne. Najczęściej spotykany rodzaj zużycia. Ma miejsce, gdy jedna ze współpracujących powierzchni jest twardsza od drugiej, gdy między powierzchniami tarcia znajduje się ścierniwo twardsze od materiału współpracujących powierzchni, gdy element przemieszcza się w sypkim ośrodku ściernym lub gdy przez element przepływa strumień ośrodka ściernego.

Tablica .2

Rodzaj zużycia Odmiany zużycia
Ścierne - w ruchu ślizgowym bez warstwy ściernej
- z warstwą ścierną
- przez ośrodek sypki
- w strumieniu ośrodka
Adhezyjne - z płytkim wyrywaniem materiału
- z głębokim wyrywaniem materiału
Zmęczeniowe - klasyczne
- pitting
- spalling
- fretting
Plastyczne - zachodzące w całej masie elementu,
- zachodzące w warstwie wierzchniej elementu
Korozyjne - korozja chemiczna
- korozja elektrochemiczna oraz zależnie od obrazu zmian korozja: lokalna, ogólna, międzykrystaliczna,
śródkrystaliczna, selektywna, wartwowa, kanalikowa, kontaktowa
Erozyjne  
Kawitacyjne  
Cieplne - z intensywnym utlenianiem warstwy wierzchniej (spalaniem)
- z lokalnymi wytopieniami warstwy wierzchniej

Warunkiem wystąpienia zużycia ściernego jest odpowiednia różnica twardości współpracujących powierzchni lub powierzchni i ścierniwa.
2. Zużycie adhezyjne. Z płytkim wyrywaniem materiału występuje w mikroobszarach plastycznego odkształcenia warstwy wierzchniej. Przy plastycznym odkształceniu warstwy pojawiają się miejscowe (na wierzchołkach) metaliczne sczepienia powierzchni, które następnie są niszczone. Odrywające się przy tym od powierzchni umocnione cząstki materiału działają jako ścierniwo lub są rozmazywane na trących się powierzchniach. Występuje ono przy tarciu ślizgowym, przy małych prędkościach względnych i dużych naciskach jednostkowych, w warunkach tarcia suchego lub przy małym smarowaniu. Z głębokim wyrywaniem materiału występuje w rezultacie nagrzania się warstwy wierzchniej do temperatury mięknięcia metalu; powstania połączeń typu makroszczepień cieplno-adhezyjnych i następnego rozmazania metalu na powierzchniach współpracujących ciernie elementów. Uszkodzenie powierzchni jest bardzo silne i prowadzi do zatarcia współpracujących elementów. Występuje przy niedostatecznym smarowaniu, chłodzeniu oraz przy dużej wartości iloczynu nacisku jednostkowego i prędkości względnej.
3. Zużycie zmęczeniowe. Jest interpretowane jako proces utraty spójności cząstek (deko-hezji). Objętościowe, prowadzi do powstania pęknięć zmęczeniowych; przyczyną jest najprawdopodobniej niejednorodność materiału. Spalling - zużycie przez łuszczenie polegające na narastaniu naprężeń w warstwie wierzchniej i następnym tworzeniu się i rozprzestrzenianiu mikropęknięć co prowadzi do odpadnięcia cząstki od podłoża. Występuje w warunkach tarcia tocznego. W warunkach tarcia tocznego, ale w obecności smaru, zachodzi zjawisko pittingu. Odpadanie cząstek metalu jest tu przyspieszane oddziaływaniem przyciągania międzycząsteczkowego w warstwie granicznej smaru, która jest bardzo odporna na przerywanie. Przyjmuje się w praktyce, że mechanizm przerywania spójności warstwy granicznej wiąże się z siłami rzędu 100 MPa. Fretting występuje w przypadku oddziaływania na wstępnie dociśnięte elementy dodatkowego Obciążenia normalnego, wielokrotnie okresowo zmiennego. Między stykającymi się powierzchniami powstają produkty zużycia w postaci pyłu metalowego, który się następnie utlenia. Występuje w praktyce w elementach współpracujących spoczynkowe i narażonych na drgania. Nazywane jest też korozją cierną.
4. Zużycie korozyjne. Niszczenie metali pod wpływem chemicznej lub elektrochemicznej reakcji z otaczającym środowiskiem. W przypadku elektrokorozji metal poddany działaniu wody, roztworów soli, kwasów i zasad koroduje w wyniku przepływu prądów lokalnych powstających w lokalnych ogniwach znajdujących się na powierzchni metalu. Może mieć miejsce korozja równomierna i wżerowa, charakteryzująca się zróżnicowaniem szybkości korozji na powierzchni metalu; korozja międzykrystaliczna, tj. lokalna korozja przebiegająca przede wszystkim na granicach ziarn metalu; pękanie korozyjne mające miejsce, gdy element metalowy jest poddany w środowisku korozyjnym powtarzającym się lub zmiennym naprężeniom rozciągającym; w przypadku stałego naprężenia w środowisku korozyjnym może wystąpić pękanie pod wpływem korozji naprężeniowej. Odcynkowanie, w czasie którego cynk jako składnik stopu ulega korozji pozostawiając porowatą poozstałość miedzi. Korozja selektywna podobna do odcynkowania, lecz obejmująca jeden lub więcej składników stopu metali.
5. Zużycie erozyjne polegające na mechanicznym drążeniu powierzchni ciała stałego przez cząstki cieczy lub gazu.
6. Zużycie kawitacyjne powodujące niszczenie metalu na skutek dynamicznego oddziaływania cząstek cieczy w warunkach tworzenia i zanikania pęcherzyków par cieczy, spowodowanych nagłymi zmianami ciśnienia w masie ośrodka ciekłego.

Podsumowanie

Znajomość odmian zużycia, towarzyszących temu zjawisk i skutków jest ważna, gdyż umożliwia ocenę stanu użytkowanego pojazdu oraz pomaga prognozować przebieg i konsekwencje dalszego rozwoju zużyć. Pozwala ocenić "dopasowanie" pojazdu do otoczenia, w którym pracuje oraz dokonywać zmian w konstrukcji pojazdu lub w warunkach jego użytkowania. Jest wreszcie czynnikiem wpływającym na zakres i technologię remontu pojazdu, dobór maszyn, urządzeń, obrabiarek, przyrządów i materiałów. Wpływa też na organizację remontu oraz dobór pracowników o odpowiednim przygotowaniu fachowym. Nasuwa się zatem wniosek, o konieczności prowadzenia w służbach remontowych i w służbach obsługujących pojazdy w lokomo-tywowniach i wagonowniach dwóch rodzajów działalności.
1) Szkolenia pracowników w zakresie poznania przebiegu procesów fizykochemicznych utraty właściwości i relacji użytkowych pojazdów oraz ich skutków fizycznych i ekonomicznych.
2) Zbierania danych statystycznych o zjawiskach utraty właściwości i relacji użytkowych pojazdów.
Ta ostatnia działalność pozwoli lepiej kształtować technologię i organizację remontów, eksploatację pojazdów oraz lepiej projektować i produkować nowy tabor dla potrzeb PKP.

Bibliografia:

[ 1] Hebda M., Mazur T., Pelc H.: Teoria eksploatacji-pojazdów. Warszawa WKŁ 1978
[ 2] Hebda M., Janicki D.: Trwałość i niezawodność samochodów w eksploatacji. Warszawa WKŁ 1977
[ 3] Kiliński A.: Przemysłowe procesy realizacji - podstawy teorii. Warszawa WNT 1976
[ 4] Lisowski Z.: Zużycie i uszkodzenia, a podstawowe miary eksploatacyjne pojazdów szynowych. Warszawa WKŁ Problemy Kolejnictwa 1971 z. 51
[ 5] Mełamedow I.M.: Fizićeskije osnovy nadieźnosti "Energia". Leningradskoje otdielewije 1970
[ 6] Sotskow B. S.: Osnovy teorii i rasćeta nadieźnosti elementov i ustrojstv avtomatiki i wyóyslitielnoj tiechniki. Moskwa 1970
[ 7] Uhlig H.H.: Korozja i jej zapobieganie. Warszawa WNT 1976
[ 8] Praca zbiorowa: Diagnostyka urządzeń mechanicznych. Polska Akademia Nauk Instytut Podstawowych Problemów Techniki Wrocław Ossolineum 1977 .
[ 9] Praca zbiorowa: [red.] Ziemba S.: Fizyczne aspekty trwałości i niezawodności obiektów technicznych. Polska Akademia Nauk Instytut Podstawowych Problemów Techniki Warszawa-Poznań 1976
[10] Praca zbiorowa: Poradnik Inżyniera Mechanika. Tom 1. Warszawa WNT 1968