-
NR 6/2015 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 391
Analiza efektów zużywania się wybranych obręczy kół tramwajowych
w aglomeracji poznańskiej
Marta Paczkowska, Łukasz Wojciechowski, Grzegorz Kinal, Karolina
Ostrowska, Piotr Okoniewicz
Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych, Politechnika
Poznańska, *[email protected]
The evaluation of wear effects of selected trams’ wheels in the
Poznan agglomeration
The aim of presented research was evaluation of the main types
of tram wheel wear of chosen rail vehicle and material changes
which appear as a conse-quence of wheel and rail wear. Following
tests was performed: macroscopic research, profile tests, Vickers
hardness measurements, microscopic research with light microscope
(Zeiss Epiquant with CCD), scanning electron microscope (Tescan
Vega 5135) with X-ray microanalizer (PGT Avalon). The chemical
composition was also checked with fluorescent spectrometer (LECO
GDS 500A). The basic form of wear was shelling, which was detected
by macroscopic research. The most damage surface was rolling
surface. It has to be underline that the shelling was in early
stage of growth. Created shells did not appear in the whole
circumference of wheel and their size were relatively not huge. It
is probably due to short distances characteristic for trams (in the
comparison with trains). Moreover, in same regions of rolling
surface, so called white layer was detected. It allows to state
that sliding surfaces of wheel were (in a very small areas) heated
in to higher temperature than it happens in case of shelling.
Nonetheless, it was very local process, so it is rather not
important in general wear of tested wheels. Tram wheels were highly
deformed, particularly on the top of the edge of the wheel, and in
the vicinity of outside angle of rolling profile. High deformation
caused 70% hardness increase in comparison to the core material. In
microstructure MnS was detected. Its presence in the surface layer
of the top of the edge of the wheel caused delamination. It could
help to crack initiation and, as a result, more intensive wear of
tram wheels.
Key words: tram wheel, wear, surface layer.
Celem badań było określenie dominujących typów uszkodzeń obręczy
wybranego pojazdu szynowego, a także zmian materiałowych będących
wynikiem zużycia obręczy koła i szyny. Powierzchnie obręczy poddano
badaniom makroskopowym i profilografometrycznym, twardości sposobem
Vickersa oraz mikroskopowym za pomocą mikroskopu świetlnego Zeiss
Epiquant sprzężonego z kamerą CCD i skaningowego mikroskopu
elektronowego Tescan Vega 5135 wraz z mikroanalizatorem
rentgenowskim PGT Avalon. Sprawdzony również został skład chemiczny
materiału obręczy za pomocą spektrometru jarzeniowego GDS 500A
firmy LECO. Podstawową formą zużycia badanych obręczy kół, jakie
zostało rozpoznane na podstawie badań makroskopowych, był shelling.
Najwięcej efektów zużycia zaobserwowano na powierzchniach tocznych.
Należy zaznaczyć, że rozwój shellingu był w początkowej fazie.
Powstałe wykruszenia nie występowały na całym obwodzie, a ich
wielkość była nieduża. Wynika to prawdopodobnie z tego, że tramwaje
eksploatuje się na krótkich odcinkach w porównaniu z pociągami.
Ponadto w niewielkich obszarach warstwy wierzchniej stwierdzono
obecność tzw. białej warstwy, co pozwala przypuszczać, że lokalnie
dochodziło do większego (niż dla shellingu) nagrzewania
ślizgających się powierzchni tocznych kół. Był to jednak pro-ces
lokalny, niemający kluczowego znaczenia w ogólnym przebiegu
zużywania. Obręcze kół ulegały silnemu odkształceniu plastycznemu w
szczególności na wierzchołkach obrzeża i przy skosach zewnętrznych
profilu tocznego. Silne zgnioty spowodowały zwiększenie twardości o
blisko 70% w porównaniu z twardością materiału wyjściowego. W
warstwie wierzchniej rozpoznano MnS. Wtrącenia te, występujące np.
w mikrostrukturze wierzchołków obrzeży, inicjowały delaminację.
Może to przyczyniać się do powstawania pęknięć i w rezultacie do
zwiększonego zużywania obręczy.
Słowa kluczowe: obręcze kół tramwajowych, zużycie, warstwa
wierzchnia.
Inżynieria Materiałowa 6 (208) (2015) 391÷395DOI
10.15199/28.2015.6.8© Copyright SIGMA-NOT MATERIALS ENGINEERING
1. WPROWADZENIE
Zagadnienia dotyczące trwałości styku obręcz koła–szyna są
zwią-zane z różnymi formami zużywania się ich powierzchni
kontak-towych wskutek tarcia i zmęczenia. Kontakt obręcz koła–szyna
ma mieszany, toczno-ślizgowy charakter, przy czym we właściwie
zaprojektowanym układzie dominujący charakter powinna mieć toczna
składowa tarcia, co ma niewątpliwie kluczowe znaczenie dla
odporności na zużycie powierzchni tocznych obręczy kół oraz szyn. W
praktyce niestety nie jest możliwe uzyskanie tylko warunków tarcia
tocznego. Taki stan rzeczy jest efektem zarówno warunków
(atmosferycznych), w których pracują pojazdy szynowe, jak i samej
geometrii i mechaniki kontaktu. W przypadku łuków kołnierze kół
przemieszczają się głównie po skrajni szyny, konsekwencją czego
jest niemal czysty ślizgowy charakter tarcia [1]. Można zatem
do-mniemywać, że na takich odcinkach szyn zużywanie powierzchni
obręczy kół będzie miało przede wszystkim tarciowy charakter, w
którym w zależności od środowiska będzie dominował ścier-ny lub
adhezyjny mechanizm niszczący. W zależności od takich czynników
jak: obciążenie na koło, naprężenia w strefie kontaktu i naprężenia
podpowierzchniowe może dochodzić do szeroko ro-
zumianego tocznego zużywania zmęczeniowego, tzw. RCF (rolling
contact fatigue) [2]. W literaturze przedmiotu można znaleźć
mo-dele opisujące obciążenia występujące na styku obręcz koła–szyna
np. [3].
W zależności od okoliczności zużywanie zmęczeniowe może mieć
źródło zarówno na, jak i pod powierzchnią toczną obręczy koła i
przebiegać zgodnie z mechanizmem łuszczenia zmęczeniowego.
Zużywanie zmęczeniowe przez łuszczenie może mieć dwojaki cha-rakter
i przebiegać jako: tzw. spalling lub shelling. Konsekwencją obu
mechanizmów jest łuszczenie, natomiast ich przebieg oraz czynniki
wywołujące są inne. W przypadku spallingu występujące-go
zdecydowanie częściej warstwy wierzchnie obręczy kół wskutek tarcia
(poślizgi na łukach, przyspieszanie, hamowanie itd.) lokalnie
nagrzewają się do temperatury austenityzacji w krótkim okresie
(kilka sekund). Efektem tego jest powstanie martenzytu. Dalsze
poruszanie się pojazdu szynowego i cykliczne obciążanie obręczy
powodują wykruszanie się płytkich łusek, a ich rozmieszczenie na
obwodzie obręczy nie musi mieć jednorodnego charakteru. Dodat-kowym
elementem ułatwiającym rozpoznanie tego mechanizmu są ślady
poślizgu w sąsiedztwie wykruszeń oraz ewentualnie obec-ność
rozwalcowanych produktów zużycia. Poślizg na styku obręcz
-
392 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXXVI
koła–szyna, w konsekwencji powodujący nagrzewanie i powstawa-nie
martenzytu, uznaje się za najczęstszą przyczynę przyspieszone-go
zużywania się kół pojazdów szynowych [4]. Problem związany z
zahartowaniem warstwy wierzchniej zaobserwowano również w badaniach
prezentowanych w artykule [5] dotyczącym obręczy kół kolejowych, w
których pęknięcia były inicjowane przez wy-stępowanie siarczku
manganu w silnie odkształconej warstwie wierzchniej. Delaminację
powodowaną wstępowaniem tego wy-dzielenia zaobserwowano również w
przypadku szyn [6].
Ponadto nagrzewanie wynikające z tarcia do temperatury
auste-nityzacji w parze obręcz koła–szyna może powodować
powstawa-nie tzw. białych warstw. Warstwy te zaobserwowano w
przypadku szyn [7, 8]. Tworzenie się tzw. białych warstw występuje
w szcze-gólności w przypadku skrawania twardych stali, ale także w
wyniku innych dynamicznych procesów powodujących znaczne
odkształ-cenie i związany z nimi efekt cieplny [9]. Warstwy te,
charakteryzu-jące się duża twardością i kruchością, mogą sprzyjać
zużyciu spal-lingowemu [10]. W przypadku łuszczenia spallingowego
rozwój uszkodzenia zawsze ma charakter powierzchniowy i nie
prowadzi do gwałtownego zużycia powierzchni tocznej koła.
Mniej typowym mechanizmem łuszczenia jest shelling, podczas
którego cała warstwa wierzchnia toczna koła jest nagrzewana do
temperatury >300°C przez dłuższy czas. W konsekwencji docho-dzi
do osłabienia warstwy wierzchniej stali, a występujące w strefie
kontaktu z szyną naprężenia mogą wywoływać niewielkie pęknię-cia,
tzw. pęknięcia cieplne, które przez wciskanie zanieczyszczeń
stałych (np. piasek) lub ciekłych (np. woda) mogą propagować w głąb
warstwy wierzchniej. Typowe dla uszkodzeń shellingowych jest ich
występowanie na całym obwodzie koła oraz brak martenzy-tu
zaobserwowanego w spallingu. Charakterystyczne dla shellingu jest
również to, że inicjujące go pęknięcia cieplne mogą powstawać pod
powierzchnią toczną. Wskutek cyklicznego obciążania koła pęknięcie
rozwija się w kierunku powierzchni, a sam mechanizm przyjmuje
delaminacyjny charakter. Z punktu widzenia skutków powstawania
wykruszenia wydaje się, że uszkodzenie shellingowe jest
niebezpieczniejsze. W ekstremalnych sytuacjach może przyj-mować
katastroficzną postać prowadzącą do makropęknięć dużych obszarów
przekroju koła i jego wyeliminowania z dalszej eksplo-atacji.
Literatura przedmiotu proponuje różne propozycje kwantyfi-kowanego
prognozowania tej formy zużywania. Jednym z bardziej cenionych
rozwiązań jest proponowany przez Claytona [11] współ-czynnik
łuszczenia (shell index), którego wartość zależy m.in. od udziału
objętościowego tlenków w warstwie wierzchniej przy po-wierzchniach
tocznych oraz ich twardości.
Celem badań zużytych obręczy kół tramwajowych taboru
komu-nikacji miejskiej w Poznaniu była ocena wpływu eksploatacji na
stan ich powierzchni tocznej oraz warstwy wierzchniej. Głównym
zamierzeniem prezentowanych badań było określenie dominują-cych
typów uszkodzeń obręczy wybranego pojazdu szynowego, a także zmian
materiałowych będących wynikiem zużycia obręczy koła i szyny.
2. METODYKA BADAŃ
Badaniom poddano zużyte obręcze, które zostały wykluczone z
dal-szej eksploatacji. Obręcze te, wykonane ze stali typu P70,
pocho-dziły z tramwaju marki Solaris Tramino taboru Miejskiego
Przed-siębiorstwa Komunikacyjnego w Poznaniu Sp. z o.o. W pojazdach
tego typu występuje 12 kół, w tym 4 z nich są tylko toczne.
Pojaz-dy te są zaopatrzone w piasecznice, a także nie występuje w
nich możliwość obracania wózków, jak ma to miejsce w innych typach
pojazdów szynowych, np. Konstalach. Całkowity przebieg obręczy
wynosił ok. 146 000 km, przy czym były one trzykrotnie
reprofi-lowane. Obręcze pochodziły z pierwszego (napędowego) wózka.
Jedna z nich była osadzona na drugim kole pierwszej osi (ozna-czana
dalej w tekście jako ST2), w której przeciętny nacisk to ok. 7700
kg, a kolejna na czwartym kole (oznaczana jako ST4), czyli drugiej
osi, w której nacisk to ok. 7350 kg.
Powierzchnie obręczy poddano badaniom makroskopowym i
profilometrycznym. Profile powierzchni oraz podstawowe para-metry
chropowatości wyznaczono za pomocą profilometru Jena Carl Zeiss ME
10 z programem firmy SAJD. Następnie przepro-wadzono badania
twardości oraz badania mikroskopowe. Pomiary twardości na
powierzchni obręczy przeprowadzono, wykorzystując sposób Vickersa i
stosując obciążenie wgłębnika w czasie pomiaru wynoszące 10 kG. Ze
względu na małą głębokość utwardzenia war-stwy wierzchniej należało
zastosować względnie małe obciążenie, tak by wgłębnik nie przebił
warstwy utwardzonej. Z danych litera-turowych wynika, że grubość
warstwy utwardzonej podczas eks-ploatacji współpracujących ze sobą
obręczy i szyn może wynosić zaledwie kilka setnych milimetra i nie
przekracza 0,5 mm [4, 12]. Z kolei do badań twardości na przekroju
poprzecznym użyto mi-krotwardościomierza 3212 firmy ZWICK sposobem
Vickersa przy obciążeniu 0,98 i 0,49 N.
Wycinki obręczy zostały poddane badaniom mikrostruktural-nym za
pomocą mikroskopu świetlnego Zeiss Epiquant sprzężo-nego z kamerą
CCD i skaningowego mikroskopu elektronowego Tescan Vega 5135 wraz z
mikroanalizatorem rentgenowskim PGT Avalon. Widok wyciętej próbki
oraz schemat zarysu przekroju po-przecznego obręczy wraz z punktami
pomiaru twardości HV0,1 za-mieszczono na rysunku 1.
Sprawdzony został skład chemiczny materiału obręczy. Do tego
celu zastosowano spektrometr emisyjny ze wzbudzeniem jarzenio-wym
GDS 500A firmy LECO. Na próbkach wykonano 3÷4 ozna-czenia.
3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA
W badanych materiałach obręczy odnotowano nieco zaniżoną
za-wartość węgla (tab. 1). Dla pierwszej z obręczy mieściła się ona
jeszcze w zakresie wymaganym przez PN-84/H-84027/06 dla stali P70,
podczas gdy dla drugiej była ona już w zakresie stali P60. War-to
odnotować, że różnica twardości wg normy BN-9113554-06 po-między
tymi stalami P60 i P70 może wynosić 100 MPa, a w przy-padku
wytrzymałości na rozciąganie różnica ta może wynosić nawet prawie
300 MPa. Stal P70 jest preferowana przez MPK ze względu na większą
odporność na zużycie. Zawartość pozostałych
Rys. 1. Widok wyciętej próbki oraz schemat zarysu przekroju
po-przecznego obręczy wraz z punktami pomiaru HV0,1Fig. 1. View of
the cut sample and the scheme of cross-section of wheel with HV0.1
measurement points
Tabela 1. Skład chemiczny badanych materiałów, % mas. Table 1.
Chemical composition of tested materials, wt %
OznaczenieZawartość pierwiastka, (*wartość poza akredytacją)
C Mn Si P S
ST2 0,664 0,894 0,278 0,016 0,011
ST4 0,629 0,932 0,262 0,0009* 0,010*
-
NR 6/2015 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 393
pierwiastków była zgodna z zaleceniami zamieszczonymi w normie
dla stali P70. Zawartość zanieczyszczeń była co najmniej
2,5-krot-nie mniejsza od maksymalnej zalecanej przez normę, co
powinno sprzyjać powierzchniowej trwałości zmęczeniowej badanych
obrę-czy.
Materiał rdzenia w obu analizowanych przypadkach
charakte-ryzował się mikrostrukturą perlityczno-ferrytyczną z
dominującą ilością perlitu (rys. 2) o twardości średnio 300
HV0,1.
Analiza powierzchni tocznych badanych obręczy pozwala
przy-puszczać, że dochodziło do ślizgania się kół (np. ciasne
zakręty) lub toczenia z poślizgiem (np. częste przyspieszanie,
hamowanie). W obu analizowanych przypadkach efekty zużycia były
podobne. Na rysunku 3 pokazano obrazy SEM powierzchni tocznych.
Ob-serwacja pozwoliła zidentyfikować kierunki płaszczyzn poślizgu
kół po powierzchniach tocznych szyn. Takie warunki pracy są ty-powe
dla eksploatacji tramwajów, szczególnie w obrębie centrów
aglomeracji miejskich (np. w Poznaniu). W konsekwencji doszło do
opisywanego wcześniej nagrzania całej powierzchni obwodo-wej
obręczy koła i jej osłabienia. Powstawały pęknięcia rozwijające się
w ubytki powierzchniowe, tzw. łuski, zgodnie z mechanizmem
shellingu. Ten rodzaj zużycia powierzchni jest typowy dla
eksplo-atacji tramwajów (krótkie odcinki poruszania się ze stałą
prędko-ścią, wielokrotne stawanie na przystankach, ciasne zakręty,
jazda pod lub z górki), które wymagają częstego użytkowania
hamulców.
Dodatkowymi czynnikami, które mogą intensyfikować rozwój
shellingu są zaniedbania serwisowe hamulców.
W efekcie wykruszeń powstały ubytki powierzchniowe (rys. 3c i
3d) zdecydowanie pogarszające warunki tarcia tocznego w ukła-dzie
obręcz–szyna oraz mogące stanowić miejsce propagacji pęka-nia w
głąb koła. Ponadto oddzielające się produkty zużycia bardzo często
dostają się w strefę kontaktu tocznego i zostają rozwalcowa-ne na
powierzchni tocznej obręczy koła. Ten czynnik także zakłóca
eksploatacyjną morfologię powierzchni tocznej obręczy, wpływa-jąc
niekorzystnie na opory tarcia. Oceniając wizualnie ślady zu-życia,
wydaje się, że mają one dominujący charakter bruzdowania (w
mniejszości mikroskrawania), tj. odkształcania plastycznego
powierzchni koła lub szyny (w zależności od tego, gdzie
umiejsco-wione jest wtrącenie). Proces ten zachodzi jednak tylko
tam, gdzie dochodzi do poślizgu koła — zatem ma on raczej
pomocniczy cha-rakter jedynie przyspieszający intensywność
zużywania zmęcze-niowego. Na analizowanych makroskopowo
powierzchniach nie stwierdzono obecności wtrąceń zewnętrznych,
odpowiedzialnych za bruzdowanie ani mikrowyrwań adhezyjnych
inicjujących pęka-nie. Można zatem założyć, że w tym przypadku
zużywanie miało niemal czysto shellingowy charakter.
Nie można jednoznacznie stwierdzić znaczących różnic pomię-dzy
wartościami parametrów chropowatości mierzonych w róż-nych
miejscach obręczy (rys. 4). Jednakże można spodziewać się, że
wierzchołek obrzeża i bok wewnętrzny obrzeża obręczy może
charakteryzować się większymi wartościami tych parametrów niż
powierzchnia toczna pomimo zaobserwowanych w tym miejscu podczas
badań makroskopowych najintensywniejszych efektów zużycia. Może to
być spowodowane obecnością powierzchniowych zmian korozyjnych,
które nie są usuwane wskutek tarcia, tak jak ma to miejsce w
przypadku powierzchni tocznych.
Obserwacje mikroskopowe obręczy kół (rys. 5) wykazały wy-raźne
odkształcenie plastyczne, co potwierdziły badania mikro-skopowe na
przekroju poprzecznym, w szczególności przy skosie zewnętrznym
profilu tocznego (rys. 5a), na wierzchołkach obrzeża (rys. 5b) i na
powierzchni tocznej (rys. 5c). Na wierzchołkach za-obserwowano
delaminację materiału w warstwie wierzchniej, któ-rej sprzyja
występowanie siarczku manganu (rys. 6). Jak podaje się w pracy [6],
może to być również inicjatorem pęknięć w warstwie wierzchniej.
Poza tym w niewielkich obszarach na powierzch-ni tocznej
zaobserwowano występowanie słabo trawiącej się pod wpływem
odczynnika (nitalu) sterfy, tzw. białej warstwy (rys. 5d). Biorąc
pod uwagę parę obręcz koła–szyna powstawanie białej war-stwy było
odnotowywane do tej pory w szynach kolejowych [7, 8].
Rys. 2. Mikrostruktura materiału rdzenia Fig. 2. The
microstructure of the core material
Rys. 3. Zużyta powierzchnia obręczy kół tramwaju z oznakami
shel-linguFig. 3. Worn surface with shelling effects of the tram
wheel
Rys. 4. Wartości podstawowych parametrów chropowatości: Rz, Rp i
Ra zmierzonych na wybranych powierzchniach obręczy Fig. 4. Values
of basic roughness parameters: Rz, Rp and Ra measured on chosen
wheel surfaces
a)
c)
b)
d)
-
394 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXXVI
w odległości 0,03 mm od powierzchni wykazały umocnienie w
war-stwie wierzchniej badanych obręczy (rys. 8). Twardość ta
również sięgała wartości ok. 500 HV0,1 w miejscach największego
zgniotu obserwowanego w mikrostrukturze, tzn. w wierzchołkach
obrzeża i powierzchni tocznej. Badania twardości HV0,1 od
powierzchni w głąb w wybranych miejscach przekroju poprzecznego
obręczy wykazały, że strefa umocnienia warstwy wierzchniej nie
przekra-cza 0,1 mm (rys. 9). Natomiast w przypadku obszaru tzw.
białej warstwy twardość wynosiła ponad 800 HV0,1 (rys. 10). Duża
twar-dość, kruchość i odporność na działanie czynników chemicznych
to
a)
b)
c)
d)
Rys. 5. Warstwa wierzchnia obręczy kół: a przy skosie
zewnętrznym profilu tocznego; b w wierzchołku obrzeża; c i d na
powierzchni tocznej Fig. 5. Surface layer of the Solaris tram
wheel: near the outside rolling profile (a); on the top of the edge
of the wheel (b) and on the rolling surface (c and d)
Rys. 5. Warstwa wierzchnia obręczy kół: a) przy skosie
zewnętrznym profilu tocznego, b) w wierzchołku obrzeża, c) i d) na
powierzchni tocznej Fig. 5. Surface layer of the Solaris tram
wheel: a) near the outside roll-ing profile, b) on the top of the
edge of the wheel, c) and d) on the rolling surface
a) b) c)
Rys. 6. Warstwa wierzchnia w wierzchołku obrzeża: a) obraz SEM;
mapa EDS rozmieszcznia pierwiastków b) Mn i c) S
Rys. 7. Średnia twardości HV10 w wybranych miejscach badanych na
powierzchni obręczy Fig. 7. The HV10 average hardness in chosen
part of the wheel surface
Fig. 6. The surface layer on the top of the edge of the wheel:
SEM image, EDS map of Mn (b) and S (c)
Rys. 6. Warstwa wierzchnia w wierzchołku obrzeża: a) obraz SEM
oraz mapa EDS rozmieszcznia pierwiastków: b) Mn, c) SFig. 6. The
surface layer on the top of the edge of the wheel: a) SEM im-age
and EDS map of: b) Mn, c) S
a) b) c)
Rys. 6. Warstwa wierzchnia w wierzchołku obrzeża: a) obraz SEM;
mapa EDS rozmieszcznia pierwiastków b) Mn i c) S
Rys. 7. Średnia twardości HV10 w wybranych miejscach badanych na
powierzchni obręczy Fig. 7. The HV10 average hardness in chosen
part of the wheel surface
Fig. 6. The surface layer on the top of the edge of the wheel:
SEM image, EDS map of Mn (b) and S (c)
Rys. 7. Średnia twardość HV10 w wybranych miejscach badanych na
powierzchni obręczy Fig. 7. The HV10 average hardness in chosen
part of the wheel surface
O dużej kruchości warstwy świadczą występujące w niej pęknięcia
(rys. 5d). Powstawanie tych warstw sprzyja występowaniu zjawi-ska
spallingu.
Silne odkształcenie plastyczne obserwowane w warstwie
wierzchniej spowodowało zwiększenie twardości. Na powierzchni
tocznej, czyli w miejscu styku obręczy z szyną odnotowano twar-dość
400÷450 HV10, a na wierzchołku obrzeża twardość wyniosła blisko 500
HV10 w obu przypadkach obręczy (rys. 7). Również ba-dania twardości
HV0,1 na przekroju poprzecznym wzdłuż obrzeża,
Rys. 8. Twardość HV0,1 na przekroju poprzecznym wzdłuż obrzeża w
odległości 0,03 mm od powierzchni badanych obręczyFig. 8. The HV0.1
hardness on the cross-section on the distance of 0.03 mm form the
surface the tested wheels
Rys. 9. Zmiana twardości HV0,1 od powierzchni w kierunku rdzenia
obręczy w obszarze wierzchołka obrzeża (W) i obszarze powierzchni
tocznej (PT)Fig. 9. The HV0.1 hardness changes form the surface to
the core in the surface layer of the edge of the wheel (W) and of
the rolling surface (PT)
a)
b)
c)
d)
-
NR 6/2015 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 395
cechy, które zostały zdefiniowane jako najważniejsze,
charaktery-zujące tę warstwę [9].
4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Identyfikacja zjawisk zachodzących na styku obręczy koła i szyny
w odniesieniu do rzeczywistych warunków eksploatacji pojazdu
pozwoliła określić główne typy uszkodzeń kół stosowanych w
po-jazdach szynowych komunikacji miejskiej, a także określić zmiany
materiałowe będące wynikiem zużycia obręczy i szyny.
Podstawową formą zużycia badanych obręczy kół tramwaju So-laris
Tramino eksploatowanego w aglomeracji poznańskiej, jakie zostało
rozpoznane na podstawie badań makroskopowych, był shel-ling.
Ponadto na podstawie badań mikroskopowych w niewielkich obszarach
warstwy wierzchniej stwierdzono obecność tzw. białej warstwy. Ze
względu na termiczne warunki powstawania tej war-stwy należy
przypuszczać, że lokalnie dochodziło do większego niż dla shellingu
nagrzewania ślizgających się powierzchni tocznych kół. Był to
jednak proces lokalny, niemający kluczowego znaczenia w ogólnym
przebiegu zużycia.
Najwięcej efektów zużycia zaobserwowano na powierzchniach
tocznych. Należy zaznaczyć, że rozwój shellingu był w początko-wej
fazie. Powstałe wykruszenia były niewielkie i nie były widocz-ne na
całym obwodzie obręczy. Wynika to prawdopodobnie z tego, że
tramwaje eksploatuje się na krótkich odcinkach w porównaniu z
pociągami. O ile wymuszony warunkami miejskimi styl jazdy tramwaju
predysponuje je do rozwoju shellingu, to możliwość czę-stych
oględzin układów jezdnych pozwala zidentyfikować uszko-dzenie na
bardzo wczesnym etapie. Dzięki temu właściwa reakcja pozwala na
serwisową regenerację powierzchni kół i ich dalszą eksploatację.
Inną korzyścią z wczesnej identyfikacji shellingu jest prewencja
przed jego rozwojem do katastroficznej formy skutkują-cej
nieodwracalnym zniszczeniem koła.
Obręcze kół ulegają silnemu odkształceniu plastycznemu w
szczególności na wierzchołkach obrzeża i przy skosach ze-wnętrznych
profilu tocznego. Silne zgnioty powodują zwiększe-nie twardości o
blisko 70% w porównaniu z twardością materiału wyjściowego. W
warstwie wierzchniej rozpoznano siarczki man-ganu. Wtrącenia te,
występujące np. mikrostrukturze wierzchoł-ków obrzeży, inicjowały
delaminację. Może się to przyczyniać do powstawania pęknięć i w
rezultacie do zwiększonego zużywania obręczy.
Rys. 10. Warstwy wierzchnia obręczy kół z fragmentem białej
warstwy wraz z wynikami badań twardości Fig. 10. The surface layer
with part of white layer with hardness test results
Rys. 9. Zmiana twardości HV0,1 od powierzchni w kierunku rdzenia
obręczy w obszarze wierzchołka obrzeża (W) i obszarze powierzchni
tocznej (PT) Fig. 9. The HV0,1 hardness changes form the surface to
the core in the surface layer of the edge of the wheel (W) and of
the rolling surface (PT)
Rys. 10. Warstwa wierzchnia obręczy kół z fragmentem białej
war-stwy wraz z wynikami badań twardościFig. 10. The surface layer
with part of white layer with hardness test results
W celu zmniejszenia zużywania się obręczy wskazane mogłoby być
prewencyjne przetaczanie obręczy (zanim wystąpi konieczność
przetaczania wynikająca z utraty właściwej geometrii przekro-ju
obręczy, co jest wykonywane standardowo). Obróbka skrawa-niem
usunie zgniecioną warstwę wierzchnią jeszcze przed stadium, w
którym występuje dalaminacja. Mogłoby to przyczynić się do
zwiększenia ich trwałości.
Ponadto wytworzenie powierzchni obręczy kół (przede wszyst-kim w
miejscu styku z główką szyny) o mniejszym współczynniku tarcia
przyczyniłoby się prawdopodobnie również do zmniejszania zużycia
powodowanego nagrzewaniem się warstwy wierzchniej.
Przeprowadzone badania wykazały również nieco zmniejszoną
zawartość węgla w materiałach obręczy (jedna z nich miała
zawar-tość węgla z zakresu dla stali P60). Zakup przez MPK obręczy
ze stali P70 jest uzasadniony ich mniejszym zużywaniem się niż
ob-ręczy ze stali P60.
PODZIĘKOWANIA
Badania zrealizowano w ramach projektu badawczego
„Iden-tyfikacja i modelowanie zjawisk nieliniowych w strefie
kontaktu koła z szyną, celem opracowania nowego profilu koła
tramwajo-wego” (LIDER/20/521/L-4/12/NCBR/2013), finansowanego przez
Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu LIDER (wsparcie
rozwoju kadry naukowej, a w szczególności podniesienie kompetencji
w samodzielnym planowaniu, zarządzaniu oraz kiero-waniu zespołem
badawczym poprzez realizację projektów badaw-czych o charakterze
aplikacyjnym).
LITERATURA
[1] Lewis R., Olofsson U.: Mapping rail wear regimes and
transitions. Wear 257 (7-8) (2004) 721÷729.
[2] Enblom R.: Deterioration mechanisms in the wheel–rail
interface with focus on wear prediction: a literature review.
Vehicle System Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics
and Mobility 47 (6) (2009) 661÷700.
[3] Trzaska Z.: Modelling of energy processes in wheel-rail
contacts operating under influence of periodic discontinuous
forces. Journal of Transporta-tion Technologies 2 (2012)
129÷143.
[4] Kwaśnikowski J., Małdziński L., Borowski J., Firlik B.,
Gramza G.: Ana-liza przyczyn przyspieszonego zużycia powierzchni
tocznych kół auto-busu szynowego SA 108 (215M). Pojazdy Szynowe 2
(2007) 1÷13.
[5] Ahlström J., Karlsson B.: Microstructural evaluation and
interpretation of the mechanically and thermally affected zone
under railway wheel flats. Wear 232 (1999) 1÷14.
[6] Garnham J. E., Davis C. L.: The role of deformed rail
microstructure on rolling contact fatigue initiation. Wear 265
(2008) 1363÷1372.
[7] Takahashi J., Kawakami K., Ueda M.: Atom probe tomography
analysis of the white etching layer in a rail track surface. Acta
Materialia 58 (2010) 3602÷3612.
[8] Jirásková Y., Svoboda J., Shcneeweiss W. Daves O., Fisher F.
D.: Mi-croscopic investigation of layers on rails. Appl. Surf. Sci.
239 (2005) 132÷141.
[9] Barbacki A., Jóźwiak K., Dynak K.: Biała warstwa — próba
definicji, warunki powstawania, właściwości. Inżynieria Materiałowa
27 (5) (2006) 862÷867.
[10] Katoa T., Sugetab A., Nakayamaa E.: Investigation of
influence of white layer geometry on spalling property in railway
wheel steel. Wear 271 (2011) 400÷407.
[11] Clayton P.: Tribological aspects of wheel-rail contact: a
review of recent experimental research. Wear 191 (1-2) (1996)
170÷183.
[12] Zając G., Jurga S.: Badania trwałości obręczy kół
tramwajowych eksp-loatowanych w MPK S.A. w Krakowie. Problemy
Eksploatacji (2) (2009) 139÷148.
