Pattantyús-Ábrahám Géza Gépészeti Tudományok Doktori Iskola 

BME GPK, Gép- és Terméktervezés Tanszék

Témavezető: Dr. Váradi Károly

Vasúti kerék-sín gördülő-csúszó kapcsolat hőtani és feszültségi elemzése 

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A tárcsás fékrendszerrel szerelt vasúti járművek intenzív fékezése során a nagy tömeg, illetve ebből adódóan a nagy tehetetlenség következtében, valamint a nem megfelelő adhézió következtében a kerékabroncs megcsúszik a sín felületén, ennek hatására jelentős, pillanatszerű hőfejlődés zajlik le az érintkezési tartományban (akárcsak egy tuskós fékrendszerrel szerelt szerelvény kerék-féktuskó kapcsolat esetében). Habár ennek a csúszásnak a mértékét korlátozza a modern vasúti járműveken alkalmazott blokkolásgátló rendszer (WSP – Wheel Slide Protection System), így is jelentős 10–20%-os relatív sebességkülönbség jelentkezhet a két érintkezésben lévő elem között.  Az így keletkező hőfeszültségek a kerékabroncs futófelületén mikro-repedések megjelenéséhez vezethetnek, amelyek az 1. ábrán is láthatóak.

 

     

 

1. ábra. Hőfejlődésből származó mikro-repedések a kerékabroncs futófelületén [1,2]

A repedés keletkezés hátterének modellezésére a gépészmérnöki gyakorlatban igen elterjedt és bizonyított végeselemes vizsgálatok segítségével lehetőség nyílik közvetlenül az érintkezési tartományban lezajló mechanikai folyamatok megismerésére.  

A kutatóhely rövid bemutatása

Kutatásaimat a BME Gépészmérnöki Karán, a Gép- és Terméktervezés Tanszéken végeztem, amely az egyetem egyik legnagyobb tanszéke. Kimagasló szerepe van a jövő gépészmérnökeinek oktatásában mind BSc. mind MSc. szinten.  Számos hazai és nemzetközi ipari partner mellett jó kapcsolatot ápol a Knorr-Bremse Vasúti Járműrendszerek Hungária Kft-vel, amely lehetőséget biztosít az eredményeim ipari szakemberekkel történő megvitatására.  

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A tárcsás fékrendszerrel szerelt vasúti járművek széles körben történő elterjedésével a problémakör egyre jobban a felszínre került. Ennek oka, hogy bár a tuskós fékrendszerrel szerelt járművek esetében a csúszás mértéke jelentősebb, mint a kerékabroncs és a sín között, az érintkezési felület nagyságrendekkel nagyobb, így a fejlődő hő nagyobb felületen oszlik el.

A kutatók numerikus vizsgálatok és mérések segítségével vizsgálják a gördülve csúszó érintkezés következtében fejlődő nagy mennyiségű hő felületi anyagszerkezeti fázisátalakító hatását, valamint a hő hatására megjelenő hőfeszültségek hatását, mind a kerékabroncs mind pedig a sín futófelületén [3–7]. Az anyagszerkezet megváltozásához, amely hatására a kerékabroncs futófelülete elridegedik, magas hőmérséklet szükséges (~700–1000°C), amely nagy relatív sebességkülönbség esetén jelentkezik. A modern vasúti járművek a közúti társaikhoz hasonlóan blokkolásgátló berendezésekkel vannak ellátva, amely a féknyomás változtatásán keresztül korlátozza a csúszás mértékét (~10–20%) amely így kisebb hőfejlődést eredményez.  Azonban ez a kisebb hőfejlődés is maradó alakváltozást eredményezhet a futófelületen, amely a repedések megjelenését/tovaterjedését segítheti elő.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

Jelen dolgozatom kutatásait a Knorr-Bremse Vasúti Járműrendszerek Hungária Kft szakembereivel együttműködve végzem. A kutatások fő célja egy olyan numerikus vizsgálati módszer kidolgozása, amely a tervezési fázisban, illetve a már használt vasúti blokkolásgátló rendszerek kalibrálásánál segítse elkerülni az intenzívebb fékezések során a csúszás hatására jelentkező jelentősebb hőfejlődést a csúszás mértékének megfelelő szintű korlátozásával, a fékút jelentősebb megnövekedése nélkül.

Ennek érdekében vizsgálom az érintkezési tartomány közvetlen közelében a hőfejlődés hatására kialakuló hőmérséklet eloszlást, valamint az ebből eredő hőfeszültség-eloszlást, amellyel kimutatható, hogy a fázisátalakuláshoz szükségesnél kisebb hőhatás hatására is a kerékabroncs futófelülete maradó alakváltozást szenved el, amely kedvez a repedések kialakulásán túl azok továbbterjedéséhez is [Z1], a kerék egy, illetve több fordulatának esetében is. Az eredmények feldolgozásával javaslatot szeretnék tenni az optimális, fékezés közben megengedhető csúszás mértékére, vagyis amely nem vezet a kerékabroncs futófelületének károsodásához.

Módszerek

A kerékabroncs, illetve sín felületén jelentkező repedések vizsgálatára a szakirodalomban több módszert is találtam. A vizsgálatok két fő csoportja a méréses vizsgálatok [2] és a végeselemes vizsgálatok [4,6,7]. Az első csoportból inkább empirikus, illetve összehasonlító eredmények nyerhetőek, míg a második csoport eredményei a probléma komplexitása miatt sok esetben túlzott egyszerűsítéseket tartalmaz.

Ezért én egy olyan 3D-s végeselemes modellcsoportot dolgoztam ki (2. ábra), amely a komplex problémát több vizsgálati fázisra bontja, az eredményeket kevésbé befolyásoló elhanyagolások mellett. A vizsgálat első lépéseként egy érintkezés vizsgálatot végeztem, amelynek segítségével meg tudtam határozni az érintkezési tartomány pontos méreteit és alakját [Z2–Z6].

 

 

2. ábra  A szegmentált VEM számítási eljárás felépítése

 

A vizsgálat második lépéseként egy sín és egy egyszerűsített geometriával rendelkező kerék egy kis szeletéből szegmentált fél modellt készítettem, amelyet kapcsolt tranziens hőtani rugalmas-képlékeny vizsgálat alá vetettem. A vizsgálat során a pontos eredmények elérése érdekében hőmérsékletfüggő hőtani, valamint mechanikai anyagjellemzőket használtam. Az eredetileg ellipszis alakú érintkezési tartományt téglalap alakúval helyettesítettem, illetve diszkretizáltam, így könnyen léptetni tudtam rajta a mozgó hőforrást a kerék gördülési sebességének megfelelően (1 mm-es lépésekkel), ami a kerékabroncs sínen történő gördülve csúszását modellezi [Z1]. A mozgó hőforrást hőfluxusként modelleztem és analitikusan határoztam meg az értékét a terhelő erő, csúszási sebesség, a súrlódási tényező, valamint a kerékre eső hőpartíció értékének figyelembe vételével (kezdetben 0,5, azaz a termelődő hő fele a kerékabroncsot terheli) [Z7].

A fent bemutatott modell felépítése lehetővé teszi több, egymásra épülő fordulat esetében is a hőmérséklet-, illetve a feszültségeloszlás vizsgálatát mind a futófelületen, mind a futófelület alatt, kombinálva a korábban számolt érintkezési feszültséggel [Z8],[Z9].  

Eddigi eredmények 

A vizsgálatok eredményei bizonyítják, hogy a csúszva gördülés hatására az érintkezési tartományban villanásszerűen megnő a hőmérséklet (3. ábra). A vizsgálatot elvégeztem 5 egymást követő fordulatra is, ahol a hőmérsékleti maximum növekedési trendje jól látható [Z7]. A hőmérséklet-eloszláson felül megvizsgáltam a futófelület és az alatta elhelyezkedő rétegek feszültségi állapotát is (4. ábra). A kapott eredmények rámutatnak arra, hogy közvetlenül a hőforrás előtt és az aktívhőforrás esetén, a felületen egy jelentős nyomófeszültség jelenik meg (, amely meghaladja a kerék anyagának folyáshatárát, így maradó alakváltozást okoz), majd a hőforrás elhaladtával – mivel a kitágult felület nem tud az eredeti állapotába visszatérni a mélyebb rétegekben jelentkező hőtágulás miatt – a felületen egy jelentős húzófeszültség jelentkezik. A tangenciális irányú feszültség előjelváltása elősegíti a repedések  kialakulását és tovaterjedését. A kapott eredményeket az érintkezésszámítás eredményeivel összevetve látszik, hogy a csúszásból származó feszültségek, illetve az érintkezésből származó feszültségek tönkremenetelt előidéző hatása jól elkülöníthető egymástól. Míg az első esetben a hőfeszültségek a futófelületen, illetve 0,2–0,5 mm-es mélységben okozhatnak repedéseket [Z1,Z8,Z10], az érintkezésből származó feszültségek mélyebben, 2–4 mm-es mélységben okozhatnak problémát [Z9,Z11–Z12].

 

 

3. ábra. Hőmérséklet-eloszlás az érintkezési tartományban és a környezetében a sín végeselem modelljén szemléltetve az első csúszva áthaladást követően

 

4. ábra. A tangenciális irányú feszültség eloszlása a kerék felületén és alatta (6000x-es elmozdulás mező-nagyítás). Az Sd-vel jelölt mélység 4 mm.
A q a mozgó hőforrás (hőáram) pillanatnyi pozícióját szemlélteti.

Várható impakt, további kutatás

Az általam elkészített modell alkalmas blokkolásgátló rendszerrel szerelt vasúti járművek kerék-sín gördülő/csúszó kapcsolatának hőtani, illetve feszültségi állapotának vizsgálatára. Lehetőséget biztosít egy teljes fékezési folyamat során feltérképezni a kerékabroncs futófelületén és alatta lejátszódó hőtani folyamatokat, amelyek repedések megjelenéséhez vezethetnek. A kapott eredmények elősegíthetik a blokkolásgátló rendszerek oly módon módon történő kalibrálását, hogy azok csak olyan mértékű csúszva gördülési állapotot idézzenek elő, amelyek korlátozott mértékű hőfejlődést eredményeznek a kerék-sín kapcsolatban.

Az eddigi vizsgálati eredményeket figyelembe véve keresem, hogy melyik az az optimális csúszási tartomány egy átlagos vasúti szerelvény esetében, amelynél a kerék, illetve a sín futófelületének károsodása elkerülhető a fékút minimális megnövekedése mellett. További feladatomnak tekintem a maradó alakváltozási és feszültségi mechanizmusok pontosabb megértését.    

---

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Saját publikációk

[Z1] Zwierczyk P. T., Váradi K.: “Thermal Stress Analysis of a Railway Wheel in Sliding-Rolling Motion” Journal of. Tribology, vol. 136, no. 3, pp. 031401–031401, 2014.

[Z2] Zwierczyk P. T., Váradi K.: “Frictional contact FE analysis in a railway wheel-rail contact” Periodica Polytechnica Mechanical Engineering, vol. 58, no. 2, pp. 93–99, 2014.

[Z3] Zwierczyk P. T., Váradi K.: “Vasúti kerékabroncs-sín kapcsolat súrlódási állapotának vizsgálata VEM analízissel”, OGÉT 2012, XX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Kolozsvár, Románia, 2012.04.19–22. pp. 518–521.

[Z4] Zwierczyk P. T., Váradi K., Oroszváry L.: “Finite Element Analysis of the Friction State for Wheel-Rail Connection”, Proceedings of the PhD Conferences organized by the Doctoral Schools of the BME, in the framework of TÁMOP–4.2.2/B–10/1–2010–0009, Budapest, Magyarország, pp. 56–63, 2012.

[Z5] Zwierczyk P. T., Váradi K., Oroszváry L.: "Finite Element Analysis of the Friction State for Wheel-Rail Connection”, Gépészet 2012: proceedings of the Eight International Conference on Mechanical Engineering, Budapest, Magyarország, 2012.05.24–25 pp. 604–611.

[Z6] Zwierczyk P. T., Váradi K.: “Vasúti sín-kerékabroncs kapcsolat súrlódási állapotának végeselemes vizsgálata”, GÉP LXIII:(12): pp. 159–162, 2012.

[Z7] Zwierczyk P. T., Váradi K.: “Thermal Analysis of a Railway Wheel-Rail Connection in Sliding/Rolling Motion” The Tenth International Symposium on Tools and Methods of Competitive Engineering (TMCE 2014), Budapest, Magyarország, 2014.05.19–23., Proceedings of TMCE 2014, pp. 1405–1412.

[Z8] Zwierczyk P. T., Váradi K.: “Thermal and Stress Analysis of a Railway Wheel-Rail Connection in Disc Braking – Part 1: Temperature and Thermal Stress Development”, kézirat, benyújtás alatt – 2015.

[Z9] Zwierczyk P. T., Váradi K.: “Thermal and Stress Analysis of a Railway Wheel-Rail Connection in Disc Braking – Part 2: Coupled Analysis of Macroscopic Sliding and Contact”, kézirat, benyújtás alatt – 2015.

[Z10] Zwierczyk P. T., Váradi K.: “Vasúti kerékabroncs végeselemes hőtani és feszültségi vizsgálata”, OGÉT 2014: XXII. Nemzetközi Gépészeti Találkozó – OGÉT 2014, Nagyszeben, Románia, 2014.04.24–27. pp. 438–441.

[Z11] Zwierczyk P. T., Váradi K.: “Thermal and contact FE analysis of a railway wheel in sliding-rolling motion”, 11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI), Barcelona, Spanyolország, 2014.07.20–25, pp. 1–2.

[Z12] Zwierczyk P. T., Váradi K.: “Coupled thermal elastic-plastic analysis of a railway wheel under intensive braking process”, European Mechanics of Materials Conference (EMMC14), Göteborg, Svédország, 2014.08.27–08.29, p. 1.

 

Linkgyűjtemény

 

WSP – Wheel Slide Protection System – vasúti csúszásgátló rendszer (angol nyelven)

Tárcsás fékezés  – áttekintés (angol nyelven)

 

Hivatkozások

[1] Handa K., Morimoto F.: “Influence of wheel/rail tangential traction force on thermal cracking of railway wheels” Wear, vol. 289, pp. 112–118, 2012.

[2] Handa K., Kimura Y., Mishima Y.: “Surface cracks initiation on carbon steel railway wheels under concurrent load of continuous rolling contact and cyclic frictional heat” Wear, vol. 268, no. 1–2, pp. 50–58, 2010.

[3] Sábitz L., Kolonits F.: “Finite element and analytical computation of flash temperature” Periodica Polytechnica Civil Engineering, vol. 58, no. 3, pp. 267–278, 2014.

[4] Wu L., Wen Z., Li W., Jin X.: “Thermo-elastic–plastic finite element analysis of wheel/rail sliding contact”, Wear, vol. 271, no. 1–2, pp. 437–443, 2011.

[5] Fischer F. D., Werner E., Yan W.-Y.: “Thermal stresses for frictional contact in wheel-rail systems”, Wear, vol. 211, no. 2, pp. 156–163, 1997.

[6] Peng D., Jones R., Constable T.: “A study into crack growth in a railway wheel under thermal stop brake loading spectrum”, Engineering. Failure Analysis, vol. 25, pp. 280–290, 2012.

[7] Peng D., Jones R., Constable T.: “An investigation of the influence of rail chill on crack growth in a railway wheel due to braking loads” Engineering Fracture Mechanics, vol. 98, pp. 1– 14, 2013.

[8] Tian X., Francis E. Kennedy J:, “Maximum and Average Flash Temperatures in Sliding Contacts” Journal of Tribology, vol. 116, no. 1, pp. 167–174, 1994.