Uszkodzenia Common Rail

Szyna jest jednym z najważniejszych elementów nośnych systemu kolejowego. Trakcja i hamowanie pociągów realizowane są poprzez tarcie między kołami a szyną. Dlatego dobry stan szyn jest warunkiem koniecznym zapewnienia bezpiecznego i płynnego ruchu pociągów. Jednak ze względu na zmienne naprężenia stykowe, materiał szyny często ulega zużyciu lub uszkodzeniom zmęczeniowym. Jak pokazano na rysunku 1, główne rodzaje uszkodzeń szyn obejmują: pęknięcia zmęczeniowe, łuszczenie, zużycie faliste, zgniecenia i zużycie boczne szyn, które stanowią ponad 80% wszystkich uszkodzeń szyn. Wraz ze wzrostem prędkości jazdy pociągów i nacisku na oś, problemy ze zmęczeniem i zużyciem szyn stają się coraz poważniejsze, co powoduje gwałtowny wzrost zapotrzebowania na technologie szlifowania szyn.

1. Pęknięcie spowodowane zmęczeniem tocznym. Pęknięcia zmęczeniowe toczne są jedną z najczęstszych form uszkodzeń szyn kolei dużych prędkości [1], jak pokazano na rysunku 2. Ogólnie rzecz biorąc, pęknięcia nie rozciągają się aż do powierzchni szyny, ale rozciągają się na powierzchnię szyny w łuku, tworząc wygląd odrywania szyny, jak pokazano na rysunku 2. Górna powierzchnia szyny jest wciśnięta z powodu odrywania, a naprężenie udarowe powstaje, gdy koła pociągu przejeżdżają, co nasila wibracje i hałas. W niektórych przypadkach pęknięcia odgałęzień w dole odrywania mogą rozszerzyć się poniżej szyny i prowadzić do pęknięcia szyny, co może spowodować poważne wypadki bezpieczeństwa [2].

2. Zużycie falistej powierzchni szynyZużycie fali szynowej odnosi się do zjawiska okresowego nierównomiernego zużycia powierzchni szyny w pewnym zakresie wzdłużnym [3, 4], jak pokazano na rysunku 3. Zużycie fali zwiększa wibracje i hałas pociągu, wpływa na komfort jazdy i zmniejsza trwałość zmęczeniową części lokomotywy i pojazdu. Zgodnie z długością fali zużycia fali dzieli się je na falowanie krótkofalowe (długość fali 25–80 mm) i długofalowe (długość fali powyżej 100 mm). Głównymi przyczynami powstawania falowania są teorie dynamiczne i niedynamiczne. Teoria dynamiczna zakłada, że ​​drgania układu koło-szyna prowadzą do falowania, w tym drgania samowzbudne, rezonansowe i drgania sprzężenia zwrotnego [5]. Teoria niedynamiczna zakłada, że ​​powstawanie falowania jest związane głównie z materiałami szyn i procesem wytapiania itp.; i nawet jeśli siła oddziaływania koła z szyną jest stała, szyna również będzie ulegać falowaniu z powodu nierównomiernego płynięcia plastycznego [6, 7].

3. Kruszenie szyn. Zgniatanie szyn to zjawisko polegające na tym, że wierzchnia warstwa szyny ulega odkształceniu plastycznemu, a bieżnik szyny ulega spłaszczeniu, co jest powszechnie obserwowane na szynach w zakrzywionym odcinku kolei ciężkich [8], jak pokazano na rysunku 4. Zgniatanie szyn zmienia kształt główki szyny, zmienia się siła styku koło-szyna, co nasila drgania i hałas podczas jazdy. Ponadto zgniataniu szyn często towarzyszą uszkodzenia w postaci zdzierania lub pęknięć zmęczeniowych. Granica stabilności jest często stosowana jako kryterium oceny, czy w szynie występuje uszkodzenie w wyniku zgniatania, a zwiększenie granicy plastyczności materiałów może zapobiec lub spowolnić tego typu uszkodzenia.

4. Zużycie boków szyny. Zużycie boków szyny jest główną formą uszkodzenia szyny o małych promieniach łuków [9], jak pokazano na rysunku 5. W chińskich kolejach 98% szyn o małych promieniach łuków jest złomowanych z powodu nadmiernego zużycia boków. Gdy lokomotywa i pojazd wchodzą w odcinek łuku, pociąg porusza się do przodu z powodu bezwładności, ale tor zmusza nadwozie pociągu do obrotu. W takim przypadku koła będą uderzać w szynę, co spowoduje poważne zużycie boków. Zwłaszcza, gdy siła odśrodkowa i siła dośrodkowa pociągu są niezrównoważone, obciążenie wewnętrznej i zewnętrznej szyny będzie przesunięte, co znacznie pogorszy zużycie boków [10, 11]. Powszechnie uważa się, że zużycie boków szyny skraca żywotność szyny, a zmiana profilu szyny pogarsza interakcję koło/szyna, wpływając na stabilność pociągu przejeżdżającego przez łuk.

Rys. 1 Pęknięcia zmęczeniowe.

Rys. 2 Łuszczenie się szyny.

Rys. 3 Zużycie falistej powierzchni szyny.

Rys. 4 Zgniatanie szyn.

Rys. 5 Zużycie boków szyny.

Odniesienia

1. K. Zhou. Badania nad zasadami i mechanizmami usuwania materiału podczas szlifowania szyn [D]. Chengdu: Rozprawa doktorska Uniwersytetu Południowo-Zachodniego Jiaotong, 2020.
2. X. Zhao, ZL Li. Trójwymiarowe rozwiązanie metodą elementów skończonych dla styku tocznego koła ciernego z szyną w stanie sprężysto-plastycznym [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, część J: Journal of Engineering Tribology, 2015, 229(1): 86-100.
3. W. Zhong, J. Hu, P. Shen i in. Badanie eksperymentalne pomiędzy zmęczeniem styku tocznego a zużyciem w pociągach dużych prędkości i ciężkich oraz doborem materiału szynowego [J]. Wear, 2011, 271(9-10): 2485-2493.
4. S. Grassie, J. Kalousek. Falistość szyn: charakterystyka, przyczyny i metody leczenia [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, część F: Journal of Rail and Rapid Transit, 1993, 207(1): 57-68.
5. Y. Gu. Badanie mechanizmu falowania szyn na torach kolei dużych prędkości bez podsypki [D]. Pekin: Rozprawa doktorska Uniwersytetu Jiaotong w Pekinie, 2017.
6. X. Jin, X. Li, W. Li i in. Przegląd postępów w zakresie karbowania szyn [J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2016, 51(2-3): 264-273.
7. S. Li, D. Liu, P. Liu i in. Powstawanie fal i ewolucja mikrostruktury stali szynowej U75V [J]. Journal of Dalian Jiaotong University, 2019, 40(5): 66-71.
8. Z. Li, Z. Yan, S. Li. Wpływ falistego profilu szyny na charakterystykę dynamiczną układu rozjazdów pojazdów dużych prędkości [J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2003, 25(1): 104-108.
9. W. Wang, H. Guo, X. Du i in. Badanie mechanizmu uszkodzeń i zapobiegania im w ciężkich pociągach [J]. Analiza awarii inżynieryjnych, 2013, 35: 206-218.
10. Y. Zhou, S. Wang, T. Wang i in. Badania terenowe i laboratoryjne zależności między kontrolą główki szyny a zużyciem w kolei ciężkiego transportu [J]. Wear, 2014, 315(1-2): 68-77.
11. I. Povilaitiene, I. Kamaitis, I. Podagelis. Wpływ szerokości toru na zużycie pobocznicy szyny na łukach toru [J]. Journal of Civil Engineering and Management, 2006, 12(3): 255-260.
12. W. Zhai, J. Gao, P. Liu i in. Zmniejszenie zużycia pobocza szyn na łukach kolei ciężkiego transportu w oparciu o dynamiczną interakcję koło–szyna [J]. Vehicle System Dynamics, 2014, 52(sup1): 440-454.