Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów kołowych

 POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ TRANSPORTU
KATEDRA TRANSPORTU SZYNOWEGO
LABORATORIUM DIAGNOSTYKI POJAZDÓW SZYNOWYCH
ĆWICZENIE 2
Diagnostyka powierzchni tocznej
zestawów kołowych
Katowice, 2009.10.01
Diagnostyka Pojazdów Szynowych: Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów
kołowych
Spis treści
1. CEL ĆWICZENIA .............................................................................................................. 2
2. PODSTAWY TEORETYCZNE ĆWICZENIA ................................................................ 3
RYS. 1. ZESTAW KOŁOWY Z KOŁAMI OBRĘCZOWANYMI.......................................................... 4
RYS. 2. ZESTAW KOŁOWY Z KOŁAMI MONOBLOKOWYM ......................................................... 4
RYS. 3. WIENIEC KOŁA SKŁADANEGO ..................................................................................... 4
3. STANOWISKO LABORATORYJNE .............................................................................. 6
RYS. 6. SCHEMAT DZIAŁANIA PROFILOMIERZA ....................................................................... 7
RYS. 7. SCHEMAT KINEMATYKI CZUJNIKA POMIAROWEGO ..................................................... 7
RYS. 8. ELEMENTY SKŁADOWE URZĄDZENIA DO POMIARU GEOMETRII ZARYSU POWIERZCHNI
TOCZNEJ .................................................................................................................................. 8
RYS. 9. SUWMIARKA SPECJALNA DO POMIARU GEOMETRII POWIERZCHNI TOCZNEJ ................ 9
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO ...................................................... 9
RYS. 10. SZABLON GRANICZNY ............................................................................................. 10
5. ZAKRES SPRAWOZDANIA ........................................................................................... 13
6. LITERATURA ................................................................................................................... 13
1
Diagnostyka Pojazdów Szynowych: Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów
kołowych
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie studentów z różnymi metodami
diagnostyki powierzchni tocznej zestawów kołowych z wykorzystaniem zarówno aparatury
pokładowej jak i przytorowej oraz aparatury wykorzystywanej w zakładach naprawczych
pojazdów szynowych. W ramach ćwiczenia laboratoryjnego przedstawiony zostanie sposób
pomiaru profilu tocznego kół z wykorzystaniem szablonów i suwmiarki do kół oraz
profilomierza elektronicznego. Studenci w ramach realizacji zajęć wykonają szereg
pomiarów podstawowych parametrów profilu kół na różnych przykładach kół kolejowych i
tramwajowych. Zadaniem wykonujących ćwiczenia laboratoryjne będzie również
przetworzenie uzyskanych danych pomiarowych w parametry charakterystyczne dla opisu
profilu koła kolejowego i tramwajowego. W tym celu niezbędne będzie wykorzystanie
specjalistycznego oprogramowania komputerowego.
Stanowisko laboratoryjne umożliwia dokonanie pomiaru zarówno podstawowych
parametrów geometrii powierzchni tocznej zestawów kołowych, jak i pomiaru jego pełnej
geometrii zarysu. Pomiary te są zgodne z pomiarami wykonywanymi wg PN w okresie
eksploatacji zestawów kołowych. Przeprowadzone badania laboratoryjne pozwolą na
zapoznanie się z metodyką i praktycznym wykonaniem badań diagnostycznych
wykonywanych na taborze kolejowym. Badania te pozwalają na wykrycie wad
technologiczno-eksploatacyjnych powierzchni tocznej zestawów kołowych. Dodatkowo,
wyposażenie stanowiska w elektroniczny sprzęt pomiarowy pozwala na przeniesienie pełnej
geometrii powierzchni tocznej badanego koła do programów obliczeniowych w formie
pliku *.dxf.
W trakcie trwania laboratorium należy wykonać szereg pomiarów profilu powierzchni
tocznej przykładowej obręczy koła i na tej podstawie wydać orzeczenie o jej stanie
technicznym. W celu przystąpienie do pomiarów, należy uprzednio zapoznać się z
urządzeniem i metodyką pomiaru zarysu powierzchni tocznej zestawu kołowego. Właściwa
interpretacja wymaga od ćwiczącego posiadania podstawowych wiadomości dotyczących
budowy i montażu zestawów kołowych.
2
Diagnostyka Pojazdów Szynowych: Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów
kołowych
2. PODSTAWY TEORETYCZNE ĆWICZENIA
Diagnostyka techniczna, to technika badawcza pozwalająca na określenie stanu
technicznego urządzeń oraz lokalizacji ewentualnych nieprawidłowości dokonywana
najczęściej w trakcie pracy urządzenia bez konieczności demontażu jego zespołów.
Dziedzina ta jest silnie powiązana z teorią pomiaru i analizy uzyskanych wyników, a
uzyskane wyniki pozwalają niejednokrotnie na podjęcie automatycznych działań
korygujących przy wykorzystaniu metod sztucznej inteligencji.
Zestaw kołowy stanowi zespół dwóch kół osadzonych na stałe na stalową oś. Oś w
miejscu osadzenia kół posiada zgrubienie – podpiaście, zaś części końcowe osi stanowią
czopy do osadzenia zestawu na łożyskach tocznych lub ślizgowych. Zestaw kołowy
stanowiący znaczną część tzw. masy nieodsprężynowanej każdego pojazdu szynowego
spełnia wiele funkcji związanych z prowadzeniem pojazdu i jego napędem, podparciem i hamowaniem, a także z przekazywaniem informacji w relacji tor urządzenia sterowania oraz
tor - pojazd trakcyjny. Mnogość spełnianych funkcji oraz konieczność dobrej ich realizacji
nakładają na stan techniczny zestawu kołowego szereg wymagań i ograniczeń, które muszą
być zachowane, z uwzględnieniem pola tolerancji, w całym okresie eksploatacji.
Systematycznie przeprowadzane pomiary zestawów kołowych pozwalają określić
terminy reprofilacji powierzchni tocznej oraz umożliwiają, podjęcie działań organizacyjnych
mających na celu wydłużenie ich eksploatacji. Dobry stan techniczny powierzchni tocznej
zestawów kołowych ma również zasadniczy wpływ na zmniejszenie nakładów związanych z
utrzymaniem torów kolejowych.
Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje wagonowych zestawów kołowych:
- zestawy kołowe do łożysk ślizgowych,
- zestawy kołowe do łożysk tocznych.
Koła zestawu mogą być obręczowane, składające się z koła bosego, obręczy i pierścienia
zaciskowego, zabezpieczającego obręcz na kole bosym oraz bezobręczowe, wykonane w
całości, zwane monoblokami lub kołami jednolitymi.
Ze względu na szerokość rozstawu toru zestawy kołowe można podzielić na:
- wąskotorowe – rozstaw 750 [mm],
- wąskotorowe – rozstaw 1000 [mm],
- normalnotorowe – rozstaw 1435 [mm],
- szerokotorowe – rozstaw 1524 [mm].
Ze względu na proces wytwarzania kół zestawy kołowe dzielą się na:
- odlewane,
- kute,
- kuto – odlewane.
Ze względu na rodzaj materiału zastosowanego do produkcji kół zestawy kołowe można
podzielić na zestawy o kołach:
- stalowych,
- staliwnych,
- żeliwnych,
- z nowych materiałów niekonwencjonalnych.
Ze względu na zastosowanie zestawy kołowe można podzielić na:
a) do lokomotyw:
- napędne,
- nie napędne,
b) do wagonów:
- towarowych,
- osobowych.
3
Diagnostyka Pojazdów Szynowych: Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów
kołowych
Ze względu na wymiary średnicy tocznej kół zestawy kołowe dzielą się na:
- zestawy kołowe o normalnej średnicy: ∅ 920 [mm], ∅ 960 [mm], ∅1000[mm],
1600[mm],
- zestawy kołowe o małej średnicy: ∅ 840 [mm], ∅ 630 [mm].
W pojazdach doczepnych oraz wagonach średnice toczne kół mogą zaczynać się już od
średnicy 320 [mm].
Ze względu na wielkość obciążenia osi zestawu, zestawy można podzielić na:
- zestawy o normalnym obciążeniu osi,
- zestawy o zwiększonym obciążeniu osi.
Ze względu na typ stosowanych kół, zestawy kołowe dzielą się na:
- obręczowane (rys. 1),
- monoblokowe (rys. 2),
- składane (rys. 3).
Rys. 1. Zestaw kołowy z kołami obręczowanymi
Rys. 2. Zestaw kołowy z kołami monoblokowym
Rys. 3. Wieniec koła składanego
Ze względu na rodzaj tarczy koła, zestawy kołowe dzielimy na zestawy o kołach:
4
Diagnostyka Pojazdów Szynowych: Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów
kołowych
a) tarczowych:
- tarcze proste,
- tarcze pofalowane,
- tarcze podwójnie pofalowane,
b) szprychowych,
c) specjalnych.
Ze względu na konstrukcję osi zestawy kołowe można podzielić na zestawy z osią:
- pełną,
- drążoną.
Ze względu na sposób obróbki mechanicznej powierzchni tocznej zestawy kołowe dzielimy
na:
- obrobione toczeniem;
- frezowaniem,
- szlifowaniem,
- dogniataniem.
Ze względu na sposób ułożyskowania zestawy kołowe dzielą się na:
- łożyskowane zewnętrznie,
- łożyskowane wewnętrznie.
Ze względu na zastosowany profil toczny, zestawy kołowe dzielimy na zestawy:
- o profilu AO,
- o profilu AOP,
- o profilu ACO,
- o profilach: A5, A10, A15.
Ze względu na sposób łączenia koła z osią, zastawy można podzielić na:
- zestawy z połączeniami wciskowymi,
- zestawy z połączeniami skurczowymi,
- zestawy z połączeniami klejonymi,
- zestawy z połączeniami mieszanymi skurczowo – klejonymi.
Ze względu na osadzenie koła na oś, zestawy kołowe dzielą się na zestawy:
- z kołami osadzonymi na stałe,
- z kołami osadzonymi przesuwnie.
Ze względu na wbudowane w tarczę elementy napędowe, zestawy można podzielić na
zespoły:
- z zastosowaniem bloków metalowo – gumowych,
- z zastosowaniem sprzęgieł płytkowych,
- z zastosowaniem czopów napędowych.
Ze względu na rodzaj stosowanych hamulców zestawy kołowe dzielą się na zestawy
przystosowane do:
a) hamulców tarczowych
- z tarczami osadzonymi na osi,
- z tarczami mocowanymi do tarczy koła.
b) hamulców klockowych.
5
Diagnostyka Pojazdów Szynowych: Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów
kołowych
Części składowe zarysu powierzchni tocznej przedstawione zostały na rysunku 4.
Rys. 4. Części składowe zarysu powierzchni tocznej
Dla taboru normalnotorowego w zarysie zewnętrznym typu A występują następujące
odmiany:
- AO - obrzeże pełne, powierzchnia toczna o pochyleniu l : 20 / 1 : 10,
- AOP - obrzeże pełne, powierzchnia toczna o pochyleniu l : 40 / 1 : 20,
- ACO - obrzeże pełne, powierzchnia toczna o promieniu 330 [mm] i pochyleniu l : 15,5,
- A5 - obrzeże zwężone o 5 [mm],
- A10 - obrzeże zwężona o 10 [mm],
- A15 - obrzeże zwężone o 15 [mm].
Rys. 5. Zarys obręczy normalnotorowej: po lewej – AO, po prawej – AOP
3. STANOWISKO LABORATORYJNE
W celu umożliwienia studentom wykonania pomiarów diagnostycznych zarysu
powierzchni tocznej zestawu kołowego, przygotowano stanowisko z nowym zestawem
kołowym, oraz stanowisko z obręczą nową i po eksploatacji. Obręcz zużytą dobrano tak, aby
umożliwić zaobserwowanie typowych zjawisk eksploatacyjnych.
Do pomiaru geometrii powierzchni tocznej zastosowano urządzenie elektroniczne
firmy GRAW. Składa się ono z układu pomiarowego, rejestratora, układu transmisji danych
do komputera PC i specjalistycznego oprogramowania. Schemat działania profilomierza
przedstawia rysunek 6.
Dwa czujniki
laserowe
Przetwornik
pomiarowy
Wzmacniacz
6
Rejestrator
Interfejs RS
Diagnostyka Pojazdów Szynowych: Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów
kołowych
Oprogramowanie
Rys. 6. Schemat działania profilomierza
Układ pomiarowy profilomierza zaopatrzony jest w dwa czujniki z przetwornikiem
laserowym. Czujniki te służą do pomiaru przemieszczeń kątowych dzwigni prowadzonej po
zarysie profilu tocznego, tak jak to pokazano na rysunku 7. W trakcie pomiaru rejestrator
zapisuje wartości przemieszczeń kątowych obu czujników, a następnie po przesłaniu danych
pomiarowych z rejestratora do komputera poprzez interfejs RS232, program przelicza
przemieszczenia kątowe obu czujników na współrzędne kartezjańskie.
Rys. 7. Schemat kinematyki czujnika pomiarowego
Wykorzystywane oprogramowanie ma ponadto możliwość porównania otrzymanej
geometrii powierzchni tocznej zestawu kołowego z geometrią wg PN zawartą w specjalnej
bazie geometrii normowych. Program pozwala zarówno na ręczne zwymiarowanie
otrzymanej geometrii jak i na automatyczne wymiarowanie geometrii profilu wg PN.
Rysunek 8 przedstawia zdjęcie elementów wchodzących w skład omawianego urządzenia do
pomiaru powierzchni tocznej zestawu kołowego.
7
Diagnostyka Pojazdów Szynowych: Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów
kołowych
Przewód
RS 232
Wzorzec
pomiarowy
P. czujnik rejestrator
Rejestrator
Zasilacz
Oprogramowanie
Czujnik +
przetwornik
Rys. 8. Elementy składowe urządzenia do pomiaru geometrii zarysu powierzchni tocznej
Proces pomiarowy polega na ręcznym przeprowadzeniu końcówki ramienia pomiarowego
po powierzchni tocznej koła. Proces ten można powtórzyć kilkakrotnie, co pozwala
wyeliminować błędy przypadkowa, gdyż program uwzględni jedynie największe wartości
odchylenia ramienia eliminując jednocześnie te wyniki, dla których końcówka pomiarowa
nie była dokładnie prowadzona po powierzchni tocznej zestawu. Należy pamiętać, aby
bezpośrednio po zakończeniu pomiaru nie przemieścić ramienia pomiarowego do bazy
pomiarowej gdyż spowoduje to wyzerowanie wyników i oczekiwanie na nowy pomiar.
Czynność tą należy wykonać dopiero po zapisaniu wyników w rejestratorze. Jeden lub serie
pomiarów zapisanych w rejestratorze można następnie przesłać poprzez interfejs RS 232, do
komputera PC z odpowiednim oprogramowaniem. Otrzymane wyniki można prezentować na
ekranie oraz zapisać w pliku o standardzie *.dxf, co ułatwi ewentualną dalsza analizę w
programach obliczeniowych.
Otrzymane wyniki należy porównać z wartościami dopuszczonymi wg PN, a ponadto
należy zwrócić uwagę na inne wady eksploatacyjne, występujące na kołach kolejowych
zestawów kołowych.
Dopuszcza się do eksploatacji koła, jeśli:
- wycięcia są skierowane wzdłuż obwodu i oddalone od wewnętrznej krawędzi obręczy lub
wieńca co najmniej o 20 mm;
- głębokość wycięć nie przekracza 3 mm i są one łagodnie wyprowadzone na powierzchnię
tak; że szerokość wycięć na dnie nie przekracza ich głębokości, a szerokość na
powierzchni obręczy lub wieńca jest co najmniej trzykrotnie większa niż głębokość;
8
Diagnostyka Pojazdów Szynowych: Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów
kołowych
- ogólna długość wycięć na jednaj obręczy lub na wieńcu koda bezobręczowego nie
przekracza 300 mm, a w dowolnym przekroju poprzecznym znajduje się nie więcej niż
jedno wycięcie.
Na bocznych obrobionych powierzchniach obręczy lub wieńców kół bezobręczowych
dopuszczalne są miejsca nieobrobione w postaci ciemnych plam o głębokości do 2 mm
rozmieszczonych tak, aby w danym przekroju poprzecznym znajdowało się jedno wycięcie
lub jedna plama. Ogólna długość wycięć i plam na jednej obręczy lub wieńcu nie moje
przekraczać 300 mm.
Podstawowym sposobem oceny stanu powierzchni obręczy lub wieńca koła
bezobręczowego, jest badanie przeprowadzane okiem nieuzbrojonym. Ma ono na celu
sprawdzenie, czy nie występują niedopuszczalne wady w postaci jam usadowych,
rozwarstwień, pęknięć miejsc nieobrobionych i zanieczyszczeń niemetalicznych. Sprawdza
się również, czy na obrobionych bocznych powierzchniach obręczy lub wieńca koła
bezobręczowego, z wyjątkiem obrzeża, nie występują wycięcia powstałe w rezultacie
usuwania wad.
Klasyczna metoda pomiaru podstawowych parametrów profilu tocznego oparta jest na
wykorzystaniu suwmiarki o specjalnej konstrukcji, którą pokazano na rysunku 9.
Rys. 9. Suwmiarka specjalna do pomiaru geometrii powierzchni tocznej
Wykorzystując suwmiarkę specjalną do pomiaru parametrów profilu, można określić
wartości wysokości obrzeża Ow, grubości obrzeża Og, podcięcie qR, grubości obręczy w
płaszczyźnie okręgu tocznego b.
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO
Za pomocą suwmiarki specjalnej do pomiaru geometrii powierzchni tocznej kół dokonać
pomiaru każdego koła w płaszczyznach przesuniętych o 90°. Pomiar w każdym miejscu
należy powtórzyć trzykrotnie. Wyniki zamieścić w tabeli 1. Wyniki pomiarów sprawdzić za
pomocą szablonów granicznych (rys. 10, 11, 12). Wykonane pomiary uszkodzeń powierzchni
tocznej zestawu przedstawić w formie graficznej, oddzielnie dla każdego miejsca
pomiarowego oraz na jednym schemacie – nanieść wartości podstawowych wielkości
geometrycznych profilu (przykład wymiarowania powierzchni tocznej kolejowego zestawu
kołowego pokazano na rysunku 14). Otrzymane wartości pomiarów porównać z
wymaganiami PN.
9
Diagnostyka Pojazdów Szynowych: Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów
kołowych
Rys. 10. Szablon graniczny
Rys. 11. Szablon do sprawdzenia wymiaru qR - sposób pomiaru
a) obrzeże koła dopuszczalne do przyjęcia,
b) obrzeże koła nie może być przyjęte
Rys. 12. Szablon graniczny do sprawdzenia wysokości i grubości obrzeża kół
kolejowych zestawów kołowych
10
Diagnostyka Pojazdów Szynowych: Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów
kołowych
10
Ow
2
Rys. 13. Prezentacja graficzna przetwarzania dyskretnych wartości kątowych ramion
pomiarowych na geometrię zarysu tocznego z uwzględnieniem kształtu końcówki pomiarowe
qr
Średnica toczna
Og
70
b - szerokość powierzchni tocznej
Wzo r zec : 2 8 UIC 13 5 .RYS
Rys. 14. Przykład wymiarowania powierzchni tocznej
kolejowego zestawu kołowego
11
Diagnostyka Pojazdów Szynowych - Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów kołowych
Tablica 1
Zestawienie pomiarów powierzchni tocznej kolejowego zestawu kołowego
Data: .... .... ........, grupa dziekańska: ........, sekcja: ........ .
Lp.
Opis miejsca
pomiaru i
nazwa
rysunku
Nazwa
pliku w
rejestratorze
Metoda
pomiarowa
Nazwa
pliku w PC
Ow [mm]
Og [mm]
qr [mm]
b [mm]
Orzeczenie
o stanie
technicznym
Suwmiarka,
przymiar gr.
1
Profilomierz
Rys nr .....
Suwmiarka,
przymiar gr.
2
Profilomierz
Rys nr .....
Suwmiarka,
przymiar gr.
3
Profilomierz
Rys nr .....
Suwmiarka,
przymiar gr.
4
Profilomierz
Rys nr .....
Suwmiarka,
przymiar gr.
5
Profilomierz
Rys nr .....
Suwmiarka,
przymiar gr.
6
Profilomierz
Rys nr .....
Podpis prowadzącego ćwiczenie laboratoryjne:
...................... .
12
Diagnostyka Pojazdów Szynowych - Diagnostyka powierzchni tocznej zestawów kołowych
5. ZAKRES SPRAWOZDANIA
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Wstęp teoretyczny.
2. Opis metodyki pomiarowej i przebiegu procesu pomiarowego wykonywanego w
trakcie laboratorium.
3. Podpisane przez prowadzącego tablice pomiarowe z otrzymanymi w trakcie zajęć
wynikami pomiarów.
4. Prezentację graficzną otrzymanych wyników.
5. Wnioski i spostrzeżenia dotyczące wykonanego ćwiczenia laboratoryjnego.
6. LITERATURA
1. B. Żółtowski: Podstawy diagnostyki maszyn. Bydgoszcz: Wydawnictwo Uczelniane
Akademi Techniczno – Rolniczej w Bydgoszczy, 1996.
2. W. Jakubiec, J. Malinowski: Metrologia wielkości geometrycznych. Warszawa:
WNT, 1999.
3. J. Podemski, R. Marczewski, Z. Majchrzak: Zestawy kołowe i maźnice. Warszawa:
Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1978.
4. PN-57/MPM-07588-Tabor kolejowy. Montaż zestawów kołowych, warunki
techniczne.
5. PN-61/R-91045-Tabor kolejowy. Zestawy kołowe wagonów, wymagania i badaniatechniczne.
6. PN-58/R-91042-Tabor kolejowy. Lokomotywy i tendry. Obręcze nieobrobione do
zestawów kołowych, warunki techniczne.
7. PN-53/K-91031-Tabor kolejowy. Wagony i tendry. Koła bose obrobione do
zestawów kołowych.
8. PN-53/R-9103-Tabor kolejowy. Pierścienie zaciskowe do zestawów kołowych.
9. BN-67/3511-06-Zestawy kołowe do łożysk ślizgowych.
10. PN-70/R-91049-Zestawy kołowe obręczowane do łożysk tocznych
11. BN-69/3541-12-Zestawy kołowe bezobręczowe z czopami osi o φ 120 mm.
13