25 Rularea Pe Şină a Unei Roţi Motoare (1)

7/26/2019 25 Rularea Pe in a Unei Roi Motoare (1)

1/10

RULAREA PE IN A UNEI ROI MOTOAREN CONDIII DE ADEREN SCZUT

CAUZATE DE PREZENA UNUI CONTAMINANT

Marius Ovidiu ENE

THE ROLLING OF A DRIVING WHEEL ON THE RAILIN LOW ADHERENCE CONDITIONS CAUSED

BY PRESENCE OF A CONTAMINANT

One of the most important factors for providing the rolling safetyconditions of the rolling stock is adherence. A certain level of adherence isimperative in traction and breaking processes. When low adherence betweenwheel and rail occurs, many negative factors can arise, such as: defects onwheels and rails, station platform overruns, signals passed at danger and evencollisions. Among the causes that get to decrease wheel-rail adhesion is naturalcontamination. The major adherence reducers are: water, rust, oil and leaves.

Cuvinte cheie: aderen, coeficient de aderen, contact de rulareroat-in, vitez de alunecare, contaminant

Keywords: adhesion, adhesion, coefficient of rolling contact wheel-rail,sliding speed, that contaminates

1. Introducere

nc de la nceputurile transportului pe calea ferat, aderenaroat-in a fost limitat de capacitile materialului rulant motor defrnare i accelerare. Prin aplicarea unui moment motor asupra uneiosii montate a unui vehicul feroviar, la interfaa de contact roat-in seva dezvolta o for tangenial longitudinal, cunoscut sub numele de

175


2/10

for de traciune, for care este strns legat de aderen. Se poatespune c pentru o anumit sarcin normal,fora de traciune depindepractic de coeficientul de frecare la suprafaa de contact roat-in.

Acest coeficient mai poart numele de coeficient de aderen sau detraciune i reprezint raportul dintre fora de traciune i sarcinanormal n punctul de contact roat-in.

Totui, dac fora de traciune este mai mare sau egal cuprodusul dintre coeficientul de aderen i sarcina normal la suprafaade contact, conform teoriei lui Coulomb, apare fenomenul de alunecare

ntre cele dou suprafee.Pentru exploatarea la maxim a aderenei, constructorii au luat

n calcul o ct mai bun distribuie a sarcinilor verticale pe roi, precumi o echilibrare dinamic ct mai exact a osiilor. innd cont ccirculaia trenurilor se realizeaz n condiii de rulare uscat, oproblem deosebit n exploatarea trenurilor o reprezint rulareaacestora n condiii cu aderen sczut, datorat interpunerii lainterfaa roat-in a unui contaminant, precum o pelicul foarte subirede ap sau lubrifiant, frunze moarte etc., care scade considerabilcoeficientul de aderen roat-in.

n situaia circulaiei trenurilor n condiii sau zone cu aderensczut, capacitile materialului rulant de accelerare i decelerare suntdiminuate, periclitnd totodat proceselede traciune i frnare.

2. Contactul de rulare roat-in sub influenaunui moment motor

Analiza interaciunilor dinamice roat-in, care apar la rulare,n timpul accelerrilor sau frnrilor, asupra unei roi motoare delocomotiv, a fost realizat de ctre Carter n anul 1926, careconcluzioneaz c, sub aciunea unui moment motor, se iniiaz o zonde alunecare la interfaa roat-in [1]. Ca rezultat a aprut o nou

teorie, bazat pe studiul distribuiei efortului la suprafaa de contact.nc din secolul 19, O. Reynolds a studiat mecanismul

contactului de rulare i a stabilit c n suprafaa de contact exist attzone de aderen ct i zone de alunecare [2].

Astfel, dac avem fore de frnare sau de demarare foartemari, zona de alunecare crete, cuprinznd n final ntreaga suprafade contact.

Aceast alunecare d natere unei viteze de translaie a roii(vt), care nu mai este egal cu viteza circumferenial a roii (R), unde

R este raza roii iar este viteza unghiular a roii.

176


3/10

Diferena dintre viteza circumferenial i viteza de translaie aroii se numete vitez de alunecare (va).

Totui, nu doar alunecarea pe suprafaa de contact d natereacestei diferene de viteze. Astfel la fore mici de frnare sau detraciune, putem spune c nu avem zone de alunecare pe suprafaa decontact. Cu toate acestea, o diferen ntre viteze exist i este funciede momentul de rotaie al osiei motoare. Alunecri mici pot fi atribuite ideformaiilor elastice care apar n roat.

De fapt, la o roat n demarare sau n frnare, avem att zonede aderen ct i zone de alunecare, putndu-se face o analogie ntrecontactul de rulare i cel tangenial. Dac avem un contact hertzianformat dintr-o roat i un plan rigid i aplicm un moment, suprafaa decontact va fi ncrcat pe direcie tangenial, aceasta determinnd

ntotdeauna apariia unei zone de alunecare. Aceasta rmne valabili n cazul roilor motoare.

n scopul de a nelege mai bine aceste procese, vomconsidera modelul simplificat al unei roi elastice, compuse dintr-un inelrigid interior i o serie de elemente elastice ce sunt legate att de inelct i ntre ele, dup cum se vede n figura 1.

Fig.1 Model simplificat al unei roi motoare la demarare

177


4/10

ntre elementele elastice i planul rigid considerm c existfrecare, caracterizat prin coeficientul de frecare . Iniial, n cazul ncare neglijm greutatea roii, aceasta fiind n repaos, asupra punctuluide contact roat-in nu va aciona nicio for, (figura 1.a).

Dac vom apsa cu o for vertical N roata pe planul rigid(figura 1.b), iar ulterior i vom aplica un moment motor suficient de micpentru a nu pune roata n micare (figura 1.c), arcurile din parteadreapt a zonei de contact se vor comprima, iar cele din partea stngaa suprafeei de contact se vor ntinde. Astfel, inelul rigid interior se varoti sub un unghi specific, care depinde de numrul i rigiditateaarcurilor.

S presupunem c momentul motor va deveni suficient demare pentru ca roata s nceap deplasarea spre dreapta (figura 1.d).

Elementele care sunt sub presiune, dar care nu au nc contact cuplanul rigid, intr n suprafaa de contact n aceeai stare de echilibru,

n care au fost nainte de contact. Elementele sunt transportate prinsuprafaa de contact n aceeai stare de echilibru. Cnd acestea ajungla marginea de ieire a suprafeei de contact, unde fora normalscade, ele se descarc i se relaxeaz. Astfel, dac un elementalunec n afara suprafeei de contact, spre partea din stngaacestuia,roata se rotete un pic mai departe [3].

Pentru orice rotaie sub un anumit unghi corespunztor unui

singur element elastic, roata suport o rotaie elastic pe lng orotaie rigid. Prin urmare, la demarare viteza circumferenial a roiieste mai mare dect viteza de translaie a roii.

va= R vt> 0 (1)

Deci, viteza de alunecare a roii la demarare este pozitiv,avnd aceeai direcie i sens ca i viteza de deplasare a roii.

n schimb, pentru o roat n frnare, arcurile din partea din

dreapta a suprafeei de contact se ntind, iar cele din partea din stngaa zonei de contact se comprim.

Arcurile de la marginea de intrare a suprafeei de contact, nssunt deja n echilibru, nainte s ajung la suprafaa de contact i vorrmne n aceast stare pn cnd vor ajunge la marginea de ieiredin zona de contact.

Pentru o roat n frnare, momentul motor ce acioneazasupra roii, este opus direciei de rulare, iar n acest caz vitezacircumferenial a rotii (R) va fi mai mic dect viteza de translaie a

roii (vt).

178


5/10

va= R vt< 0 (2)

Astfel, la frnare, viteza de alunecare a roii este negativ,avnd aceeai direcie dar sens opus vitezei de deplasare a roii.

3. Rularea roii pe in n prezena unui contaminant

n condiii de rulare uscat, influena vitezei de rulare asupracoeficientului de aderen roat-in, respectiv asupra valorii maxime acoeficientului de traciune n direcia de rulare a vehiculului, nu estesemnificativ.

Se poate spune c, creterea vitezei de rulare nu influeneazfoarte mult traciunea tangenial la nivelul petei de contact.

n schimb, odat cu modificarea condiiilor de mediu (umezealcrescut, cea, burni, aerosoli salini etc.) sau de rulare (frunzedepuse pe ine, ine cu rugin, poriuni de in cu lubrifiere excesiv),coeficientul de aderen scade comparativ cu rularea n condiii uscatela aceeai vitez de circulaie i se reduce n mod drastic odat cucreterea vitezei de circulaie.

Explicaia este aceea c, apariia unui contaminant din celeenumerate mai sus, la interfaa roat-in, conduce n mod direct lascderea traciunii tangeniale la nivelul contactului roat-in i implicitla micorarea zonei de aderen la nivelul petei de contact. Acest lucruva determina scderea corespunztoare a forei de traciune.

Aa cum a mai fost artat, fora de aderen roat-in este celmai important factor pentru rularea n condiii de siguran a trenurilor,mai ales a trenurilor de mare vitez, n special la frnarea la punct fix,cnd trebuiesc realizate drumurile de frnare corespunztoare frnrii

n siguran. n plus, n timpul frnrii, datorit lipsei de aderen potapare deteriorri ale suprafeei de rulare a roii, precum aplatizri,exfolieri etc., care genereaz zgomote suplimentare i vibraii ale

vehiculului, ducnd la deteriorarea calitii de mers a trenului.Prin interpunerea un strat de contaminant ntre roat i in, se

realizeaz un contact roat-in, ce este prezentat n figura 2.n cazul unui contact de rulare roat-in realizat n condiii de

rulare n prezena unui contaminant, viteza de naintare a roii estestrns legat de reologia2 contaminantului, i dup cum se vede n

2 reologe s.f. (fiz.) Reologiastudiaz deformarea i curgerea unor materiale care au

proprieti complexe: de exemplu, n anumite situaii ele se comport ca un corp solid, iarn alte situaii ca un corp fluid. Sc. 30 XI 63 p. 4; v. i R.l. 13 II 84 p. 2 (din fr. rhologie;

179


6/10

figura de mai jos, micarea roii pe in intr sub incidena efectuluiStribeck [4].

Fig. 2 Contact roat-in n prezena unei pelicule de contaminant

Fig. 3 Curba Stribeck n cazului contactului de rulare roat-inn prezena unui contaminant

Se observ trei regimuri de rulare:

a) regimul limit, n care avem contact doar ntre asperitile roiii ale inei;

cf. engl. reology, germ. Rheologie, rus. reologhiia; PR 1943; OSRI; LTR, DC, DTP; DEX,DN3)

180


7/10

b) regimul mixt, n care sarcina pe roat este distribuit att peasperitile roii i ale inei ct i pe contaminant;

c) regimul elastohidrodinamic, n care contactul roat-in esteseparat prin interpunerea unei pelicule de contaminant. n aceastsituaie, traciunea tangenial de la roat la in se transmite prinefortul de forfecare ce apare n pelicula de contaminant.

Fig. 4 Contact roat-in n regim limit de rulare

Fig. 5 Contact roat-in n regim mixt de rulare

Fig. 6 Contact roat-in n regim elastohidrodinamic de rulare

181


8/10

innd cont de caracteristicile reologice ale peliculei decontaminant, trecerea de la un regim de rulare la altul se face n funciede viteza de circulaie a vehiculului.

Se observ c, prin creterea vitezei de circulaie, se poateintra n regimul de rulare elastohidrodinamic, cnd se producescderea de aderen cea mai puternic, deoarece nu mai existcontact direct ntre roat i in, astfel fiind afectate procesele dedemarare i frnare ale materialului rulant.

Putem spune c, depunerea unui contaminantla interfaaroat-in este principala cauz de pierdere a aderenei la nivelulcontactului roat-in. Frunzele czute pe in, n special cele uleioasede genul frunzelor de pin sau de cedru, un strat subire de ap, deghea, chiciur sau burni precum i roua depus n timpul dimineiipot determina situaii de scdere a aderenei roat-in. n acelai timp

ns, rugina, praful, oxizi metalici etc. depui pe ciuperca inei nuafecteaz aderena foarte mult dac nu intr n combinaie cu o peliculsubire de ap, ulei, nmol sau alte substane vscoase ce determinscderea aderenei.

De asemenea, cazul ploilor rapide i abundente ntlnite ntimpul verii, nu influeneaz foarte mult scderea aderenei, din contr,ele contribuind la ndeprtarea stratului de contaminant depus pe in.

Trebuie menionat c scderi ale aderenei roat-in mai pot

aprea i la trecerile la nivel de cale ferat, deoarece intersecia cudrumurile rutiere poate produce depunerea pe ine a noroiului adus deroile autovehiculelor rutiere.

n acelai timp, au fost sesizate scderi ale aderenei i ntunelurile de cale ferat, cauzate de infiltraiile de ap, fiind cunoscut ctunelurile sunt zone cu umiditate ridicat [5].

4. Modaliti de cretere a aderenei la interfaa roat-in

Dup cum se tie, cel mai utilizat produs pentrumbuntireaaderenei la nivelul contactului roat-in pe majoritatea reelelor decale ferat este nisipul.

Acesta trebuie s fie foarte curat, adic s prezinte unprocentaj ct mai mare de cuar i s nu conin pmnt. mprtiereade nisip pe in, procedeu numit nisipare n domeniul de specialitate,este folosit n exploatarea feroviar pentru creterea aderenei att lafrnarea ct i la demararea trenurilor.

La frnare este folosit pentru asigurarea frnrii trenului n cea

mai scurt distan posibil.

182


9/10

De obicei nisiparea este declanat automat cnd se comando frnare de urgen. n acelai timp, nisiparea este comandat demecanicul de locomotiv atunci cnd n timpul rulrii trenului sunt

ntlnite poriuni de in cu aderen sczut sau cnd n timpulprocesului de demarare apare fenomenul de patinare a roilor motoare.

Totui, dei nisipul este relativ uor de procurat iar costurilesunt relativ mici, utilizarea acestuia implic apariia unor problememajore n ceea ce privete uzuramaterialului rulant i a cii ferate.

n acelai timp, pentru creterea aderenei sunt folosite omulime de metode ce utilizeaz jeturi de ap sub presiune,

mprocarea pe ine a sanditei (un amestec de particule de nisip ioxizi de aluminiu) sau un procedeu mai nou, ce folosete un laser demare putere pentru ndeprtarea stratului de contaminant depus pe

ine [6].

5. Concluzii

Din cele prezentate mai sus, putem trage concluzia c odat cuapariia unei pelicule de contaminant la nivelul interfeei roat-in,aderena contactului roat-in scade datorit scderii coeficientului defrecare ntre roat i in. Aceast diminuare a aderenei la suprafaade contact poate cauza:

apariia defectelor de suprafa att la ine, ct i la roilemotoare ale materialului rulant motor, cauzate fie de patinarea roilor lademarare, fie de blocarea roilor n procesul de frnare a trenurilor;

ntrzieri ale trenurilor produse de incapacitatea materialuluirulant motor de a realiza cerinele de traciune impuse pentruremorcare;

depirea semnalelor de cale ferat cu indicaie oprire i aperoanelor;

creterea riscului de producere a coliziunilor datoritdiminurii considerabile a capacitii de frnare la punct fix i implicit aproducerii accidentelor feroviare cu victime umane.

BIBLIOGRAFIE

[1] Carter, F.W., On the action of a locomotive driving wheel, Proc. R. Soc.London, 112, 1926, pag. 151-157.[2] Reynolds, O., Papers on mechanical and physical subjects, volume I,

Cambridge University Press Warehouse, London, UK, 1900.

183


10/10

[3] Popov, V., Contact mechanics and friction, ISBN 978-3-642-10802-0,Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2010.[4] Arias-Cuevas, O., Li, Z.,Low Adhesion in the Contact between Wheel andRail, CROW Infradagen, Delft University Publications, The Netherlands, 2008.

[5] * * * TCRP Project C-6, Improved methods for increasing wheel/railadhesion in the presence of natural contaminants, Transportation ResearchBoard, Research Results Digest, number 17, may 1997.[6] Iwnicki, S., Handbook of railway vehicle dynamics, CRC press, ISBN 0-8493-3321-0, Boca Raton, S.U.A., 2006.

Drd. Ing. Marius Ovidiu ENE, expertAutoritatea Feroviar RomnAFER Bucureti

Calea Griviei nr. 393, sector 1,010719, Bucureti

[email protected]

184
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]

Documents

25 Rularea Pe Şină a Unei Roţi Motoare (1)