Vasúti teherkocsi tömbkerekek hőterhelése és törésmechanikája

Átírás

1 JUHÁSZ Gábor István, OROSZVÁRY László BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Gép- és Terméktervezés Tanszék Vasúti teherkocsi tömbkerekek hőterhelése és törésmechanikája XVII. econ Konferencia és ANSYS Felhasználói Találkozó Budapest, április 19.

2 Tartalom Téma felvetése Törés vasúti kerekekben (1980-as évek közepe!) A MÁV Vasúti Tudományos Kutatóintézet és az ORE B 169 szakértőbizottság eredményei A vasúti kerék modellezése ANSYS rendszerben Hőáramlási vizsgálatok (felmelegedés, lehűlés) Maradó feszéltségek kialakulása a kerékben Törésmechanikai számítások 2/26

3 Feladat leírása tartós fékezés okozta elegendően nagy hőterhelés következtében a kerékkoszorúban tangenciális húzófeszültségek keletkeznek. Ez a feszültségi állapot egy külső hatásból keletezett repedéssel együtt a kerék kihűlt állapotában- keréktöréshez vezet; Tuskós fékezésű kerék vizsgálata eredményeit vettük alapul: 20 perces tartós fékezés, v=60 km/h, menetszél ca. 30 km/h 10 óráig tartó lehűlési folyamat (forgó kerék + menetszél) Sín hatásának elhanyagolása (a próbapadi vizsgálathoz hasonlóan) meglétét feltételeztük (az ORE/ERRI B169 szakértőbizottság valamint a MÁV statisztikái alapján) 3/26

4 Vizsgált kerékrobbanás mechanizmus Tartós fékezés Meleg állapotban képlékeny alakváltozások Kihűlt állapotban tangenciális húzófeszültség kialakulása Feszültségmezőhöz társított repedés 4/26

5 Jellegzetes törési formák tömbkerékben Radiális törés tengelyig (jele: R) Radiális törés a koszorúban, majd kerületi törés a tárcsában (jele: RK) 5/265

6 Üzemeltetés során bekövetkezett tömbkerék törések (mért geometria adatok * kerekek származása: MÁV, 1989) Sarokrepedés jellemző méretei Kerék kinyílása törés után Kerék sorszáma a [mm] b [mm] c [mm] t [mm] Törés formája Kerékátmérő a futókör síkjában [mm] Tömbkerék anyag R 920 BV R 894 BV R 877 R RK 920 R R 902 R R Forrás: ORE B169 ( Kerekek és féktuskók termikus határai ), 3. sz. jelentés 6/26

7 Tömbkerék törések próbapadi generálása (mérések : DB Versuchsanstalt, Minden, 1990) : kezdeti repedéssel tömbkerekek hőterhelhetőségi határának meghatározása laboratóriumi körülmények között tartós fékezés esetére : 1.) Kerék külső sarkán 2 [mm] mély bemetszés elkészítése; 2.) Megállító fékezések sorozata 8 [mm] repedésmélység eléréséig; 3.) Tartós fékezések sorozata GG féktuskóval 3.1.) P=20 [kw]; t=45 [min]; v=60 [km/h], maximum 5-ször; 3.2.) P=30 [kw]; t=45 [min]; v=60 [km/h], maximum 10-szer; 3.3.) P=45 [kw]; t=45 [min]; v=60 [km/h], maximum 15-ször. : a.) Kiindulási sebesség=140~150 [km/h], kerékterhelés=11.25 [t]; b.) Félrecsúszott műanyag féktuskó; c.) Fékezés után a kerék gyorsított hűtése vízzel. : DR kerék 3.3.) ciklusban az 1. fékezés után kihűlt állapotban eltört; SNCF kerék nem tört el, még 65 [kw] fékteljesítmény esetén sem! 7/267

8 Törési szívósság, K IC [Mpa* m] Üzemi és próbapadi kerekek törési szívóssága (próbapadi mérések : DB Versuchsanstalt, Minden, 1990) 120 K IC vs R p0.2 Üzemben eltört kerekek adatai Próbapadi mérés, nem eltört kerék Próbapadi mérés, eltört kerék 100 DIN EN (K IC 80 [MPa* m]) y = 0,1093x + 8,7544 R² = 0, R p0.2 [MPa] Forrás: ORE B169 ( Kerekek és féktuskók termikus határai ), 3. sz. jelentés (A szakértőbizottság MÁV képviselője: Dr. Oroszváry László) Törési szívósság meghatározása: ETH Zürich 8/26

9 R=280 [mm] R=340 [mm] R=460 [mm] Mérések és ANSYS számítások összehasonlítása (Mérések: BME Vasúti Járművek Tanszék, Dr. Vajda József, 1988) 1500 [mm] Tartós fékezés jellemzői P=55 [kw] T=20 [min] v=60 [km/h] Öntöttvas féktuskó ϑ 0 =22 C 9/26

10 Δϑ [ C] Δϑ [ C] Δϑ [ C] Mérések és ANSYS számítások összehasonlítása (Számítások ) Δϑ változása "A" vonal mentén [ C] 329 [ C] Jelmagyarázat Mért hőmérséklet ANSYS eredmény Futófelülettől mért távolság [mm] Δϑ változása "B" vonal mentén Δϑ változása "C" vonal mentén [ C] 131 [ C] [ C] 51 [ C] Ívhossz [mm] Ívhossz [mm] 10/26

11 Léptetett hőforrás hatása a hőmérséklet eloszlásra Hőterhelési modellek összehasonlító vizsgálata 18 darab felületre a kerület mentén (kerék és féktuskó érintkezési felülete) felületelemeken az utolsó és első körülfordulásnál a futófelületén egyenlő eloszlású hőterhelés modelljének eredményeivel 11/26

12 Léptetett hőforrás hatása Eredmények a fékezés bejezése után, t=1250 [sec] Maximális hőmérséklet: 277 [ c] Maximális hőmérséklet: 276 [ c] Maximum a futófelület alatt 12/26

13 Törésmechanikai számítások Lehetséges repedési helyek és formák a kerékkoszorúban Forrás: Uwe Zerbst, Fracture Mechanics in Railway Application, Porto, July 7-8, /26

14 Maradó feszültségek a kerékben Rugalmas tárcsa, repedésmentes modell (P=38.5 [kw]) Maximális tangenciális feszültség: 166 [MPa] Maximális tangenciális feszültség: 540 [MPa] 14 14/26

15 Maradó feszültségek a kerékkoszorúban Merev tárcsa, repedésmentes modell (P=38.5 [kw]) Maximális tangenciális feszültség: 176 [MPa] Maximális tangenciális feszültség: 537 [MPa] 15 15/26

16 Tangenciális feszültség [MPa] Maradó feszültségek a kerékben, kihűlt állapot 600 Tangenciális feszültségek maximumai a kerékkoszorúban (P=38.5 [kw]) Normál helyzetű féktuskó Rugalmas keréktárcsa Félrecsúszott féktuskó Rugalmas keréktárcsa Normál helyzetű féktuskó Merev keréktárcsa Félrecsúszott féktuskó Merev keréktárcsa 16 16/26

17 Maradó (ekvivalens) feszültségek a kerékben Szimuláció repedés nélkül és repedéssel (P=38.5 [kw]) 17/26

18 Feszültségszámítás útvonalai a feszültségintenzitási tényező becsléséhez 18/26

19 K I *, KI [MPa*m 0.5 ] Repedésintenzitási tényező számítása Szubmodell technika és mintavételezett pontokra illesztett polinom K I = SY 2 π r, lim K I K I r 0 SY = repedés síkjára merőges feszültség y = -0,0037x 3 + 0,2435x 2-5,1966x + 66, A repedés frontjától mért távolság, r [mm] * alkalmazása, finomított háló; * Mintavételezés ( mérés ) * kizárása. Dr.ir. P.J.G. Schreurs Fracture Mechanics Eindhoven University of Technology, /26

20 Tangenciális feszültség, SY [MPa] Tangenciális feszültségek, félrecsúszott féktuskó a feszültségintenzitási tényező becsléséhez Tangenciális feszültségeloszlás repdéscsúcstól mérve P=38.5 [kw] r [mm] 20/26

21 K I * [MPa*m 0.5 ] Feszültségintenzitási tényező becslése/1 Félrecsúszott helyzetű féktuskó, R=25 [mm] φ=30 [ ] K I =90 R 2 = φ=80[ ] K I =70 R 2 = φ=60 [ ] K I =62 R 2 = P=38.5 [kw] φ=15 [ ] K I =107 R 2 = r [mm] 21/26

22 K * I [MPa*m 0.5 ] Feszültségintenzitási tényező becslése/ Félrecsúszott Normál helyzetű féktuskó, R=25 R=25 [mm] [mm] φ=30 [ ] K I =90 R 2 = φ=80[ ] K I =70 R 2 = φ=60 [ ] K I =62 R 2 = φ=80[ ] K I =39 R 2 = r [mm] φ=15 [ ] K I =70 R 2 = φ=60 [ ] K I =41 R 2 = P=38.5 [kw] φ=15 [ ] K I =107 R 2 = φ=30 [ ] K I =47 R 2 = /26

23 Tengelycím Feszültségintenzitási tényező becslése/3 Félrecsúszott helyzetű féktuskó, R=40 mm P=38.5 [kw] φ=80[ ] K I =73 R 2 = φ=15 [ ] K I =89 R 2 = φ=60 [ ] K I =67 R 2 = φ=30 [ ] K I =82 R 2 = Tengelycím 23/26

24 K I * [MPa*m 0.5 ] Feszültségintenzitási tényező becslése/4 Normál helyzetű féktuskó, R=40 [mm] 60 P=38.5 [kw] φ=80[ ] K I =64 R 2 = φ=60 [ ] K I =46 R 2 =0.988 φ=30 [ ] K I =57 R 2 = φ=15 [ ] K I =72 R 2 = r [mm] 24/26

25 Köszönetnyilvánítás A tömbkerekekkel kapcsolatos mérések nem valósulhattak volna meg Csárádi János (MÁV gépészigazgató), Dr. Simonyi Alfréd ( a MÁV VTKI igazgatója), Dr. Horváth Tibor (MÁV Vezérigazgatóság, Gépészeti Főosztály) Dr. Vajda József (BME Vasúti Járművek Tanszék) hathatós támogatása nélkül. Köszönetet mondunk továbbá Németh Ágotának, aki a MÁV Archívum részéről támogatta munkánkat. 25/26

26 Köszönjük a figyelmet! 26/26

27 K IC [MPa* m] Üzemeltetés során bekövetkezett tömbkerék törések (geometria és törésmechanikai adatok * kerekek származása: MÁV, 1989) y = 0,4003x + 37,778 R² = 0, R eqv /t [%] Kerék sorszáma a [mm] c [mm] t [mm] K IC [MPa* m] R eqv = a*c [mm] R eqv /t [%] Tömbkerék anyag K IC (átlag) [MPa* m] BV BV R R R N.T Forrás: ORE B169 ( Kerekek és féktuskók termikus határai ), 3. sz. jelentés 27