EXPERIMENTÁLNÍ STUDIUM MAZÁNÍ OKOLKU KOLEJOVÝCH VOZIDEL

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN EXPERIMENTÁLNÍ STUDIUM MAZÁNÍ OKOLKU KOLEJOVÝCH VOZIDEL EXPERIMENTAL STUDY OF WHEEL FLANGE LUBRICATION DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. JOSEF FRÝZA Ing. MILAN OMASTA BRNO 2013

2

3 Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav konstruování Akademický rok: 2012/2013 ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE student(ka): Bc. Josef Frýza který/která studuje v magisterském navazujícím studijním programu obor: Konstrukční inženýrství (2301T037) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma diplomové práce: v anglickém jazyce: Experimentální studium mazání okolku kolejových vozidel Experimental Study of Wheel Flange Lubrication Stručná charakteristika problematiky úkolu: Cílem diplomové práce je experimentální stanovení vlivu provozních podmínek na tribologické aspekty kontaktu okolku železničního kola a kolejnice. Provozní podmínky zahrnují zatížení kola, rychlost železničního vozidla a jeho ujetou vzdálenost při aplikaci modifikátorů tření. Hlavními sledovanými tribologickými parametry jsou silové účinky mezi kontaktními tělesy, distribuce maziva v kontaktu a míra a typ opotřebení. Cíle diplomové práce: Diplomová práce musí obsahovat: (odpovídá názvům jednotlivých kapitol v práci) 1. Úvod 2. Přehled současného stavu poznání 3. Cíl práce, vědecká otázka a pracovní hypotéza 4. Materiál a metody 5. Výsledky 6. Diskuze 7. Závěr 8. Bibliografie Forma práce: průvodní zpráva Typ práce: experimentální Účel práce: pro potřeby průmyslu Výstup práce: publikace

4 Seznam odborné literatury: R. Lewis, U. Olofsson - Wheel/Rail Interface Handbook ISBN-10: Vedoucí diplomové práce: Ing. Milan Omasta Termín odevzdání diplomové práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2012/2013. V Brně, dne L.S. prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc., dr. h. c. Ředitel ústavu Děkan fakulty

5 ABSTRAKT, KLÍČOVÁ SLOVA, BIBLIOGRAFICKÁ CITACE ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá experimentálním studiem vlivu provozních podmínek na tribologické aspekty kontaktu okolku železničního kola a kolejnice. Kontakt okolku nastává při průjezdu vozu traťovým obloukem a dochází v něm k těžkému až katastrofickému režimu opotřebení. Pro efektivní redukci opotřebení je důležité aplikovat do kontaktu vhodné množství maziva ve správných intervalech. Problematika je v této práci komplexně studována s použitím tří laboratorních zařízení a šesti metod, které jsou teoreticky i experimentálně porovnány. Hodnoceno je tření, opotřebení, distribuce a tloušťka maziv za rozdílných kontaktních podmínek. Zjištěné množství a interval aplikace maziva eliminují vývoj zadírání při nízké spotřebě maziva. Pochopení mechanizmů probíhajících v kontaktu kola a kolejnice napomáhá nejen ke snížení provozních nákladů a k lepší energetické účinnosti pohybu vozidla na trati, ale je podstatou i pro bezpečný, spolehlivý a ekologický provoz kolejové dopravy. KLÍČOVÁ SLOVA Tribologie, mazání okolku, kontakt kola a kolejnice, opotřebení, zadírání, plastické mazivo, optická interferometrie. ABSTRACT This diploma thesis deals with the experimental study of the influence of operating conditions on the tribological aspects of the wheel flange and rail gauge contact. The wheel flange contact occurs when the vehicle moves on a curve track and it leads to severe up to catastrophic wear regime. For effective reduction of wear is important to apply a suitable amount of lubricant at appropriate intervals into the contact. The issue in this work comprehensively studies using of three laboratory apparatus and six methods that are theoretically and experimentally compared. Assessed are friction, wear, distribution and film thickness of lubricants for different contact conditions. The resulted amount of lubricant and interval of its application eliminates development of seizure at low consumption of lubricant. The understanding of mechanisms that occur in the wheel-rail contact not only helps to reduce operating costs and improved to energy efficiency of movement of vehicle on a track, but it is the basis for safe, reliable and ecological operation of rail transport. KEYWORDS Tribology, wheel flange lubrication, wheel-rail contact, wear, seizure, grease, optical interferometry. BIBLIOGRAFICKÁ CITACE FRÝZA, J. Experimentální studium mazání okolku kolejových vozidel. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí diplomové práce Ing. Milan Omasta.

6

7 PROHLÁŠENÍ PROHLÁŠENÍ AUTORA O PŮVODNOSTI PRÁCE Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně pod odborným vedením Ing. Milana Omasty s využitím informací a zdrojů, které cituji v seznamu použité literatury. V Brně dne Podpis

8

9 PODĚKOVÁNÍ PODĚKOVÁNÍ Tímto chci poděkovat vedoucímu práce, Ing. Milanu Omastovi, za jeho vedení, odborné rady, postřehy a připomínky. A také své přítelkyni a rodičům, kteří mě po celou dobu studia podporovali.

10

11 OBSAH OBSAH OBSAH ÚVOD PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Vliv provozních podmínek na opotřebení, plastickou deformaci a únavu materiálů Plastická deformace a únava materiálů Režimy, přechody a mapy opotřebení Aplikace maziv a zadírání Chování maziva v kontaktu Přísady maziv a jejich účinky Plastická maziva Numerické simulace Zhodnocení poznatků získaných na základě kritické rešerše CÍL PRÁCE, VĚDECKÁ OTÁZKA A PRACOVNÍ HYPOTÉZA Dílčí cíle práce Odůvodnění nutnosti a potřebnosti řešení MATERIÁL A METODY Časový plán Metodika řešení práce Sběr dat Experimentální zařízení Optická metoda Metoda s reálným vzorkem kolejnice Optický tribometr Kolorimetrická interferometrie tenkých filmů Mini Traction Machine Metoda konečných prvků Parametrický rozsah použitých zařízení a metod Porovnání experimentálních přístupů Maximální Hertzův tlak a bezrozměrné parametry Podobnostní kritéria experimentálních přístupů Modifikátory tření VÝSLEDKY Studium součinitele tření a opotřebení Experimentální zařízení metoda s reálným vzorkem kolejnice Mini Traction Machine metoda Ball-on-disk Mini Traction Machine metoda Pin-on-disk

12 OBSAH 4.2 Studium distribuce a tloušťky maziva Experimentální zařízení metoda s reálným vzorkem kolejnice Experimentální zařízení optická metoda Optický tribometr Studium kontaktních podmínek Metoda konečných prvků DISKUZE Shrnutí výsledků a jejich význam ZÁVĚR BIBLIOGRAFIE SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM PŘÍLOH

13 13

14 ÚVOD ÚVOD Železniční doprava je z energetického hlediska efektivním způsobem přepravy těžkých materiálů a osob na střední vzdálenosti. Od 18. století se postupně navyšovala rychlost železniční dopravy na běžných tratích z 60 km h -1 až na současných 200 km h -1. Dnes se na rychlostních tratích v Evropě s vlaky TGV dosahuje rychlostí přes 300 km h -1 (rychlostní rekord francouzského TGV z roku 2007 je 574,8 km h -1 ). Došlo také ke zvýšení zátěže železničního dvojkolí z 10 tun na aktuálních 30 tun. Aby bylo možné bezpečně tuto zátěž přenášet, vyvíjely se kolejnice a kola po materiálové i geometrické stránce. Původní délková hmotnost kolejnic 30 kg m -1 se tak zdvojnásobila na 60 kg m -1 [1]. V důsledku velkého rozmachu železniční dopravy začalo docházet k častějším poškozením železničního dvojkolí i kolejnic. Do popředí se tak dostaly problematiky bezpečnosti, spolehlivosti a udržovacích nákladů. K nim se později ještě přidal dopad na životní prostředí a energetická náročnost související s účinností železničního systému. Aby bylo možné tyto problémy redukovat, bylo nezbytné pochopit, co se děje na rozhraní kola a kolejnice. Jejich kontaktem se začalo zabývat v 90. letech 19. století. Tehdy Heinrich Hertz sepsal obecně známou teorii elastického kontaktu a ve zprávě se zmínil i o styku kola s kolejnicí. Díky této teorii vznikly matematické modely, které brzy našly své uplatnění právě při řešení problematiky železnic. Tribologie se, jako vědní disciplína, začala aplikovat na železnicích počátkem 2. poloviny 20. století. Od příchodu počítačového řízení systému železnic v 80. letech je snahou řídit i adhezi kontaktu kola a kolejnice. S tímto vznikla nová problematika v podobě experimentálního získávání dat potřebných pro toto řízení. Na poli výzkumu se v zásadě jedná o dvě motivace. Jednou je zajištění dostatečné adheze k přenosu sil při trakci a brždění mezi temenem hlavy kolejnice (viz obr. 0-1) a kónickým běhounem kola. Zde se experimentální práce zaměřují na pozitivní vliv modifikátorů tření (aplikaci pískování) a vliv kontaminantů (listí, vlhkost, atd.). Druhou motivací je snížení tření a opotřebení v kontaktu pojížděné hrany a zaoblené části hlavy kolejnice s okolkem a jízdní plochou kola. Tento dvojbodový kontakt nastává při průjezdu vozu traťovým obloukem. Studie jsou zde zaměřené naopak na vliv negativních modifikátorů tření (aplikaci mazání) a vliv provozních podmínek. Tato diplomová práce se zabývá druhou zmíněnou motivací s dvojbodovým kontaktem. K tomuto kontaktu dochází posunutím dvojkolí k vnější kolejnici vlivem působící odstředivé síly, kdy se okolek opírá o pojížděnou hranu vnější kolejnice a brání tak vykolejení vlaku. Současně dochází ke styku kónické jízdní plochy kola na větším valivém poloměru s vnější kolejnicí, než je tomu u kola na kolejnici vnitřní. Kolo na vnější straně tak urazí větší vzdálenost při stejném počtu otáček, než kolo na straně vnitřní a dojde k zatáčení (vedení) dvojkolí traťovým obloukem. Průjezd vozu traťovým obloukem je charakterizován úhlem náběhu β (viz obr. 0-1), jehož velikost (řádově ve stupních) závisí na poloměru zakřivení trati. Jedná se o úhel mezi podélnými osami kola a kolejnice. Důsledkem vzájemného natočení geometrií kola a kolejnice a působících sil (na obr. 0-1 zakresleny síly pouze v jednom kontaktu) nastává ve valivém kontaktu skluz (ztráta adheze). Neboť se obě oblasti aplikace maziva a pískování nachází relativně blízko sebe, existuje nebezpečí vniknutí negativního či pozitivního modifikátoru tření do špatného kontaktu, což může mít katastrofické následky (především v případě potřeby náhlého zabrzdění 14

15 ÚVOD vozidla). Z tohoto důvodu se často k mazání okolků používají plastická maziva s dobrou adhezí k povrchu a vysokou viskozitou. Jelikož v kontaktu okolku nastávají extrémní provozní podmínky (vysoká zatížení, tlaky, rychlosti, teploty, atd.), je dnes již nutností používat různorodé přísady maziv. Mazání také příznivě ovlivňuje hlukové emise. Bez použití maziv může v lepším případě rychleji nastat zadírání, v horším případě únavové opotřebení materiálu vedoucí až k únavovému lomu. Nejedná se zde tedy pouze o otázky finančních nákladů na provoz a údržbu železničního systému, ale i o jeho bezpečnost, spolehlivost a ekologický provoz. Vertikální (normálová) síla Kónická jízdní plocha (běhoun) Temeno hlavy Hlava Okolek Pojížděná hrana Tečná (trakční) síla β Laterální (příčná) síla Stojina Pata Obr. 0-1 Názvosloví a působící síly kontaktu kola a kolejnice 15

16 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Experimentální studium kontaktu kola a kolejnice lze z pohledu zkoumaných tribologických aspektů a použitých metod rozdělit do tří hlavních oblastí, které se vzájemně doplňují. První oblastí je vliv provozních podmínek na opotřebení, plastickou deformaci a vznik únavových vad materiálů v podobě trhlin a lomů. Experimenty se provádí v reálných nebo v laboratorních podmínkách. Železniční sítě či zkušební tratě umožňují sledovat nezkreslené parametry při komplexních provozních podmínkách (např. včetně vlivu počasí, dynamických jevů, apod.). Nevýhodou těchto experimentů je ale jejich finanční náročnost, materiálová omezení a často i obtížné určení zjišťovaných hodnot v požadované přesnosti. Naproti tomu laboratorní zařízení umožňují dobrou kontrolu vstupních i výstupních parametrů experimentů při relativně nízkých nákladech. Daní za tyto možnosti je jisté modelové zkreslení. Jeho velikost závisí na volbě vstupních podmínek. Experimentální zařízení nejvíce přibližující reálné podmínky (v angličtině označované jako full-scale), obsahují skutečná železniční kola a kolejnice nebo jejich části. Popř. se používají zmenšená kontaktní tělesa s reálnými profily (scaled), nebo konstrukčně jednodušší metody Twin-disk, Ball-on-disk a Pin-on-disk [2]. Druhou oblastí zkoumání je chování maziva v kontaktu za rozdílných podmínek zatížení, rychlostí a teplot. Zde se sleduje migrace maziva včetně jeho aditiv, tvar a velikost tlakové oblasti a tloušťka mazacího filmu. K hodnocení tloušťky maziva se dnes téměř výhradně používá optický tribometr s metodou Ball-on-disk. V posledních letech je snahou aplikovat optickou interferometrii i na styk skutečných profilů kola a kolejnice. Třetí oblastí jsou numerické simulace. Numerickým řešením se nejčastěji vyšetřují kontaktní podmínky, jako jsou rozměry a umístění kontaktu, tlak a teplota v kontaktu. Používají se ale také na predikci opotřebení nebo na dynamické simulace. 1.1 Vliv provozních podmínek na opotřebení, plastickou deformaci a únavu materiálů Jak už bylo nastíněno v úvodu, řízení adheze styku kola a kolejnice je velmi důležité pro zvýšení efektivity železniční dopravy. Při valivém pohybu kola dochází v místě kontaktu s kolejnicí k vytvoření stykové a skluzové oblasti [3]. Skluzová oblast vzniká v koncové části kontaktu (viz obr. 1-1) a je důsledkem trakční síly a creepu. Tečení (creep) je pomalá plastická deformace materiálu. Míra tečení povrchu materiálu je závislá na třecí síle a teplotě. Se zvyšující se trakcí tedy dochází k přechodu z čistě stykové oblasti až na oblast čistě skluzovou. S tímto se mění i kontaktní tlak a poloha kontaktu. Můžeme rozlišit tři druhy skluzu: laterální (kolmo na směr pohybu), tangenciální (proti směru pohybu) a spin (způsobený vybočením kola). Vzniklá skluzová oblast a laterální zatížení jsou původcem velkého opotřebení okolků kol. Toto opotřebení lze ale velmi výrazně snížit aplikací mazání. Jako parametr experimentů je důležitá především skluzová rychlost u s, což je rozdíl obvodové rychlosti železničního kola u ž a skutečné rychlosti vozidla u v, která je 16

17 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ vlivem skluzu menší (trakce) nebo větší (brždění). Velikost skluzové rychlosti se pohybuje přibližně do 3 % skutečné rychlosti vozidla. Obr. 1-1 Vztah mezi trakcí a creepem v kontaktu kola a kolejnice [3] V kontaktu kola a kolejnice dochází zejména k 4 mechanizmům opotřebení: abrazivnímu, adhezivnímu, oxidačnímu a tepelnému [3]. Sledováním vývoje mechanizmů opotřebení a plastické deformace se zabýval např. profesor Ulf Olofsson ze švédského Royal Institute of Technology (KTH) [4]. Experimentální pozorování o délce 2 let provedl na nové a 3 roky staré příměstské trati. Cílem experimentu bylo získání potřebných údajů pro budoucí simulace. Trať byla rozdělena na 4 úseky. Na úseku A s profilem kolejnice UIC 60 o jakosti oceli UIC 900A (nejčastěji používaná kolejnice v Evropě; mez pevnosti 880 MPa) bylo aplikováno plastické mazivo. Na úseku B byl použit materiál UIC 1100 (mez pevnosti 1080 MPa) se stejným mazivem. Zbylé úseky C (UIC 900A) a D (UIC 1100) byly bez maziva. Změny profilu kolejnic byly měřeny systémem MINIPROF. K posouzení vlastností materiálů byly udělány laboratorní testy na zařízení Pin-on-disk. Kde fixní pin (rádius 50 mm, materiál kolejnice, redukovaná drsnost povrchu 4 μm) a rotační disk (materiál kola R7, redukovaná drsnost povrchu 4 μm) simulovali čistě skluzový kontakt okolku. Maximální kontaktní tlak dosahoval 0,8 GPa. Studoval se vliv skluzové rychlosti a součinitele tření na velikost opotřebení zmíněných materiálů. Výsledky metody Pin-on-disk ukázaly, že míra opotřebení obou materiálů výrazně závisí na skluzové rychlosti. Při skluzové rychlosti 0,3 m s -1 docházelo k zdrsnění povrchu a při rychlosti 0,9 m s -1 docházelo až k zadírání. Součinitel tření pro nemazaný kontakt nabýval hodnot od 0,5 do 0,6. Po aplikaci mazání klesl na hodnoty mezi 0,05 až 0,3. Vyhodnocením měření na trati bylo zjištěno, že u nemazaného kontaktu dochází k výrazným změnám profilu v důsledku opotřebení a plastické deformace. Porovnáním materiálů vyplynulo, že mazání, skluzová rychlost a kontaktní tlak mají větší vliv na opotřebení a plastickou deformaci než změna materiálu. Mechanizmus plastické deformace v místě zaoblení hlavy kolejnice byl vyhodnocen jako plastický ratcheting. 17

18 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Plastická deformace a únava materiálů Cyklické tečení (ratcheting) [5] je proces vyčerpání plastických vlastností materiálu. Jeho důsledkem je ztráta materiálu z povrchu narušeného únavovými trhlinami. Díky tomuto procesu dochází ke zpomalení inkrementálního (hloubkového) růstu únavových trhlin, ale za cenu velkých materiálových ztrát. Oblast ratchetingu je znázorněna na mapě elasticko-plastické přizpůsobivosti materiálu (obr. 1-2). Tato mapa znázorňuje závislost součinitele tření na únosnosti kontaktu (vyjádřené bezrozměrným kontaktním tlakem). Plyne z ní, že pokud je součinitel tření přibližně pod hodnotou 0,3, tak dochází k akumulaci plastického tečení pod povrchem. Při překročení této hodnoty nastane plastické tečení na povrchu. Toto je dáno kombinací valivého a skluzového chování kontaktu. Obr. 1-2 Mapa elasticko-plastické přizpůsobivosti materiálu [5] Příčinou cyklického tečení je působení trakce na povrchu materiálu, kdy dochází k nárůstu a přesunu maximální hodnoty smykového napětí v materiálu směrem k jeho povrchu. Smykové napětí se hromadí až po mez tvárnosti materiálu. Jakmile je tato mez překročena, dojde k tvorbě povrchových nebo podpovrchových deformací a jejich příčinou k opotřebení (ratcheting) nebo k únavě valivého kontaktu (RCF). Únavu kol a kolejnic můžeme tedy rozdělit na povrchovou a podpovrchovou [6]. Velmi častou povrchovou únavou kolejnic jsou šikmé trhliny pojížděné hrany (head checks; obr. 1-3a). Vyskytují se především v traťových obloucích a vznikají vlivem působení vysokého kontaktního tlaku a tření (viz obr. 1-2, oblast inkrementálního růstu trhlin). Povrchová únava je jednoduše vizuálně rozpoznatelná. Povrch pojížděné hrany je pokryt velkým množstvím rovnoběžných trhlinek o hloubce přibližně 2 mm a ve vzájemné vzdálenosti zpravidla 1 až 5 mm. Tato únavová vada je v současnosti největším problémem, protože přítomnost kapaliny (vody, maziva) v místě trhliny přispívá k jejímu šíření. Kapalina je totiž při 18

19 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ průjezdu železničního kola v trhlině uvězněna a šíří se přes ni tlak. Pokud není tato vada odstraněna již v raném stádiu (broušením kolejnic), dochází k vylamování materiálu kolejnice mezi jednotlivými trhlinami. V traťových obloucích (především na vnější koleji) dochází také k tvorbě podpovrchové únavy, která se projevuje odlupováním materiálu ve tvaru lastur z pojížděné hrany (shelling; obr. 1-3b). Nejdříve se objevují tmavé podélné skvrny. Následují praskliny šířící se ve směru kolejnice a nakonec vydrolování materiálu. Spolu s povrchovou únavou se mohou tyto vady rozvinout v příčnou trhlinu vedoucí až k lomu kolejnice. Povrchové i podpovrchové RCF železničních kol (obr. 1-3c) mají obdobný charakter jako je tomu u kolejnic. Neohrožují však tolik bezpečnost dopravy. Nicméně kola je v důsledku RCF nutné reprofilovat, což ústí v růst finančních nákladů a k snížení efektivnosti železniční dopravy. Obr. 1-3 Únavové poškození; a) head checks [6], b) shelling [6], c) povrchové vady kola [5] Režimy, přechody a mapy opotřebení Lewis a Olofsson ve své práci [7] shromáždili dostupná experimentální data o opotřebení železnic do roku Získané údaje obsahují výsledky testů za poslední dvě desetiletí, ve kterých byly použity současné materiály. Tyto testy byly provedeny v reálných i v laboratorních podmínkách. Cílem práce bylo vytvoření map opotřebení vztažených na rozsah kontaktních podmínek, které nastávají na železnici. Nástrojem k vytvoření těchto map se stalo rozlišení tří základních režimů opotřebení a jejich přechodů (viz obr. 1-4) Obr. 1-4 Režimy opotřebení a tepelný přechod režimů [7], [8] 19

20 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Při mírném (mild) režimu opotřebení dochází k oddělování extrémně malých částic (okolo průměru 100 nm) a vzniká velmi hladký povrch, který je hladší než povrch původní. Převládá zde oxidační a abrazivní mechanizmus opotřebení. Mírný režim opotřebení se vyskytuje při nízkém skluzu v kontaktu temene hlavy kolejnice s kónickou plochou kola. Přechod mezi mírným a těžkým (severe) režimem opotřebení je způsoben změnou kontaktních podmínek. Dochází k němu při přesunutí zatížení kontaktu z kónické části kola na okolek (dvojbodový kontakt) v zakřivení trati. V důsledku mnohem vyššího tlaku a skluzové rychlosti vzniká hrubý povrch s abrazivním (velké částice okolo průměru 0,01 mm) i adhezivním (tvorba a porušování mikrosvarů) opotřebením. Nejzávažnější režim opotřebení je režim katastrofický (catastrophic). Přechod do něj (obr. 1-4 vpravo) je způsoben zvýšením kontaktní teploty na 200 až 300 C. Tato teplota odpovídá měknutí uhlíkových manganových ocelí (zmenšení meze kluzu a jiných vlastností). Nárůst míry opotřebení okolku je až 10násobný. Jejím původcem je kombinace mechanizmu tepelného, adhezivního a abrazivního. Aby bylo možné rozlišit účinky různých parametrů (tlak, skluz, atd.) na opotřebení a sjednotit získané údaje, byl použit Archardův vztah vyjadřující bezrozměrný koeficient opotřebení K: (1.1) Kde V (m 3 ) je objem opotřebení, h (Pa) je tvrdost opotřebovávaného materiálu, F n (N) je normálové zatížení a s (m) je skluzová vzdálenost. Koeficient opotřebení byl spolu s kontaktním tlakem a skluzovou rychlostí vykreslen do dvou druhů grafů (obr. 1-5). Dvourozměrné obrysové mapy udávají režim opotřebení. Trojrozměrný bodový graf znázorňuje použitá data a ukazuje, kde data pro tvorbu obrysové mapy opotřebení chybí. Obr. 1-5 Mapa koeficientu opotřebení okolku kola a přehledová mapa získaných údajů [7] 20

21 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Za povšimnutí stojí i přehledová mapa získaných údajů (na obr. 1-5 vpravo dole). Je z ní zřejmé, jak velká a málo prozkoumaná je oblast kontaktu okolku kola oproti oblasti kontaktu běhounu kola. A to i přesto, že je opotřebení okolku průměrně 5krát vyšší. Při porovnání dat získaných v reálných a laboratorních podmínkách bylo konstatováno, že údaje z nich plynoucí poměrně dobře souhlasí. V průběhu posledních 20 let došlo k řádovému snížení opotřebení nacházejícím se v těžkém režimu. Důvodem je nejspíše používání odolnějších materiálů. Na druhou stranu, snížením opotřebení nepříznivě ovlivnilo šíření únavových trhlin Aplikace maziv a zadírání Na základě studií [4] a [7] se rozhodli Sundh a Olofsson zjistit vliv maziv na velikost míry opotřebení okolku a jeho tendence k zadírání [9]. Experimenty byly provedeny na Pin-on-disk zařízení za různých podmínek kontaktního tlaku (500, 750 a MPa) při použití 9 druhů maziv a rozdílných způsobech jejich dávkování a aplikace. V současnosti nejvíce používanými způsoby aplikace maziv jsou traťové (wayside) a palubní (on-board) mazací systémy. Traťové systémy jsou umístěny podél trati a nanášejí mazivo (mechanicky, elektronicky nebo hydraulicky) na zaoblenou část hlavy kolejnice. Palubní systémy aplikují tuhé nebo plastické mazivo, popř. olejovou mlhu na okolek kola. Nacházejí se na podvozku železničního vozidla a mají výhodu v dobré regulovatelnosti, což se prokázalo i v tomto testu. Opět byl simulován čistě skluzový kontakt okolku při konstantním zatížení 100 N a skluzové rychlosti 0,8 m s -1. Mazivo bylo nanášeno ve formě olejové mlhy v množství 0,02 g po každých 300 (traťové mazání) nebo 8 (palubní mazání) metrech. Skluzová vzdálenost jednotlivých testů byla m (800 otáček disku). Povrch disku byl vyhodnocen a byly interpretovány následující závěry o mazivech: syntetický olej selhává při vysokých tlacích, minerální olej není na tlak citlivý, hydraulický olej je pro mazání okolků naprosto nevhodný, dobrých výsledků dosahují maziva s vyšším obsahem aditiv. Bylo také stanoveno, že materiály, používané na železnici při nedostatečném mazání, mají tendenci k zadírání i při nízkém zatížení. Touto problematikou se dále zabývali s využitím metody Ball-on-disk realizované na soustruhu [10] Obr. 1-6 Zadírání železničních materiálů za rozdílných podmínek mazání [10] 21

22 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Test vždy proběhl během jediné otáčky disku. Přítlačné těleso (o poloměru 5 nebo 50 mm) bylo zatěžováno lineárně narůstající normálovou sílou až po hodnotu 800 N (obr. 1-6). Současně s rozdílnými skluzovými rychlostmi (0,5; 0,7; 1,1 a 2,5 m s -1 ) se tímto simuloval přechod z mírného do těžkého režimu opotřebení. Zadírání bylo posuzováno topografií povrchu a měřením součinitele tření. Při testu bez aplikace maziva se ukázalo, že zadírání nastává okamžitě a je přítomno po celou dobu testu. Se zvyšováním množstvím maziva se zadírání výrazně redukovalo a došlo ke změně z abrazivního mechanizmu opotřebení v plastické přetváření. Tato změna je nejspíše důsledkem skokové (flash) teploty, která dle výpočtů dosahovala okolo 550 C. Odhalilo se, že přechody mezi režimy opotřebení jsou doprovázeny zhroucením povrchové vrstvy oxidů (tlustější při vyšší skluzové rychlosti). Z obrázku 1-6 je zřejmé, že k zadírání dochází nejvíce při nízkém zatížení (pod 200 N) i při aplikaci mazání. Je diskutováno, že příčinou jsou nejspíše vysoké teploty, které spálí základní mazivo a tím dojde k hladovění kontaktu. Proto je velmi důležitý transport tepelně odolných aditiv do kontaktu (viz kapitola 1.2). V Kanadě byl proveden experiment s aplikací tenkého suchého filmu [11], který dle hypotézy nepodporuje šíření únavových trhlin. Full-scale experimentální zařízení cyklicky přejíždělo železničním kolem po posuvné kolejnici. Mazivo bylo nanášeno na zaoblenou část hlavy kolejnice po 50, 250 nebo 500 cyklech. Test byl ukončen po jednosměrném provedení cyklů při zatížení 23 tun vertikálně, 3 tuny laterálně a rychlosti kolejnice 1 m s -1. Nejlepších výsledků se dosáhlo při aplikaci modifikátorů tření (FM) každých 250 cyklů. Což odpovídá přibližně množství 208 ± 10 ml km -1. Použitím suchého filmu maziva se dosáhlo snížení opotřebení o 30 až 60 % a současně i zpomalení RCF (viz obr. 1-7). Nejvýraznější plastické přetvoření nastalo v místě styku okolku kola s kolejnicí. Obr. 1-7 Aplikace suchého filmu a vzorky testované kolejnice (zleva: nový profil, profil s aplikací FM, profil bez použití FM) [11] V roce 2010 byl v Japonsku proveden laboratorní Twin-disk test s aktuálními japonskými železničními profily [12] o rozsahu šesti milionů cyklů (ujetá vzdálenost km). Zajímavostí je, že místo maziva byla rozprašována na disk voda (200 ml min -1 ), případně test probíhal úplně bez maziva. Sledoval se vliv úhlu náběhu (0,3, 0,6 ), tvrdosti disků (250 HV, 340 HV, 380 HV), laterálního zatížení (24 až 35 kn) a mazání na míru opotřebení. Z testů vyplynulo, že s rostoucím náběžným úhlem stoupá opotřebení okolku disku vlivem skluzu a snižuje se opotřebení běhounu disku, vyšší tvrdost materiálů má za následek nižší opotřebení 22

23 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ a mazání vodou snížilo opotřebení okolku o 60 až 80 %. Tato data byla dále použita pro numerickou predikci opotřebení (viz kapitola 1.3). Negativní vliv úhlu náběhu byl ověřen i na skutečné trati v Litvě [13]. Testy probíhaly v intervalu km s průměrnou rychlostí vlaku 80 km h -1 a poloměry sledovaných železničních oblouků 650 a 1200 m. Bylo potvrzeno, že s klesajícím poloměrem traťového oblouku (rostoucím úhlem náběhu) se výrazně zvyšuje opotřebení okolku kola. 1.2 Chování maziva v kontaktu Chování maziva v kontaktu kola a kolejnice je dáno specifickými vlastnostmi tribologické soustavy (nekonformně zakřivené kontaktní plochy v relativním pohybu, elastické deformace kontaktních těles, vysoké kontaktní tlaky, změny viskozity maziva, atd.). Díky těmto vlastnostem lze mazání okolku v ideálním případě zařadit do režimu elastohydrodynamického mazání (zkráceně EHL či EHD mazání) s nízkým součinitelem tření μ. Režim mazání je ale podmíněn tzv. parametrem mazání Λ. Ten je vyjádřen jako podíl minimální tloušťky mazacího filmu h min a redukované drsnosti třecích povrchů R red [14]. A tak častěji při mazání okolku dochází k režimu smíšenému až meznému, který při hladovění kontaktu (suché mazání) může vést až k zadírání (již zmíněno v kapitole 1.1.3). Tloušťku mazacího filmu je možné sledovat kolorimetrickou interferometrií, kde hodnota tloušťky filmu je indikována určitým odstínem barvy. Opticky lze také vyhodnotit velikost kontaktní oblasti. Na základě těchto dat je pak numericky dopočítán tlak v konkrétní části kontaktu a vytvořen 3D profil rozložení tlaku (popř. tloušťky filmu) Přísady maziv a jejich účinky Pro pochopení mechanizmů opotřebení a zadírání, spojenými s porušováním mazacího filmu, je důležité sledovat také chování přísad. Zvláště důležité jsou přísady s povrchovými účinky a přísady pro zlepšení vlastností oleje (především viskozity). Klasický základový olej (tj. bez aditiv) s klesající rychlostí třecích povrchů snižuje svou tloušťku, čímž dochází k přechodu z EHL až na mazání mezné a k nárůstu tření (opotřebení). Modifikátory viskozity (polymetakryláty, kopolymery) ale vytvářejí při nízkých rychlostech třecích povrchů kapalný mezný film (absorpce polymerů na povrchu) o větší tloušťce (15 až 25 nm) než by odpovídala EHL. Kapalný mezný film zaniká při zastavení nebo změně směru pohybu. Touto problematikou se zabývali např. Angel [15] a Ratoi [16]. Použili měřící soustavu Ball-on-disk složenou ze skleněného pochromovaného disku, ocelové kuličky napůl ponořené do maziva a mikroskopu s kamerou. Při konstantním zatížení 20 N (Hertzův tlak 0,52 GPa) se sledoval vliv rychlosti na strukturu tvorby kapalného mezného filmu. Zjistili, že při vysokých rychlostech (EHL) nemají viskózní aditiva téměř žádný vliv a po porušení filmu dochází k jeho obnovení pouze za konstantních nízkých rychlostí. Přísady s povrchovými účinky vytváří pevný mezný film. Sem patří například aktivní vysokotlaká (EP) a protiopotřebovávací (AW) aditiva na bázi molybdenu či zinku, přísady chránící proti korozi (karboxylové kyseliny), popř

24 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ přísady modifikující tření (grafit, mastné kyseliny, aj.). Pevný mezný film lze charakterizovat jako tenkou (5 až 25 nm), stálou a hladkou vrstvu pokrývající třecí povrchy, která má za následek snížení drsnosti třecího povrchu a tím i snížení součinitele tření. Angel ve své studii měřil tření tenzometrem připevněným k pohonu kuličky. Potvrdil, že tloušťka pevného filmu se s rostoucí teplotou zvětšuje v důsledku chemických reakcí přísad s třecím povrchem. Ratio navíc ověřil, že pro tvorbu tlustého filmu karboxylových kyselin (aditiv proti korozi) je klíčovým požadavkem přítomnost vlhkosti (tloušťka 2 až 3 nm u experimentu bez vody, 10 nm s vodou). Také se ukázalo, že tloušťku pozitivně ovlivňuje skluz. K vyjádření míry skluzu se u metody Ball-on-disk často používá poměr skluzu a valení (SRR), který je definovaný jako [15]: ( ) (1.2) Kde u 1 a u 2 jsou povrchové rychlosti kuličky a disku. SRR je nulový v případě čistého valení, kdy se oba povrchy pohybují stejně rychle shodným směrem a mazivo urazí totožnou vzdálenost jako povrchy. V případě čistého skluzu je tato vzdálenost poloviční a SRR = 2 (jedno z těles se nepohybuje) [17]. Vlivem přísad dochází k posunu Stribeckovy křivky. Jelikož se v praxi využívá kombinace aditiv způsobujících tvorbu pevného i kapalného mezného filmu, tak Stribeckova křivka leží mezi křivkami B a C (viz obr. 1-8). Obr. 1-8 Vliv přísad na Stribeckovu křivku [14] Profesor Huang v roce 2006 provedl zkoumání tribologických vlastností aditiv modifikujících tření [18]. Přísady byly v podobě nano-lupínků grafitu (průměr 500 nm, tloušťka 10 až 20 nm) a určovala se jejich optimální koncentrace v parafínovém oleji. Zjistil, že pevná maziva jako přísada přispívají k snížení opotřebení povrchu kuliček (byla použita metoda Four-ball) a zvyšují únosnost základového oleje při optimální koncentraci 0,01 % hmotnosti tohoto oleje. 24

25 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Součinitel tření se snížil z 0,6 na 0,2 a byl stabilně udržitelný. Menší částečky snadněji pronikaly do kontaktu a nehromadily se na jeho vstupu. Při překročení optimální koncentrace si částečky vzájemně překážely, docházelo k nestabilitě maziva a k vibracím. Abrazivní opotřebení narůstalo s velikostí částic a se zatížením. Kontakt je ve skutečnosti mazán směsí oleje s kovovými a minerálními (písek) částicemi vnikajícími do styku okolku kola a kolejnice [19]. Tvorbu této směsi a její účinky zkoumal Descartes na laboratorním zařízení se zmenšenými kontaktními tělesy. Směs se začíná vytvářet při nízkém součiniteli tření (pod 0,1) tvorbou malých kovových částic, které se smíchají s mazivem a zůstávají v místě kontaktu, kde příznivě ovlivňují proces mazání (mají funkci tuhých aditiv). V případě podmínek s vyšším součinitelem tření (okolo 0,3) vznikají větší částice, které se již s mazivem nemísí (suchá směs) a způsobují abrazivní opotřebení. Účinky Third-body směsi jsou tedy závislé na kontaktních podmínkách Plastická maziva Z důvodu adheze k povrchu a menší tekutosti se pro mazání okolků používají plastická maziva. Jedná se o směs kapalného základového oleje, zahušťovadla (pórovitá kovová mýdla) a přísad. Průchod mýdel rozdílné struktury plastického maziva za čistého valení a jejich účinky na kontaktní tlak popsal ve své studii Larsson [20]. Měření proběhlo na Ball-on-disk zařízení s kuličkou brodící se v mazivu. Bylo použito běžné lithiové mýdlo Li-l2-OH (hrubší struktura s vlákny lithia) a mýdlo Li-complex (jemnější gelová struktura). U běžného lithiového mýdla s hrubější strukturou se částice mýdla průchodu kontaktem vyhnuly, nebo jím procházeli jen v malém množství (viz obr. 1-9). Při použití zahušťovadla jemnější struktury, procházelo kontaktem velké množství malých i větších částic. Také se výrazně snížila hlučnost průchodu mýdla kontaktem. Průchod malého množství zahušťovadla vedl k lokálnímu snížení tloušťky mazacího filmu a tím k extrémnímu nárůstu tlaku, což může vést k únavě materiálu. Zatímco, při průchodu většího množství částic nastalo oddělení kontaktu a tlak byl rozložen na celou plochu zahušťovadla Obr. 1-9 Vliv průchodu malého množství zahušťovadla kontaktem na kontaktní tlak [20] 25

26 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Eriksson [21] podrobil stejná maziva dlouhodobějšímu sledování jejich chování po jednorázovém nanesení 2 mm tlusté vrstvy maziva na disk. Tento test simuloval průjezd jednotlivých kol železničního vozidla po koleji s mazivem. Po 40 otáčkách disku (odpovídající vzdálenosti 25 m) byl test vyhodnocen. Tloušťka filmu výrazně klesala s délkou experimentu, počet vláken zahušťovadla byl ale v čase konstantní. Při testu běžného lithiového mýdla docházelo k plastickým deformacím vláken a tím i k snížení životnosti maziva. Zahušťovadlo tvořené menšími částicemi zůstávalo v dráze kuličky a vlákna si udržovaly svůj tvar. Po více cyklech ale obě zahušťovadla kontakt obtékala. Pro zjištění účinků bočního skluzu podrobil maziva dalšímu testu [22]. Natočil nepoháněnou kouli o úhel skluzu α o (15 a 30 ) vůči původní ose její rotace (viz obr. 1-10) a na disk průběžně nanášel 1 mm tlustou vrstvu maziva. Směr pohybu zahušťovadla byl dán velikostí adhezních sil ke stýkajícím se tělesům (větší adhezi k zahušťovadlu měla kulička). Vlivem bočního skluzu došlo ke snížení mechanické stability plastického maziva a tím k snížení jeho životnosti. Menší částice mýdla měnily při vyšších skluzových rychlostech tvar, zatímco větší částice si tvar udržovaly. Vznikaly větší shluky částic, které byly ale ještě před vstupem do EHL kontaktu vlivem bočního skluzu rozstřihnuty. Na druhou stranu se zlepšilo zásobování kontaktu základovým olejem, snížil se kontaktní tlak a hlučnost. Při malém bočním skluzu také došlo k lepšímu pokrytí mazaných povrchů kovovým mýdlem. Cannová ve své práci [23] testovala obdobné plastické mazivo s aditivy proti opotřebení a oxidaci. Přísady měly významný vliv na zamezení zadírání u částečně hladovějícího kontaktu. Oproti mazivu bez aditiv (součinitel tření 0,05) docházelo během prvních 20 cyklů k záběhu, kdy mazivo s přísadami mělo vyšší součinitel tření 0,15. Po záběhu se ale tření ustálilo (μ = 0,04) a zůstalo nezměněno až do konce testu (60 cyklů). Plastické mazivo bez přísad začalo při 50 cyklech vykazovat jasné známky hladovění (rapidní nárůst tření), které by při delším testu vedly k zadření. Obr Ball-on-disk zařízení s nastavením bočního skluzu [21], [22] 26

27 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 1.3 Numerické simulace U numerických simulací můžeme rozlišovat tři přístupy řešení styku kola a kolejnice [24]. Jedním je metoda konečných prvků (MKP), druhým jsou řešiče pro obecný kontakt těles pomocí hraničních prvků (např. CONTACT) a posledním řešiče eliptického Hertzova kontaktu (např. FASTSIM). Přesnost a časová náročnost MKP výpočtů je závislá na počtu elementárních prvků v kontaktu a na celkovém počtu prvků těles. Řešiče obecného kontaktu mohou dosahovat vysoké přesnosti, ale potřebují k tomu velké množství vstupních dat, výpočetního času a jsou omezeny poloprostorovými předpoklady. Řešiče Hertzova eliptického kontaktu mají spíše informační charakter, popř. se používají pro rychlé ověření získaných dat. Je to způsobeno značně omezujícími předpoklady: kontaktní tělesa jsou hladká a bez tření, materiál těles je izotropní a lineárně elastický, tělesa se deformují jako nekonečné poloprostory. Poslední předpoklad omezuje geometrii kontaktu. Znamená, že rozměry kontaktní oblasti jsou malé ve srovnání s poloměry křivosti těles. Zde ale nastává problém s řešením dvojbodového kontaktu kola a kolejnice, který má běžně velikost okolo 1,5 cm 2. Přístupy založené na poloprostorovém předpokladu v tomto případě často selhávají a velikost kontaktu (a tím i tlak) se může značně lišit od skutečnosti (viz obr. 1-11). 1.3 MKP Obr Porovnání numerických přístupů řešení dvojbodového kontaktu [24] Simulací elasticko-plastického dvojbodového kontaktu okolku se zabýval např. Zhang [25]. Použil komplexní MKP parametrickou metodu programování a zahrnul do ní účinky maziva i součinitel tření materiálů. Výpočtový model tvořený uzly odpovídal skutečným rozměrům kola a kolejnice včetně pražců. Když na tento model aplikoval provozní podmínky (zatížení nápravy 23 tun, laterální zatížení 50 kn), tak měla kontaktní plocha běhounu kola velikost 135 mm 2 a plocha okolku kola přibližně 13,5 mm 2. Skutečný kontakt okolku není čistě eliptický a vlivem úhlu náběhu se mírně posouvá ve směru jízdy železničního vozidla. Z modelu je možné také vyčíst, že aplikace mazání okolku pozitivně ovlivňuje i adhezi k hlavě kolejnice, kde dochází k valení a skluzu. 27

28 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Kromě velikosti kontaktu a tlaku se numericky odhaduje i teplota v kontaktu, která může velmi ovlivnit míru opotřebení (viz kapitola 1.1.2) a je důležitá pro správnou volbu maziva. V roce 2010 byl vytvořen matematický model pro výpočet rozložení teploty v oblasti kontaktu okolku [26]. Umožňuje rozlišit druh mazání a mazací látky v kontaktu a obsahuje algoritmus adhezního modelu dvojbodového kontaktu. Nicméně je omezen eliptickým kontaktem a konstantním součinitelem tření. Výsledné teploty v kontaktu se pohybují v rozsahu 450 až 850 C v závislosti na skluzové rychlosti a laterální síle (obr. 1-12). Pro takto vysoké teploty je vhodné v mazivu používat přísady grafitu či molybdenu. Obr Schéma a výsledky numerického řešení teploty v kontaktu [26] Simulovat je možné i složité dynamické chování železničních vozidel (např. programy ADAMS/Rail, GENSYS, SIMPACK, aj.), popř. predikovat opotřebení. Schéma numerického kroku predikce opotřebení a vizualizace řešení jsou zobrazeny na obrázku I když toto schéma zdaleka nezahrnuje všechny aspekty ovlivňující kontakt kola a kolejnice, je z něj zřejmé, že se jedná o velmi komplexní problematiku. Obr Schéma a výsledky numerického řešení predikce opotřebení [12] 28

29 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 1.4 Zhodnocení poznatků získaných na základě kritické rešerše Z předcházející rešerše současného stavu poznání si lze udělat představu o rozsahu a komplikovanosti řešené problematiky. Mnohé výzkumy v této oblasti končí hypotézami, které je nutné prokázat či vyvrátit. Tato skutečnost pouze potvrzuje aktuálnost řešeného tématu. Důležité je nejen kombinovat různé přístupy řešení, ale i posoudit hypotézy aplikací získaných poznatků a parametrů na zařízeních přibližujících reálné podmínky kontaktu kola a kolejnice. Full-scale a scaled laboratorní zařízení umožňují dobrou kontrolu nad vstupními i výstupními parametry testu a výsledky těchto testů jsou porovnatelné s reálným provozem. Pro numerický odhad a ověření kontaktních podmínek okolku kola a kolejnice je vhodná metoda konečných prvků

30 CÍL PRÁCE, VĚDECKÁ OTÁZKA A PRACOVNÍ HYPOTÉZA 2 CÍL PRÁCE, VĚDECKÁ OTÁZKA A PRACOVNÍ HYPOTÉZA Cílem diplomové práce je experimentální stanovení vlivu provozních podmínek na tribologické aspekty kontaktu okolku železničního kola a kolejnice. Provozní podmínky zahrnují zatížení kola, rychlost železničního vozidla a jeho ujetou vzdálenost při aplikaci modifikátorů tření. Hlavními sledovanými tribologickými parametry jsou silové účinky mezi kontaktními tělesy, distribuce maziva v kontaktu a míra a typ opotřebení. Vědecká otázka je dána následovně: Jaké je množství aplikovaného maziva potřebného pro udržení minimální tloušťky mazacího filmu, u které ještě nedochází k výraznému opotřebení okolku kola a kolejnice? Formulace pracovní hypotézy: Míra a typ opotřebení okolku kola a kolejnice jsou podmíněny množstvím a intervaly aplikovaného maziva do jejich kontaktu. Nadměrná koncentrace maziva v kontaktu nemá na součinitel tření a opotřebení významný vliv. 2.1 Dílčí cíle práce Kromě primárního cíle práce jsou vymezeny i dílčí cíle práce. Chronologická posloupnost těchto cílů stanovuje logickou cestu řešení zadané problematiky a odráží se v časovém plánu řešení práce (viz kapitola 3.1). Stanovení experimentální metodiky určení metodiky řešení práce a jejích prostředků (zařízení, software, metody, materiály) s využitím Experimentálního simulátoru kontaktu kola a kolejnice v rámci projektu FR-TI3/442 za podpory Ministerstva průmyslu a obchodu (MPO) a firmy Tribotec, spol. s r.o. Příprava prostředků konstrukční úpravy zařízení a tvorba softwarových nástrojů pro získání a hodnocení dat z měření včetně úvodních experimentů pro ověření funkčnosti měřících řetězců Porovnání použitých prostředků analytické či jiné porovnání aplikovaných metod a použitých zařízení umožňující porovnání výsledků Vlastní realizace experimentů získání dat jednotlivými prostředky Zhodnocení získaných dat kritické posouzení dat s ohledem na použitý prostředek metodiky a jeho zkreslení Publikace publikace výsledků na mezinárodní konferenci a firmě Tribotec 30

31 CÍL PRÁCE, VĚDECKÁ OTÁZKA A PRACOVNÍ HYPOTÉZA 2.2 Odůvodnění nutnosti a potřebnosti řešení Vzhledem ke zdražování elektrické energie a pohonných hmot v posledních letech se stala redukce nákladů potřebných na provoz a údržbu železničního systému pomocí tribologických aspektů velmi důležitým nástrojem. V celé Evropské unii se každý rok vynaloží na údržbu železnic přes 300 milionů euro (odhad z roku 1995 [5]). Děje v kontaktu okolku kola s kolejnicí, jeho umístění a velikost jsou kritickými parametry, které rozhodují o bezpečnosti a efektivitě pohybu vlaku na celé železniční síti. V tomto kontaktu dochází k těžkému až katastrofickému režimu opotřebení a k únavě materiálů. I přes tato fakta je oblast kontaktu okolku, v porovnání s kontaktem běhounu kola s temenem hlavy kolejnice, zatím nedostatečně prozkoumána. Aplikace mazání okolků výrazně (až o 80 % [12]) snižuje opotřebení, pozitivně ovlivňuje adhezi hlavy kolejnice a běhounu kola, snižuje hlukové emise a zvyšuje celkovou energetickou účinnost pohybu kolejového vozidla na trati. Úspora spotřeby paliva může dosáhnout až 30 % oproti nemazanému kontaktu [3]. Snížením opotřebení se prodlužuje životnost kol a kolejnic a narůstá spolehlivost železničních sítí. V následujících letech lze předpokládat další růst rychlosti a objemu železniční přepravy zboží i osob včetně nároků na tuto přepravu

32 MATERIÁL A METODY 3 MATERIÁL A METODY 3.1 Časový plán Časový plán řešení diplomové práce byl stanoven na celkovou dobu 1 roku a 5 měsíců (od ledna 2012 do května 2013) a je rozdělen do následujících etap: 1. etapa: Studium odborné literatury, analýza současného stavu poznání a určení cílů diplomové práce. Délka etapy: 5 měsíců (leden 2012 až červen 2012). 2. etapa: Stanovení pracovní hypotézy a metodiky, příprava prostředků. Délka etapy: 9 měsíců (květen 2012 až únor 2013). 3. etapa: Realizace experimentů. Délka etapy: 10 měsíců (červen 2012 až duben 2013). 4. etapa: Shromáždění a analýza získaných dat a formulace závěrů. Délka etapy: 9 měsíců (srpen 2012 až květen 2013). 5. etapa: Publikace výsledků. Délka etapy: 5 měsíců (prosinec 2012 až květen 2013). 6. etapa: Sepsání diplomové práce. Délka etapy: 3 měsíce (únor 2013 až květen 2013). Některé etapy běží souběžně a vzájemně se doplňují (viz obr. 3-1). Rešerše a cíle práce Pracovní hypotéza, metodika a prostředky Realizace experimentů Vyhodnocení a závěry Legenda: etapa řešení přímá návaznost zpětná vazba Publikace Sepsání práce čas [měsíc, rok] Obr. 3-1 Časový plán a prolínání etap řešení diplomové práce 32

33 MATERIÁL A METODY 3.2 Metodika řešení práce Při řešení práce jsou aplikovány empirické metody a Kolbův experimentální cyklus. Sběr potřebných dat se provádí experimenty s empirickou metodou zkoumání. Zde se využívá deskriptivní přístup, tedy skutečný popis dějů experimentu na základě živého obrazu reality. Pro analýzu, interpretaci a vyhodnocení poznatků se uplatňuje kombinace indukce a dedukce (Kolbův experimentální cyklus [27]). Indukcí, vycházející ze současného stavu poznání, stanovujeme pracovní hypotézu. Dedukcí potom tuto hypotézu testujeme. Podle výsledku dedukce se cyklus opakuje s novou hypotézou nebo je ukončen, přičemž se při vyhodnocení uvažují modelová zkreslení reality. 3.2 Indukce Současný stav poznání Pracovní hypotéza Závěry Dedukce Experiment Obr. 3-2 Kolbův experimentální cyklus Sběr dat Pro sběr dat v experimentálním výzkumu tribologických aspektů kontaktu okolku železničního kola a kolejnice je použito několika různých přístupů a metod (viz obr. 3-3). Jako zdroje dat se využívá Experimentální simulátor kontaktu kola a kolejnice (dále experimentální zařízení), optický tribometr, zařízení Mini Traction Machine (MTM) a metoda konečných prvků Obr. 3-3 Schéma experimentálního sběru a využití dat 33

34 MATERIÁL A METODY U experimentálního zařízení lze rozlišit použití skleněné plankonvexní čočky simulující kolejnici a použití reálného kovového vzorku kolejnice. Skleněný vzorek kolejnice (čočka) umožňuje díky jeho optickým vlastnostem hodnotit distribuci maziva v kontaktu. S reálným vzorkem kolejnice se získávají data pro hodnocení opotřebení a součinitele tření. Na optickém tribometru je uplatněna metoda Ball-on-disk pro vyhodnocení chování maziva v kontaktu a tloušťky mazacího filmu pomocí kolorimetrické interferometrie. Zařízení MTM umožňuje aplikovat metodu Ball-on-disk i metodu Pin-on-disk pro zjištění hodnot součinitele tření a opotřebení kontaktních těles při nanášení maziva. Pomocí MKP jsou hodnoceny kontaktní podmínky. Data sledovaných tribologických parametrů jsou tedy získávána rozdílnými metodami experimentů a zařízeními, kdy se jednotlivé přístupy řešení podílejí na celkovém hodnocení daného parametru. Získaná data se pak navzájem porovnávají, diskutují a jsou z nich vyvozeny závěry. Pro lepší pochopení podobnosti těchto experimentálních přístupů se skutečnými podmínkami na trati a také způsobu získání a vyhodnocení dat je nutné si nejdříve přiblížit možnosti použitých zařízení a metod. 3.3 Experimentální zařízení V roce 2012 bylo na Ústavu konstruování v rámci projektu výzkumu a vývoje MPO zkonstruováno experimentální zařízení pro studium mazání okolku kolejových vozidel [28]. Toto modelové zařízení simuluje v laboratorních podmínkách železniční kontakt v měřítku 1:1 (full-scale). Kontaktním tělesem je reálné železniční kolo profilu UIC/ORE S1002 z oceli o jakosti R7T (dle ČSN EN 13262) a element v podobě skleněné čočky nebo výřezu z kolejnice profilu UIC 60. Oproti reálnému případu relativního translačního a rotačního pohybu kola a kolejnice je realizován v modelové situaci pouze rotační pohyb kola, element simulující kolejnici je statický. Kolo o průměru 800 mm (reprofilováno z 840 mm) je poháněno přes řetězový převod a planetovou převodovku asynchronním elektromotorem o výkonu 4 kw. Kontakt se zatěžuje přes statický element (viz obr. 3-4) pomocí pákového mechanizmu se závažím o dané hmotnosti dle požadovaného zatížení (kontaktního tlaku). Element je přitlačován do zaoblení R14 profilu kola, které spojuje kónickou jízdní plochu kola (běhoun) s okolkem, a vytváří tak kontakt okolku. Úhel náběhu β charakterizující poloměr traťového oblouku je zanedbán (β = 0 ). Obr. 3-4 Schéma experimentálního zařízení [28] 34

35 MATERIÁL A METODY Aplikaci maziva do oblasti kontaktu zajišťuje mazací systém OK-02 od firmy Tribotec [29], [30]. Mazivo je naneseno na povrch kola tryskou ze vzdálenosti 30 mm v podobě olejové mlhy, kdy směs maziva se vzduchem je tvořena ihned za mazacím přístrojem a k trysce je přivedena hadicí. Tryska směřuje do místa aplikace maziva (střed zaoblení R14 profilu kola) pod úhlem 45 ve vodorovné rovině (dle doporučení uvedených v [31]). Takto nastavená tryska způsobuje, že vytvořený film maziva ulpívá ze ¾ své plochy na okolku a z ¼ na přechodové části profilu kola. Mazání probíhá v tzv. pracovním režimu IV. Servisní tlačítko (viz dokumentace [29]), kdy při stisknutí tlačítka mazání dojde k uvolnění 0,2 cm 3 maziva za 1 až 15 sekund (dle nastavení přístroje) při pracovním tlaku vzduchu 0,4 GPa. Mazací systém je ovládán z panelu elektrické rozvodné skříně, která obsahuje i frekvenční měnič pro řízení otáček motoru a hnaného železničního kola, tedy pro nastavení simulované rychlosti železničního vozidla. Před uskutečněním experimentů jsou zkontrolovány jejich vstupní podmínky vycházející z nastavení experimentálního zařízení a jeho součástí. Množství nanášeného maziva na povrch kola je ověřeno při době nástřiku 2 a 3 sekund. Jelikož se mazivo mísí se vzduchem ještě před přívodní hadicí trysky, tak je nejdříve provedeno několik odstřiků pro stabilizaci množství maziva na výstupu z trysky. Následně je k profilu kola přiložen list papíru o známé hmotnosti a je na něj naneseno 5 dávek maziva. Na základě hustoty použitého maziva (viz kapitola 3.9) je za pomocí přesné digitální váhy zjištěno skutečné množství maziva aplikovaného na povrch kola při jednom nástřiku. Toto množství odpovídá přibližně 0,2 ml maziva. Velikost normálového zatížení statického elementu je změřena tenzometrickým snímačem síly S9 s jmenovitou sílou 5 kn od firmy HBM [32]. Na rameno pákového mechanizmu, který při určení normálové síly zatěžoval vzorek kolejnice přes tenzometrický snímač, jsou nasouvána závaží do rozdílných vzdáleností od čepu otáčení páky. Tímto způsobem jsou odladěny normálová zatížení vzorku v rozsahu od 1 do 5 kn po 1 kn. Ze získaných vzdáleností a hmotností závaží je vytvořena pro daná zatížení stupnice na trubce zatěžovacího mechanizmu. Poslední nastavovanou vstupní veličinou zařízení je simulovaná rychlost železničního vozidla. Ta je spjata s otáčkami kola experimentálního zařízení podle podobnostního kritéria skluzové složky rychlosti (viz kapitola 3.8.2). Při změně frekvence elektrického proudu měničem kmitočtu jsou odčítány otáčky hřídele kola kontaktním způsobem pomocí digitálního otáčkoměru DT-2 L/K [33]. Ze získané lineární závislosti frekvence na otáčkách jsou pak odvozeny simulované rychlosti 30, 60, 90, 120 a 150 km h -1 kolejového vozidla. Vzniklá skluzová rychlost v kontaktu je ovlivňována obvodovým házením kola o velikosti 0,2 mm a použitím řetězového (nesynchronního) převodu pro pohon kola. Rozdíl nastavené a skutečné skluzové rychlosti dle polohy otočení kola vlivem házení kola není větší než 1 %. Závažnější ovlivnění rychlosti v kontaktu je způsobeno použitím řetězového převodu. Kde při náběhu řetězu na řetězové kolo dochází k mírnému zrychlení, jenž způsobuje trhavý pohyb železničního kola. Tyto rozdíly v rychlosti se mohou projevit cyklickou změnou hodnot při měření působících sil mezi kontaktními tělesy. Postoupnost úkonů při realizaci experimentů na tomto zařízení závisí na záměru experimentů. Nejčastěji je však kolo v nezatíženém stavu roztočeno na nominální otáčky 20 min -1 a po dobu 3 sekund je na něj nanášeno mazivo. Tak se docílí rovnoměrného pokrytí profilu kola mazacím filmem po celém obvodu kola. Potom jsou otáčky sníženy na požadovanou hodnotu simulované rychlosti vozidla 35

36 MATERIÁL A METODY a kontaktní element je zatížen danou silou. Následuje sběr dat a ukončení experimentu (odlehčení kontaktu a zastavení pohonu). Metoda sběru dat na experimentálním zařízení se liší podle použitého statického elementu (vzorku kolejnice či skleněného vzorku), proto je rozdělena do následujících podkapitol Optická metoda Optická metoda aplikovaná na experimentálním zařízení předpokládá oddělení třecích povrchů kapalinným mazacím filmem. Měřící řetězec této metody je sestavený z plankonvexní čočky, stereoskopického mikroskopu Nikon SMZ800, episkopického osvětlovače, vysokorychlostní CMOS kamery Phantom v710 a počítače se softwarem PCC (Phantom Camera Control) v1.2. Měřící řetězec je zobrazen na obrázku 3-5. Čočka má v místě styku s kolem poloměr zaoblení kolmo na směr pohybu 13,1 mm [34] a je vyrobena z borosilikátového skla BK7. Vzhledem k mechanickým vlastnostem (Youngův modul pružnosti 81 GPa, Poissonův poměr 0,206) čočky, je možné ji zatížit maximálně normálovou silou 2 kn (Hertzův tlak 0,26 GPa), jinak dojde k jejímu prasknutí. Čočka je uchycena kovovým držákem, který je připevněn k polohovacímu stolu pro nastavení místa kontaktu čočky s kolem a zaostřování mikroskopu. V držáku je vyfrézován otvor o rozměrech 13 x 26 mm (šířka x délka) umožňující pohled do místa kontaktu Obr. 3-5 Experimentální zařízení s měřícím řetězcem optické metody sběru dat; 1 plankonvexní čočka v držáku, 2 stereoskopický mikroskop, 3 episkopický osvětlovač, 4 vysokorychlostní kamera, 5 počítač se softwarem PCC, 6 3D polohovací stůl 36

37 MATERIÁL A METODY Původním záměrem při návrhu experimentálního zařízení bylo, že bude možné měřit tloušťku mazacího filmu pomocí optické interferometrie (viz kapitola 3.4.1). Použitelnost této metody je ale výrazně závislá na kvalitě povrchu kontaktních těles, jejich konfiguraci a na optických vlastnostech všech materiálů a rozhraní, přes které prochází nebo od kterých se odráží paprsky světla produkované osvětlovačem (povrch kola, mazivo, plankonvexní čočka, vzduch, filtry a polopropustná zrcadla mikroskopu, atd.). Prvotní testy prokázaly, že využití optické interferometrie na experimentálním zařízení je velmi problematické, a to i za podmínek, kdy je povrch železničního kola vyleštěn. Dále se zjistilo, že při normálovém zatížení nad 2,5 kn, lze na plankonvexní čočce občas zpozorovat náznaky fotoelasticimetrie (tj. barevné znázornění mechanického napětí těles, kterými prochází polarizovaný světelný svazek), které ukazují na polohu kontaktu. Takto velké zatížení, spolu s obvodovým házením kola, ale vedlo ke zničení čočky, a proto se i od této metody upustilo. Hodnocení distribuce maziva optickou metodou je ovlivněno dvěma faktory. Prvním faktorem je modelové zkreslení působících hydrodynamických jevů na mazivo při průchodu kontaktem. To je dáno realizací kontaktu pomocí statického tělesa a nižší rychlostí otáčení kola než je tomu v reálných podmínkách (viz kapitola 3.8.2). Vyšších rychlostí povrchů těles lze dosáhnout na optickém tribometru a zařízení MTM, u nichž jsou ale výsledky naopak zkresleny rozdílnou kontaktní geometrií. Druhým faktorem je omezená velikost a umístění pozorovatelné oblasti kontaktu kamerou skrz držák čočky. Při hodnocení velikosti zaplavení kontaktu (šířky či délky) je nutné brát toto omezení v úvahu. Pokud je zaplavení kontaktu mazivem rozměrově větší než pozorovatelná oblast, popř. je mazivo částečně mimo tuto oblast, je možné zaznamenat pouze maximální pozorovatelný rozměr, nikoliv skutečný rozměr zaplavení (viz obr. 3-6). Pozorovatelná oblast a) b) Skutečná šířka zaplavení Mazivo Vyhodnocená šířka zaplavení Obr. 3-6 Vyhodnocení zaplavení kontaktu; a) vyhodnocení šířky zaplavení kontaktu ze záznamu (hranice maziva červeně zvýrazněna), b) schéma vyhodnocení šířky zaplavení kontaktu přesahující pozorovatelnou oblast Metoda s reálným vzorkem kolejnice Výchozí experimentální zařízení umožňovalo pouze vizuálně hodnotit opotřebení výřezu z kolejnice po ujetí určité skluzové vzdálenosti za daných podmínek experimentu. Kdy kovový vzorek kolejnice je připevněn šrouby k držáku a k polohovacímu stolu obdobně, jako je připevněn držák čočky u optické metody. Takto získané údaje sice poskytují ucelenou informaci o míře a typu opotřebení

38 MATERIÁL A METODY závislém na provozních podmínkách, ale již neposkytují data nutná k pochopení vývoje tohoto opotřebení, součinitele tření a efektivity mazání během prováděných experimentů. Všechny tyto údaje spolu vzájemně korespondují a je možné je získat sledováním hodnoty součinitele tření. Proto je konstrukce experimentálního zařízení doplněna o měřící řetězec trakční síly, která v této modelové situaci odpovídá zároveň třecí síle mezi kontaktními tělesy (jedná se o čistý skluz, viz kapitola 1.1 a 1.2.1). Podle velikosti normálového zatížení výřezu z kolejnice (maximálně 5 kn, což odpovídá Hertzovu tlaku 0,57 GPa) a trakční (třecí) síly je pak získána hodnota součinitele tření. Měřící řetězec pro sběr hodnot trakční síly je složen z kovového vzorku kolejnice, držáku vzorku s jedním stupněm volnosti, tenzometrického snímače síly S9 s jmenovitou sílou 5 kn [32], měřící DAQ karty NI 9237 [35] a počítače s měřícím softwarem (viz obr. 3-8). Držák kovového vzorku kolejnice pro měření trakční síly dovoluje pohyb vzorku ve směru působící trakce (viz obr. 3-7; síla působí ve směru pohledu). K základně držáku je přišroubováno lineární vedení LWRE 3 s valivými elementy v podobě soudečků v plastové kleci [36]. Vůle ve vedení se vymezuje pomocí stavěcích šroubů. Vnitřní dvojice kolejnic lineárního vedení je spojena 4 šrouby přes distanční plechovou podložku. Hlavy těchto šroubů (na obrázku znázorněny modře) zároveň slouží jako čepy pro připevnění výřezu z kolejnice a umožňují tak jeho rychlou a jednoduchou výměnu bez nutnosti demontáže celého držáku. Valivý odpor lineárního vedení je při měření trakční síly zanedbán Obr. 3-7 Řez modelem držáku kovového vzorku kolejnice; 1 vzorek kolejnice, 2 základna držáku, 3 lineární vedení, 4 valivé elementy, 5 distanční podložka, 6 stavěcí šroub, 7 šroub držáku, 8 šroub vzorku Vzorek kolejnice se přes šroub opírá o snímač síly (viz obr. 3-8a), který převádí spojitý elektrický signál (řádově v mv) do měřící karty (obr. 3-8b). Zde je spojitý signál vzorkován maximální frekvencí karty 50 khz. Následně jsou hodnoty elektrického signálu z karty přepočítány v měřícím softwaru na působící trakční sílu. 38

39 MATERIÁL A METODY Měřící software pracuje v prostředí grafického programovacího jazyku NI LabVIEW 2010 od společnosti National Instruments. Jak je vidět z blokového schématu programu (obr. 3-8c), surová data (data vzorkovaná maximální frekvencí karty) jsou převedena na pole číselných hodnot (křivku dat), ze kterých je statisticky určena střední hodnota. Tato hodnota je pak vypisována (Aktuální střední hodnota) uživateli na tzv. čelním panelu virtuálního přístroje (obr. 3-8d) a zaznamenávána formou grafu (Záznam střední hodnoty dat). Záznam třecí síly může uživatel následně exportovat do prostředí Microsoft Excel pro další zpracování a vyhodnocení. Kromě střední hodnoty dat je na panelu vypisováno, zda nedochází k chybě při výpočtu střední hodnoty dat (Chyba). Program také umožňuje uživateli porovnávat získanou střední hodnotu dat se surovými daty a to buď s celým záznamem (Záznam surových dat) nebo s posledními změřenými daty za daný čas (Aktuální surová data). Toto porovnání funguje jako kontrola aliasingu (tj. milný záznam dat způsobený nedodržením Nyquistova teorému vzorkovací frekvence musí být alespoň dvojnásobně větší, než nejvyšší frekvence obsažená ve vzorkovaném signálu). V nastavení měřící karty (DAQ Assistant) se určuje frekvence záznamu střední hodnoty trakční síly. Ta je dána poměrem zadané hodnoty Rate (tj. vzorkovací rychlost v Hz) ku hodnotě Samples to Read (tj. počet vzorků ve vyrovnávací paměti). Metodou pokus-omyl je frekvence záznamu stanovena na 20 hodnot za sekundu (Rate 20 khz, Samples to Read 1 000), při kterých ještě nedochází k výraznému ořezání špičkových hodnot trakční síly. c) b) d) a) Obr. 3-8 Měřící řetězec pro reálný vzorek kolejnice; a) snímání trakční síly, b) měřící karta, c) blokové schéma měřícího programu, d) čelní panel virtuálního přístroje 39

40 MATERIÁL A METODY Vzhledem k tomu, že jsou experimenty s kovovým vzorkem kolejnice určené pro hodnocení součinitele tření a opotřebení, je nutné předpokládat nejen měřené opotřebení vzorku kolejnice (tvrdost 262 HB, drsnost R a = 2,5 μm), ale také nežádoucí opotřebení povrchu železničního kola (280 HB, R a = 3 μm). Z tohoto důvodu jsou realizovány nejdříve experimenty s plankonvexní čočkou, kde je důležitý hladký povrch kola, a až následně experimenty s výřezem z kolejnice. Kvůli charakteru kontaktu (statický vzorek a rotující kolo), je potřebné zbavit povrch kola vzniklých nerovností, aby nedocházelo k postupnému zvyšování drsnosti povrchu. Proto je mezi experimenty povrch kola vyhlazován úhlovou bruskou, a to i za cenu mírné změny profilu kola a časové náročnosti přípravy měření. Opotřebené vzorky kolejnice jsou vyhodnocovány na optickém profilometru Contour GT-X8 od firmy Bruker AXS, který se nachází na Ústavu konstruování FSI VUT v Brně. Hodnocení opotřebení železničního kola je vzhledem k jeho rozměrům a hmotnosti uskutečnitelné pouze přímo na experimentálním zařízení vizuálně. Kromě již zmíněných konstrukčních úprav, je zařízení včetně pohonu přemístěno (viz Příloha 2) na samostatný základový rám tvořený svařovanou konstrukcí z U-profilů (Příloha 4). Tímto se snížil jeho zástavbový prostor a uvolnilo se místo na základové desce ukotvené v podlaze laboratoře pro další využití. Měřící software a aktualizovaný 3D model zařízení jsou obsaženy v datové příloze práce. 3.4 Optický tribometr Optický tribometr byl zkonstruován v Tribologické laboratoři Ústavu konstruování během 90. let 20. století [37]. Zařízení se skládá z tribologického simulátoru, kde se realizuje kontakt metodou Ball-on-disk, a mikroskopového zobrazovacího systému využívajícího principu kolorimetrické interferometrie (viz kapitola 3.4.1). Kulička o průměru 25,4 mm je vyrobena z ložiskové oceli 100Cr6. Materiálem transparentního disku o průměru 150 mm je sklo BK7. Pro zlepšení kontrastu interferenčních obrazců je horní disku (blíže k mikroskopu) pokryta antireflexní vrstvou a na spodní stranu disku (v místě kontaktu) je napařena polopropustná vrstva chromu. Kontakt je zatěžován přes skleněný disk, který je spolu se závažím umístěn na dvojzvratné páce. Hodnota zatížení je následně spočítána z Hertzovy teorie se znalostí velikosti kontaktní oblasti. Při této konfiguraci je možné dosáhnout kontaktního tlaku až 1 GPa. Nezávislý pohon kuličky a disku je řízen softwarově a umožňuje nastavení různých poměrů skluzu a valení. Rychlost třecích povrchů může dosahovat hodnot až 2 m s -1 v závislosti na zvolených převodovkách servomotorů. Kontaktní oblast je zaznamenávána barevnou vysokorychlostní kamerou Phantom v710 přes průmyslový mikroskop Nikon Optiphot 150 s xenonovým zdrojem bílého světla o výkonu 1 kw. Popsané zařízení je zobrazeno na obrázku 3-9. Před provedením experimentů je povrch kuličky vyleštěn diamantovou pastou na drsnost přibližně 0,02 μm a kontaktní plochy kuličky i disku jsou očištěny acetonem. Potom jsou tělesa upevněna v tribologickém simulátoru, zatížena a jsou pořízeny kalibrační chromatické a monochromatické snímky statického kontaktu se základovým olejem použitého plastického maziva. Během experimentu je mazivo kontinuálně nanášeno pomocí injekčního dávkovače New Era Syringe Pump NE Dávkovač umožňuje přesné nastavení průtoku maziva za jednotku času. Od injekční stříkačky upevněné v dávkovači je mazivo vedeno polyethylenovou 40

41 MATERIÁL A METODY hadičkou na spodní část disku do dráhy kontaktu. Po průchodu kontaktem je mazivo setřeno z disku teflonovou stěrkou, aby už znovu nevstupovalo do kontaktu, kam se přivádí nové mazivo z dávkovače. Ze získaného videozáznamu kontaktní oblasti je posuzována distribuce maziva v kontaktu a jsou z něj dále vybrány charakteristické snímky pro dané podmínky experimentu, které jsou následně importovány do programu AChILES. Zde je na základě známé hodnoty indexu lomu základového oleje plastického maziva a kalibračních snímků přiřazena interferenčním barvám hodnota tloušťky filmu maziva. Získá se tak rozložení tloušťky mazacího filmu v celém kontaktu kuličky s diskem. Program také umožňuje vykreslení tloušťky maziva buď v 2D řezech kontaktem, popř. i 3D pohledem na celý kontakt Obr. 3-9 Optický tribometr pro studium mazacích filmů; 1 tribologický simulátor, 2 mikroskop, 3 xenonová lampa, 4 vysokorychlostní kamera, 5 počítač s vyhodnocovacím softwarem, 6 dávkovač maziva Kolorimetrická interferometrie tenkých filmů Kolorimetrická interferometrie tenkých filmů (Thin Film Colorimetric Interferometry, zkráceně TFCI [38]) je měřící metoda používaná ke stanovení a vizualizaci rozložení tloušťky mazacího filmu v bodovém kontaktu za podmínek elastohydrodynamického, mezného či smíšeného mazání. Jedná se o kombinaci optické interferometrie a následného softwarového zpracování. Stabilizovaný svazek bílého světla je optikou osvětlovacího systému Köhlerova typu a polopropustným zrcadlem promítán do obrazové roviny objektivu mikroskopu a na disk tribometru, který plní funkci děliče svazku světla [39]. Část světla se odráží od povrchu disku a další část prochází mazacím filmem a je odražena od povrchu ocelové kuličky (viz obr. 3-10). Při překrytí takto vzniklých paprsků dochází k jejich koherentní superpozici (tzv. interferují) [40]. Rozdíl v délkách optických drah, které různé části

42 MATERIÁL A METODY svazku urazily, ovlivňují fázový rozdíl, se kterým dochází k jejich opětovnému skládání. Důsledkem je vznik interferenčních proužků lokalizovaných na povrchu sledované vrstvy, které nesou informaci o tloušťce a tvaru mazacího filmu. Aby bylo možné přiřadit jednotlivým barvám tloušťku filmu, je nutné provést kalibraci měřícího softwaru AChILES. Ta spočívá v propojení údajů nesených v monochromatickém snímku statického Hertzova kontaktu (tloušťky) s chromatickým snímkem téhož kontaktu (barvy). Výsledkem je referenční tabulka (etalon), která je numericky porovnávána s interferenčními snímky. Rozsah etalonu (tj. pracovní rozsah metody) je omezen na blízké okolí tlouštěk monochromatického (kalibračního) interferogramu. V případě interference v bílém světle je rozsah TFCI od 50 do 800 nm. Mimo tyto hodnoty již výrazně klesá interferenční kontrast a rozlišovací schopnost TFCI. Pro možnosti měřit velmi tenké mazací filmy (pod hranici 50 nm) se na vrstvu chromu nanáší ještě distanční vrstva oxidu křemičitého o známé tloušťce (většinou 200 nm). Tím dojde k překování dolního omezení interferenční metody, kdy není možné měřit tenčí mazací filmy, než je hodnota tloušťky odpovídající prvnímu řádu interference (velmi slabá interference). Přesnost metody je ±1 nm. Nevýhodou metody je nemožnost zkoumat kontakt součástí, jejichž výška nerovností překračuje hodnotu 0,8 μm. Obr Princip optické interferometrie [41] 3.5 Mini Traction Machine Použité laboratorní zařízení MTM2 je zatím poslední verzí komerčně vyráběné řady MTM od firmy PCS Instruments, které bylo uvedeno na trh v roce Zařízení je vyvinuto pro měření třecích vlastností mazaných a nemazaných kontaktů za podmínek od čistého valení až po čistý skluz [42]. V základní konfiguraci Ball-on-disk je dodávána výrobcem kulička o průměru 19,05 mm (3/4 ) a disk o průměru 46 mm. Vzorky jsou z ložiskové oceli 100Cr6 o tvrdosti 760 HV (přibližně 710 HB) s drsností povrchu R a 0,01 μm. Zatížení kontaktu je realizováno přes rameno, ke kterému je připevněna kulička (viz obr. 3-11). MTM2 umožňuje zatížení kontaktu maximální silou 75 N. Toto zatížení vyvolá pro 3/4 kuličku Hertzův tlak 1,25 GPa. Nezávisle řízené pohony vzorků umožňují vyvinout rychlost třecích povrchů až 4 m s -1. Zařízení je možné doplnit rozmanitým příslušenstvím (viz [42]). Na Ústavu konstruování je doplněno o metodu Pin-on-disk, kdy se držák pinu umístí na zatěžovací rameno místo kuličky a zajistí se šroubem proti pootočení. 42

43 MATERIÁL A METODY Použité piny o průměru 0,5, 0,62 a 0,92 mm a disky jsou vyrobeny na zakázku z materiálu C45E (ČSN ), který je svým chemickým složením podobný železničním materiálům. Pro přiblížení se tvrdosti kola a kolejnice jsou disky tepelně zpracovány zušlechtěním na horní pevnost (269 HV) a piny na dolní pevnost (214 HV). Porovnání zmíněných materiálů je shrnuto v tabulce 3-1. Drsnost povrchu disku je R a = 1,5 μm a průměr dráhy kontaktu pinu na tomto disku je 42 mm. Maximální hodnota kontaktního tlaku použitého pro metodu Pin-on-disk je 0,2 GPa. Při snaze o vyšší tlak zvýšením zatížení dochází k plastické deformaci pinu (zvětšení jeho třecí plochy) a tím k opětovnému poklesu tlaku v průběhu experimentu. Příprava měření spočívá v očištění kontaktních těles acetonem, jejich upnutí na zařízení MTM a nanesení maziva na disk. Velikost zatížení, rychlost těles a poměr skluzu a valení (SRR) se nastavuje v řídícím softwaru, který tyto hodnoty při probíhajícím testu reguluje a zaznamenává pro jejich vyhodnocení. Metoda Ball-on-disk je použita primárně pro porovnání maziv a jejich zhodnocení při plně zaplaveném kontaktu, kdy je na povrch disku nanesena silná vrstva maziva (přibližně 5 mm), která zabraňuje hladovění kontaktu po celý průběh měření. Popř. je hodnocena výdrž maziv pro malé množství maziva. Metodou Pin-on-disk se studuje vývoj součinitele tření a míra opotřebení pinu. Malé množství maziva se nanáší na disk manuální mikropipetou Eppendorf Multipette Plus, která umožňuje dávkovat mazivo po 1 μl s přesností ±1 %. Mazivo je následně rovnoměrně rozetřeno stěrkou. Senzor opotřebení (Wear Sensor, viz obr. 3-11) zaznamenává polohu pinu každou sekundu do protokolu měření. Protokol je po měření exportován do programu Microsoft Excel, kde je poloha pinu přepočítána na objem opotřebeného materiálu a spolu s ostatními daty je měření vyhodnoceno. Tab. 3-1 Porovnání železničních materiálů s materiály pro Pin-on-disk [4], [43] Materiál, použití Chemické složení (% hm.) Tvrdost C Si Mn P Ni Cr h (GPa) UIC900A, kolejnice 0,6-0,8 0,15-0,5 0,8-1,3 0,04 2,62 R7T, kolo 0,52 0,4 0,8 0,035 0,3 0,3 2, , pin 0,42-0,5 0,17-0,37 0,5-0,8 0,04 0,3 0,25 2, , disk 0,42-0,5 0,17-0,37 0,5-0,8 0,04 0,3 0,25 2,69 Obr Schéma zařízení MTM2 [42] 43

44 MATERIÁL A METODY 3.6 Metoda konečných prvků Metoda konečných prvků je numerická metoda z poloviny 50. let minulého století používaná pro řešení řady inženýrských problémů (např. pružnost, dynamika, proudění kapalin a plynů, vedení tepla, záření, elektromagnetismus, atd.) [44]. Jak již název metody napovídá, je MKP založena na diskretizaci, tj. rozdělení zkoumané oblasti (kontinua) na konečný počet podoblastí tzv. prvků. Prvky řešenou oblast spojitě a jednoznačně vyplňují a tvoří síť MKP (mesh). Pro každý typ prvku je kromě dimenze a tvaru charakteristický počet a poloha jeho uzlů. Uzly sítě jsou body, v nichž jsou hledány neznámé parametry řešení (např. posuny či napětí). Hodnoty těchto parametrů jsou určeny postupnou aproximací na základě lineární kombinace daných (bázových) funkcí prvků a okrajových podmínek. Algoritmus MKP tak vede na řešení soustavy lineárních algebraických rovnic. Oproti analytickému řešení je nutné při změně podmínek provést celý výpočet znovu, kde výsledkem je přibližná hodnota řešení. Přesnost výsledků a časová náročnost MKP je závislá na hustotě a topologii prvků sítě. Více o MKP lze nalézt např. v [44]. MKP analýza je v softwaru ANSYS Workbench 14.0 použita pro určení kontaktních podmínek (tlak, velikost, tvar a poloha kontaktu), které odpovídají situacím provedených měření na experimentálním zařízení. Přičemž jsou simulovány pouze statické kontakty se zanedbáním přítomnosti maziva. Zhodnoceno je pak porovnání výsledků MKP s výsledky dle Hertzovy teorie, pomocí které se téměř výhradně vyjadřují podmínky kontaktu kola a kolejnice v odborných publikacích a také v této práci. 3.7 Parametrický rozsah použitých zařízení a metod Na obrázku 3-12 je znázorněn parametrický rozsah použitých prostředků a přibližný rozsah podmínek reálného kontaktu okolku kola s kolejnicí. Kromě metody Pin-on-disk, kde je dán kontaktní tlak měrným tlakem p, odpovídá zobrazený tlak hodnotě maximálního Hertzova tlaku p H (viz kapitola 3.8.1). Obr Parametrický rozsah použitých zařízení a metod 44

45 MATERIÁL A METODY U metody Ball-on-disk je zobrazena rychlost strhávání maziva odpovídající průměrné rychlosti třecích povrchů u e. Rychlosti zbylých metod a reálného kontaktu jsou vyjádřeny skluzovou rychlostí u s. Většina použitých prostředků umožňuje maximální rychlost povrchů vyšší než je rozsah grafu (1 m s -1 ). Jednotlivé metody se odlišují nejen rozsahem zobrazených parametrů, ale také kontaktní geometrií a materiály kontaktních těles. Pro porovnání laboratorních metod s kontaktem okolku kola a kolejnice jsou použita podobnostní kritéria (viz kapitola 3.8.2). 3.8 Porovnání experimentálních přístupů Jak již bylo zmíněno, u laboratorních zařízení je nutné počítat s modelovým zkreslením. Jeho velikost je dána vztahem vstupních podmínek kontaktu aplikovaných na laboratorním zařízení s reálnými podmínkami kontaktu kola a kolejnice na trati. Podmínky kontaktu se ale na skutečné železniční trati neustále mění (dynamické jevy, klimatické podmínky, kontaminanty, atd.). Proto je pro porovnání použitých experimentálních přístupů uvažován pouze idealizovaný kontakt kola a kolejnice (etalon) se zanedbáním těchto vlivů. Pro aplikaci výsledků této studie na reálné trati je pak potřebné softwarové řízení mazacího sytému, které přepočítá získaná data pomocí opravných koeficientů vyjadřujících jednotlivé vlivy aktuálních podmínek kontaktu. 3.8 Obr Idealizovaný kontakt kola a kolejnice (etalon) [28] Etalon je zobrazen na obrázku 3-13, kde jsou proměnnými podmínkami kontaktu pouze jeho zatížení a rychlost třecích povrchů. Úhel náběhu β a tím i geometrie kontaktu je konstantní. Z těchto parametrů lze získat skluzovou rychlost a při daném materiálu i maximální Hertzův tlak. Velikost skluzové rychlosti vychází z polohy kontaktu okolku a z obvodové rychlosti železničního kola (přibližně rychlost železničního vozidla u v ) o poloměru r. Kontakt okolku je posunut ve vertikálním směru od kontaktu běhounu kola o vzdálenost s x (viz obr. 3-14). Hodnota 45

46 MATERIÁL A METODY této vzdálenosti pro dané profily kola a kolejnice při úhlu náběhu β = 0 je přibližně 5,32 mm. Skluzová rychlost u s je pak dána vztahem (3.1) Velikost normálové síly F n je určena úhlem nositelky síly β o = 33,5, která vychází z geometrické konfigurace kontaktních těles, a laterální F lat, popř. vertikální F ver silou pomocí obecných goniometrických vztahů. u v r r 1x F ver F n β o s x r 2x r 2y r 1y F lat y x Obr Geometrie dvojbodového kontaktu a silové poměry v kontaktu okolku kola a kolejnice [26] Maximální Hertzův tlak a bezrozměrné parametry Hodnota maximálního Hertzova tlaku p H je vypočítána dle Hertzovy teorie pro eliptický kontakt dvou elastických obecně zakřivených těles s využitím zjednodušení výpočtů dle Hamrock-Dowsonovy aproximace postupným řešením následujících vztahů [45]: Redukovaný poloměr křivosti R': kde R x - redukovaný poloměr třecích povrchů ve směru osy x, R y - redukovaný poloměr třecích povrchů ve směru osy y, r 1x, r 2x - poloměr třecího povrchu 1, resp. 2 ve směru osy x, r 1y, r 2y - poloměr třecího povrchu 1, resp. 2 ve směru osy y. (3.2) Osa x se uvažuje ve směru pohybu. Hodnota poloměrů třecích povrchů je kladná pro konvexně zakřivené plochy (střed zakřivení leží uvnitř daného tělesa) a záporná pro konkávně zakřivené plochy (střed zakřivení je mimo těleso). V případě kontaktu okolku je tak záporná hodnota pouze u poloměru r 1y. Pokud se jedná o nezakřivený 46

47 MATERIÁL A METODY povrch, pak je hodnota poloměru rovna nekonečnu (to platí např. pro poloměr kolejnice r 2x ). Pro kontakt okolku také platí, že r 1x = s x + r (viz obr. 3-14). Redukovaný modul pružnosti E': ( ) (3.3) kde E 1, E 2 - Youngův modul pružnosti třecího povrchu 1, resp. 2, ν 1, ν 2 - Poissonova konstanta třecího povrchu 1, resp. 2. Zjednodušený parametr elipticity a zjednodušený eliptický integrál : ( ) (3.4), (3.5) Délka hlavní poloosy kontaktu a a délka vedlejší poloosy kontaktu b: ( ) ( ) (3.6), (3.7) Pokud není při výpočtech splněna podmínka a b, popř. 1/R x 1/R y (m), tak je nutné zaměnit souřadnice redukovaných poloměrů (R x za R y a obráceně) ve vzorcích 3.4 a 3.5. Maximální Hertzův tlak p H : (3.8) Pro porovnání laboratorních metod s etanolem ale pouze znalost kontaktního tlaku a rychlostí nestačí. Je také potřebné zohledňovat mazání a tloušťku mazacího filmu. Problematikou porovnání teoretických i experimentálních výsledků mazaných kontaktů se zabývaly vědci v 80. letech minulého století. Řešením bylo zavedení bezrozměrných parametrů, které odstranily i problém s používáním rozdílných soustav jednotek [46]. V současnosti se nejvíce používá spolu s parametrem elipticity k soustava bezrozměrných parametrů, které zavedli Dowson a Hamrock [47]: Bezrozměrný parametr materiálů G, rychlosti U a zatížení W: kde α - viskozitně-tlakový koeficient, η 0 - dynamická viskozita při nulovém tlaku, u e - průměrná rychlost ve směru osy x, u e = (u 1 + u 2 )/2, u 1, u 2 - rychlost třecího povrchu 1, resp. 2. (3.9), (3.10), (3.11) 47

48 MATERIÁL A METODY Bezrozměrná centrální tloušťka mazacího filmu H c : ( ) (3.12) Bezrozměrná minimální tloušťka mazacího filmu H min : ( ) (3.13) Tyto bezrozměrné parametry poskytují názornou představu o vlivu provozních podmínek na tloušťku mazacího filmu. Pro komplexnější pohled na mazaný kontakt redukovali Moes a Bosma počet bezrozměrných parametrů na dva, které jsou známy jako Moeosovy bezrozměrné parametry [46]: ( ) ( ) (3.14), (3.15) kde M - Moesův bezrozměrný parametr zatížení, L - Moesův bezrozměrný parametr materiálů. I přesto, že jsou vztahy 3.2 až 3.15 určeny primárně pro kapalinové mazání, je možné je použít i pro porovnání železničního kontaktu s laboratorními metodami [48], [49]. Samozřejmě je nutné kvůli četným předpokladům aplikovatelnosti těchto vztahů počítat s nepřesnostmi. Rozdíl numerických metod založených na těchto vztazích a experimentálních výsledků je menší než 20 % pro kruhový kontakt a 25 % pro eliptický kontakt [50] Podobnostní kritéria experimentálních přístupů Použité prostředky jsou spjaty s podmínkami kontaktu okolku pomocí podobnostních kritérií. Provozním podmínkám etalonu železničního kontaktu u e = u v = 60 km h -1, F n = 40 kn (F lat = 33 kn), α = 9,35 GPa -1 (řepkový olej, [51]) a η 0 = 0,02 Pa s [52], odpovídá dle vztahů 1.2 a skluzová rychlost u s = 0,22 m s -1, SRR = 1,33 %, maximální Hertzův tlak p H = 1,1 GPa, Moesův bezrozměrný parametr zatížení M = 242 a parametr materiálů L = 3,5. Podobnostním kritériem pro full-scale experimentální zařízení je kontaktní geometrie a skluzová rychlost, které mají zásadní vliv na sledované opotřebení. Protože je na zařízení realizován čistý skluz (SRR = 200 %), tak je pro dosažení shodné skluzové rychlosti s etanolem snížena rychlost otáčení kola simulátoru v poměru i = 76,188. Přepočet simulované rychlosti železničního vozidla je pak dán vztahem: (3.16) Jedna otáčka kola experimentálního zařízení odpovídá skluzové vzdálenosti s = 2,5 m. Tato vzdálenost je srovnatelná s ujetím 194 metrů železničním vozidlem na trati. 48

49 MATERIÁL A METODY Jako podobnostního kritéria jsou pro metodu Ball-on-disk na optickém tribometru a MTM použity Moesovy bezrozměrné parametry. Podle omezeného parametrického rozsahu daného zařízení (viz obr. 3-12) je zatížení a rychlost třecích těles volena tak, aby se dosáhlo stejných hodnot Moesových parametrů jako u etalonu. Popř. je možné zpětně přepočítat podmínky měření na daném zařízení na provozní podmínky etalonu. Problematické je toto srovnání především u optického tribometru, kde je disk vyroben ze skla, což vede k rozdílným hodnotám Moesových parametrů. Proto je snahou co nejvíce přiblížit i ostatní bezrozměrné parametry dle Hamrocka a Dowsona. Při zatížení 54,7 N (0,6 GPa) a průměrné rychlosti třecích povrchů 1 m s -1 je parametr materiálů L = 2,6. Parametr zatížení M je totožný s etalonem. Pro metodu Ball-on-disk u MTM jsou si rovny Moesovy parametry s etalonem při průměrné rychlosti 0,4 m s -1 a normálové síle 22,5 N (0,8 GPa). U metody Pin-on-disk je podobnostním kritériem skluzová rychlost, přičemž pro ni platí taktéž přepočet rychlostí dle vztahu Shrnutí podobnostních kritérií je na obrázku Výpočty Hertzova tlaku a bezrozměrných parametrů jsou zpracovány v programu Mathcad a lze je nalézt v datové příloze práce. Obr Podobnostní kritéria experimentálních přístupů Kromě kontaktních podmínek je podobnost vztažena i na aplikaci maziva, kde rozhodujícím faktorem jsou poměry šířky kontaktu 2b, šířky zaplavení kontaktu b zap a šířky aplikace maziva b maz. Hodnoty zmíněných veličin jsou uvedeny v tabulce 3-2 pro dané zatížení a experimentální přístup. Grafické znázornění je na obrázku Tab. 3-2 Hodnoty šířky kontaktu, šířky zaplavení kontaktu, šířky aplikace maziva a jejich poměry Zařízení Metoda F n (N) 2b (mm) b zap (mm) b maz (mm) 2b/b zap (1) b zap /b maz (1) Experiment. zařízení Full-scale , ,231 0,333 Optický tribometr Ball-on-disk 54,7 0,410 1,80 5,2 0,228 0,346 MTM Ball-on-disk 57,3 0,304 1,34 4,1 0,227 0,327 MTM Pin-on-disk 40,0 0,500 0,80 4,1 0,625 0,195 49

50 MATERIÁL A METODY Šířka kontaktu je dána průměrem pinu d nebo výpočtem dvojnásobku délky poloosy kontaktu b z Hertzovy teorie. Šířka zaplavení kontaktu je zjištěna při úvodních experimentech a je chápána jako šířka stopy ve filmu maziva, která zůstává po průchodu kontaktního tělesa. Šířka aplikace maziva, je šířka naneseného mazacího filmu na povrchu kola či disku. U experimentálního zařízení se určuje nastavením polohy trysky (viz kapitola 3.3). Na MTM je dána šířkou vyvýšené třecí plochy disku. Šířku nanášení maziva na disk optického tribometru lze měnit zastřižením polyethylenové hadičky pod určitým úhlem, popř. použitím hadičky jiného průměru. Při shodě těchto poměrů je potřebné ještě dodržet stejné délkové množství aplikovaného maziva (obsah tvaru mazacího filmu kolmo na směr pohybu). Metoda Pin-on-disk se kontaktní geometrií velmi odlišuje od ostatních použitých metod. I když plastická deformace pinu tento rozdíl mírně zmenšuje, jsou poměry aplikace maziva odlišné (viz tab. 3-2). a) b) c) Obr Podobnost aplikace maziva u jednotlivých metod; a) Ball-on-disk, b) Pin-on-disk, c) Full-scale 3.9 Modifikátory tření Při experimentech se jako modifikátoru tření používají dvě plastická maziva určená pro ztrátové mazání okolků kolejových vozidel (viz tab. 3-3). Společným znakem této skupiny maziv je snadná biologická rozložitelnost (po 21 dnech dle CEC L-33-A-93), práce za vysokých tlaků a v přímém kontaktu s vodou. Maziva obsahují přísady ke zlepšení přilnavosti, ochraně pro korozi, zvýšení oxidační stability, vysokotlaká aditiva a jemné částice tuhých maziv pro snížení tření a opotřebení. Výjimečně je místo maziv při experimentech použita voda. Přednostně jsou měření prováděny s mazivem Mogul EKO-OK s aditivy grafitu, které je používáno v mazacích systémech firmy Tribotec. Druhé plastické mazivo BECHEM Ecorail 8200 má vyšší zdánlivou viskozitu η a a jeho aplikace je proto obtížnější. Druh částic tuhého maziva v něm obsažených není výrobcem blíže specifikován a nepodařilo se ho zjistit ani od výhradních zástupců firmy BECHEM. Podle barvy lze ale usuzovat, že se jedná o tzv. bílé tuhé mazivo, s kterým se oproti grafitu dosahuje vyšší životnosti mazaných součástí [53]. Jelikož je mazivo ekologické, tak 50

51 MATERIÁL A METODY připadají v úvahu částice pyrofosforečnanu zinečnatého, sulfidu zinečnatého, nebo fosforečnanu vápenatého. Většina údajů v tabulce 3-3 je získána od výrobců maziv. Zdánlivá viskozita plastických maziv a kinematická viskozita základového oleje je stanovena pomocí rotačního viskozimetru HAAKE RotoVisco 1. Index lomu základového oleje je určen přes stolní Abbého refraktometr. Závislost zdánlivé viskozity maziv na smykovém spádu (rychlostním gradientu) D při teplotě 25 C je zobrazena na obrázku Tab. 3-3 Specifikace použitých plastických maziv Specifikace Norma Jednotka BECHEM Mogul Ecorail 8200 EKO-OK Rozložitelnost CEC L-33-A-93 % > 95 > 90 Klasifikace NLGI DIN < 000 Provozní teplota - C -35 až až +50 Hustota při 20 C DIN g cm -3 0,97 0,905 Bod skápnutí ISO C Zdánlivá viskozita ASTM při 25 C a 10 s -1 D Pa s 6,79 * 0,97 * Základový olej - - Syntetický Řepkový Viskozita při 40 C DIN mm 2 s -1 cca ,6 * Viskozita při 100 C DIN mm 2 s -1 cca. 7,5 Index lomu při 25 C - 1 1,459 * 1,478 * Zahušťovadlo - - Lithio-vápenaté Hlinité mýdlo mýdlo Tuhá přísada - - Grafit Cena bez DPH - Kč kg -1 cca. 600 cca. 100 * změřeno Obr Zdánlivá viskozita maziv při teplotě 25 C 51

52 VÝSLEDKY 4 VÝSLEDKY Dosažené výsledky experimentálního studia jsou uspořádány podle zkoumané oblasti (analogicky s přehledem současného stavu poznání) a následně dle laboratorního zařízení a metody použité k jejich získání. Pokud není uvedeno jinak, tak jsou měření realizovány při okolní teplotě vzduchu 26 C. Data k uvedeným grafům jsou obsaženy v datové příloze práce. 4.1 Studium součinitele tření a opotřebení V této kapitole jsou shrnuty hlavní výsledky řešení diplomové práce získané na experimentálním zařízení metodou s reálným vzorkem kolejnice a na zařízení MTM Experimentální zařízení metoda s reálným vzorkem kolejnice Měření s kovovým vzorkem kolejnice je zaměřeno na studium vlivu provozních podmínek (zatížení, rychlost, množství maziva, ujetá vzdálenost vozidla) na součinitel tření a opotřebení za podmínek čistého skluzu (SRR = 200 %). Vliv druhu a množství maziva na součinitel tření Při skluzové rychlosti 0,33 m s -1 (simulovaná rychlost vozidla 90 km h -1 ) a zatížení výřezu z kolejnice 1 kn (0,33 GPa) je provedena série měření s rozdílným mazivem a jeho množstvím. Před experimentem je dané množství maziva (0,2, 0,4, 0,6, 0,8, 1, 1,4, nebo 2 ml) rovnoměrně naneseno na povrch kola. Po dosažení skluzové vzdálenosti 10 metrů (odpovídá ujetí 760 m vozidlem) je experiment ukončen a získaná data jsou statisticky zpracována. Jeden bod grafu (viz obr. 4-1) tak odpovídá přibližně 600 změřeným hodnotám. Body hlavní křivky maziva (vyznačena plnou čarou) vyjadřují medián (hranice 50 % uspořádaných hodnot). Body odchylek znázorňují horní a dolní kvartil (hranice 75 % a 25 % uspořádaných hodnot). Z grafu je patrné, že se s mazivem EKO-OK s aditivy grafitu dosahuje nižšího součinitele tření (μ = 0,095) než s mazivem Ecorail 8200 (μ = 0,11) a to i přesto, že mazivo EKO-OK je přibližně 6krát levnější. Při zvětšování množství maziva nad hodnotu 0,2 ml nedochází k výraznému snížení součinitele tření. Toto zjištění potvrzuje část pracovní hypotézy, že nadměrná koncentrace maziva v kontaktu nemá na součinitel tření významný vliv. Obr. 4-1 Vliv druhu a množství maziva na součinitel tření 52

53 VÝSLEDKY Vliv rychlosti a druhu maziva na součinitel tření Experiment je realizován obdobným způsobem se dvěma druhy maziv pro množství 0,4 ml a při zatížení 1 kn. Posuzována je velikost součinitele tření při simulované rychlosti železničního vozidla 30, 60, 90, 120 a 150 km h -1 (skluzové rychlosti 0,11; 0,22; 0,33; 0,44 a 0,55 m s -1 ). Z výsledků (obr. 4-2) plyne, že vliv nárůstu rychlosti snižuje hodnotu součinitele tření. Při zvětšení skluzové rychlosti o 0,44 m s -1 je zaznamenán pokles součinitele tření o hodnotu 0,025. Mazivo EKO-OK opět vykazuje nižší součinitel tření u většiny provedených měření než mazivo Ecorail Tyto výsledky korespondují se Stribeckovou křivkou z obecné teorie mazání a s výsledky z MTM metodou Ball-on-disk (viz kapitola 4.1.2) a Pin-on-disk (kapitola 4.1.3). Obr. 4-2 Vliv rychlosti na součinitel tření Vliv zatížení a množství maziva na součinitel tření a opotřebení Pro určení vlivů na součinitel tření je použito mazivo EKO-OK o rozdílném množství (0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1; 1,4 a 2 ml) při skluzové rychlosti 0,22 m s -1. Vliv zatížení je posuzován pouze pro hodnoty normálové síly 1 kn a 2 kn (Hertzův tlak 0,33 a 0,42 GPa). Od dalšího zvýšení zatížení je odstoupeno z důvodu nebezpečí vážného opotřebení povrchu kola a tím znehodnocení výsledků dalších měření. Obr. 4-3 Vliv zatížení na součinitel tření Obr. 4-3 ukazuje, že se zvětšující se dávkou maziva se pro sílu 1 kn součinitel tření mírně snižuje obdobně, jak je již uvedeno výše. U měření se zatížením 2 kn má ale součinitel tření při množství maziva 2 ml tendenci narůstat místo klesat. Příčinou této 53

54 VÝSLEDKY skokové změny je opotřebení, které narůstá s kontaktním tlakem. Nadměrné množství maziva v kontaktu tedy nemá zásadní vliv ani na opotřebení, což z další části potvrzuje pracovní hypotézu. Okamžitá hodnota součinitele tření a stav opotřebení příliš nezávisí na množství aplikovaného maziva do kontaktu (ve sledovaném rozsahu), protože velikost (zejména pak výška) nerovností vzniklých opotřebením řádově překračuje tloušťku mazacího filmu, což vede k iniciaci dalšího opotřebení. Pokud je ale uvažován pouze vliv zatížení na součinitel tření, nikoliv vliv opotřebení, které je zatížením způsobeno, tak v měřeném rozsahu není pozorovatelný. Na opotřebeném vzorku kolejnice (obr. 4-4) je znatelný dvojbodový kontakt okolku se vzorkem (kontakty jsou na obrázku zvýrazněny přerušovanou čarou). V kontaktu nacházejícím se přímo pod osou rotace kola (na obrázku levý kontakt) došlo k vyhlazení povrchu vzorku. U kontaktu posunutého ve směru působící trakční síly (pravý kontakt) nastalo mírné abrazivní opotřebení povrchu. Obr. 4-4 Opotřebení vzorku kolejnice při dvojbodovém kontaktu okolku Vývoj součinitele tření a opotřebení při hladovění kontaktu Vývoj součinitele tření a opotřebení je studován při kontaktním tlaku 0,33 GPa a skluzové rychlosti 0,33 m s -1. Před experimentem je na přebroušený povrch kola naneseno 0,4 ml maziva EKO-OK. Aby se zajistilo hladovění kontaktu, tak je následně mazivo setřeno a kolo i vzorek jsou očištěny acetonem, čímž se odstraní kapalný film maziva. Na povrchu kola tak zůstává pevný mezný film maziva (viz kapitola 1.2.1) způsobený jeho aditivy a také malé množství grafitu usazené v povrchových nerovnostech kola. Získaný vývoj součinitele tření v závislosti na uražené skluzové vzdálenosti je zobrazen na obrázku 4-5. Je z něj zřejmé, že aditiva mají příznivý vliv na součinitel tření (μ = 0,14) po přibližně 7,5 metru skluzu (odpovídá 3 otáčkám kola simulátoru a ujetí 570 metrů železničním vozidlem). Poté nastává abrazivní opotřebení (μ = 0,24). Následující otáčka kola je mazána (μ = 0,17) drobnými částicemi, které vznikly při abrazivním opotřebení kola a kolejnice. Při 13. metru skluzu pak dochází k adhezi částic na vzorek kolejnice (μ = 0,4 až 0,7) a experiment je ukončen z důvodu zamezení dalšího poškození povrchu kola. Po experimentu je vzorek vyhodnocen na optickém profilometru Contour GT-X8 od firmy Bruker AXS. Na vzorku jsou patrné známky abrazivního a adhezivního 54

55 VÝSLEDKY opotřebení (viz obr. 4-6a). Vzniklý adhezní svar je tvořen přemístěným objemem materiálu 2 mm 3 a má výšku 0,6 mm (obr. 4-6b). I když byl experiment rychle ukončen, adhezní svar vytvořil na části kola rýhu o hloubce srovnatelné s výškou svaru (obr. 4-6c). Obr. 4-5 Vývoj součinitele tření a opotřebení při hladovění kontaktu μm mm a) b) c) Obr. 4-6 Opotřebení kola a vzorku kolejnice; a) opotřebený povrch vzorku kolejnice, b) adhezní svar, c) opotřebený povrch železničního kola Vývoj součinitele tření a opotřebení při kontaminaci kontaktu vodou Při zatížení vzorku 1 kn a skluzové rychlosti 0,22 m s -1 je zkoumán vliv přítomnosti vody na povrchu kola před i po aplikaci maziva. 2,5 ml vody je naneseno rozprašovačem do dráhy kontaktu. Voda má ale k mastnému povrchu nízkou adhezi (viz obr. 4-7b) a tak je z větší části z povrchu odstraněna ve formě kapek již při nanášení maziva. Množství vody, které se dostane až do kontaktu, je velmi malé, a proto nemá na vývoj součinitele tření pozorovatelný vliv a) b) Obr. 4-7 Kontaminace vodou; a) vývoj součinitele tření, b) nízká adheze vody na mastném povrchu 55

56 VÝSLEDKY Pokud jsou však kontaktní povrchy odmaštěny a kapalný film maziva je nahrazen pouze vodou (20 ml), pak dochází k okamžitému lokálnímu zadírání (na obr. 4-7a zvýrazněno kroužky). Toto zadírání se cyklicky opakuje a v průběhu otáček kola navyšuje lokální hodnotu součinitele tření. Postupně dochází k rýhování povrchů kontaktních těles a k nárůstu (velikosti i počtu) adhezních svarů. Tento vývoj opotřebení může vést až k úplnému zadření. Interval mazání a eliminace zadírání Experiment je proveden při maximálním Hertzovu tlaku 0,48 GPa (normálové zatížení 3 kn) a skluzové rychlosti 0,22 m s -1. Na povrch kola očištěný acetonem je nanesena jedna dávka (0,2 ml) maziva EKO-OK a je sledován vývoj součinitele tření. Množství maziva je voleno s ohledem na potvrzenou pracovní hypotézu a je dáno minimálním množstvím, které čerpadlo mazacího systému dokáže nanést. Na základě 10 provedených měření je zjištěno, že k počátku vývoje zadírání dochází náhodně po uražení 16 až 35 metrů skluzu (odpovídá ujetí vzdálenosti 1,2 až 2,6 km železničním vozidlem). Průměrně nastává zadírání po 20 metrech skluzu (vzdálenost na trati 1,5 km). Touto skluzovou vzdáleností je určen interval mazání. Zásadním zjištěním je, že při další aplikaci maziva během vývoje zadírání (viz obr. 4-8) je tento rozvoj opotřebení eliminován. Železniční vozidlo tak může ujet dalších přibližně 1,5 km před tvorbou nového zadírání a opětovným nanesením maziva. Obr. 4-8 Eliminace vývoje zadírání aplikací maziva Vliv intervalu mazání na opotřebení V návaznosti na předchozí experiment jsou provedeny testy při stejných provozních podmínkách (0,2 ml EKO-OK, p H = 0,48 GPa, u s = 0,22 m s -1 ), ale pro rozdílné intervaly nanášení maziva 240, 800 a 1500 m simulované vzdálenosti. a) b) c) Obr. 4-9 Opotřebené vzorky kolejnice pro daný interval mazání; a) 240 m, b) 800 m, c) 1500 m 56

57 VÝSLEDKY Po dosažení vzdálenosti 10 km (odpovídá 130 metrům skluzu) je opotřebení vzorků kolejnic (viz obr. 4-9) vyhodnoceno. Při mazání každých 240 metrů (s = 3,14 m, spotřeba maziva 0,8 μl m -1 ) dochází pouze k oxidačnímu a mírnému abrazivnímu opotřebení, kdy je ze vzorku odstraněn zoxidovaný povrch kolejnice a dochází k vyleštění povrchu vzorku. Při intervalu mazání 800 metrů (s = 10,5 m, spotřeba maziva 0,25 μl m -1 ) vznikají na vzorku drobné rýhy způsobené malými abrazivními částicemi, které po provedení testu zůstaly v mazivu. V případě, že je mazivo aplikováno vždy po 20 metrech skluzu (simulovaných 1500 m), tak jsou na povrchu kolejnice zřetelné rýhy a malé adhezní svary. Ty sice poukazují na počínající proces zadírání, ale díky správnému intervalu mazání je rozvoj zadírání eliminován. Míra opotřebení je tak vzhledem k ujeté vzdálenosti vozidla a spotřebě maziva (0,13 μl m -1 ) nepatrná. Na obrázku 4-10 je znázorněn výškový profil opotřebení tohoto vzorku po odečtení zaoblení obrysu kolejnice. Pozitivní i negativní nerovnosti dosahují přibližně stejné výšky 0,15 mm. Celkový přemístěný objem materiálu vzorku je 3 mm 3. μm mm Obr D profil povrchu vzorku po 130 m skluzu při aplikaci 0,2 ml maziva každých 20 m skluzu Vliv zatížení na interval mazání Při skluzové rychlosti 0,22 m s -1 jsou hodnoceny vývoje součinitele tření pro zatížení 1, 2 a 3 kn (maximální Hertzův tlak 0,33, 0,42 a 0,48 GPa). Kontaktní povrchy jsou před testy očištěny acetonem. Následně je kontakt bez nanesení maziva zatížen a je sledován vývoj tření do prvního náznaku opotřebení (vývoj obdobný jako na obr. 4-5). Tímto jsou odstraněny mezné mazací vrstvy. Výchozí bod měření je pak dán aplikací dávky (0,2 ml) maziva EKO-OK. V získaných grafech (viz obr. 4-11a, 4-11b, 4-11c) jsou kroužky zvýrazněny místa zadírání a zelenými čarami intervaly aplikace dávky maziva. Interval aplikace není konstantní. Mazivo je naneseno na povrch kola vždy, když dochází k vývoji zadírání. Opět nastává eliminace rozvoje opotřebení. Z porovnání těchto grafů plyne, že doba do počátku procesu zadírání je výrazně závislá na normálovém zatížení kontaktu, který s ostatními faktory udává kontaktní tlak a velikost kontaktní oblasti. Spolu s tím roste také intenzita zadírání, tedy velikost skokové změny hodnoty součinitele tření, což je zřetelné především z vývoje součinitele tření při zatížení kontaktu silou 3 kn (obr. 4-11c). Při tlaku 0,33 GPa je mazivo aplikováno po uražení skluzové vzdálenosti 60 m (cca. 4,6 km trati). Při 0,42 GPa je první interval mazání 37 metrů skluzu (2,8 km trati) a při tlaku 0,48 GPa je naneseno mazivo po dosažení 23. metru skluzu (1,75 km trati). Zmíněné údaje jsou zakresleny na obrázku 4-11d. Závislost kontaktního tlaku na intervalu mazání je pro daný

58 VÝSLEDKY rozsah zatížení téměř lineární. Hodnota spolehlivosti lineární spojnice bodů grafu je 99,94 %. Rovnice této spojnice trendu je vypsána v grafu. a) b) c) d) Obr Vliv zatížení na interval aplikace maziva; a) F n = 1 kn, b) F n = 2 kn, c) F n = 3 kn, d) závislost intervalu mazání na kontaktním tlaku Mini Traction Machine metoda Ball-on-disk Metoda Ball-on-disk je na zařízení MTM použita pro porovnání plastických maziv Mogul EKO-OK a BECHEM Ecorail 8200 a pro ověření výsledků zjištěných na experimentálním zařízení. Trakční a Stribeckova křivka Pro zjištění průběhů trakčních křivek maziv (viz obr. 4-12a) je provedena série měření s plně zaplaveným kontaktem. Kulička je zatížena silou 14,3 N při průměrné rychlosti třecích povrchů 0,4 m s -1, nebo silou 57,3 N při rychlosti 0,8 m s -1. Těmto zatížením odpovídá kontaktní tlak 0,724 a 1,15 GPa. a) b) Obr Porovnání maziv; a) trakční křivky, b) Stribeckovy křivky při 50% SRR 58

59 VÝSLEDKY Hodnota součinitele trakce (obdoba součinitele tření) je určena pro SRR od 0 do 100 %, přičemž se kombinují stavy, kdy rychlost povrchu kuličky je větší než rychlost povrchu disku a obráceně. Obdobně jsou pro plně zaplavený kontakt ocelové kuličky s diskem získány závislosti součinitele tření na rychlosti strhávání maziva do 1,5 m s -1 (části Stribeckovy křivky; viz obr. 4-12b). Testy jsou provedeny pro zatížení kuličky 14,3 a 57,3 N při 50% SRR. 50% poměr skluzu a valení je použit z důvodu přesnějších výsledků, kdy se hodnota součinitele tření se změnou SRR již tak výrazně nemění. Z obou provedených experimentů plyne, že menšího součinitele tření se dosahuje s mazivem Mogul EKO-OK, což potvrzuje výsledky měření na experimentálním zařízení (viz kapitola 4.1.1). Také je vidět posun křivek způsobený změnou kontaktního tlaku, popř. i rychlosti. Výdrž maziv při zvyšování zatížení Výdrž plastických maziv je hodnocena při průměrné rychlosti třecích povrchů 0,4 m s -1 a 50 % SRR (u s = 0,2 m s -1, rychlost povrchu kuličky 0,3 m s -1, rychlost povrchu disku 0,5 m s -1 ). Na disk je naneseno mikropipetou 0,01 ml maziva, což je srovnatelné délkové množství 0,08 ml m -1 s aplikací 0,2 ml maziva na obvod železničního kola. Zatížení kuličky začíná na hodnotě 14,3 N (0,724 GPa) a lineárně narůstá s časem (s dráhou; viz obr. 4-13b). Změna zatížení, kromě zvýšení kontaktního tlaku, také způsobuje vyšší míru vytlačování maziva z kontaktu (viz kapitola 4.2.2) a snižuje tak časovou náročnost měření. Aby nedošlo k poškození zařízení, je test maziva ukončen, pokud součinitel tření dosáhne hodnoty 0,2. V získaných grafech (obr. 4-13a) lze rozlišit tři oblasti, které jsou odděleny modrou čarou. Nejdříve dochází k výraznému nárůstu součinitele tření při vytlačování maziva z kontaktu. Následuje úsek mazaný kapalným mezným filmem. Při dosažení hranice přibližně 10 m skluzu nastává hladovění kontaktu. Za touto hranicí dochází k degradaci pevného mezného filmu a k dalšímu výraznějšímu růstu součinitele tření. a) b) Obr Výdrž maziv při zvyšování zatížení; a) křivky maziv, b) křivka zatížení 59

60 VÝSLEDKY Křivka maziva EKO-OK s aditivy grafitu pro dané podmínky dosahuje hodnoty součinitele tření 0,2 při skluzové vzdálenosti 18 m a zatížení 25 N (0,87 GPa). Plastické mazivo Ecorail 8200 s přísadami bílého tuhého maziva má o 27 % vyšší výdrž (vzhledem k dráze). Stejná hodnota součinitele tření u něj nastává při skluzové vzdálenosti 24,6 m a zatížení 28,7 N (0,91 GPa) Mini Traction Machine metoda Pin-on-disk Metodou Pin-on-disk se studuje vývoj součinitele tření a opotřebení pinu za podmínek čistého skluzu (SRR = 200 %). Vliv velikosti kontaktu, tlaku a rychlosti na součinitel tření Pro testy jsou použity piny o průměru 0,62 a 0,92 mm (kontaktní plocha 0,3 a 0,66 mm 2 ) za rozdílných měrných tlaků (0,05; 0,1 a 0,2 GPa) a skluzových rychlostí (0,1 až 0,4 m s -1 po 0,1 m s -1 ). Na disk je rozetřeno 0,01 ml maziva Ecorail Měření jsou ukončeny po 10 metrech skluzu a je z nich vyhodnocena průměrná hodnota součinitele tření, přičemž se tato hodnota během měření výrazně nemění. Porovnáním těchto údajů je zjištěno, že tlak ani velikost kontaktu (při tlaku 0,1 GPa) nemá v daném rozsahu na součinitel tření pozorovatelný vliv. Potvrzuje se pokles součinitele tření s nárůstem skluzové rychlosti. Hodnoty jsou srovnatelné s daty získanými na experimentálním zařízení při Hertzovu tlaku 0,33 GPa (viz obr. 4-2). Obr Vliv velikosti kontaktu, tlaku a rychlosti na součinitel tření při 200% SRR Vliv druhu maziva na opotřebení Experiment je proveden pro 0,02 ml maziva EKO-OK a Ecorail 8200 při skluzové rychlosti 0,2 m s -1 a tlaku 0,2 GPa (pin o průměru 0,5 mm zatížený silou 40 N). Je sledováno opotřebení pinu a vývoj součinitele tření v závislosti na skluzové vzdálenosti. V první části grafu 4-15a dochází k plastické deformaci pinu (viz obr. 4-15c), která způsobuje snížení kontaktního tlaku přibližně na 0,08 GPa. Od 10 do 30 metrů skluzu opotřebení stabilně narůstá se vzdáleností. Z tohoto úseku je podle vztahu 1.1 vypočítán bezrozměrný koeficient opotřebení K. Závěrečná část grafu je ovlivněna rozšířením na konci pinu (viz obr. 3-16b). Hodnota koeficientu opotřebení K = 0, je pro obě použitá maziva shodná. Z grafu 4-15b je však vidět, že u maziva EKO-OK dochází od 20. metru skluzu k růstu 60

61 VÝSLEDKY součinitele tření, kdežto průběh tření s mazivem Ecorail 8200 je po celou dobu testu stabilní. To potvrzuje vyšší výdrž tohoto maziva. a) b) Obr Vliv druhu maziva při 200% SRR; a) na opotřebení, b) na součinitel tření, c) plastická deformace pinu Vliv teploty na opotřebení S piny o průměru 0,5 mm jsou realizovány testy za běžné (26 C) a snížené (0 C) teploty pro obě plastická maziva. Podmínky měření jsou u s = 0,2 m s -1 a p = 0,2 GPa. Na disk je aplikováno 0,02 ml maziva. Křivky závislosti opotřebení na skluzové vzdálenosti jsou pro obě maziva i teploty totožné. Lze tedy konstatovat, že opotřebení není pro měřený rozsah na změně teploty závislé. c) a) b) Obr Vliv teploty na opotřebení; a) pro mazivo EKO-OK, b) pro mazivo Ecorail Studium distribuce a tloušťky maziva Výsledky obsažené v této kapitole napomáhají k porozumění chování maziv a spolu s předchozími výsledky poskytují komplexní pohled na problematiku železničního kontaktu Experimentální zařízení metoda s reálným vzorkem kolejnice I přesto, že tato metoda není primárně určena pro hodnocení distribuce maziva, je při experimentech pro ověření intervalu mazání zhodnoceno i využití aplikovaného maziva

62 VÝSLEDKY Vliv intervalu mazání na využití aplikovaného maziva Významnou roli při volbě množství a intervalu aplikace maziva hraje i efektivnost využití maziva. Při aplikaci velkého objemu maziva nebo při příliš krátkém intervalu aplikace dochází k vytlačování maziva mimo kontakt. Aby nevnikalo mazivo do kontaktu hlavy kolejnice s běhounem kola, mají tyto modifikátory tření dobrou adhezi k povrchu a vysokou viskozitu. Z tohoto důvodu se už ale vytlačené mazivo z většiny nevrací zpět do původní dráhy kontaktu okolku a zůstává buď úplně nevyužito (případ této modelové situace), nebo je vlivem dynamického chování vozidla na trati redistribuováno na ostatní kola soupravy. Při parametrech experimentu (dávka 0,2 ml EKO-OK, p H = 0,48 GPa, u s = 0,22 m s -1 ) je nanášeno mazivo každých 240, 800 a 1500 m simulované vzdálenosti. Po uražení vzdálenosti 10 km je hodnocena distribuce maziva. V případě intervalu 240 m (obr. 4-17a) je patrné enormní množství vytlačeného maziva mino dráhu kontaktu. U intervalů 800 a 1500 m není rozdíl v množství vytlačeného maziva na železničním kole tak patrný. Ze stopy maziva na vzorcích kolejnice je ale zřejmé, že nejlépe je mazivo využito při intervalu mazání 1500 m (20 m skluzu). a) b) c) Obr Distribuce maziva po vzdálenosti 10 km na kole a kolejnici pro daný interval mazání; a) 240 m, b) 800 m, c) 1500 m Experimentální zařízení optická metoda Výsledky získané optickou metodou na experimentálním zařízení popisují distribuci maziva v simulovaném železničním kontaktu s reálnou geometrií kontaktních těles. Je ale potřebné brát v úvahu četná omezení této metody (nízké zatížení, hydrodynamické jevy, ovlivnění výsledků velikostí pozorovatelné oblasti), které jsou blíže specifikovány v kapitole Vliv kontaktní geometrie, zatížení a množství maziva na míru vytlačování maziva a hladovění kontaktu Na obrázku 4-18a je znázorněn vliv množství maziva, kontaktní geometrie a velikosti zatížení na šířku zaplavení kontaktu při simulované rychlosti železničního vozidla 60 km h -1 (u s = 0,22 m s -1 ). Velikost šířky zaplavení udává míru vytlačování maziva z kontaktu. Mezi každým měřením jsou kolo a čočka očištěny acetonem a na povrch kola je jednorázově naneseno testované množství maziva (0,2, 0,4 nebo 0,6 ml). Profil kola není přebrušován, aby nedošlo k ovlivnění výsledků. Hodnota 62

63 VÝSLEDKY zaplavení je odečtena vždy po 1/8 otáčky kola a v průběhu otáček se cyklicky opakuje. Je zde tedy zřejmá výrazná závislost míry vytlačování maziva na aktuální kontaktní geometrii. Dále je míra vytlačování závislá na množství aplikovaného maziva. Při množství 0,2 ml maziva se pozorovatelná šířka zaplavení pohybuje od 2 do 11 mm. U množství maziva 0,4 ml míra vytlačování maziva narůstá. Při množství 0,6 ml sahá mazivo výrazně mimo pozorovatelnou oblast kontaktu (viz obr. 3-6). Pozorovatelná šířka nabývá hodnot od 8 do 12 mm. Zvýšení zatížení z 1 kn (p H = 0,21 GPa) na 2 kn (p H = 0,26 GPa) má za následek další nárůst míry vytlačování maziva a to především z míst s původně nižší šířkou zaplavení. Kromě šířky je vyhodnocena i délka zaplavení (viz 4-18b), která poukazuje na tendenci kontaktu k hladovění (čím menší délka, tím vyšší riziko hladovění kontaktu). Opět je zde zřejmá závislost na kontaktní geometrii, kde výrazně prodlužují délku zaplavení negativní nerovnosti povrchu kola. Vliv zatížení a množství maziva je srovnatelný s vlivem na šířku zaplavení kontaktu. K hladovění kontaktu nedochází v žádném z provedených testů. Rozměry zaplavení jsou pro obě maziva stejné. a) b) Obr Vývoj zaplavení kontaktu mazivem; a) šířka zaplavení, b) délka zaplavení Vliv rychlosti a množství maziva na zaplavení kontaktu Délka a šířka zaplavení kontaktu je pro stejná množství maziv (0,2, 0,4, 0,6 ml) hodnocena při skluzové rychlosti 0,11, 0,22 a 0,55 m s -1 a kontaktním tlaku 0,26 GPa. Aby se odfiltroval vliv geometrie kontaktu, jsou získaná data statisticky zpracována a řídícím faktorem popisujícím zaplavení kontaktu je medián naměřených hodnot. a) b) Obr Medián zaplavení kontaktu mazivem; a) šířka zaplavení, b) délka zaplavení 63

64 VÝSLEDKY Z obrázku 4-19 je zřejmá tendence snižování velikosti zaplavení kontaktu s rostoucí skluzovou rychlostí. Také je vhodné si povšimnout, že u množství maziva 0,6 ml nemá rychlost na velikost zaplavení kontaktu téměř žádný vliv. Toto množství maziva je tedy nadbytečné. U výsledků zaplavení kontaktu pro maziva EKO-OK a Ecorail 8200 nejsou pozorovány žádné významné rozdíly. Distribuce maziva Během experimentů se skleněným vzorkem je studována distribuce maziva a v něm obsažených částic. V mazivu jsou vidět drobné kovové částice vzniklé opotřebením kola, které procházejí kontaktem a usazují se na povrchu čočky ve výstupní části kontaktu (na obr vlevo). Při větším množství aplikovaného maziva (0,4 ml) a nižších rychlostech (0,11 m s -1 ; viz obr. 4-20a) se mazivo hromadí před kontaktní oblastí ve tvaru menisku a postupně zásobuje kontakt mazacím filmem. Naopak při nižším množství maziva (0,2 ml) a vyšších rychlostech (0,55 m s -1 ; viz obr. 4-20b) není hromadění maziva před kontaktem tak výrazné. Mazivo se spolu s částicemi distribuuje především negativními nerovnostmi povrchu kola. Zároveň ale vniká i do oblastí s vyšším tlakem a odděluje třecí tělesa mazacím filmem. Na obrázku 4-20c je znázorněno rozložení dávky maziva na povrchu kola v dráze kontaktu okolku po uražení 10 metrů skluzu. a) Směr pohybu b) Směr pohybu c) Směr pohybu Obr Distribuce maziva při 0,26 GPa; a) pro 0,4 ml při 0,11 m s -1, b) pro 0,2 ml při 0,55 m s -1, c) detail povrchu kola 64

65 VÝSLEDKY Optický tribometr Na optickém tribometru je studována distribuce maziva a tloušťka mazacího filmu v bodovém kontaktu kuličky a skleněného disku. Hodnoty tloušťky filmu jsou získány pomocí kolorimetrické interferometrie (viz kapitola 3.4.1) Vliv rychlosti a množství maziva na tloušťku mazacího filmu a hladovění kontaktu Série měření je realizována s mazivem EKO-OK při zatížení 60 N (p H = 0,6 GPa). Mazivo je kontinuálně nanášeno do dráhy kontaktu v délkovém množství 10, 6, 4, 2, 1 a 0,5 μl m -1 při relativních rychlostech třecích povrchů 0,25, 0,5, 0,75 a 1 m s -1. Při rychlosti 0,5 m s -1 je proveden test i pro 50% poměr skluzu a valení (rychlost povrchu disku 0,625 m s -1, rychlost povrchu kuličky 0,375 m s -1 ). Z interferenčních snímků kontaktu (viz obr. 4-21) je posuzována hodnota tloušťky mazacího filmu a vzdálenost S okraje menisku mazacího filmu (na snímcích zvýrazněn červenou čarou) od Hertzovy tlakové oblasti kontaktu. (m/s) (SRR) 0,25 0 % 10 μl/m 6 μl/m 4 μl/m 2 μl/m 1 μl/m 0,5 μl/m 0,5 0 % 0,5 50 % S 0,75 0 % Směr pohybu 1 0 % 50 nm 100 nm 150 nm 200 nm 250 nm 300 nm 350 nm 400 nm Obr Interferenční snímky kontaktu Po množství maziva 0,4 μl m -1 při čistém valení je hranice menisku mimo pozorovatelnou oblast mikroskopu. Při snižování množství se vzdálenost menisku maziva od kontaktní oblasti pro všechny rychlosti zkracuje. Při 2 μl m -1 se meniskus dostává do těsné blízkosti kontaktu, který je stále plně zaplaven. Další snížení množství na 1 μl m -1 vede k hladovění kontaktu, kdy se meniskus kryje s hranicí kontaktu a nastává výrazné snížení tloušťky mazacího filmu. Při posledním zmenšení dávkování na 0,5 μl m -1 dochází k protrhávání mazacího filmu a k opotřebení disku. Hranice hladovění kontaktu tedy odpovídá délkovému množství maziva 2 μl m -1. Toto množství je srovnatelné s nanášením 0,2 ml maziva po dobu 3 sekund při rychlosti vozidla 120 km h -1. Z porovnání snímků pro 0% a 50% SRR plyne, že již při větším dávkování je meniskus vlivem skluzu blíže kontaktu. Hranice hladovění ale zůstává stejná. 65

66 VÝSLEDKY Výsledné závislosti jsou zobrazeny na obrázku Minimální tloušťka mazacího filmu je průměrně o 34 % menší než znázorněná centrální tloušťka. a) b) Obr Závislost mazacího filmu na množství maziva; a) tloušťka filmu, b) vzdálenost menisku Průchod maziva kontaktem Při rychlosti 0,5 m s -1 a tlaku 0,6 GPa je studován průchod plastického maziva EKO-OK plně zaplaveným kontaktem za podmínek čistého valení. Na sekvenci snímků je vidět, že přísady maziva různých velikostí vstupují rovnou do kontaktu, aniž by se hromadily na jeho vstupu, nebo by se průchodu kontaktem vyhnuly. Jasně ohraničené částice, na kterých jsou patrné interferenční proužky, představují aditiva grafitu. Tloušťku mazacího filmu také ovlivňují kapalné přísady (nejspíše karboxylové kyseliny), které mají na snímcích modrou až fialovou barvu. Kapalné přísady jsou čiré a tak nejsou mimo kontaktní oblast na rozdíl od tuhých částic viditelné. Za kontaktem vzniká kavitační oblast. 1 2 Směr pohybu Obr Sekvence snímků průchodu maziva EKO-OK kontaktem 66

67 VÝSLEDKY 4.3 Studium kontaktních podmínek Metoda konečných prvků Pro analýzu kontaktních podmínek jsou použity okrajové podmínky odpovídající testům na experimentálním zařízení. Vzájemná poloha vzorku kolejnice a železničního kola je ustavena v programu Autodesk Inventor Následně jsou tělesa importovány ve formátu STEP do softwaru ANSYS Workbench Na základě provedených experimentů je mezi plochami těles nastavena hodnota součinitele tření μ = 0,12. Velikost elementů MKP sítě v místě kontaktu je 0,2 mm. Kolo je fixováno a vzorku je umožněn pohyb ve směru zatížení. Řešení probíhá v několika krocích pro zatížení 1, 2 a 3 kn realizovaných na simulátoru a pro zatížení 40 kn odpovídající etalonu. Získaná poloha kontaktu odpovídá místu opotřebení vzorků (viz obr. 4-9). Tvar kontaktu je téměř eliptický s mírně prohnutou hlavní osou. Přibližné hodnoty maximálního kontaktního tlaku a velikosti poloos kontaktu jsou srovnány s údaji z Hertzovy teorie v tabulce 4-1. Průměrná odchylka tlaku je 16 %. Velikost hlavní poloosy a se liší o 21 % a vedlejší poloosy b o 3 %. S nárůstem zatížení se absolutní odchylka poloosy b zvětšuje z 1 na 9 %. Odchylka poloosy a se mění jen v rozmezí 1 %. Rozdíl kontaktního tlaku se naopak s růstem zatížení snižuje z 19 na 12 % Obr Okrajové podmínky a MKP analýza rozložení kontaktního tlaku při zatížení 40 kn Tab. 4-1 Porovnání kontaktních podmínek zjištěných dle Hertzovy teorie a pomocí MKP analýz Hertzova teorie Metoda konečných prvků Zatížení F n (N) Tlak (GPa) Poloosa a (mm) Poloosa b (mm) Tlak (GPa) Poloosa a (mm) Poloosa b (mm) ,33 1,57 0,92 0,28 2,00 0, ,42 1,98 1,15 0,36 2,50 1, ,48 2,27 1,32 0,41 2,85 1, ,13 5,38 3,13 1,01 6,80 2,85 67

68 DISKUZE 5 DISKUZE Ovlivnění výsledků přesností a omezením experimentální metodiky a jejími prostředky Přesnost a omezení použitých prostředků jsou již popsány v kapitole Materiál a metody. Tato kapitola se zaměřuje na jejich dopad na uváděné výsledky. Hlavním problémem výsledků získaných na experimentálním zařízení je jejich nízká opakovatelnost, která je dána použitím stejného železničního kola pro všechna měření a charakterem kontaktu. Podmínky kontaktu vzorku a kola (a tím i získané výsledky) se tak pro jednotlivé experimenty liší a mění se i v průběhu měření (změny rychlosti, drsnosti a opotřebení kontaktních povrchů). Odchylky výsledků způsobené obvodovým házením kola a nesynchronním pohonem (viz kapitola 3.3) jsou maximálně 17 %, průměrně pak 8,7 %. V závislosti na aktuální rychlosti otáčení kola se také mění délkové množství aplikovaného maziva. Mazivo je dávkováno s přesností ±10 %, přičemž je nutné nejprve provést několik odstřiků pro stabilizaci dávky. Chyba vnesená rozdílným opotřebením, drsností povrchu kola a změnou jeho profilu není lineární. Porovnáním opotřebení vzorků kolejnice z počátku řešení této práce (viz obr. 4-4) a z její konečné fáze (obr. 4-9) je vidět, že došlo ke změně geometrie kola. Dvojbodový kontakt vzorku a kola se vlivem opotřebení a přebrušování povrchu kola mezi měřeními rychle změnil na jednobodový, s kterým bylo provedeno přibližně 90 % experimentů. Zaoblení profilu kola v místě kontaktu se tak změnilo z původních R13 na R14. Tato hodnota je použita pro všechny výpočty a MKP analýzu. Čistě skluzový charakter kontaktu může vést u dlouhodobějších testů k ovlivnění výsledků akumulací teploty. Změna teploty vzorku kolejnice po uražení 130 metrů skluzu byla v těsné blízkosti kontaktu ale pouhých 3 C (11,5 %). Z pohledu opotřebení je mnohem důležitější hodnota skokové (flash) teploty, která je dále diskutována. U výsledků znázorňujících vývoj součinitele tření je potřebné brát v úvahu, že se jedná o střední hodnotu této veličiny (viz kapitola 3.3.2, měřící řetězec trakční síly), nikoliv o hodnotu skutečnou. Experimenty jsou však koncipovány tak, že pro jejich vyhodnocení není skutečná hodnota součinitele tření podstatná. Rozhodující je průběh její střední hodnoty v čase. Obdobně lze v tomto kontextu chápat i výsledky z optické metody, kdy u velikosti zaplavení kontaktu není získána skutečná hodnota, ale pouze hodnota viditelná otvorem držáku. Na optickém tribometru s metodou TFCI je zdrojem chyb kombinace rychlosti povrchů, množství maziva, zatížení a přesnosti samotné metody. Největší nepřesnost způsobuje kontinuální nanášení a stírání maziva z dráhy kontaktu, kdy je obtížné malé množství maziva efektivně odstranit z povrchu bez ovlivnění zatížení kontaktu. Proto jsou z videozáznamu kontaktu vybírány pouze charakteristické snímky pro ustálené zatížení a množství maziva. Nepřesnosti takto získaných dat jsou okolo ±10 %. Výsledky zjištěné metodou Ball-on-disk na zařízení MTM vykazují poměrně dobrou opakovatelnost s odchylkou hodnot součinitele tření ±6,5 %. U metody Pin-on-disk je použit disk o vyšší drsnosti povrchu, než pro jakou je zařízení MTM primárně určeno. To způsobuje, že chyba měření pro rychlosti disku do 0,25 m s -1 je až ±12 %. Pro vyšší rychlosti je přibližně ±7 %. 68

69 DISKUZE Porovnání výsledků získaných rozdílnými metodami a jejich srovnání se současným stavem poznání Rozdíl hodnot, které jsou získány na experimentálním zařízení a metodou Ball-on-disk na optickém tribometru a MTM, lze vzhledem použitým podobnostním kritériím předpokládat okolo 25 % (viz kapitola 3.8.1). Při plně zaplaveném kontaktu mazivem je ale na MTM metodou Ball-on-disk dosaženo polovičních hodnot součinitele tření (viz obr. 4-12), než u experimentálního zařízení (obr. 4-2). Je tedy zřejmé, že k takto velkému zaplavení v kontaktu okolku nedochází. Při použití srovnatelného množství maziva (obr. 4-13) je rozdíl hodnot součinitele tření těchto metod přibližně 16 %. Data jsou tak v předpokládané toleranci a navíc je ověřena i správnost použitého principu porovnání aplikovaného množství maziva. Ten je založen na kombinaci délkového množství maziva a vztahu kontaktních podmínek se zaplavením kontaktu mazivem (viz kapitola 3.8.2). Experiment výdrže maziv při zvyšování zatížení (obr. 4-13) lze srovnat s měřeními na MTM, které provedla Cannová [23] při studiu degradace plastických maziv (viz obr. 5-1a). Výsledky potvrzují, že po ustáleném průběhu součinitele tření dochází k nárůstu jeho hodnoty vlivem hladovění kontaktu a degradace mezného filmu. a) b) Obr. 5-1 Výsledky pro metody Ball-on-disk a Pin-on-disk; a) degradace plastického maziva při tlaku 1 GPa, rychlosti 0,5 m s -1, 10% SRR a teplotě 120 C [23], b) průběh opotřebení pinu [54] Vyšší výdrž maziva Ecorail 8200 a nižší hodnotu součinitele tření před počátkem hladovění kontaktu maziva EKO-OK ověřily i testy metodou Pin-on-disk (obr. 4-15b). Dále je sledováno opotřebení pinu v závislosti na skluzové vzdálenosti (obr. 4-15a, popř. obr. 4-16). Obdobný vývoj opotřebení (viz obr. 5-1b), kdy nejdříve dochází k plastické deformaci pinu (záběh) a následně k ustálenému růstu opotřebení v přímé závislosti na skluzové vzdálenosti, pozoroval ve své práci Andersson [54]. Vyvstává ale otázka, zda lze srovnávat opotřebení získané na MTM s opotřebením z full-scale experimentálního zařízení, které rozhodně lépe přibližuje kontakt okolku k reálným podmínkám. Míru a typ opotřebení specifikují jejich režimy, přechody a parametrické mapy (viz kapitola 1.1.2). Řídícím ukazatelem katastrofického režimu opotřebení, který je charakteristický pro kontakt okolku, je průměrná skoková teplota v kontaktu T fa přesahující hranici 200 C. Její výpočet [45] závisí na tvaru kontaktu a hodnotě Pecletova čísla Pe L. (5.1) 69

70 DISKUZE kde s c - rozměr kontaktu ve směru pohybu, χ - součinitel teplotní vodivosti. Rozměr kontaktu ve směru pohybu je pro kruhový kontakt dán poloměrem pinu (s c = d/2). Téměř eliptický kontakt okolku na experimentálním zařízení je pro výpočty skokové teploty aproximován obdélníkem (liniový kontakt). Rozměry kontaktu jsou brány z Hertzovy teorie a platí s c = a. Pro kruhový kontakt pinu s 0,1 < Pe L < 5 je průměrná skoková teplota dána vztahem kde C c - lineární koeficient kruhového kontaktu (C c = 0,85 pro Pe L = 0,1 a C c = 0,35 pro Pe L = 5), λ - součinitel tepelné vodivosti. Pro kruhový kontakt pinu s Pe L > 5 je průměrná skoková teplota (5.2) ( ) (5.3) Pro kontakt okolku aproximovaný liniovým kontaktem s 0,1 < Pe L < 5 platí kde C 3 - koeficient liniového kontaktu (viz obr. 5-2). (5.4) Obr. 5-2 Graf pro určení koeficientu při výpočtu skokové teploty [45] Pro kontakt okolku aproximovaný liniovým kontaktem s Pe L > 5 je ( ) (5.5) 70

71 DISKUZE K výpočtu skokovému nárůstu teploty jsou použity hodnoty μ = 0,12, d = 0,5 mm, -1 λ = 46,7 W m -1 K a χ = 13, m 2 s -1. Jedná se o přírůstek teploty, takže skutečná teplota v kontaktu je ještě vyšší o akumulovanou teplotu třecích těles a teplotu prostředí (26 C). Z vypočtených hodnot pro celý rozsah zařízení MTM2 (viz tabulka 5.1) plyne, že skoková teplota v kontaktu pinu a disku je i při limitních možnostech zařízení pro dosažení katastrofického režimu opotřebení příliš nízká. Když porovnáme hodnotu bezrozměrného koeficientu opotřebení K = 0, získanou z experimentů s parametrickými mapami dle Lewise a Olofssona (viz obr. 1-5), tak se nacházíme v režimu mírného opotřebení, který je typický pro kontakt běhounu kola, nikoliv okolku. Tab. 5-1 Přírůstky průměrné skokové teploty ( C) pro metodu Pin-on-disk na zařízení MTM2 Zatížení F n (N) Skluzová rychlost u s (m s -1 ) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 1,0 4,0 15 2,90 5,04 6,43 7,06 6,94 10,84 * 21,67 * 30 5,80 10,08 12,86 14,13 13,88 21,67 * 43,35 * 45 8,70 15,13 19,29 21,19 20,82 32,51 * 65,02 * 60 11,59 20,17 25,72 28,25 27,76 43,35 * 86,69 * 75 14,49 25,21 32,15 35,32 34,71 54,18 * 108,37 * * Pe L > 5 Naproti tomu přírůstky průměrné skokové teploty pro aproximovaný kontakt okolku kola a kolejnice odpovídají hranici mezi těžkým a katastrofickým režimem opotřebení. Opotřebení získané těmito prostředky tedy není srovnatelné. Tab. 5-2 Přírůstky průměrné skokové teploty ( C) pro aproximovaný kontakt okolku s kolejnicí Zatížení Skluzová rychlost u s (m s -1 ) F n (N) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 1, ,92 * 85,99 105,31 121,60 135,96 148,93 192, ,84 * 121,56 148,88 171,91 192,21 210,55 271, ,00 * 148,92 182,39 210,61 235,47 257,94 333, ,34 543,55 665,70 768,69 859,42 941, ,40 * 0,1 < Pe L < 5 Kombinace abrazivního a adhezivního opotřebení viditelná na vzorcích kolejnice potvrzuje tyto režimy. Během testu vývoje opotřebení při hladovění kontaktu (viz obr. 4-5) nastává úsek, ve kterém je před výraznějším opotřebením kontakt mazán drobnými kovovými částicemi. Přítomnost částic v kontaktu je ověřena i optickou metodou (obr. 4-20). Tato zjištění potvrzují Descartresova tvrzení o tzv. Third-body směsi v kontaktu (viz kapitola 1.2.1). Bez přítomnosti dalšího maziva plní ale kovové částice funkci tuhých maziv jen krátkou dobu a podílejí se pak dále na opotřebení. Vývoj počátku procesu zadírání, který je pozorován při měřeních na experimentálním zařízení, se shoduje se studií provedenou Markovem [55] s železničními materiály metodou Twin-disk. Lokální nárůsty součinitele tření jsou způsobeny rýhováním (scoring), což je stádium adhezního opotřebení, kdy dochází k plastické deformaci obou třecích povrchů za tvorby tvrdých (přibližně 1,6krát tvrdost základního materiálu) výběžků (rider) a drážek. Vlivem skluzu a kontaktní 71

72 DISKUZE teploty se tvoří adhezní svary a dochází k hrubému poškození povrchu (především tvrdšího) tělesa. Tento stupeň adhezního opotřebení se nazývá odírání (galling) a jeho následky jsou znázorněny na obrázku 4-6c. K takto enormnímu poškození povrchu kola by však v reálných podmínkách nejspíše nedošlo, protože vzniklý adhezní svar (viz obr. 4-6b) by byl vlivem dynamického chování vozidla na trati odstraněn. Podobně je tomu i u distribuce maziva, pro kterou jsou dynamické jevy podstatné. Změnilo by se vytlačování maziva, jeho hromadění před kontaktem včetně efektivnosti a redistribuce maziva na ostatní kola soupravy. Vzhledem k povaze kontaktu v používaných laboratorních metodách, ale může dojít na těchto zařízeních až k úplnému zadření (full seizure; viz obr. 5-3a). Markov ve své práci konstatuje, že použití acetonu k očištění povrchů před experimenty, který je použit i v této studii, je postačující pro získání uspokojivých výsledků zaměřených na opotřebení. Pro přesné zjištění okamžiku tvorby zadírání je ale potřebné kontaktní povrchy vyleštit. Leštěním jsou kompletně odstraněny příměsi maziva a nežádoucí vliv drsnosti, který silně ovlivňuje kvalitu vyčištění povrchu a tím i dobu do protržení mazacího filmu (intervalu mazání). Proto při měřeních za stejných podmínek (viz obr. 4-8 a 4-11c) dochází k počátku vývoje zadírání náhodně po uražení 16 až 35 metrů skluzu. V praxi ale bude zadírání opravdu nastávat náhodně a tak je vhodnější aplikovat menší množství maziva během kratších intervalů, než větší množství maziva při delších intervalech mazání. Toto tvrzení má samozřejmě svá omezení. Při zběžných pokusech snížením dávky maziva na 0,1 ml dochází k případům, kdy zadírání není již tak malým množstvím maziva eliminováno. Stejně tak závislost intervalu mazání na kontaktním tlaku se v rozsahu 0,33 až 0,48 GPa zdá lineární (obr. 4-11d). Lze však předpokládat, že s rostoucím tlakem a velikostí kontaktu bude docházet k efektivnějšímu využití maziva a interval mazání se už nebude výrazně zkracovat. Aby dokázal mazací systém pružně reagovat na případné změny dávky maziva či délky jeho aplikace, bylo by vhodné mísit mazivo se vzduchem až těsně před tryskou, nikoliv hned za mazacím přístrojem jak je tomu doposud (viz kapitola 3.3). Dochází tím k zbytečným časovým prodlevám, než je požadovaná směs přivedena k trysce hadicí (nutnost odstřiků pro stabilizaci dávky). b) a) c) Obr. 5-3 Výsledky metody Twin-disk [55]; a) vývoj součinitele tření, b) scoring, c) galling Experimenty zaměřené na přítomnost vody v kontaktu (obr. 4-7) poukázali na okamžitou tendenci kontaktu k zadírání při nahrazení plastického maziva vodou. Na druhou stranu Jin [12] při měřeních metodou Twin-disk (viz kapitola 1.1.3) v dlouhodobých testech vodou opotřebení úspěšně redukoval (oproti nemazanému kontaktu) bez zadření. Příčinou tohoto rozporu jsou rozdílné SRR a aplikace modifikátoru tření. Na experimentálním zařízení je 200% SRR a voda je nanesena 72

73 DISKUZE jednorázově. Měření na Twin-disku je provedeno při přibližně 3% SRR a kontinuální aplikaci vody na disk, která zajišťuje neustálé zaplavení kontaktu. Nedojde tak k hladovění kontaktu vlivem jejího vytlačení mimo kontakt. Voda tedy není vhodná pro intervalové mazání a navíc napomáhá k šíření únavových trhlin (viz kapitola 1.1.1). Jelikož se na trať běžně nedostává žádné přírodní odmašťovadlo, které by odstranilo mastný film zanechaný na kolejích po použití plastického maziva, tak je vlivem nižší adheze vody na povrch kolejnic omezen i její dopad na únavové opotřebení. Hranici hladovění kontaktu nalezené na optickém tribometru (obr. 4-22) odpovídá parametr mazání přibližně Λ = 5 (h min = 100 nm, R red = 0,02 μm; viz kapitola 1.2). Tato hodnota se shoduje s obecnou teorií mazání [14] a udává přechod z EHD do smíšeného režimu mazání. Režim mazání na experimentálním zařízení lze odhadnout z tloušťky mazacího filmu před vstupem do kontaktu h. Při aproximaci rozložení maziva na povrchu kola kolmo na směr pohybu kruhovou úsečí o délce tětivy rovnající se šířce nástřiku (30 mm; viz tab. 3-2) a o obsahu úseče podle délkového množství maziva (0,08 mm 2 pro dávku 0,2 ml) je h = 4000 nm. Pokud by byla tato tloušťka zachována i při průchodu maziva kontaktem, tak je Λ = 1 (R red = 3,9 μm), což odpovídá hranici smíšeného a mezného režimu mazání. Minimální tloušťka mazacího filmu je ale v kontaktu mnohem nižší (dle Hamrocka a Dowsona = 78 nm pro u s = 0,22 m s -1 a F n = 3 kn; Λ = 0,02) a tak nastává pravděpodobně pouze mezné mazání, přičemž je mazivo distribuováno především povrchovými nerovnostmi, které přispívají k zaplavení kontaktu (viz kapitola 4.2.2). Rozdíl mezi režimem mazání u optického tribometru a experimentálního zařízení je způsoben odlišnou drsností kontaktních těles. Pro dvojbodový kontakt kola a kolejnice je použití výpočtů kontaktních podmínek založených na poloprostorovém předpokladu deformace nevhodné (viz obr. 1-11, kap. 1.3). Výsledky MKP analýzy (viz kap ) však dokazují, že vzhledem ke změně zaoblení profilu kola a realizaci pouze jednobodového kontaktu okolku bez kontaktu hlavy kolejnice lze v této práci dobře aplikovat i Hertzovu teorii omezenou těmito předpoklady. Průměrná odchylka hodnot řešení, které jsou zjištěny těmito přístupy, se nachází v předpokládaném rozmezí 25 % (viz kapitola 3.8.1). Během měření se potvrdila pracovní hypotéza. První část hypotézy (Míra a typ opotřebení okolku kola a kolejnice jsou podmíněny množstvím a intervaly aplikovaného maziva do jejich kontaktu.) je ověřena na experimentálním zařízení při testech s hladovějícím kontaktem a pro odlišné intervaly mazání (obr. 4-5 až 4-11). Krátkodobé experimenty (obr. 4-1 až 4-3) s rozdílným množstvím maziva potvrdily druhou část hypotézy (Nadměrná koncentrace maziva v kontaktu nemá na součinitel tření a opotřebení významný vliv.). Tuto část také podporují výsledky znázorňující míru vytlačování maziva z kontaktu (obr a 4-19). Nalezením vhodného množství (0,2 ml) a intervalu aplikace (20 metrů skluzu) maziva se také podařilo nalézt odpověď na vědeckou otázku (Jaké je množství aplikovaného maziva potřebného pro udržení minimální tloušťky mazacího filmu, u které ještě nedochází k výraznému opotřebení okolku kola a kolejnice?). 73

74 DISKUZE 5.1 Shrnutí výsledků a jejich význam Celkově bylo provedeno přibližně 30 experimentů zahrnujících 240 měření. Část měření byla úvodních a některé byly opakovány pro dosažení vyšší přesnosti výsledků. Výsledkem práce nejsou pouze získaná data a poznatky, ale také samotná metodika a její prostředky. Dosažené výsledky diplomové práce jsou následující: Komplexní pojetí řešení problematiky za pomocí kombinace prostředků Experimentálního simulátoru kontaktu kola a kolejnice, zařízení Mini Traction Machine, optického tribometru a metody konečných prvků včetně jejich teoretického i experimentálního porovnání. Použití inovativního přístupu studie distribuce maziva v kontaktu skleněné čočky a reálného železničního kola. Návrh, konstrukce, realizace a ověření funkčnosti měřícího řetězce trakční (třecí) síly včetně měřícího softwaru se zpětnou kontrolou aliasingu. Vytvoření samostatného základového rámu experimentálního zařízení a tím snížení zástavbového prostoru zařízení v laboratoři. Parametrická studie vlivu provozních podmínek (zatížení, rychlost, skluzová vzdálenost, mazání, kontaminace) na tribologické aspekty kontaktu okolku železničního kola a kolejnice (tření, opotřebení, distribuce maziva). Nalezení vhodného množství a intervalu aplikace maziva vzhledem k eliminaci vývoje zadírání, redukci opotřebení, efektivnosti mazání a spotřebě maziva. Porovnání plastických maziv určených pro ztrátové mazání okolků. Obecná doporučení pro množství a intervaly nanášení maziva a pro mazací systémy. Potvrzení pracovní hypotézy a zodpovězení vědecké otázky diplomové práce. Údaje získané v tomto experimentálním studiu jsou přínosné nejen pro další výzkum, ale v rámci projektu MPO i pro průmyslový vývoj prototypu adaptivního mazacího systému firmy Tribotec. Na poli výzkumu můžou data posloužit například k predikci vhodného způsob mazání okolků a k pochopení mechanizmů opotřebení a distribuce maziva v železničním kontaktu. Také doplňují parametry málo prozkoumanou oblast kontaktu okolku. Ve firmě Tribotec jsou tato data klíčová pro snížení spotřeby aktuálně používaných plastických maziv, zmírnění opotřebení okolků kol i kolejnic a v neposlední řadě ke zvýšení konkurenceschopnosti této české firmy. Na skutečné trati řídící modul mazacího systému využívající GPS přepočítá tyto modelová data pomocí opravných koeficientů vyjadřujících jednotlivé vlivy aktuálních podmínek kontaktu (poloměr traťového oblouku, dynamické jevy, druh železničního vozidla, počet dvojkolí soupravy, klimatické podmínky, atd.). 74

75 ZÁVĚR 6 ZÁVĚR Diplomová práce se zabývá experimentálním studiem vlivu provozních podmínek na tribologické aspekty kontaktu okolku železničního kola a kolejnice. V kontaktu okolku dochází k těžkému až katastrofickému režimu opotřebení, které nejenže zvyšuje náklady na údržbu železničního systému a zhoršuje efektivnost pohybu vozidla na trati, ale ovlivňuje také bezpečný, spolehlivý a ekologický provoz této dopravy. I přesto je však oblast kontaktu okolku zatím nedostatečně prozkoumána a mnohé výzkumy v této oblasti končí hypotézami, které je nutné prokázat či vyvrátit. Tato skutečnost potvrzuje aktuálnost řešeného tématu. V diplomové práci je shrnut současný stav poznání, který rozděluje a hodnotí předchozí studia dané problematiky z pohledu zkoumaných vlivů provozních podmínek, chování maziva v kontaktu a numerických simulací. Dále je detailně specifikována použitá experimentální metodika pro řešení práce včetně aplikovaných prostředků (zařízení, software, metody, materiály) a jejich úprav a teoretického porovnání. Uváděné výsledky sledovaných parametrů (tření, opotřebení, distribuce a tloušťka maziva, kontaktní podmínky) jsou získány pomocí tří zařízení a šesti metod, kdy se jednotlivé přístupy řešení podílejí na celkovém hodnocení daného parametru. Získaná data se navzájem porovnávají, diskutují a jsou z nich vyvozeny závěry, přičemž jsou uvedeny i vnesené chyby, nedostatky a zjednodušení ovlivňující výsledky. Součástí práce jsou mimo tištěných příloh taktéž datové přílohy na záznamovém médiu zahrnující data k uvedeným grafům, numerické a analytické výpočty, měřící software a aktualizovaný 3D model experimentálního zařízení (viz Příloha 1). Vytyčený cíl práce byl splněn v plném rozsahu včetně potvrzení pracovní hypotézy a zodpovězení vědecké otázky. Hlavní část výsledků práce je získána na Experimentálním simulátoru kontaktu kola a kolejnice v rámci projektu FR-TI3/442 za podpory Ministerstva průmyslu a obchodu a firmy Tribotec, spol. s r.o. Kromě parametrické studie vlivu provozních podmínek na tribologické aspekty kontaktu okolku železničního kola a kolejnice je nalezena kombinace množství a intervalu aplikace maziva, která nejenže eliminuje vývoj zadírání a výrazně tak redukuje opotřebení v simulovaném kontaktu, ale je vhodná i z pohledu efektivnosti mazání a celkové spotřeby maziva. Výsledkem řešení diplomové práce v kategoriích definovaných pro základní výzkum v souladu s platnou Metodikou hodnocení výsledků výzkumných organizací a hodnocení výsledků ukončených programů [56] je článek ve sborníku (kategorie D). Výsledky zaměřující se na opotřebení byly prezentovány na mezinárodní konferenci STLE 68th Annual Meeting & Exhibition v Detroitu [57]. Průběžně byly výsledky publikovány firmě Tribotec. Je také uvažována publikace dosažených výsledků v impaktovaných časopisech, která je ale z časového hlediska nad rámec diplomové práce. V průběhu práce vyvstávají nové otázky a hypotézy, které nabádají k dalšímu studiu. Například by bylo vhodné zkonstruovat zařízení, které by umožňovalo aplikovat i dynamické jevy typické pro kolejovou dopravu a experimentálně pak stanovit koeficienty vyjadřující jednotlivé vlivy aktuálních podmínek kontaktu a odladit je na skutečné železniční síti. Popř. studovat kontaktní podmínky pomocí pozorované fotoelasticimetrie čočky. 6 75

76 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 7 BIBLIOGRAFIE [1] Wheel-rail interface handbook. 1st pub. Editor R. Lewis, U. Olofsson. Cambridge: Woodhead, 2009, xxii, 842 s. Woodhead publishing in mechanical engineering. ISBN [2] CLAYTON, P. Tribological aspects of wheel-rail contact: a review of recent experimental research. Wear. 1996, roč. 191, 1-2, s ISSN DOI: / (95) Dostupné z: [3] OLOFSSON, U. Tribology of the Wheel Rail Contact. Handbook of railway vehicle dynamics. Boca Raton: CRC/Taylor, c2006, s ISBN [4] OLOFSSON, U. a T. TELLISKIVI. Wear, plastic deformation and friction of two rail steels - a full-scale test and a laboratory study. Wear. 2003, roč. 254, 1-2, s ISSN DOI: /S (02) Dostupné z: [5] LEWIS, R. a R. DWYER-JOYCE: Industrial Lubrication Practice - Wheel/Rail Tribology. Handbook of lubrication and tribology. 2nd ed. Boca Raton: CRC Press, 2006, ISBN [6] ČESKÉ DRÁHY, Divize dopravní cesty. ČD S 67 - Vady a lomy kolejnic. DEBORA. Praha, 1997, 120 s. Dostupné z: [7] LEWIS, R. a U. OLOFSSON. Mapping rail wear regimes and transitions. Wear. 2004, roč. 257, 7-8, s ISSN DOI: /j.wear Dostupné z: [8] LEWISA, R. a R. S. DWYER-JOYCE. Wear mechanisms and transitions in railway wheel steels. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. 2004, roč. 218, č. 6, s ISSN DOI: / Dostupné z: [9] SUNDH, J., U. OLOFSSON a K. SUNDVALL. Seizure and wear rate testing of wheel-rail contacts under lubricated conditions using pin-on-disc methodology. Wear. 2008, roč. 265, 9-10, s ISSN DOI: /j.wear Dostupné z: [10] SUNDH, J. a U. OLOFSSON. Seizure mechanisms of wheel-rail contacts under lubricated conditions using a transient ball-on-disc test method. Tribology International. 2008, roč. 41, 9-10, s ISSN x. DOI: /j.triboint Dostupné z: [11] EADIE, D. T., D. ELVIDGE, K. OLDKNOW, R. STOCK, P. POINTNER, J. KALOUSEK a P. KLAUSER. The effects of top of rail friction modifier on wear and rolling contact fatigue: Full-scale rail-wheel test rig evaluation, analysis and modelling. Wear. 2008, roč. 265, 9-10, s ISSN DOI: /j.wear Dostupné z: 76

77 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [12] JIN, Y., M. ISHIDA a A. NAMURA. Experimental simulation and prediction of wear of wheel flange and rail gauge corner. Wear. 2011, roč. 271, 1-2, s ISSN DOI: /j.wear Dostupné z: [13] VAIČINAS, G. a L. P. LINGAITIS. The influence of railroad curves on the wear of lubricated and unlubricated wheel flanges. In: Eksploatacja i Niezawodność: biuletyn informacyjny / Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne, Instytut Zastosowań Techniki w Lublinie. Nr. 3 (47), 2010, s ISBN ISSN Dostupné z: [14] Tribologické aspekty kontaktních povrchů. In: Ústav konstruování [online]. 2005, 2008 [cit ]. Dostupné z: [15] ANGHEL, V., C. BOVINGTON a H. A. SPIKES. Thick-boundary-film formation by friction modifier additives. Lubrication Science. 1999, roč. 11, č. 4, s ISSN DOI: /ls Dostupné z: [16] RATOI, M., V. ANGHEL, C. BOVINGTON a H.A. SPIKES. Mechanisms of oiliness additives. Tribology International. 2000, roč. 33, 1-4, s ISSN x. DOI: /S X(00) Dostupné z: [17] SVOBODA, P. Experimentální studium utváření mazacích filmů při reverzaci a rozběhu třecích povrchů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Disertační práce. Vedoucí práce Prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. [18] HUANG, H.D., J.P. TU, L.P. GAN a C.Z. LI. An investigation on tribological properties of graphite nanosheets as oil additive. Wear. 2006, roč. 261, č. 2, s ISSN DOI: /j.wear Dostupné z: [19] DESCARTES, S., A. SAULOT, C. GODEAU, S. BONDEUX, C. DAYOT a Y. BERTHIER. Wheel flange/rail gauge corner contact lubrication: Tribological investigations. Wear. 2011, roč. 271, 1-2, s ISSN DOI: /j.wear Dostupné z: [20] LARSSON, P. O., R. LARSSON, A. JOLKIN a O. MARKLUND. Pressure fluctuations as grease soaps pass through an EHL contact. Tribology International. 2000, roč. 33, 1-4, s ISSN x. DOI: /S X(00) Dostupné z: [21] ERIKSSON, P., V. WIKSTRÖM a R. LARSSON. Grease passing through an elastohydrodynamic contact under pure rolling conditions. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology , roč. 214, č. 4, s ISSN DOI: / Dostupné z: 77

78 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [22] ERIKSSON, P., V. WIKSTRÖM a R. LARSSON. Grease soap particles passing through an elastohydrodynamic contact under side slip conditions. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology , roč. 214, č. 4, s ISSN DOI: / Dostupné z: [23] CANN, P.M. Grease degradation in a bearing simulation device. Tribology International. 2006, roč. 39, č. 12, s ISSN x. DOI: /j.triboint Dostupné z: [24] TELLISKIVI, T. a U. OLOFSSON. Contact mechanics analysis of measured wheel-rail profiles using the finite element method. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2001, roč. 215, č. 2, s ISSN DOI: / Dostupné z: [25] ZHANG, J., S. SUN a X. JIN. Numerical Simulation of Two-Point Contact Between Wheel and Rail. Acta mechanica solida Sinica: the official journal of the Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics. 2009, Vol. 22, No. 4, s ISSN DOI: /S (09) [26] SPIRYAGIN, M., K. S. LEE, H. H. YOO, O. KASHURA a S. POPOV. Numerical calculation of temperature in the wheel-rail flange contact and implications for lubricant choice. Wear. 2010, roč. 268, 1-2, s ISSN DOI: /j.wear Dostupné z: [27] MOLNÁR, Z. Úvod do základů vědecké práce: SYLABUS pro potřeby semináře doktorandů. In: FAME [online]. Zlín, 2006 [cit ]. Dostupné z: klady_v deck pr ce.doc [28] NEPOVÍM, R. Konstrukce experimentálního zařízení pro studium mazání okolků kolejových vozidel. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Diplomová práce. Vedoucí práce Ing. Martin Hartl, Ph.D. [29] Dokumentace OK - 02: Mazání okolků lokomotiv. TRIBOTEC. TriboTec - centrální mazání [online]. [2010] [cit ]. Dostupné z: 02.pdf [30] ŠTĚNIČKA, P. Stend pro analýzu přístroje k mazání okolků kolejových vozidel. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Diplomová práce. Vedoucí práce prof. RNDr. Ing. Josef Nevrlý, CSc. [31] KOTRBA, A. Minimalizace opotřebení jízdních obrysů kol dvojkolí železničních kolejových vozidel v provozních podmínkách depa kolejových vozidel. Pardubice: Dopravní fakulta Jana Pernera v Pardubicích, s. Disertační práce. Vedoucí práce doc. Ing. Jaromír Zelenka, CSc. [32] S9 Force Transducer. HBM - měřící technika [online] [cit ]. Dostupné z: [33] Digitální otáčkoměr DT-2 L/K. Voltcraft [online] [cit ]. Dostupné z: 78

79 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [34] Standard BK7 Rectangular Cylindrical Plano-Convex Lenses. CVI Laser Optics and Melles Griot [online] [cit ]. Dostupné z: Convex-Singlet-Lenses-Standard.aspx [35] User guide and specifications NI USB National Instruments [online] B-01, December National Instruments Corporation, 2013 [cit ]. Dostupné z: [36] Precision rail guides. SKF.com [online]. 4183EN B [cit ]. Dostupné z: [37] KŘUPKA, I. et al, ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ, FSI VUT v Brně. Studium mazacích filmů kolorimetrickou interferometrií. Strojárstvo [online]. Žilina: MEDIA/ST, 2011, roč. 2011, č. 3, 66/4-68/6 [cit ]. ISSN Dostupné z: [38] HARTL, M., et al. Thin film lubrication study by colorimetric interferometry. Tribology Series. 2000, č. 38, s DOI: /S (00) Dostupné z: [39] POLIŠČUK, R. Aplikace barevného vidění při studiu elastohydrodynamického mazání. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Disertační práce. [40] HARTL, M. Měření a studium velmi tenkých mazacích filmů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Habilitační práce. [41] SPIKES, H. Advances in the Study of Thin Lubricant Films. New directions in tribology: plenary and invited papers from the First World Tribology Congress. Bury St Edmunds: Mechanical Engineering Publications for the Institution of Mechanical Engineers, 1997, s ISBN [42] MTM2 Mini-Traction Machine. PCS Instruments: Tribology Test Equipment, Traction Machines, Testing Fuels [online]. V [cit ]. Dostupné z: [43] ČSN Ocel [s.l.]: Úřad pro normalizaci a měření, , 16 s. [44] PETRUŠKA, J. Počítačové metody mechaniky II: Metoda konečných prvků [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2001 [cit ]. Dostupné z: [45] STACHOWIAK, G. Engineering tribology. 3rd ed. Amsterdam: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005, xxiv, 801 s. ISBN [46] KŘUPKA, I. Studium elastohydrodynamického mazání bodových kontaktů strojních soustav. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Habilitační práce. [47] HAMROCK, B. J. a D. DOWSON. Minimum Film Thickness in Elliptical Contacts for Different Regimes of Fluid-Film Lubrication. Elastohydrodynamics and Related Topics (Proceedings of the 5th Leeds-Lyon Symposium on Tribology). London: Mechanical Engineering Publications Limited, 1977, s

80 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [48] POPOVICI, R. I. Friction in wheel-rail contacts. Enschede: University of Twente [Host], ISBN [49] POPOVICI, G. Effects of lubricant starvation on performance of elastohydrodynamically lubricated contacts. Enschede: University of Twente, ISBN [50] DAMIENS, B., C. H. VENNER, P. M. E. CANN a A. A. LUBRECHT. Starved Lubrication of Elliptical EHD Contacts. Journal of Tribology. 2004, roč. 126, č. 1, s ISSN DOI: / Dostupné z: [51] SOBAHAN, M., H. SHINICHIRO a O. NOBUYOSHI. High pressure tribological behavior of vegetable oil as lubricant. In: International Conference on Mechanical Engineering Dhaka: ICME, 2007, s Dostupné z: 07.pdf [52] CHINNADURAI, K. a M. KASIVISWANATHAN. Biofuel's engineering process technology: Rheological Characterization of Bio-Oils from Pilot Scale Microwave Assisted Pyrolysis. Rijeka: InTech, 2011, s ISBN [53] Bílá tuhá maziva - Správný krok v tribologii. TRIBOLÓGIA [online] [cit ]. Dostupné z: /bila-tuha-maziva-spravny-krok-v-tribologii.html [54] ANDERSSON, S. Wear Simulation. Advanced knowledge application in practice [online]. Ed. I. Fürstner. Rijeka: InTech, 2010, s [cit ]. ISBN [55] MARKOV, D. Laboratory tests for seizure of rail and wheel steels. Wear. 1997, roč. 208, 1-2, s ISSN DOI: /S (96) Dostupné z: [56] Česká republika. Metodika hodnocení výsledků výzkumných organizací a hodnocení výsledků ukončených programů. In: 1417/2013-RVV. Praha, [57] OMASTA M., FRÝZA J., KŘUPKA I., HARTL M., An experimental approach to the study of rail wheel/flange lubrication. STLE Annual Meeting & Exhibition. Detroit,

81 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN 8 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN 8 Zkratka 2D 3D ASTM AW CEC CMOS ČSN EN ČSN DAQ DIN DPH EHD EHL EP FM GPS ISO KTH MKP MPO MTM NI ORE PCC RCF SRR STLE TFCI TGV UIC Význam Two Dimensional Three dimensional American Society for Testing and Materials Antiwear Co-ordinating European Council Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Eurokód nahrazující ČSN Česká technická norma Data acquisition Deutsche Industrie-Norm Daň z přidané hodnoty elastohydrodynamické Elastohydrodynamic lubrication Extreme pressure Friction modifier Global Positioning System International Organization for Standardization Kungliga Tekniska högskolan (Royal Institute of Technology) Metoda konečných prvků Ministerstvo průmyslu a obchodu Mini Traction Machine National Instruments Ore Research & Exploration Phantom Camera Control Rolling contact fatigue Slide to Roll Ratio Society of Tribologists and Lubrication Engineers Thin Film Colorimetric Interferometry Train à Grande Vitesse (High Speed Train) International Union of Railways Symbol Jednotka Popis C 3 1 koeficient liniového kontaktu C c 1 lineární koeficient kruhového kontaktu D s -1 smykový spád (gradient rychlosti) E' Pa redukovaný modul pružnosti E 1, E 2 Pa Youngův modul pružnosti třecího povrchu 1, resp. 2 F f N třecí síla F lat N laterální síla F n N normálová síla F ver N vertikální síla G 1 bezrozměrný parametr materiálů H c 1 bezrozměrná centrální tloušťka mazacího filmu H min 1 bezrozměrná minimální tloušťka mazacího filmu K 1 bezrozměrný koeficient opotřebení (Archard) 81

82 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN L 1 Moesův bezrozměrný parametr materiálů M 1 Moesův bezrozměrný parametr zatížení Pe L 1 Pecletovo číslo R' m redukovaný poloměr křivosti R a m střední aritmetická úchylka profilu třecího povrchu R red m redukovaná drsnost třecích povrchů R x m redukovaný poloměr třecích povrchů ve směru osy x R y m redukovaný poloměr třecích povrchů ve směru osy y S m vzdálenost okraje menisku mazacího filmu od Hertzovy tlakové oblasti kontaktu SRR 1 poměr skluzu a valení T fa C průměrná skoková teplota v kontaktu U 1 bezrozměrný parametr rychlosti V m 3 objem opotřebení W 1 bezrozměrný parametr zatížení a m délka hlavní poloosy kontaktu b m délka vedlejší poloosy kontaktu b maz m šířka aplikace maziva b zap m šířka zaplavení kontaktu d m průměr pinu h Pa tvrdost materiálu h m tloušťka mazacího filmu před vstupem do kontaktu h c m centrální tloušťka mazacího filmu h min m minimální tloušťka mazacího filmu i 1 poměr dopředné a skluzové rychlosti vozidla k 1 parametr elipticity 1 zjednodušený parametr elipticity p Pa tlak, měrný tlak p H Pa maximální Hertzův tlak r m poloměr železničního kola r 1x, r 2x m poloměr třecího povrchu 1, resp. 2 ve směru osy x r 1y, r 2y m poloměr třecího povrchu 1, resp. 2 ve směru osy y s m skluzová vzdálenost s c m rozměr kontaktu ve směru pohybu (Pecletovo číslo) s x m vertikální vzdálenost mezi kontakty běhounu kola a okolku kola s kolejnicí u 1, u 2 m s -1 rychlost třecího povrchu 1, resp. 2 ve směru osy x u e m s -1 průměrná rychlost třecích povrchů ve směru osy x u s m s -1 skluzová rychlost u v m s -1 skutečná rychlost kolejového vozidla u ž m s -1 obvodová rychlost železničního kola Λ 1 parametr mazání α Pa -1 viskozitně-tlakový koeficient α o úhel bočního skluzu β úhel náběhu 82

83 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN β o úhel nositelky normálové síly 1 zjednodušený eliptický integrál η Pa s dynamická viskozita η 0 Pa s dynamická viskozita při nulovém tlaku η a Pa s zdánlivá dynamická viskozita λ W m -1 K -1 součinitel tepelné vodivosti μ 1 součinitel tření ν 1, ν 2 1 Poissonova konstanta třecího povrchu 1, resp. 2 ρ kg m -3 měrná hustota χ m 2 s -1 součinitel teplotní vodivosti ω 1, ω 2 rad s -1 úhlová rychlost tělesa 1, resp. 2 ω s rad s -1 skluzová úhlová rychlost ω ž rad s -1 úhlová rychlost železničního kola 83

84 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ 9 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ Obr. 0-1 Názvosloví a působící síly kontaktu kola a kolejnice 15 Obr. 1-1 Vztah mezi trakcí a creepem v kontaktu kola a kolejnice 17 Obr. 1-2 Mapa elasticko-plastické přizpůsobivosti materiálu 18 Obr. 1-3 Únavové poškození 19 Obr. 1-4 Režimy opotřebení a tepelný přechod režimů 19 Obr. 1-5 Mapa koeficientu opotřebení okolku kola a přehledová mapa získaných údajů 20 Obr. 1-6 Zadírání železničních materiálů za rozdílných podmínek mazání 21 Obr. 1-7 Aplikace suchého filmu a vzorky testované kolejnice 22 Obr. 1-8 Vliv přísad na Stribeckovu křivku 24 Obr. 1-9 Vliv průchodu malého množství zahušťovadla kontaktem na tlak 25 Obr Ball-on-disk zařízení s nastavením bočního skluzu 26 Obr Porovnání numerických přístupů řešení dvojbodového kontaktu 27 Obr Schéma a výsledky numerického řešení teploty v kontaktu 28 Obr Schéma a výsledky numerického řešení predikce opotřebení 28 Obr. 3-1 Časový plán a prolínání etap řešení diplomové práce 32 Obr. 3-2 Kolbův experimentální cyklus 33 Obr. 3-3 Schéma experimentálního sběru a využití dat 33 Obr. 3-4 Schéma experimentálního zařízení 34 Obr. 3-5 Experimentální zařízení s měřícím řetězcem optické metody sběru dat 36 Obr. 3-6 Vyhodnocení zaplavení kontaktu 37 Obr. 3-7 Řez modelem držáku kovového vzorku kolejnice 38 Obr. 3-8 Měřící řetězec pro reálný vzorek kolejnice 39 Obr. 3-9 Optický tribometr pro studium mazacích filmů 41 Obr Princip optické interferometrie 42 Obr Schéma zařízení MTM2 43 Obr Parametrický rozsah použitých zařízení a metod 44 Obr Idealizovaný kontakt kola a kolejnice (etalon) 45 Obr Geometrie dvojbodového kontaktu a silové poměry v kontaktu okolku kola a kolejnice 46 Obr Podobnostní kritéria experimentálních přístupů 49 Obr Podobnost aplikace maziva u jednotlivých metod 50 Obr Zdánlivá viskozita maziv při teplotě 25 C 51 Obr. 4-1 Vliv druhu a množství maziva na součinitel tření 52 Obr. 4-2 Vliv rychlosti na součinitel tření 53 Obr. 4-3 Vliv zatížení na součinitel tření 53 Obr. 4-4 Opotřebení vzorku kolejnice při dvojbodovém kontaktu okolku 54 Obr. 4-5 Vývoj součinitele tření a opotřebení při hladovění kontaktu 55 Obr. 4-6 Opotřebení kola a vzorku kolejnice 55 Obr. 4-7 Kontaminace vodou 55 Obr. 4-8 Eliminace vývoje zadírání aplikací maziva 56 Obr. 4-9 Opotřebené vzorky kolejnice pro daný interval mazání 56 Obr D profil povrchu vzorku po 130 m skluzu při aplikaci 0,2 ml maziva každých 20 m skluzu 57 Obr Vliv zatížení na interval aplikace maziva 58 Obr Porovnání maziv 58 84

85 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ Obr Výdrž maziv při zvyšování zatížení 59 Obr Vliv velikosti kontaktu, tlaku a rychlosti na součinitel tření při 200% SRR 60 Obr Vliv druhu maziva při 200% SRR 61 Obr Vliv teploty na opotřebení 61 Obr Distribuce maziva po vzdálenosti 10 km na kole a kolejnici pro daný interval mazání 62 Obr Vývoj zaplavení kontaktu mazivem 63 Obr Medián zaplavení kontaktu mazivem 63 Obr Distribuce maziva při 0,26 GPa 64 Obr Interferenční snímky kontaktu 65 Obr Závislost mazacího filmu na množství maziva 66 Obr Sekvence snímků průchodu maziva EKO-OK kontaktem 66 Obr Okrajové podmínky a MKP analýza rozložení kontaktního tlaku při zatížení 40 kn 67 Obr. 5-1 Výsledky pro metody Ball-on-disk a Pin-on-disk 69 Obr. 5-2 Graf pro určení koeficientu při výpočtu skokové teploty 70 Obr. 5-3 Výsledky metody Twin-disk 72 85

86 SEZNAM TABULEK 10 SEZNAM TABULEK Tab. 3-1 Porovnání železničních materiálů s materiály pro Pin-on-disk 43 Tab. 3-2 Hodnoty šířky kontaktu, šířky zaplavení kontaktu, šířky aplikace maziva a jejich poměry 49 Tab. 3-3 Specifikace použitých plastických maziv 51 Tab. 4-1 Porovnání kontaktních podmínek zjištěných dle Hertzovy teorie a pomocí MKP analýz 67 Tab. 5-1 Přírůstky průměrné skokové teploty ( C) pro metodu Pin-on-disk na zařízení MTM2 71 Tab. 5-2 Přírůstky průměrné skokové teploty ( C) pro aproximovaný kontakt okolku s kolejnicí 71 86

87 SEZNAM PŘÍLOH 11 SEZNAM PŘÍLOH 11 Příloha 1 Příloha 2 Příloha 3 Příloha 4 Struktura datové přílohy práce. Fotografie experimentálního zařízení připevněného na samostatný základový rám. OMASTA M., FRÝZA J., KŘUPKA I., HARTL M., An experimental approach to the study of rail wheel/flange lubrication. STLE Annual Meeting & Exhibition. Detroit, Výkresová dokumentace. 87

88 PŘÍLOHY PŘÍLOHA 1 Struktura datové přílohy práce Data grafů Měřící software Model zařízení Výkresová dokumentace Experimentální zařízení Držák závaží Měření trakční síly Základový rám MTM - Pin-on-disk Výpočty Hertzova teorie a bezrozměrné parametry Kontaktní podmínky simulátoru (MKP) Průměrná skoková teplota Frýza Diplomová práce

89 PŘÍLOHY PŘÍLOHA 2 Fotografie experimentálního zařízení připevněného na samostatný základový rám

90 PŘÍLOHY PŘÍLOHA 3 OMASTA M., FRÝZA J., KŘUPKA I., HARTL M., An experimental approach to the study of rail wheel/flange lubrication. STLE Annual Meeting & Exhibition. Detroit, Prezentováno na: 68th Annual Meeting & Exhibition: Society of Tribologists and Lubrication Engineers.

91 2013 STLE Annual Meeting & Exhibition May 5-9, 2013 Detroit Marriott at the Renaissance Center Detroit, Michigan,USA TRACK OR CATEGORY Wear AN EXPERIMENTAL APPROACH TO THE STUDY OF RAIL WHEEL/FLANGE LUBRICATION AUTHORS AND INSTITUTIONS Omasta, Milan 1 ; Fryza, Josef 1 ; Krupka, Ivan 1 ; Hartl, Martin Brno University of Technology, Brno, Czech Republic. INTRODUCTION For successful and efficient railway transportation the wheel-rail interface is the subject of interdisciplinary research efforts. The position of wheel-rail contact varies as a train moves on track. In straight track, mainly wheel tread and rail head is in the contact; whereas in curves, wheel flange and rail gauge contact occurs. Wheel-flange contact lubrication is commonly used to prevent friction and wear. To optimize the performance, a study of lubricant behaviour in the contact plays an important role. Experiments play an essential role in the study of tribology of wheel-rail contact. The experimental research may be divided on the basis of model approaches into field and laboratory tests. Field tests on real or testing tracks provide the most valuable results, but they are expensive. Laboratory tests allow conducting full-scale or scaled simulations with some distortion. In the contact, friction and wear is main subject of interest. For investigation of the effects of friction modifier on wear a full-scale rig with real wheel and rail was used by Eadie et al. [1]. The tests were conducted up to wheel passes and results show significant wear of rail tread with no lubrication. Similar method on a reduced scale simulator was used by Descartes et al. [2], who studied formation of natural third body in the contact. Other experimental approaches are based on twin-disk machines. E.g. Jin et al. [3] investigated the influence of load and attack angle on wear in wheel flange contact on a large disc and rail disc machine. The wear of rail and wheel material is usually investigated on pin-on-disk machines. The wear is classified as mild, severe and catastrophic, while the mild wear occurs only at the rail head [4]. Transition from mild to severe wear was detected by Sundh and Olofsson [5]. In their ball-on-disk method a load was increased up to seizure occurs. The loading was finished before the disk has complete one revolution. In accordance with current theories, the flash contact temperature significantly affects wear transition. The authors also studied the influence of amount and type of lubricant on wear using pin-on-disk methodology in ref. [6]. The results emphasize the importance of using high-performance lubricant. Similar data are also compared with full-scale test and twin-disk test results in ref. [7]. Experimetal approach Optical ball-on-disk tribometer Full-scale test rig Mini Traction Machine (pin-on-disk + ball-on-disk) transparent specimen film thickness and distribution real specimen friction and wear Fig. 1 Scheme of experimental approach. Fig. 2 Full-scale test rig scheme.

92 EXPERIMENTAL METHOD In this study, lubricated flange contact is simulated using various experimental methods as shown in Fig. 1. A full-scale wheel-flange contact simulator consists of rotating real train wheel and static rail specimen which is loaded against wheel flange corner. Only a sliding component of velocity is simulated. When a steel rail specimen is used friction force is measured using a load cell and wear of the specimen is evaluated using an optical profilometer. The specimen can be replaced with a glass one which allows us to determine a lubricant film distribution in the contact. The lubricants used were two bio-degradable greases, one based on rapeseed oil thickened with aluminum and graphite (Grease A) and one based on high-grade esters with solid lubricants (Grease B). Detail information about lubricant film thickness distribution under starved conditions is obtained on optical ball-on-disk contact simulator using thin film colorimetric interferometry. Friction and wear under lubricating conditions is investigated using Mini Traction Machine (MTM PCS Instruments) with ball-on-disk and pin-on-disk configuration in more detail. EXPERIMENTAL RESULTS, DISCUSSION AND CONCLUSION Fig. 3 shows friction data obtained from full-scale rig. Relatively small amount of lubricant applied to the contact at the beginning of the experiment is able to provide low coefficient of friction (COF). However after some sliding distance local increase in COF can be observed. After another application of lubricant COF is stabilized at low level over a certain sliding distance. When no lubricant is applied COF increases very soon and remains at the level for certain sliding distance due to residual film in the contact. After that progressive wear occurs which leads to seizure of the materials (Fig. 4). Full-scale test rig with glass specimen allow us to study distribution of lubricant in the contact. Influence of width of flooded area on sliding speed and amount of lubricant applied on wheel is shown in Fig. 5. It was found that amount of lubricant applied on wheel affects amount of lubricant available in contact only to a certain level and the level is related to speed. An excessive lubricant is pushed out of the contact. The data are compared with those obtained using ball-on-disk optical tribometer at rolling/sliding conditions. Effect of corresponding amount of lubricant on film thickness and meniscus distance is shown in Fig. 6. From the interferograms limit of amount of lubricant when starvation occurs can be seen. Fig. 3 COF during an interval of lubricant application in Full-scale test rig (P h 0.48 GPa; v s 0.22 m/s; Grease A, 0.2 ml). Fig. 4 Evolution of COF with no lubricant applied in Full-scale test rig (P h 0.48 GPa; v s 0.22 m/s).

93 Fig. 5 Width of flooded area in Full-scale test rig (P h 0.26 GPa; Grease A). Fig. 6 Interferograms from Ball-on-disk optical tribometer (P h 0.6 GPa; Grease A). This paper presents different experimental approaches used to find necessary amount of lubricant applied during wheel flange lubrication. Friction and wear and level of lubricant starvation were evaluated for this purpose. ACKNOWLEDGMENTS This research was supported by Ministry of Industry and Trade of the Czech Republic (grant No. FR- TI3/442). REFERENCES [1] Eadie D. T.; Elvidge, D.; Oldknow, K.; et al. The effects of top of rail friction modifier on wear and rolling contact fatigue: Full-scale rail wheel test rig evaluation, analysis and modelling. WEAR, 2008, 265(9-10), pp [2] Descartes S.; Saulot A.; Godeau C.; et al. Wheel flange/rail gauge corner contact lubrication: Tribological investigations. WEAR, 2011, 271(1-2), pp [3] Jin, Y.; Ishida, M.; Namura, A. Experimental simulation and prediction of wear of wheel flange and rail gauge corner. WEAR, 2011, 271(1-2), pp [4] Lewis R; Olofsson U. Mapping rail wear regimes and transitions. WEAR, 2004, 257(7-8), pp [5] Sundh, J; Olofsson, U. Seizure mechanisms of wheel-rail contacts under lubricated conditions using a transient ball-on-disc test method. TRIBOLOGY INTERNATIONAL, 2008, 41(9-10), pp [6] Sundh, J; Olofsson, U; Sundvall, K. Seizure and wear rate testing of wheel-rail contacts under lubricated conditions using pin-on-disc methodology. WEAR, 2008, 265(9-10), pp [7] Olofsson, U.; Telliskivi, T. Wear, plastic deformation and friction of two rail steels a full-scale test and a laboratory study. WEAR, 2003, 254(1-2), pp KEYWORDS Applied Tribology:Railroad, EHL:Starvation in EHL, Wear:Wear Mechanisms.