NOVÉ ODLÉVANÉ PRVKY V OBLASTI ŽELEZNIČNÍ INFRASTRUKTURY A PROCES JEJICH NÁVRHU Petr HAVLÍČEK, Josef ZBOŘIL Ing. Petr Havlíček, Ing. Josef Zbořil, Oddělení výzkumu a vývoje, DT-Výhybkárna a strojírna a.s., Dolní 100, 79711 Prostějov, ČR, email: havlicekp@dtvm.cz, zborilj@dtvm.cz Abstrakt V současné době jsou některé součásti v oblasti železniční infrastruktury vyráběny a dodávány jako svařence, např. zádržné opěrky, systémy upevnění kolejnic k příčným a výhybkovým pražcům, žlabové pražce či některé typy srdcovek. Nejpočetněji jsou zastoupeny systémy upevnění kolejnic a existuje více typů systémů upevnění kolejnic k příčným a výhybkovým železničním pražcům. Z důvodu vzrůstajícího trendu v oblasti železniční infrastruktury, především od zahraničních provozovatelů železničních dopravních cest či stavebních firem, kdy jsou požadovány systémy upevnění kolejnic ve formě odlitků, s předpokladem ( či v některých případech i zkušenostech ) lepších užitných vlastností, především životnosti. Z tohoto důvodu oddělení VaV DT zahájilo projekt tzv. Odlitkový program, jež má za cíl návrh, výrobu, zkoušení a ověření prototypů sestav systémů upevnění ve formě odlitků. V příspěvku je popsán postup návrhu, výroby, zkoušení a ověřování reprezentativní součásti, tzv. Integrované válečkové stoličky ( IVS ), jež patří svým tvarem a funkcí k nejsložitějším systémům upevnění. Na IVS jsou popisovány zkoušky vykonávané nad rámec požadavků norem EN, využívající programy ANSYS pro výpočty FEM, MAGMAsoft pro simulaci slévárenských postupů lití a také požadavky pro rozšířené dynamické zkoušky v laboratořích na dynamickém stavu. Úvod Existuje více typů systémů upevnění kolejnic k příčným a výhybkovým železničním pražcům. DT- Výhybkárna a strojírna, a.s., Prostějov ( dále DT ) běžně dodává tyto systémy upevnění ( především jsou to podkladnice, kluzné stoličky a podkladnice k přídržnici ) ve formě sestav svařenců ( viz. obr. č. 1, č. 2, č. 3 ). V současné době však narůstá v oblasti železniční infrastruktury trend, především od zahraničních provozovatelů železničních dopravních cest či stavebních firem, kdy jsou požadovány systémy upevnění kolejnic ve formě odlitků, s předpokladem ( či v některých případech i zkušenostech ) lepších užitných vlastností, především životnosti. Z tohoto důvodu oddělení VaV DT zahájilo projekt tzv. Odlitkový program, jež má za cíl návrh, výrobu, zkoušení a ověření prototypů sestav systémů upevnění ve formě odlitků. Obr. 1: Svařenec sestavy IVS Obr. 2: Svařenec Podkladnice k přídržnici 163
Obr. 3: Svařenec Kluzné stoličky Zkoušky sestav systémů upevnění Návrh nových součástí se v DT obecně řídí interním postupem dle ČSN EN ISO 9001:2000 [1]. Díly Odlitkového programu lze reprezentovat systémem upevnění nazývaným Integrovaná válečková stolička ( IVS ). Je to typ systému upevnění kluzné stoličky, na jejíž kluzné ploše leží jazyková kolejnice při průjezdu vlaku výhybkou a při přestavení výhybky do opačného směru se jazyková kolejnice odvaluje po agregátu válečků, což podstatně snižuje přestavné odpory. Název IVS je tedy odvozen od dvou typů pohybu jazyku kluzného a valivého. Kompletní sestava IVS patří k nejsložitějším systémům upevnění ( viz. obr. č. 4 a č. 5). Obr. 4: 3D model odlitku IVS Obr. 5: Odlitek IVS Zkoušky IVS, jež jsou prováděny nad rámec norem EN 12481 a 12146, se dělí na 4 hlavní části: simulace a analýzy při odlévání tělesa odlitku, pevnostní FEM výpočty, dynamické zkoušky cyklování, ověřovací provoz v trati ( validace ) zkušební výhybky obsahující IVS. Simulace a analýzy při odlévání tělesa IVS Těleso IVS společně s dalšími díly Odlitkového programu se odlévá např. ve Slévárnách Třinec z materiálu EN-GJS-400-18C-LT ( definovaného v normě ČSN EN 1563 ), jde o litinu s kuličkovým grafitem se zaručenými mechanickými vlastnostmi i při nízkých teplotách. Písmeno C v označení materiálu určuje dle ČSN EN 1560 odběr zkušebních tyčí pro zkoušku tahem a rázem v ohybu vyřezáním z odlitku. Na odlitku tělesa IVS se v průběhu jeho návrhu, a po odlití provádí tyto zkoušky: a) numerická simulace lití v softwaru MAGMAsoft, b) chemická analýza tavby, c) zkouška mechanických vlastností na zkušebních tyčích vyřezaných z odlitku 164
ad a) Před vlastní výrobou modelového zařízení potřebného pro výrobu odlitků byl proveden kontrolní numerický výpočet odlitku tělesa IVS ve speciálním slévárenském softwaru - MAGMAsoft. Tento výpočet dokáže odhalit slévárenské nedostatky v konstrukci, zejména dokáže predikovat oblasti nebezpečné pro vznik slévárenských vad - staženiny a řediny. Dále dokáže odhalit poslední místa tuhnutí odlitku a tím pomoci při dimenzování vtokové a nálitkové soustavy. Při tomto výpočtu, jenž probíhal ve více krocích, byl zjištěn a definován tvar a nálitkování odlitku tělesa IVS tak, aby bylo možno předejít, po odlití prvních zkušebních kusů, nepříjemnému zjištění výskytu slévárenských vad ( skrytých i povrchových ), jež by mohly být důvodem nemožnosti vložení odlitku do trati. Obr. 6: Simulace tuhnutí odlitku Obr. 7: Predikce vzniku staženin při tuhnutí v MAGMAsoft odlitku ad b) Chemická analýza tavby se provádí po odběru kovu z pánve do zkušební kokilky. Výsledky chemického složení se uvádí v atestu výrobku, obsah jednotlivých prvků norma ČSN EN 1563 nepředepisuje, slévárna musí splnit jen požadavky na mechanické hodnoty. Průměrné chemické složení odlitků z materiálu EN-GJS-400-18C-LT je: C: 3,5%, Mn: 0,1%, Si: 2,3%, P: 0,03%, S: 0,005%. ad c) Mechanické vlastnosti naměřené na tyčích vyřezaných z přilitých kýlových bloků musí vykazovat dle ČSN EN 1563 tyto hodnoty: Pevnost v tahu Rm: min. 400 MPa, Mez kluzu Rp 0,2 : min. 240 MPa, Tažnost A: min. 18%. V případě tělesa IVS se však tyto zkušební tyče nevyřezávají z přilitých kýlových bloků, nýbrž přímo z odlitku. Dle normy ČSN EN 1563 se v takovém případě předpokládají mechanické hodnoty o něco nižší. Z prvních zkušebních dodávek tohoto typu odlitku bylo zjištěno, že slévárny jsou schopny vyrobit odlitek tělesa IVS disponujícího hodnotami mechanických vlastností v drtivé většině případů vyšších ( přísnějších ) než výše zmíněné požadavky normy. 165
Slévárny dokladují výsledky všech těchto zkoušek v atestu výrobku, který je předkládán při následné přejímce odlitků. Pevnostní FEM výpočty Pevnostní simulace je velice důležitá k odladění tvaru odlitku, napomůže odhalit konstrukční nedostatky a slabá místa, již ve stádiu návrhu. Simulace statické pevnosti a životnosti při vysokocyklové únavě probíhala v programu ANSYS. Na základě 3D geometrických modelů byl sestaven konečnoprvkový geometrický model - viz. obr. č.8 a č.9. Jednotlivé komponenty systému upevnění IVS byly zkontrolovány na statickou pevnost a únavovou životnost. Pro obě kontroly vybrané komponenty vyhověly podmínce pevnosti a životnosti v rozsahu zatížení od 22,5 do 33 tun [2]. Obr. 8: Geometrický model systému upevnění IVS v ANSYS Obr. 9: Lokalizace kritických míst tělesa IVS Dynamické zkoušky cyklování Dalším krokem v procesu návrhu a ověřování, byla realizace provedení simulace dynamického zatěžování uzlu upevnění IVS v akreditované laboratoři. Jedná se o simulaci průjezdů náprav železničních vagónů přes systém upevnění IVS na zkušebním stroji, jenž vykonává pulzní zatěžování. Pro dynamické zkoušky odlitku tělesa IVS byla vybrána akreditovaná laboratoř Výskumný ústav dopravný (VÚD) v Žilině. Systém upevnění IVS byl smontován společně s betonovým pražcem ( viz. obr. č. 5 ) a odvezen do VÚD, kde byla na IVS připevněna sada tenzometrů. 166
Kompletní sestava IVS se zkušebními kolejnicemi byla na zatěžovacím stroji vystavena střídavému zatěžování odpovídajícímu nápravovému tlaku 22,5 tuny jako při skutečném provozu na železničních tratích v ČR, celkový počet cyklů byl stanoven na 10 7 viz. obr. č.10. V průběhu zkoušky, ale i po ukončení 10 miliónů cyklů při dynamickém zatížení, nebyly zjištěny žádné trvalé deformace, trhliny či vnější poškození. Po ukončení zkoušek je vydáván zkušební protokol o průběhu zkoušky, kde jsou zaznamenány vstupní a výstupní charakteristiky prvků částí železniční infrastruktury. Obr. 10: Uspořádání zkoušky Dynamického cyklování Ověřovací provoz v trati ( validace ) Validační činnost je obecně sledování součástí v podmínkách běžného užívání výrobku a v oblasti železniční infrastruktury trvá cca 1-5 let dle typu sledované součásti. Pro systémy upevnění ve výhybkách platí podmínky, že systémy upevnění musí být umístěny do tratě s roční zátěží min. 20 mil. hrt. a sledovány musí být min. po dobu jednoho roku. Dále musí být validovaná výhybka ( obsahující validované systémy upevnění ) vložena současně s referenční výhybkou, jež má schválené a běžně používané systémy upevnění, jejíž pokládka musí proběhnout min. o 7 dnů později/dříve než pokládka výhybky se sledovanými systémy upevnění. Je také nutné, aby tyto výhybky měly stejnou geometrii a průběh zatěžování. V současné době se připravuje výběr zkušebního úseku pro validaci součástí Odlitkového programu. 167
Závěr Z důvodů požadavků převážně zahraničních provozovatelů dopravních železničních cest, dochází v současné době k přechodu výroby prvků částí železniční trati, jako např. systémů upevnění pro výhybkové konstrukce ze svařenců na odlitky. V příspěvku je popsán postup návrhu, výroby, zkoušení a ověřování reprezentativní součásti, tzv. Integrované válečkové stoličky ( IVS ). Dalšími významnými prvky, jichž se týká tato problematika jsou kluzná stolička, podkladnice k přídržnici, zádržná opěrka proti putování jazyků a vzdáleně ale přesto principiálně obdobně také srdcovka. V příspěvku jsou popisovány zkoušky vykonávané nad rámec požadavků norem EN, využívající programy ANSYS, MAGMAsoft a rozšířené dynamické zkoušky v laboratořích na dynamickém stavu. Po úspěšném ukončení všech těchto zkoušek se nyní DT připravuje na vložení součástí z Odlitkového programu do železniční trati s cílem jejich validace. LITERATURA [1] Zbořil, J.: Nové součásti tramvajových výhybek, TechMat 2008, Svitavy, 2008 [2] Brumek, J., Macurová, K.: Kontrola statické pevnosti a životnosti systému uložení "Integrovaná válečková stolička" ( spektrum zatížení od 22,5 do 40t ), 10-020-1-004, CPIT VŠB-TU Ostrava, 2010 168