1

MINISTERUL EDUCAŢIEI ŞI CERCETĂRII Universitatea "POLITEHNICA" din Bucureşti

Spl. Independen ţei, 313, Sector 6, Cod 77206, Bucureşti

Tel: + 40 21 402 91 00, Fax: + 40 21 410 45 42

…./…..08.2009

Catre____________________________________

_______________________________________________________________

Vă facem cunoscut că în ziua de 25 septembrie 2009 ora 10 în sala CG 022 (catedra Organe de masini si Tribologie) din localul Universităţii POLITEHNICA din Bucureşti, Splaiul Independenţei nr.313, va avea loc susţinerea publică a tezei de doctorat intitulată:

„CONTRIBUŢII PRIVIND STUDIUL TRIBOLOGIC AL CONTACTULUI ŞINĂ- ROATĂ CU APLICAŢII ÎN DOMENIUL FEROVIAR”

elaborată de NICOLAE SANDU în vederea acordării titlului ştiinţific de DOCTOR, în domeniul fundamental ŞTIINŢE INGINEREŞTI domeniul INGINERIE MECANICĂ cu urmatoarea comisie:

PREŞEDINTE: Prof.dr.ing. TUDOR PRISECARU CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: Prof.dr.ing. ANDREI TUDOR MEMBRI: Prof.dr.ing. IOAN SEBEŞAN

Prof.dr.ing. SPIRIDON CREŢU Prof.dr.ing. FLORIN PETRESCU

În acest scop vă trimitem rezurmatul tezei de doctorat şi vă invităm să participaţi la sustinerea

publică a tezei. În cazul în care doriţi să faceţi eventuate aprecieri sau observaţii asupra

conţinutului lucrării, vă rugăm să le trimiteţi în scris, în dublu exemplar, pe adresa universităţii sau prin fax la nr. 021 402 951 (sediul catedrei OMT) sau electronic la adresa tudor@meca.omtr.pub.ro până la data de: 24.09.2009

RECTOR SECRETAR Prof. dr. ing. ECATERINA ANDRONESCU

2

UNIVERSITATEA “POLITEHNICA” DIN BUCUREŞTI FACULTATEA DE INGINERIE MECANICĂ ŞI MECATRONICĂ

Inginer Nicolae SANDU

CONTRIBUŢII PRIVIND STUDIUL TRIBOLOGIC AL CONTACTULUI ŞINĂ-ROATĂ CU APLICAŢII

ÎN DOMENIUL FEROVIAR

CONTRIBUTIONS REGARDING TRIBOLOGICAL STUDY FROM RAIL-WELL CONTACT WITH APPLICATIONS IN THE

RAILWAY DOMAIN

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT

Conducător Ştiinţific Prof. Dr. Ing. Andrei TUDOR

BUCUREŞTI

3

-2009-

CUPRINS Capitolul 1. Sistemul de transport feroviar. Principiile şi caracteristicile generale 1.1. Caracteristicile generale ale sistemului feroviar ......................................................................1 1.2. Elemente constitutive şi geometrice ale căii de rulare..............................................................2 1.3. Elemente constitutive şi geometrice ale osiilor...................................................................... 11 Capitolul 2. Stadiul actual al cercetărilor tribologice privind contactul şină-roată 2.1. Particularităţi privind importanţa tribologiei pentru transportul feroviar............................19 2.2. Studii privind contactul şină-roată în transportul feroviar.....................................................21 2.3. Procese de deteriorare la contactul roată-şină.......................................................................39 2.4. Obiectivele tezei.......................................................................................................................68 Capitolul 3. Modele teoretice privind uzarea şinelor în zonele curbelor de cale ferată 3.1. Vitezele de alunecare şi de rostogolire la contactul roată-şină..............................................69

3.2. Modele privind aderenţa la contactul roată-şină....................................................................77 3.3 Starea de tensiuni şi deformaţii la contactul roată-şină..........................................................95

3.4. Model de uzare termomecanică pentru contactul dintre şină şi roată..................................107 3.5. Model teoretic privind modificarea direcţiei şi mărimii fisurilor în procesul de rostogolire cu

alunecare.............................................................................................................................................116 3.6. Concluzii................................................................................................................................121

Capitolul 4. Metoda de determinare a adeziunii la contactul roată-şină utilizând maşina AMSLER

4.1. Introducere. Stadiul actual al cercetărilor experimentale privitoare la determinarea adeziunii..............................................................................................................................................137

4.2. Rezultate experimentale proprii privind coeficientul de aderenţă........................................139 4.3. Concluzii ...............................................................................................................................155 Capitolul 5. Metoda de determinare a intensităţii de uzare şi rezultate experimentale la

contactul roată-şină utilizând maşina AMSLER 5.1. Introducere. Definire şi indicatori de uzare ..........................................................................141 5.2. Stadiul actual al cercetărilor experimentale..........................................................................144 5.3 Rezultate experimentale proprii...............................................................................................147 5.4. Efectul poligonalizării rolelor epruvetă.................................................................................154 5.5.Concluzii .................................................................................................................................160 Capitolul 6. Interpretarea rezultatelor experimentale înregistrate in situ. Măsurătorile uzurilor

liniilor CF de la metrou în zona curbelor de cale ferată 6.1. Prezentarea considerentelor privitoare la uzurile înregistrate în timp..................................161 6.2. Prezentarea modului de efectuare a măsurătorilor................................................................167 6.3. Aspecte reieşite pe perioada prezentului studiu......................................................................175 6.4.Observaţii preliminare.............................................................................................................175 6.5. Concluzii privitoare la posibilele cauze şi explicaţii..............................................................176 6.6 .Concluzii privitoare la aspecte cu aplicabilitate practică ....................................................177 Capitolul 7. Concluzii. Contribuţii originale. Direcţii viitoare de cercetare 7.1. Concluzii generale..................................................................................................................179 7.2. Concluzii privitoare la aspectele cu aplicabilitate practică la metroul din Bucureşti...........183 7.3. Contribuţii personale..............................................................................................................184 7.4. Direcţii noi de cercetare.........................................................................................................185

Bibliografie .............................................................................................................................186

Teza are 7 capitole, 14 anexe, conţine 194 pagini, 195 figuri şi 26 tabele.

4

Prefaţă

Importanţa contactului şină-roată a fost şi rămâne deosebită în orice abordare a transportului feroviar. Încercările de stabilire a noi limite de încărcare, viteză sau siguranţă a circulaţiei va trebui să abordeze contactul şi prin prisma tribologică a acestuia. Studiul contactului şină-roată pe plan european şi mondial este deosebit de actual, fie că el se aplică trenurilor de mare viteză care astăzi pot depăşii viteze de 500 km/oră, fie trenurilor de marfă care circulă cu sarcini de 25 de tone pe osie sau mai mari, dar la fel de important este şi pentru sisteme de transport urban sau în orice zonă unde soluţia tehnică optimă impune un astfel de contact. Iniţial contactul şină-roată fost modelat plecând de la teoria contactului hertzian, în timp acestea fiind completate şi adaptate. Restricţiile impuse de Hertz au putut fi înlăturate abia spre sfârşitul secolului XX, ca urmare a apariţiei şi utilizării unor tehnici şi echipamente de calcul din ce în ce mai performante. Luarea în calcul a alunecărilor şi a fenomenelor elasto-plastice care apar la contactul dintre şină şi roată a permis la o mai bună înţelegere a acestuia şi a stabilirii unor limite de siguranţă. Cunoaşterea îndeaproape a fenomenelor ce au loc la contactul şină-roată permite găsirea unor soluţii pentru eficientizarea transporturilor feroviare. Prezenta lucrare a fost posibilă ca urmare a datelor şi observaţiilor acumulate în timp, atât în procesul educativ, cât şi din activitatea de exploatare şi siguranţă a circulaţiei feroviară în care activez, iar factorul hotărâtor a fost încercarea de a explica o serie de factori şi conjuncturi care au condus la apariţia unor uzuri şi degradări deosebit de severe observate la şinele şi la roţile ramelor de metrou, la un timp foarte scurt după introducerea în exploatare a noilor rame la metroul din Bucureşti Studiul contactului şină-roată necesită o investigare aprofundată a acestuia din punct de vedere tribologic cu simularea rostogolirilor şi alunecărilor şi cuantificarea efectelor care apar prin măsurarea uzurilor. Efectuarea unei astfel de analize impune desfăşurarea şi coroborarea cercetărilor experimentale pe modele de laborator şi „in situ” cu cele teoretice. Cercetările experimentale „in situ” au putut fi realizate la SC Metrorex SA Bucureşti cu sprijinul conducerii societăţii şi cu ajutorul personalului Secţiilor Linii-Tunele, în deosebi domnilor Nechita Florin şi Ene George, cărora le mulţumesc. Cercetarea experimentală pe modele şi documentarea bibliografică s-au desfăşurat la Universitatea „Politehnica” Bucureşti pe parcursul întregii perioade de doctorat. Finalizarea cercetărilor care fac obiectul acestei teze nu ar fi fost posibile fără îndrumarea, ajutorul şi colaborarea domnului profesor Andrei Tudor, căruia îi adresez cele mai calde mulţumiri. De asemenea, adresez mulţumirile mele colectivului Catedrei de Organe de Maşini şi Tribologie din cadrul Universitatea „Politehnica” Bucureşti care mi-a îndrumat paşii atât pe perioada cursurilor postuniversitare cât şi pe perioada pregătirii doctoratului. Sunt recunoscător domnilor profesori, Ioan Sebeşan, Spiridon Creţu şi Florin Petrescu pentru interesul manifestat acestei lucrări, prin acceptul de a o examina şi de a face parte din comisie. În mod deosebit doresc să mulţumesc tatălui meu, profesor de matematică, care şi acum mă ajută să înţeleg matematica, familiei la care am găsit înţelegere şi sprijin pe toată durata pregătirii doctoratului, precum şi tuturor profesorilor pe care i-am avut şi de la care am avut ce învăţa. Bucureşti, 03.08.2009 Nicolae Sandu

5

INTRODUCERE

În sistemul feroviar, cerinţele de dezvoltare se axează pe: sporirea traficului feroviar prin

creşterea vitezelor de circulaţie şi a tonajului trenurilor, creşterea calităţii serviciilor de transport, optimizarea costurilor de întreţinere, micşorarea uzurilor, toate aceste însă cu menţinerea unor parametri de siguranţă şi securitate ridicaţi.

Suntem în pragul împlinirii a doua veacuri de transport feroviar, iar contactul dintre şina de cale ferată şi roata vehiculului feroviar, indiferent de modul şi forma abordării acestuia, rămâne unul dintre cele mai importante aspecte studiate.

Începuturile abordării ştiinţifice şi amploarea cercetărilor în domeniul feroviar a coincis cu perioada apariţiei ca ştiinţă a tribologiei, fapt care a condus destul de rapid la intersectarea acestor domenii.

Domeniul feroviar, este şi va rămâne un domeniu destul de conservator, în care activităţile, expresiile şi notaţiile sunt reglementate şi menţionate prin instrucţii, regulamente şi norme cu caracter obligatoriu. O scurtă prezentare a corpurilor care vin în contact şi care stabilesc în esenţă contactul şină-roată sunt prezentate în primul capitol al lucrării, insistându-se pe definirea şi caracteristicile generale ale sistemului.

Capitolul al doilea prezintă o trecere în revistă a teoriilor existente privitoare la contactul şină-roată precum şi metodele existente de determinare a forţelor şi a stării de tensiuni şi deformaţii care însoţesc acest contact. Tot în acest capitol s-a considerat necesar să se facă o descriere a principalelor proceselor de deteriorare la contactul roată-şină şi totodată să se stabilească şi obiectivele tezei.

Capitolul al treilea este consacrat prezentării modelelor teoretice privind uzarea şinei în zonele curbe. Pentru stabilirea acestor modele teoretice a fost necesară înţelegerea modului în care intervin şi sunt determinate alunecările şi rostogolirile osiilor în cale atât în aliniament cât şi în zonele curbe ale căilor ferate. Acest capitol conţine modul de determinare a alunecărilor în diverse situaţii ale osiei în cale, metode de determinare a formelor profilelor şi a stării de tensiune şi deformaţii la contactul roată-şină. Pentru a descrie aceste modele teoretice au fost elaborate şi prezentate diverse programe utilizând utilitarul Mathcad. Totodată se prezintă un model de uzare termomecanică pentru contactul dintre şină şi roată precum şi un model teoretic privind modificarea direcţiei şi fisurilor în procesul de rostogolire cu alunecare.

Capitolul al patrulea este destinat prezentării metodei de determinare a adeziunii la contactul roată-şină utilizând maşina AMSLER. Partea întâi a acestui capitol descrie o serie de experimente asemănătoare utilizate de către alte persoane şi care validează metodologia de determinare experimentare. În a doua parte a acestui capitol este descris standul utilizat, configurarea acestuia, rolele epruvetă utilizate precum şi modalitatea de determinarea a coeficientului de aderenţă în variantele alese de contaminare ale contactului. Valorile determinate experimental confirmă modelul teoretic ales, fapt pentru care, aceste valori pot fi utilizate în calculele şi modelările ulterioare.

Capitolul al cincilea descrie evaluarea comportării la uzare a materialelor utilizate la şina de metrou şi la roţile vagoanelor de metrou. Pentru acestea s-a utilizat tot standul AMSLER. La fel ca şi în capitolul precedent, iniţial se descrie o serie de experimente asemănătoare înregistrate în alte ţări, iar în a doua parte a acestui capitol sunt prezentate rezultatele experimentale, interpretarea acestora şi modul de determinare a intensităţilor de uzură, cu compararea datelor teoretice cu cele experimentale.

6

Capitolul al şaselea prezintă interpretarea rezultatelor experimentale înregistrate in situ şi măsurătorile uzurilor liniilor CF de la metrou în zona curbelor de cale ferată. Totodată pentru comparaţie, referinţă şi explicarea unor serii de fenomene de uzare apărute se fac o serie de referiri la factori şi conjuncturile care au condus la apariţia unor uzuri şi degradări deosebit de severe observate la şinele şi la roţile ramelor de metrou, la un timp foarte scurt după introducerea în exploatare a noilor rame utilizate în prezent la metroul din Bucureşti. În capitolul al şaptelea, se trag o serie de concluzii, se evaluează modul de finalizare a obiectivelor tezei precum şi contribuţiile asupra temei propuse. Se prefigurează, de asemenea, şi principalele direcţii de cercetare actuale şi viitoare. Lucrarea prezintă o serie de anexe în care se prezintă programele realizate cu ajutorul utilitarului Mathcad, descriere şi prezentarea defectelor suprafeţei de contact a şinelor de cale ferată, atât în clasificarea din România cât şi în clasificarea modernă care se încearcă să se stabilească uniform în Europa. O altă anexă prezintă fotografii ale diferitelor defecte observate la şinele de metrou structurate pe clasificarea modernă.

7

Capitolul 1. Sistemul de transport feroviar. Principiile şi caracteristicile generale Este greu să se stabilească cine a pus bazele transportului pe şine. Primele sisteme de transport

feroviar, pe şine din lemn cu vagoneţi împinşi cu forţa braţelor, s-au semnalat încă din perioada romană în exploatările miniere aurifere din Munţii Apuseni, copii a acestor tipuri de vagoneţi, căi de rulare şi schimbătoare de cale din lemn fiind prezentate în muzee de specialitate din Germania (Cebuc [1967]).

Ca dată de naştere a transportului feroviar rămâne însă data de 27 septembrie 1825 când englezul George Stephenson reuşea să dea în exploatare prima linie de cale ferată în lungime de 25 mile, aproximativ 40 km, numită şi „linia cărbunelui” şi care lega localităţile Darlington şi Stockton aflate în Marea Britanie. Şinele erau realizate din fier-forjat, produse la manufactura Bedlington Ironworks. Tot ca titlu de referinţă trebuie menţionat şi numele englezului Isambard Brunel, prieten dar şi competitor al lui George Stepherson pe probleme tehnice, care în aceeaşi perioadă de timp, dar ulterior datei de 27 septembrie 1825, reuşea să dea în exploatare o altă cale ferată tot în Marea Britanie (Christopher [2004]).

De numele celor doi englezi, pionieri ai dezvoltării tehnicii din perioada victoriană a Imperiului Britanic, se leagă contradicţia, care chiar şi astăzi mai naşte polemici, privitoare la alegerea valorii ecartamentului căii ferate, George Stepherson fiind partizanul utilizării unui ecartament „normal” de 1435 mm, în timp ce Isambard Brunel dorea să impună un ecartament „larg” de 2140 mm.

Dezvoltarea ulterioară a transportului feroviar a lansat probleme deosebite legate de exploatarea, întreţinerea şi circulaţia în condiţii de siguranţă a trenurilor. Uzura diverselor corpuri aflate în contact (roată-şină, lagăre de alunecare/rostogolire, fir de contact-pantograf), au fost şi rămân în continuare capitole cu potenţial de cercetare şi dezvoltare în perspectiva viitorului transportului feroviar.

În privinţa sistemului de transport feroviar, ca principale teme de cercetare, putem enumera dinamica vehiculelor feroviare, limitele de siguranţă a circulaţiei, precum şi cauzele şi influenţa producerii uzurilor şi defectelor diferitelor sisteme (sistemul şină-roată fiind poate cel mai important dintre acestea), toate acestea în ideea sporirii permanente a vitezelor de circulaţie şi a capacităţilor de transport, menţinându-se totodată o limită a costurilor de întreţinere.

Plecând de la considerentele teoretice şi practice care decurg din studierea sistemului tribologic roată-şină se pot pune bazele teoretice necesare posibilităţii de a determina uzurile ce apar în timp la roţile vehiculelor feroviare şi la calea de rulare, cât şi a înţelegerii şi explicării diferitelor tipologii de defecte ce apar în exploatare.

Reţeaua de căi ferate reprezintă un tribosistem ai cărui parametri de baza sunt: presiunea de contact, alunecarea, adeziunea, rostogolirea, pivotarea, umiditatea, poluarea zonei de contact şi a mediului învecinat zonei de contact cu diverse impurităţi şi/sau substanţe chimice, durităţile variate ale suprafeţelor de contact şi a materialelor, curenţii electrici care circulă prin şinele de cale ferată şi prin osiile vehiculelor feroviare, variaţiile de temperaturi din şină şi din roată, tensiunile interne etc. Orice schimbare locală a acestor parametri conduce implicit la o pierdere temporară a echilibrului pe o zona a acestui sistem tribologic, iar ca o reacţie a acestuia, în final, la modificarea vitezelor de uzare a constituenţilor sistemului tribologic.

Principala importanţă a acestui mod de abordare tribologică este posibilitatea identificării unor modele de calcul ale intensităţii de uzare a componentelor sistemului tribologic precum şi ale cantităţii de masă pierdută prin uzare, fapt care permite identificarea limitelor de menţinere în exploatare a acestor componente în condiţii de siguranţă a circulaţiei, cu eficienţă maximă pe zonele de costuri de întreţinere/reparare şi a volumului de muncă, dar şi explicarea şi previzionarea apariţiei anumitor tipuri de defecte specifice.

8

Caracteristica vehiculelor de cale ferată este faptul că acestea se deplasează prin intermediul roţilor pe cele două şine, iar autoghidarea acestora în cale se face prin intermediul forţele de contact dintre roţi şi şine. Roţile şi şinele metalice oferă posibilitatea de a suporta încărcări mult mai mari decât alte sisteme de transport terestre. Acest fapt, asociat caracteristicii autoghidării, dă posibilitatea formării de trenuri de mare tonaj, ceea ce conferă sistemului feroviar avantajul unei mari capacităţi de transport. Rezistenţa specifică redusă la înaintare datorită rostogolirii roţilor pe şine determină şi un consum de energie pe tona transportată mult mai mic decât la toate celelalte mijloace de transport terestre.

În prezent caracteristica generală a transportului feroviar este evoluţia acestuia, creşterea vitezelor de circulaţie, a tonajelor trenurilor şi a intensităţii circulaţiei. Acestea necesită modificarea infrastructurii şi, în special, a suprastructurii căii (şine de tip greu din oţeluri aliate cu tratamente termice speciale, cale ferată sudată, modernizarea materialului rulant, perfecţionarea echipamentelor şi a sistemelor de control al circulaţiei).

Dezvoltarea căilor ferate a condus la apariţia unor adevărate reţele care au împânzit ţările, cu legături între state şi chiar între continente, iar nevoia ca vehiculele feroviare să poată circula în deplină siguranţă în trafic internaţional a impus apariţia de convenţii şi reglementări internaţionale elaborate de organizaţii create în acest scop cu acordul statelor sau administraţiilor de cale ferată participante şi prin care să se stabilească o serie de criterii, mărimi şi condiţii unanim recunoscute.

9

Capitolul 2. Stadiul actual al cercetărilor tribologice privind contactul şină-roată

Iniţial tribologia, a fost definită ca ştiinţa şi tehnologia interacţiunilor suprafeţelor în mişcare relativă şi a aplicaţiilor ce rezultă, ulterior fiind inclusă şi ungerea. Denumirea tribologie (tribos=frecare, logos=ştiinţă) propusă în 1954 (D.Tabor) a fost folosită pentru prima dată într-o analiză asupra eficienţei deosebite a cercetărilor de frecare-uzare-ungere.

Dezvoltarea acestei ramuri a ştiinţei s-a făcut concomitent cu dezvoltarea celorlalte ramuri şi zone ale ştiinţei şi tehnice, iar odată cu această dezvoltare a început şi abordarea tribologică a fenomenelor de uzare în domeniului feroviar, fără însă a se putea defini foarte precis acest moment.

Sunt multe zone şi domenii feroviare în care este posibilă şi totodată necesară o abordare tribologică a fenomenelor specifice de uzare, o zonă importantă fiind cea a contactului roată-şină, datorită atât importanţei acesteia prin prisma siguranţei circulaţiei cât şi prin posibilităţile viitoare de sporire a vitezelor de circulaţie şi a masei transportate.

Cea mai simplă teorie constă în considerarea roţii şi a şinei ca două corpuri rigide şi în acceptarea legii frecării, a lui Coulomb. În studiul unor probleme privind starea de tensiuni şi deformaţie, oboseala, uzura, disipări de energie prin frecare etc., teoria de mai sus este inacceptabilă.

De-a lungul timpului s-au dezvoltat teoriile contactului şină-roată în următoarea ordine. • Teoria clasică - Hertz 1881 • Teoria bidimensională - Carter 1926. • Teoria tridimensională - Pater-Johnson-Vermeulen 1956-1964. • Teoria liniară - Kalker 1967. • Teoria simplificată - Kalker 1973-1989. • Teoria completă - Kalker 1983-1990, Shen-Hedrich-Elkins 1984.

Încă de la apariţia transportului feroviar, două probleme au fost prioritare, pe de o parte explicarea apariţiei şi prevenirii anumitor tipuri de defecte care prezentau un caracter de fenomen, precum şi explicarea şi controlul procesului de uzare a diverşilor constituenţi ai sistemului feroviar (roată-şină, lagăre, cuzineţi, contacte electrice rotative şi/sau alunecătoare, etc.).

Iniţial aceste probleme au fost abordate punctiform apelându-se la teoriile mecanicii şi ale rezistenţei materialelor. Ca exemplu poate fi dat încercarea de explicare a ruperilor diverselor organe de maşini (osii la vagoane, axe, biele, etc.), fapt pentru care încă din anul 1837 s-a acreditat ideea că sub acţiunea sarcinilor mecanice variabile metalele suferă o degradare accelerată datorată unor fenomene de oboseală, fapt care a condus şi la apariţia unui nou capitol al rezistenţei materialelor. Lipsa metodelor de cercetare precum şi stadiul incipient al cercetărilor de la acea dată nu a putut da explicaţii şi măsuri de rezolvare acestor probleme, în schimb apărând pentru prima oară idea de specificaţie de supraveghere tehnică (în anul 1853 Morin recomanda o inspecţie tehnică la fiecare 70 000 km parcurşi la osiile vagoanelor pentru depistarea fisurilor incipiente. (Cioclov [1975]).

De la începutul transportului pe calea ferată contactul roată-şină a fost cel mai delicat aspect, de acesta depinzând o multitudine de factori legaţi atât de transportul în siguranţă a călătorilor şi a mărfurilor dar şi de limitele de încărcare a vehiculelor, a vitezelor de circulaţie, a uzurilor şi degradărilor constituenţilor sistemului, precum şi implicit a costurilor efective de transport.

Referitor la aplicaţiile tribologiei în transportul feroviar, important este că s-au creat două curente, primul fiind axat pe studierea lubrificaţiei şi a ungerii, iar ulterior al doilea curent axat pe studierea uzurilor şi a determinării modului în care acestea apar şi se transformă în defecte.

În privinţa uzurilor care apar în zona de contact roată-şină, încă de la începuturile transportului feroviar, aceasta a creat probleme deosebite, o dată că efectele uzurilor influenţează direct parametrii şi condiţiile de funcţionare a întregului sistem (apariţia de oscilaţii şi vibraţii nedorite, afectarea vitezelor de circulaţie, a limitelor de încărcare, etc.), dar şi datorită faptului că evoluţia în timp aceste uzuri determină implicit apariţia de defecte caracteristice atât la roţi cât şi la şine şi care afectează caracteristicile de siguranţă şi securitate a transportului feroviar în sine.

10

O primă lucrare privitoare la neregularităţile şinelor a apărut în anul 1882 în articolul inginerului rus Klimenko A. V., moment din care acestei probleme i s-a acordat o atenţie din ce în ce mai mare (Kulaghin [1970]).

De referinţă a fost anul 1958, când la Madrid, cu ocazia celei de-a XVII sesiuni a Asociaţiei Internaţionale a Congreselor de Căi Ferate, inginerii Voguna şi Delgado au susţinut două comunicări alcătuite pe baza datelor primite de la administraţii de căi ferate dintr-un număr de 75 de ţări şi prin care, pentru prima oară, s-a încercat o descriere a problematici uzurii ondulatorii care apare pe suprafaţa activă a şinelor de cale ferată, utilizând elemente şi termeni tribologici. Aceste comunicări au abordat apariţia la şinele de cale ferată a uzurii ondulatorii, plecând şi de la premiza că acest tip de uzură pe lângă o serie întreagă de dezavantaje care le induce, este generatoare de amorse pentru o serie de alte tipologii de uzuri şi defecte caracteristice (Kulaghin [1970], Kalousek [2005]).

Uzura ondulatorie ca tip de uzură efectiv nu reprezintă, în esenţă, o uzură care să afecteze deosebit condiţiile privitoare la starea globală de siguranţă a sistemului şi nici la o afectare considerabilă a celorlalţi parametri ai sistemului.

Fig. 2.3.6. Mecanismul de baza pentru uzarea ondulatorie

S-a pus întrebarea care forţă are o influenţă mai mare asupra uzurii ondulatorie cu pas mic,

atunci când există pseudoalunecarea laterală sau longitudinală (creep force)? Daca forţele de pseudoalunecare laterale au influenţă ridicată atunci aspectele dinamice ale osiei conducătoare sunt mai importante decât ale osiei conduse. Atunci când forţele de pseudoalunecare longitudinale au influenţă ridicată, se va lua în consideraţie dinamica boghiului care înglobează osia conducătoare (Jin [2006], Kabo [2005], Matsumoto [2005]). Prezenţa simultană a acelor doua categorii de pseudoalunecare conduc la influenţe ale ambelor osii ale boghiului (Wen [2005], Zakharov [1998].

Mecanismul de bază al apariţiei mişcării sacadate (stick-slip) şi al uzurii ondulatorii se poate explica prin analiza traiectoriei forţei de adeziune ca funcţie de alunecarea relativă (figura 2.3.6). În cazul în care nu apar oscilaţii, relaţia dintre forţa de adeziune şi pseudoalunecare este corespunzătoare curbei 1din figura 2.3.6. Se acceptă ipoteza privind constanţa forţei de adeziune cu pseudoalunecarea, după atingerea punctului de „saturaţie” (A).

11

Dacă apar oscilaţii, caracteristica de funcţionare este fie curba 2, fie curba 3 sau orice curbă cuprinsă între acestea după cum forţele sunt maxime sau minime sau între aceste extreme.

Apariţia, prin oscilaţii, a forţei minime (Fm), în timp ce caracteristica la funcţionare este curba 1, conduce la apariţia bruscă a alunecării (faza de slip a fenomenului) până în punctul B, atingând, prin inerţie, maximul de pseudoalunecare în punctul C.

După aceasta, roata este lipită (rulare) de şină (faza de stick) şi scade brusc pseudoalunecarea. Forţa de adeziune creşte până în punctul D.

Astfel, contactul şină-roată se deplasează pe bucla A-B-C-D şi roata rulează pe şină cu lipiri şi dezlipiri (stick-slip sau rol-slip).

Fenomenul este similar şi pentru pseudoalunecarea laterală şi de pivotare. Efectul de deteriorare a şinelor prin uzare este cumulativ, astfel că, în figura 2.3.7 se prezintă

schematic acest mecanism de uzare produs de osia unui boghiu. Şina din interiorul curbei (şina joasă) este afectată de uzarea ondulatorie.

Fig. 2.3.7. Mecanismul formării uzurii ondulatorii a şinei de către sistemul de roţi.

12

De ce o însă o aşa mare importanţă pentru acest tip de uzură? Răspunsul vine de la efectele

indirecte şi de la efectele generate şi dezvoltate în timp a acestui tip de uzură. Pe lângă afectarea condiţiilor de confort datoraţi vibraţiilor şi zgomotului, a sarcinilor dinamice induse în sistem precum şi la accelerarea procesului de îmbătrânire a şinelor şi roţilor, uzura ondulatorie devine prin ea însăşi generatoare de alte tipuri de defecte (exfolieri, ştirbituri, crăpături, turtiri, etc.), acestea fiind însă defecte şi uzuri care afectează direct şi irecuperabil atât parametri de siguranţă cât şi parametri de confort şi calitate ai sistemului (Ahlbeck [1991], Bohmer [2002], Soto [2002]).

Cunoaşterea în detaliu a mecanismelor generării, producerii şi avansării uzurii ondulatorii poate da răspunsuri la modul cum o serie întreagă de defecte şi uzuri specifice la rândul acestora sunt generate şi se dezvoltă precum şi la mecanisme şi proceduri care sa le preîntâmpine sau limita.

Uzura ondulatorie a şinelor reprezintă şi astăzi un fenomen controversat, care va constitui desigur, şi obiectul unor studii şi cercetări viitoare, practic neexistând o unanimitate în ceea ce priveşte cauzele formării ei. Fenomenul ca atare apare pe suprafaţa de rulare a şinelor sub forma unor pete lucioase, ce alternează cu altele întunecate, care sunt dispuse la distanţe egale între ele (3-5 cm) (Sugino [1991]). Obiectivele tezei.

Studiul contactului şină-roată necesită o investigare aprofundată al acestuia din punct de vedere tribologic cu simularea rostogolirilor şi alunecărilor şi cuantificarea efectelor care apar prin măsurarea uzurilor. Cunoaşterea îndeaproape a mecanismelor apariţiei atât a diferitelor forme de uzuri, cât şi a tipologiilor de defecte caracteristice, conduce la stăpânirea şi predictibilitatea unei bune funcţionări a acelui sistem.

Factorul hotărâtor, atât în demararea studiilor doctorale, cât şi în stabilirea obiectivelor prezentei teze, a fost încercarea de a explica o serie de factori şi conjuncturi care au condus la apariţia unor uzuri şi degradări deosebit de severe observate la şinele şi la roţile ramelor de metrou, la un timp foarte scurt după introducerea în exploatare a noilor rame la metroul din Bucureşti.

Din analiza stadiului actual al cercetărilor privind contactul roată-şină specific sistemului feroviar, bazat pe cercetările teoretice şi experimentale evidenţiate în literatura de specialitate, teza de doctorat îşi propune următoarele obiective:

1. Determinarea geometriei suprafeţei de contact pentru roţi pe osii libere, roţi pe osii motoare şi pentru roţi pe osii frânate pe şine aflate în curbe;

2. Determinarea şi reprezentarea analitică a profilelor şinelor şi a roţilor; 3. Modelarea procesului de uzare a şinei în zone curbe; 4. Determinarea „harţii” de aderenţă la contactul roată-şină; 5. Efectul contaminării asupra aderenţei la contactul roată-şină; 6. Definirea coeficientului de concentrare a tensiunilor de contact din şină pe zone curbe; 7. Determinarea capacitaţii portante de încărcare a şinei din condiţii de uzare; 8. Determinarea durabilităţii la oboseală superficială a şinei şi efectul razei de curbură asupra

durabilităţii la o funcţie de fiabilitate impusă; 9. Experimentări privind cupla roată-şină, în condiţii reale de funcţionare, funcţie de tonajul

brut cumulat (TBC) înregistrat, cu menţionarea următoarelor mărimi: - evoluţia uzurilor verticale şi laterale; - intensitatea uzurilor verticale şi laterale; 10. Explicarea calitativă a modificării mărimii şi direcţiei fisurilor în planul de rostogolire cu

alunecarea; 11. Soluţii privind creşterea durabilităţii şinelor pe zona curbelor căilor ferate.

13

Capitolul 3. Modele teoretice privind uzarea şinelor în zonele curbelor de cale ferată Datorită faptului că cele două roţi sunt fixe pe osie şi că roţile au conicităţi inverse faţă de

şinele respective, rezultă mişcări de rostogolire şi de alunecare cu ponderi diferite, funcţie de poziţia roţii pe şină şi de funcţia roţii (roată motrică, roată liberă, roată frânată).

3.1. Vitezele de alunecare şi de rostogolire la contactul şină-roată Se consideră că sarcinile pe cele două roţi ale osiei sunt egale şi că osia se deplasează cu

viteză constantă v, într-o curbă cu raza constantă R (Sebeşan [1995]. Osia se presupune a fi în poziţie de atac cu un unghi α şi decalată transversal cu yc faţă de poziţia sa mediană (figura 3.1.1).

Fig. 3.1.1. Osia liberă în poziţie de atac cu unghiul α într-o curbă de rază R.

Pentru o poziţie a roţii pe şină, caracteristică prin unghiul de conicitate echivalentă (γ –

unghiul format de normala la profilul roţii în punctul de contact cu şina şi direcţia verticală), rezultă următoarele expresii ale vitezelor de alunecare longitudinale pe suprafaţa de rulare:

−= r

γyRevw cxe (3.1.1.)

−−= r

γyRevw cxi (3.1.2)

3.2. Modele privind aderenţa la contactul roată-şină Se cunoaşte că principalul aspect al contactului roată-şină derivă din modul de identificare şi determinare a frecărilor pe zona de contact. Suprafaţa de contact prezintă o zona de alunecare şi o altă zona de adeziune (figura 3.2.1), fapt care se cunoaşte şi care a fost descris iniţial de către Lorentz, experimentat de către Carter, iar ulterior demonstrat de către Cain (Sebeşan [1995], Broster [1974], Beagley [1975 a,b], Bikerman [1976], Pashley 1984]).

Parametrul esenţial pentru evaluarea adeziunii este coeficientul de frecare pentru diferite stadii de mişcare relativă dintre şină şi roată.

Fig.3.2.1. Zonele de aderenţă şi de alunecare.

Analiza detaliată a parametrilor contactului şină – roată a fost realizată, iniţial, de către

Kalker. Din aceasta analiză, pentru studiul tribologic cu implicaţii asupra aderenţei şi asupra uzării, se utilizează forţele de aderenţă în direcţiile de rulare, laterale şi momentul de pivotare.

14

( ) ( )e332e

e3223

e

az gCgagC

g

1M ⋅⋅−⋅⋅−= φη

De Pater şi Johnson [1964], Johnson [1977], [1995] analizează cazul rulării unei osii montate,

aparţinând unui vehicul feroviar, indicând existenţa unei mişcări de spin. Corpurile, roata respectiv şina, sunt analizate ca rigide, în figura 3.2.2, punându-se în evidenţă următoarele mărimi:

α unghi de atac, αv viteza de variaţie a unghiului de atac; ycv viteza de deplasare transversală a osiei montate;

γ unghiul profilului roţii; Ψ viteza unghiulară la rotirea roţilor în jurul axei z vT viteza de translaţie a osiei; vC viteza circumferenţiară a osiei în punctul de contact.

Fig. 3.2.2. Analiza rulării osiei montate pe şină.

Kalker stabileşte relaţii liniare între forţele din planul de contact Fx şi Fy şi alunecări respectiv

spin, prin intermediul coeficienţilor C11, C22, C23 dependenţi numai de coeficientul lui Poisson ν şi de semiaxele elipsei a şi b. Plecând de la aceste relaţii, după simplificările de rigoare şi adimensionalizările menţionate, se obţin:

( ) ξ⋅⋅−= ee

ax gCg

F 111 (3.2.27)

( ) φη ⋅−⋅⋅−=23

ee22

eay

gagC

g1F (3.2.28)

(3.2.29)

Fig. 3.2.4.Variaţia forţei adimensională Fax funcţie de excentricitatea elipsei de contact pentru diverse valori ale vitezei de rostogolire

Modelele de calcul actuale privind geometria de contact, forţele de adeziune şi momentul de

spin au în vedere contactul roţii pe şină în aliniament (şina rectilinie). În curbe tendinţa şerpuirii, teoretic, ar fi de a se diminua adeziunea, iar osiile vehiculelor din compunerea trenului de a se aşeza radial, funcţie de capacitatea de autoorientabilitate a sistemului de rulare.

15

Faptul că şina exterioara a curbei este supraînălţată în scopul compensării forţelor centrifuge, cumulat cu diferenţele de viteza de circulaţie faţă de viteza pentru care a fost proiectată şi supraînălţată curba, conduce, pe de o parte, la o rulare a unei dintre roţi (exterioare sau interioare funcţie de raportul dintre viteza pentru care a fost realizată supraînălţată şi viteza efectivă a trenului) în regim de bicontact, iar pe de altă parte, la o continuare a şerpuirii osiei în cale, efect al tendinţei de autoghidare (Kalousek [2005]).

De asemenea, dacă se ia în considerare şi faptul că în condiţiile în care o osie este supusă unui cuplu (motor sau de frânare) în zona de contact (elipsa de contact) apar doua porţiuni distincte: una de alunecare, în care se aplică teoria frecării coulombiene şi cealaltă de adeziune, în care nu apar alunecări, ci numai deformaţii elastice. O frecare intensă între buzele roţilor şi flancurile interioare ale şinelor este însă nedorită, deoarece generează uzuri, zgomot de rulare şi nu în ultimul rând, consumuri suplimentare de energie (Ţăruş [2003]).

Cazul 1: Alunecările (laterale ξ, transversale η şi de spin φ) pentru roata din stânga sens de mers:

( ) ( )v

rtrvyrt

rvey

rryr v

cccc

sα

γαγ

ξ⋅

⋅

⋅⋅⋅+−

⋅⋅+⋅+⋅

⋅+

−= sincos1cos1 (3.2.30)

( )

( )v

ycostrvye

coscostrvyryt

rvcoscost

rvcossin

cvcc

ccvs

⋅−⋅⋅⋅−

+⋅

⋅⋅⋅⋅++−+

+⋅⋅+

+⋅⋅=

γγ

γγγγαγαη

vrt

rv

rrv

sα

γγ

φ⋅

⋅

⋅+⋅+−= cos1sin

(3.2.32)

Cazul 2: Alunecările (laterale ξ, transversale η şi de spin φ) pentru roata din dreapta sens de mers:

( ) ( )v

rtrvyrt

rvey

rryr v

cccc

dα

γαγ

ξ⋅

⋅

⋅⋅⋅+−

⋅⋅−⋅+⋅

⋅+

−= sincos1cos1 (3.2.33)

( )

( )v

ytrvye

trvyryt

rvt

rv

cvcc

ccvd

⋅+⋅⋅⋅+

+⋅

⋅⋅⋅⋅−+−+

−⋅⋅+

−⋅⋅=

γγ

γγγγαγαη

cos

coscoscoscoscossin

vrt

rv

rrv

dα

γγ

φ⋅

⋅

⋅−⋅+−= cos1sin

(3.2.35)

În figurile 3.2.7.-3.2.9. sunt reprezentate alunecările laterale ξ, transversale η şi de spin φ pentru roata din stânga şi roata din dreapta sens de mers. Alunecările sunt calculate cu un program de calcul specializat pentru condiţiile geometrice specifice metroului din Bucureşti.

Fig.3.2.7. Alunecările laterale ξ, pentru roata din stânga şi roata din dreapta sens de mers în timp.

16

Fig.3.2.8. Alunecările laterale η, pentru roata din stânga şi roata din dreapta sens de mers în timp.

Fig.3.2.9. Alunecările de spin φ, pentru roata din stânga şi roata din dreapta sens de mers în timp

Puterea de frecare specifică Cunoscând forţele de aderenţă, momentul de spin şi alunecările specifice pe diferite direcţii

(longitudinale, laterale şi de pivotare) se poate calcula puterea pierdută prin frecare la o roată liberă, sau de tracţiune sau de frânare.

Similar cu teoria lui Carter, pentru contactul eliptic se deduc expresiile puterii de frecare adimensionale specifice (puterea raportată la aria elipsei de contact) (Tudor A, Sandu N, Tountas E., [2008 a, b]). În Anexa 3.1 este prezentat programul de calcul în utilitarul MATCHAD 2000.

Pentru contactul roţii pe şina din stânga:

⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅

⋅= sazs

cvscaysscaxs

eafs Ma

vyFF

gP φηξ

π1 (3.2.69)

Pentru contactul roţii pe şina din dreapta:

⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅

⋅= dazd

cvdcayddcaxd

eafd Ma

vyFF

gP φηξ

π1 (3.2.70)

Fig. 3.2.29. Variaţiile puterii adimensionale consumată prin frecare pe roata din stânga şi pe roata din dreapta funcţie de raza roţii r pentru diverse vireze ce circulaţie.

17

3.3. Starea de tensiuni şi deformaţii la contactul roată-şină În vederea analizei tensiunilor din şină în timpul rulării cu alunecare a roţilor, este necesară

cunoaşterea geometriei corpurilor în zona de contact. Pentru evaluarea curburilor principale în două plane ale celor două corpuri în stare nedeformată se stabilesc, pe baza standardelor şi normelor din calea ferată, funcţiile analitice ale profilelor. Din standardele respective se iau valorile razelor pentru diferite zone ale şinei şi ale roţii şi se stabilesc ecuaţiile cercurilor şi dreptelor tangente la diferite cercuri. Astfel, se stabilesc ecuaţiile analitice ale profilelor roţii şi şinei.

În figura 3.3.3 sunt reprezentate, pentru exemplificare, profilurile şinei tip UIC 60 (z60(y)) şi al roţii tip UIC (zwUIC(y)).

Fig. 3.3.3. Reprezentarea roţii tip UIC cu D=(1000–760) mm în contact cu o şină tip UIC 60

pentru mai multe variante de decalaj a roţii în cale. Ipotezele hertziene privind calculul geometriei dintre roata liberă sau de tracţiune şi şina de

cale ferată sunt acceptate în totalitate, astfel că se alege metodica de calcul generală propusă de Hills s.a [Hills D.A, 1993] pentru contactele eliptice.

Pentru analiza efectului curburii şinei şi a unghiului de atac asupra geometriei suprafeţei de contact şi asupra stării de tensiuni şi deformaţii, se consideră şina în zona curbă, caracterizată prin raza de curbură Rc, şi cu profilul caracteristic zr. Unghiul dintre axa principală a roţii (axa de rotaţie)

şi axa şinei (axa direcţiei traseului de cale ferată - aliniament sau curbă stânga, dreapta) este απ

+2

, în

care α este unghiul de atac al roţii faţă de şină.

Fig. 3.3.4. Reprezentarea factorului eliptic la contactul dintre roata tip S78 şi şina tip UIC 49.

Fig. 3.3.5. Contactul eliptic şi liniar la şina UIC 49 din stângă căii de rulare cu roata S78.

18

Pentru a utiliza soluţia Hertz, se dezvoltă un program de calculator pentru toate punctele de

contact dintre roată şi şină. Raportul dintre axe, b/a, este numit parametru eliptic. Acest parametru are un aspect care este prezentat în figura 3.3.4, pentru roata S78 şi şina UIC 49, funcţie de trei valori ale unghiului de atac (α).

Se poate constata că pentru unele puncte de contact roată-şină, curbura totală în punctul de contact este aproape de zero, iar în acest caz teoria hertziană se va aplica pentru un contact liniar. Echivalentul parametrului dimensional ba este prezentat în figura 3.3.4, iar în figura 3.3.5 se prezintă formă zonei de contact dintre roata tip S78 şi şina tip UIC 49.

În condiţiile unui contact eliptic de alunecare şi rostogolire hertzian, distribuţia de tensiuni şi deformaţii (figura 3.3.6) pentru un semispaţiu elastic supus la tensiuni normale şi tangenţiale, are la bază următoarele tensiuni limită:

−

−−==

22

o

zx

o

zz

by

ax1

pμτ

pσ pentru 1

bz

ax 22

≤

+

(3.3.27)

zxzz τσ = pentru 1bz

ax 22

⟩

+

a, b – semiaxele elipsei de contact Pentru contactul eliptic cu încărcare normală şi tangenţială, în figura 3.3.9. se reprezintă

tensiunea adimensională echivalentă Hencky-Mises-Huber (σHMH), evaluată cu programul propriu din Anexa 3.3. ca funcţie de coeficientul de adeziune şi de elipticitatea contactului.

Fig. 3.3.9. Tensiunea adimensională echivalentă Hencky-Mises-Huber (σHMH), funcţie de

coeficientul de adeziune şi de elipticitatea contactului. Se defineşte coeficientul de concentrare a tensiunilor în centrul de contact, kpo, pe o curbă de

rază Rc, ca raportul dintre parametrul tensiunii maxime kσmax pentru un anumit punct al şinei de curbă Rc şi parametrul tensiunii maxime pentru un punct de pe şina din aliniament (raza de curbură teoretic infinit; pentru modelarea matematică se acceptă Rc=5 000 m)

( ) ( )( )α,5000,yk

α,R,ykα,R,yk

max

max

0σ

cσcp = (3.3.58)

Efectul razei de curbură a şinei asupra creşterii tensiunii maxime din centrul elipsei de contact este prezentat în fig. 3.3.10.

Fig. 3.3.10. Efectul razei de curbură a şinei asupra creşterii tensiunii maxime.

19

Apreciem că în multe situaţii, contactul şină-roată poate fi considerat similar contactului corpurilor de rostogolire cu calea de rulare exterioară a rulmentului. Fenomenologic, cazul osiilor libere este foarte apropiat de rulmenţii radiali-axiali cu role conice sau cu role butoi. Funcţia durabilităţii la oboseală superficială a şinei (Φr) se poate scrie, prin similitudine cu rulmenţii, astfel:

( )( ) eer

e

eer

er

eer

e

0eer

erh2c

h312

wh2cc3

aτh2ch13

zh2cc3

maxyzτr DkπkkΦ −+−

−+−

−+−

−−+

− ⋅⋅⋅⋅= (3.3.69) În ipoteza acceptării aceloraşi valori ale coeficienţilor de material pentru şină, se prezintă în

figura 3.3.11. funcţia durabilităţii la oboseala de contact pentru diferite raze de curbură ale şinei.

Fig. 3.3.11. Dependenţa funcţiei de oboseală de raza de curbură a şinei.

Din acest grafic se observă reducerea rezistenţei la oboseala de contact a şinei la raze mici de

curbură, raze, de regulă, specifice metroului. Similar cu rulmenţii, definim capacitatea dinamică de încărcare a şinei, ca sarcina pur

radială preluată de şină într-un anumit punct, la care nu apar semne de oboseală după 106 (un milion) cicluri, la o fiabilitate de 90%. Pentru şină, un ciclu de solicitare corespunde trecerii unei roţi.

Forţa capabilă, transmisibilă de o şină, atunci când pe ea circulă roţi cu diametrul nominal de rostogolire Dw, este:

eer

eer

h2c5h3c2

wrrc DAF −+−+

⋅= (3.3.70) cu constanta Ar = 100. Pentru calea ferată, exprimarea curentă a maselor preluate de roţi şi şine este masa vagonului

(în tone), raportată la numărul de osii, astfel că se poate exprima capacitatea dinamică de încărcare sub forma

r4rc

sc A10FF = (3.3.71)

Durabilitatea unei şine (Ls) cu raza de curbură Rc , exprimată în cicluri (număr de roţi), atunci când circulă roţi cu diametrul Dw şi sarcina pe osie este Fef, se poate exprima astfel

er

eerc3

2hc

el

scs F

FL

+−

= (3.3.72)

Fig. 3.3.12. Durabilitatea şinei 60 cu de raza de curbură.

De exemplu, şina 60 STAS 11198-79 are durabilitatea prezentată în figura 3.3.12 ca funcţie de raza de curbură (Rc, în m), atunci când circulă vagoane cu sarcina pe osie de 10 tone şi cu roţi cu bandaj UIC 510-2 STAS 112/3-90 şi cu diametrul Dw = 860 mm.

20

3.4. Model de uzare termomecanică pentru contactul dintre şină şi roată Din experienţă s-a constatat că pe suprafaţa de contact ia naştere o temperatură care poate

afecta respectiva suprafaţă. Pentru procese de alunecare şi de rostogolire, creşterea temperaturii poate fi substanţială (Yang [1991], Knothe [1995], Lunden [1991], Fischer [1997].

Ting şi Winer [1989] au analizat şi inclus în teoria contactului influenţa termică. Pe baza ipotezelor şi teoriei termoelasticităţii, propunem un model de uzare de oboseală

(datorată frecării la alunecare şi rostogolire a materialului în contact) în domeniul elasto-plastic, dintre o roată de vehicul de metrou şi respectiv şina de calea ferată de la metrou.

Parametrii de aderenţă la contactul roată-şină sunt determinaţi pentru condiţiile experimentale cu ajutorul maşinii Amsler (presiune hertziana de contact, raportul alunecării longitudinale, viteza de alunecări la contact de rulare, raza curbei echivalente), care pot simula condiţiile reale de contact dintre roată şi şină (Tudor, A., Sandu, N., Tountas, E. [2008]).

Capacitatea de încărcare elastică adimensională a materialului şinei este definită ca acea valoare a presiunii hertziene pentru care parametrul Von Mises ajunge la valoare unitară. Când "zona fierbinte" este deformată elastic, capacitatea de încărcare la uzarea prin oboseală se obţine ca soluţie a ecuaţiei (3.4.23).

Astfel, diagramele 3.4.6-3.4.9 arată capacitatea de încărcare la uzarea prin oboseală a şinei în funcţie de coeficientul de adeziune (µ), viteza de rulare (v), alunecările relative longitudinale (ξ), şi numărul ciclurilor de încărcare (N), (numărul de roţi care au trecut prin punctul considerat).

Fig. 3.4.7. Capacitatea de încărcare funcţie de viteza de rulare pentru diverse numere de cicluri.

Uzura apare atunci când parametrii definiţi de condiţiile concrete de lucru sunt situaţi deasupra valorilor capacităţii de încărcare, reprezentată de diagramele 3.4.6-3.4.9.

Durabilitatea „zonei fierbinţi” poate fi evaluată atunci când presiunea de contact, precum şi coeficientul de adeziune sunt cunoscute.

De exemplu, diagramele 3.4.10 - 3.4.12 exemplifică durabilităţile „zonei fierbinţi”, în funcţie de alunecările relative longitudinale şi de viteza de rulare pentru coeficienţi de aderenţă obţinuţi pe maşinii Amsler, în cele trei condiţii ale stării rolelor experimentale (stare uscată şi curată, contaminare cu apă şi respectiv cu ulei).

Fig. 3.4.10. Durabilitatea la oboseala de contact funcţie de alunecările relative longitudinale

reprezentată prin numărul de cicluri.

21

3.5. Model teoretic privind modificarea direcţiei şi mărimii fisurilor în procesul de rostogolire cu alunecare

Atunci când doua solide sunt separate dintr-unul, toate legăturile se rup simultan. Forţa

necesară este proporţională cu aria de contact şi tensiunile sunt foarte mari (ordinul de mărime al forţelor intermoleculare) atingând rezistenţă teoretică a materialului. Cazul acesta este ideal şi nu poate avea loc în realitate. Totdeauna, separarea solidelor se iniţiază într-un defect, la interfaţa unei fisuri, prin propagarea la un alt defect vecin (Bold [1991], Bower [1991], Dang Van [2002], Garrham [1991]). Deplasarea punctului de aplicare a forţei este mult amplificat, astfel că lucrul mecanic necesar este mai redus şi implicit forţa aplicată pentru separarea solidelor.

Pentru explicarea direcţiei fisurilor observate pe şinele de cale ferate, se analizează starea de tensiuni şi deformaţii din jurul unei cavităţi eliptice de semiaxe a, b (a>b) [Maugis D. 1999]. Pentru cazul unei încărcări hertziene cu sarcina normală şi cu sarcina tangenţială generată de forţa de aderenţă necesară mişcării roţii pe şină, starea de tensiuni şi deformaţii se modifică astfel:

Un aspect important observat pe şine este forma şi direcţia fisurilor. Pentru o fisură cunoscută la un moment dat, (semiaxe a,b, unghiul direcţiei semiaxei mari β), situată pe şină, şi supusă unei tensiuni tangenţiale de aderenţă, dimensiunile se vor modifica astfel:

Fig. 3.5.2. Modificarea semiaxelor fisurii eliptice funcţie de coeficientul de adeziune şi de frânare.

Fig. 3.5.4. Rotirea fisurii eliptice cu aderenţa şi frânarea.

În fig. 3.5.4 se exemplifică rotirea fisurii (rad) cu coeficientul de aderenţă şi de frânare, pentru

trei direcţii iniţiale de fisuri (β = 0,1; β = 0,2; β = 0,3) din şină şi o încărcare normală adimensională σa = 0,1.

Iniţierea propagării (nucleaţia) fisurilor datorită tensiunilor de tracţiune de pe suprafaţa de rulare a şinei se poate explica pe baza tensiunii maxime din vârful fisurii, atunci când se atinge rezistenta la curgere prin forfecare (Suh [1986], Bogdanski [2002]).

În regiunea cu tensiuni de compresiune, fisura tinde să fie închisă şi tensiunile normale vor fi transmise perpendicular pe fisură. În regiunea cu tensiuni de întindere (tracţiune), fisura va putea fi extinsă cu efect de propagare. În contactul şină-roată, orice regiune din materialul roţii sau al şinei este supusă la compresiune şi la întindere în timpul rotirii roţii.

22

Iniţierea propagării (nucleaţia) fisurilor datorită tensiunilor de tracţiune de pe suprafaţa de rulare a şinei se poate explica pe baza tensiunii maxime din vârful fisurii, atunci când se atinge rezistenţă la curgere prin forfecare (Suh [1986], Bogdanski [2002]).

În regiunea cu tensiuni de compresiune, fisura tinde să fie închisă şi tensiunile normale vor fi transmise perpendicular pe fisură. În regiunea cu tensiuni de întindere (tracţiune), fisura va putea fi extinsă cu efect de propagare. În contactul şină-roată, orice regiune din materialul roţii sau al şinei este supusă la compresiune şi la întindere în timpul rotirii roţii.

Fig. 3.5.6. Fisură supusă la compresiune şi tracţiune Mecanica ruperii liniar-elastice poate fi aplicată pentru problema propagării fisurii, dacă

tensiunile nominale sunt elastice, dacă aria din jurul fisurii este în starea plană de deformaţii şi dacă zona de deformaţii plastice din vârful fisurii este mică în comparaţie cu dimensiunile corpului şinei respectiv al roţii.

La deplasarea roţii (alunecare şi rostogolire) pe şina de la stânga la dreapta (figura 3.5.6.), fisura va fi supusă la compresiune şi tracţiune continuu.

Astfel, extensia elementară a fisurii (dC) la o trecere sau ciclu (dN) este funcţie de schimbarea factorului de intensitate a tensiunilor (ΔK) şi de doua constante de material c1 şi n (n este cuprins între 2 şi 5). Potrivit teoriei generale a mecanicii ruperii, creşterea fisurii prin oboseală are la bază expresia (Cioclov [1975]):

( )n1 KΔcC

dNd

⋅= (3.5.23)

unde, pentru oţeluri, vom avea: n=4, c1=1,7x10-3;

Ţinând seama de mărirea semiaxei mari a fisurii şi de factorul de intensitate a tensiunilor KI se obţine:

( ) ( )( ) ( )∫

⋅

+⋅⋅=

N

01a2

1

a21

1 dNβ,μKκ,μ,βa1acσ,a,κ,μ,β,NC (3.5.24)

În figura 3.5.6. se exemplifică extensia C a unor fisuri cu semiaxele mari a = 5 µm, a = 10 µm şi a = 15 µm, direcţia β=0,1 rad , solicitată de o tensiune normală σ = 100 MPa, după trecerea a N = 1000 roţi.

Fig. 3.5.6. Extensia fisurilor din şină sub acţiunea aderenţei sau frânarii roţilor

23

Capitolul 4. Metoda de determinare a adeziunii la contactul roată-şină utilizând

maşina AMSLER

4.1. Introducere. Stadiul actual al cercetărilor experimentale privitoare la determinarea adeziunii

Creşterea vitezei de circulaţie în sistemele feroviare bazate pe contactul convenţional roată-

şină impune, întotdeauna, problema adeziunii. Creşterea acceleraţiilor şi deceleraţiilor vehiculului feroviar precum şi a eforturile necesare pentru creşterea vitezelor sunt limitate de aderenţa dintre roată şi şină.

Condiţiile de frecare dintre roată şi şină joacă un rol important în comportamentul dinamic al vehiculului, deoarece forţele generate la contactul dintre roată şi şină depind de frecare (sau valoarea alunecărilor caracteristice) (Ohyama [1991], Chen [2002]. În zona de contact roată-şină apare atât alunecare cât şi rostogolire. O aderenţă necorespunzătoare la nivelul contactului dintre roată şi şină conduce la o rulare a vehiculului greoaie, cu zgomot şi cu un grad ridicat de incontrolabilitate a acestuia în cale. Aceste lucruri conduc la generarea de zgomot, apariţia în timp a uzurilor şi defectărilor caracteristice, precum şi la situaţii de necontrolabilitate a acceleraţiilor şi deceleraţiilor, respectiv de menţinere a vitezelor în circulaţie (Mueller [2000], Sawley [2005], Sebeşan [1993, 2008]). Pentru aceste motive, cunoaşterea fenomenului de adeziune la contactul rulant este o direcţie fundamentală de cercetare în general şi în particular pentru domeniul feroviar.

În condiţiile unui contact uscat dintre şină şi roată, influenţa vitezei de rulare a trenului asupra maximului coeficientului de aderenţă este nesemnificativă până la viteze de 300 km/h, aşa cum susţine Chen ş.a. pentru trenurile japoneze Sinkansen (Chen [2002]). Situaţie similară a fost observată experimental, de către cercetătorii chinezi Zhang W. ş.a. [2002].

4.2. Rezultate experimentale proprii privind coeficientul de aderenţă

Pentru evaluarea proprietăţilor tribologice ale materialelor utilizate la contactul şină-roată de

la metrou, se analizează comportarea la frecare şi uzare pe maşina Amsler din dotarea catedrei Organe de Maşini şi Tribologie din U.P.B.

Procedura de analiză a relaţiilor dintre forţele de alunecare şi raportul alunecărilor s-a bazat pe o serie de caracteristici tehnice ale maşinii AMSLER:

- antrenarea rolelor se face de la un motor electric cu doua turaţii (200 şi 400 rot/min), în prezenţa unor presiuni de contact şi a unor viteze periferice ale rolei inferioare (conducătoare) şi ale rolei superioare;

- geometria şi turaţiile rolelor pot crea diferite alunecări între cele doua role; - forţa normală de încărcare a rolelor poate varia între 0 şi 2 000 N. Presiunea de

contact, evaluată ca presiunea hertziană, se poate modifica, funcţie de razele rolelor, forma rolelor (cilindrice sau toroidale convexe sau concave) şi de sarcina normală, în intervalul 0 - 1,76 GPa;

- există posibilitatea măsurării şi înregistrării cuplului de forţe generat de contactul rulant dintre cele 2 role. Coeficientul de aderenţă μ se calculează ca raportul dintre forţa tangenţială F şi încărcarea

normală Fn, care, în condiţiile maşinii AMSLER, se determină ca raportul dintre cuplul Mt şi forţa normală şi raza rolei inferioare Ri (care este rola motoare)

ni

t

n FRM

FF

μ == (4.2.1)

Alunecarea longitudinală relativă poate fi modificată în intervalul 0...2, valoarea 0 corespunzând rostogolirii libere, iar valoarea 2 corespunzând alunecării totale (rola superioară blocată.

24

Extremele alunecării longitudinale relative corespund situaţiei reale din contactul şină-roată, atunci când se referă la roţile libere şi la roţile complet blocate prin sistemele de frânare, sau la patinarea totală în perioada de iniţiere a mersului trenului, fără a se putea iniţia mersul.

În scopul analizei coeficientului de aderenţă ca funcţie de alunecarea relativă şi de presiunea de contact, rola superioară se încarcă cu anumite sarcini normale şi se roteşte cu diferite turaţii ca mărime şi sens.

Curăţirea iniţială a rolelor este efectuată cu hârtie abrazivă de granulaţie #300, pentru ambele role, după care se spală şi se clăteşte cu acetona. Maşina AMSLER este instalată într-o încăpere cu temperatura relativ constantă şi cu umiditatea normală. Fiecare cuplu de role este rodat o perioadă de 30 minute la turaţia de 200 rot/min şi sarcina normală de 8,3 N.

Graficele coeficienţilor de aderenţă μ se reprezintă ca funcţie de alunecarea longitudinală relativă ξa şi ca funcţie de presiunea de contact adimensională pa. Presiunea de contact adimensională se defineşte ca raportul dintre presiunea hertziană de contact maximă pH şi duritatea minimă a suprafeţei de contact HB

HBp

p Ha = (4.2.5)

Experimentele se fac pentru cinci presiuni adimensionale, pentru suprafeţe „curate şi uscate” şi pentru suprafeţe „contaminate” cu apă sau cu ulei hidraulic:

pa1=0,053; pa2=0,085; pa3=0,24; pa4=0,58; pa5=0,86; Variaţia turaţiilor rolelor se obţine prin modificarea raportului de transmitere a roţilor

baladoare, schimbarea sensului de rotaţie al rolei superioare. Prin variaţia diametrului rolelor şi a turaţiilor se obţine o gamă ridicată de alunecări longitudinale relative, şi anume:

ξa1=8x10-4; ξa2=4x10-3; ξa3=5,6x10-3; ξa4=8x10-3; ξa5=0,08; ξa6=0,4; ξa7=0,8; ξa8=2; În tabelul matricial 4.2.2. sunt prezentate rezultatele experimentale privind variaţia

coeficientului de aderenţă la rostogolirea liberă a rolelor (coeficientul de frecare la rostogolire, alunecarea specifică nulă) cu presiunea adimensională de contact (pa), pentru cazurile contact-uscat (frd), contact contaminat cu apă (frw) şi contact contaminat cu ulei hidraulic (fro).

Tabelul 4.2.2. Coeficientul de frecare la rostogolire.

frd

0.001

0.002

0.012

0.02

0.02

:=

frw

0.001

0.002

0.008

0.009

0.009

:=

fro

0.001

0.002

0.003

0.0028

0.0026

:=

Valorile coeficientului de frecare la rostogolire din linia 1 a tabelului matricial 4.2.2

corespund încercării la presiunea pa1 = 0,053, cele din linia a doua corespund încercării la presiunea de contact pa2 = 0,053 şi aşa mai departe până la linia a cincea. Din analiza acestor grafice se observă o creştere iniţială a coeficientului de frecare la rostogolire cu presiunea de contact, după care apare o limitare pentru contactul uscat şi pentru cel contaminat cu apă şi o scădere nesemnificativă pentru contactul contaminat cu uleiul hidraulic.

În tabelul matricial 4.2.3 sunt prezentate rezultatele experimentale privind coeficientul de aderenţă pentru contactul uscat, cu îndepărtarea prin periere a eventualelor particule de uzare, pentru cele 5 presiuni de contact (pa) şi 8 alunecări relative (ξa). Pe o linie a matricei sunt valorile coeficientului de aderenţă pentru o aceeaşi presiune de contact şi pentru cele 8 alunecări relative. Pe o coloană a matricei sunt valorile coeficientului de aderenţă pentru o aceeaşi alunecare specifică şi pentru cele 5 presiuni adimensionale de contact.

25

De exemplu, coeficientul de aderenţă pentru presiunea adimensională pa4=0,58 şi pentru alunecarea relativă ξa5 = 0,08 este μexpd = 0,27 (linia 4 şi coloana 5 din matricea 4.2.3).

Tabelul 4.2.3. Coeficientul de aderenţă pentru regimul de frecare uscat.

µexpd

0.08

0.06

0.05

0.05

0.04

0.3

0.23

0.19

0.15

0.10

0.38

0.31

0.23

0.19

0.12

0.42

0.35

0.29

0.23

0.16

0.4

0.36

0.31

0.27

0.21

0.4

0.35

0.31

0.25

0.20

0.4

0.34

0.30

0.24

0.19

0.38

0.31

0.27

0.20

0.13

:=

Similar, au fost determinate valorile coeficientului de aderenţă pentru contactul contaminat

cu apă (μexpw) şi pentru cel contaminat cu ulei (μexpo). În condiţiile în care suprafeţele în contact au fost „curate şi uscate”, coeficientul de aderenţă

creşte proporţional cu alunecarea relativă până la o valoare maximă. În cazul în care alunecările sunt mici, coeficientul de aderenţă prezintă creşteri parabolice. După atingerea valorii maxime, coeficientul de aderenţă prezintă o scădere treptată cu creşterea alunecării.

Valorile maxime ale coeficientului de aderenţă depind de încărcare, evaluată prin presiunea adimensională de contact. La alunecarea totală (ξa8=2), coeficientul de aderenţă are semnificaţia fizică a unui coeficient de frecare la alunecare şi se stabilizează la fiecare presiune de contact.

Pentru regimurile de frecare la care contactul este contaminat cu apă şi cu ulei hidraulic, diagramele de variaţie ale coeficientului de aderenţă sunt similare, însă cu maxime mai reduse.

Variaţiile statistice a coeficientului de adeziune rezultate experimental au o valoare a coeficientului de variaţie de 0.10 pentru cazul experimentului „contaminării” cu apă şi 0.09 pentru cazul experimentului „contaminării” cu ulei.

În scopul obţinerii interpretării analitice a curbelor experimentale de aderenţă, sub forma unor funcţii continui pe intervalul considerat, vom lua în considerare următorii parametri: coeficientul maxim de aderenţă (fM), alunecarea specifică portantă (ξ0), alunecarea când coeficientul de aderenţă este maxim, coeficientul de alunecare (fa), atunci când alunecarea are valoarea 2 şi coeficientul de rostogolire (fr), atunci când există rostogolire liberă. Alunecarea completă între role corespunde valorii alunecării relative egale cu 2 şi rostogolirea liberă, atunci când alunecarea specifică este egală cu 0. Se propune ca formula coeficientului de aderenţă (μf) funcţie de alunecare relativă (ξ) să fie de tipul polinomial, cu două ramuri (parabolă racordată cu o dreaptă):

≤≤+−−

+−−

≤≤++−

=2

22

2

022

ξξξ

ξξ

ξ

ξξξξ

ξξ

µ

oro

oaM

o

Ma

oro

M

o

M

f

dacafffff

dacafff

(4.2.6)

Funcţia coeficientului de aderenţă μf (ξ) este o funcţie continuă pe intervalul [0, 2], dar nu

este derivabilă în punctul cu alunecare specifică portantă (ξ0). De menţionat că starea de contaminare a contactului (uscat cu îndepărtarea particulelor de

uzură, contaminat cu apă şi contaminat cu ulei hidraulic) nu a influenţat valorile alunecării specifice portante (ξ0), obţinându-se diferenţe nesemnificative.

Astfel, se consideră că alunecarea specifică portantă (ξ0) este dependentă numai de presiunea de contact (pa).

26

Fig. 4.2.12. Evoluţia coeficientului de adeziune cu alunecarea relativă în regim de frecare uscat.

În figura 4.2.12 sunt prezentate rezultatele experimentale privind coeficientul de aderenţă

pentru cele trei stări de frecare, 5 presiuni adimensionale şi 8 alunecări relative, menţionate prin puncte, şi curbele analitice ce aproximează cel mai bine statistic aceste puncte, menţionate prin linii continui. Pentru observarea evoluţiei coeficientului de aderenţă pe întreaga gamă de alunecări relative (0...2), se reprezintă pe grafice logaritmice, atât abscisa (alunecarea relativă) cât şi ordonata (coeficientul de aderenţă). Similar s-a determinat şi pentru regimurile de contaminare cu apă şi ulei.

În cazurile reale când nici presiunea de contact, nici alunecarea relativă nu corespund cu cele experimentale, dar se găsesc în intervalele maximale (0,053....0,869) pentru presiunile adimensionale şi (0...2) pentru alunecările relative, se propune calculul coeficientului de aderenţă cu relaţia (4.6) şi cu valori ale parametrilor specifici, coeficientul maxim de aderenţă (fM), coeficientul de alunecare (fa), coeficientul de rostogolire liberă (fr) şi alunecarea specifică portantă (ξo).

De exemplu, coeficientul de adeziune μf, pentru o presiune adimensională pa=0.12 şi alunecarea relativă ξa=0,05, se calculează cu relaţia (4.2.6), utilizând valorile parametrilor coeficientului de aderenţă, obţinându-se: μfd = 0,367 pentru regimul de frecare uscat cu îndepărtarea particulelor de uzură, μfw=0,156 pentru contactul contaminat cu apă şi μfo=0,156 pentru contactul contaminat cu ulei hidraulic.

27

Capitolul 5. Metoda de determinare a intensităţii de uzare şi rezultate experimentale la contactul roată-şină utilizând maşina AMSLER

5.1. Introducere. Definire şi indicatori de uzare Uzarea se defineşte ca un proces de distrugere a stratului superficial al unui corp solid la

interacţiunea mecanică cu un alt corp solid sau cu un mediu fluid cu particule solide în suspensie. Dacă interacţiunea mecanică se produce sub forma unei forţe de frecare, atunci se defineşte

uzarea ca uzare prin frecare. În procesul de uzare, distrugerea are loc într-un volum mic de material, localizat în zona de

frecare şi se realizează sub forma unei particule de uzură. Despre mărimea uzării se poate considera ca reducere a dimensiunilor corpului într-o anumită

direcţie, de obicei perpendiculară pe suprafaţa de frecare. Dependenţa tipică a uzării (U) de timpul de funcţionare a unei cuple de frecare (t) evidenţiază

trei stadii ale procesului: rodaj, regim de uzare stabilizat, uzare distructivă. Uzarea se produce în acele părţi ale suprafeţei de contact care au cea mai slabă legătură şi care

sunt părţi ale ariei reale de contact. În regim de uzare stabilizat, aria reală de contact este constantă. La alunecarea unui corp peste altul, pe “petele” de contact cu legături (“prinderi”, “adeziuni”) de frecare se produc deteriorări ale legăturilor şi apar noi suprafeţe în aceeaşi cantitate cu cele distruse, se realizează în acest fel un nou ciclu de funcţionare.

Ruperea legăturilor la nivelul diametrului mediu al petelor de contact poate fi considerat ca proces elementar de interacţiune ce determină uzarea.

5.2. Stadiul actual al cercetărilor experimentale

În contactul roată-şină, alunecarea şi rostogolirea apar simultan. Pe linie dreapta, roata se

găseşte pe zona centrală a şinei cu variaţii mici pe direcţia transversală, existând alunecări relative longitudinale, transversale şi de pivotare. Pe zonele curbe ale şinei, buza roţii este în alunecare continuă faţă de şină.

Este cunoscut ca procesul de tracţiune prin roata este format din zone de aderenţă (lipire-stick) şi zone de alunecare (slip) la nivelul suprafeţei hertziene de contact.

Zonele cu alunecare sunt supuse unui fenomen de deteriorare superficială (uzare) mult mai intens decât zonele de lipire (oboseala). În mişcarea continuă a roţii pe şină, toate punctele teoretice de contact sunt supuse la uzare.

Toate studiile experimentale dovedesc că în timpul alunecării, viteza (rata) de uzare (wr) (volumul de material uzat raportat la lungimea de alunecare) se modifică cu creşterea sarcinii normale, vitezei de alunecare sau temperaturii (Clayton [1995], Devanathan [1991], Enblom [2005], Lin [1991], Lim [1987], Lundem [1991], Telliskivi [2004]).

Clasificarea uzării după criteriul vitezei de uzare distinge trei regimuri de uzare: mediu, sever şi catastrofic.

Se constată tendinţa de limitare a vitezei de uzare şi chiar evidenţierea unui maxim cu variaţia încărcării normale specifice, aspect semnalizat şi de Daves [2002], (Sandu [2005]), (Sandu [2006]).

5.3 Rezultate experimentale proprii Pentru evaluarea comportării la uzare a materialelor utilizate la şina de metrou şi la roţile

vagoanelor de metrou se utilizează standul Amsler. Datele geometrice privind epruvetele, compoziţia chimică a materialelor, precum şi formele acestora după procesul de uzare sunt detaliate atât în capitolul 4, cât şi în prezentul capitol.

28

Poziţia relativă a epruvetelor este identică cu poziţia roţii şi şinei, întotdeauna epruveta

superioară este din materialul roţii şi epruveta inferioară este din materialul şinei. Caracterizarea la uzare a materialelor se face cu indicatorul intensitatea de uzare, care, în

condiţiile standului Amsler, se determină prin măsurarea diametrelor rolelor (dr- epruveta ce simulează şina (rail), dw- epruveta ce simulează roata (wheel), fără demontarea lor, cu precizie de micrometru, la diferite etape de funcţionare, evaluate prin numărul de cicluri înregistrat de stand (Nc). Astfel, intensitatea de uzare a epruvetei – şină (Iur) se determină cu expresia

( )cricrfwiwf

rfriur

NN2

dd2

ddI

−

+−

=πξ

(5.3.1)

în care drf şi dri sunt diametrele epruvetei - şină măsurate la finele şi la începutul experimentului respectiv; ξ este alunecarea relativă impusă prin diametrele şi turaţia rolelor; dwf şi dwi sunt diametrele epruvetei - roată măsurate la finele şi la începutul experimentului respectiv (diametre ce definesc lungimea medie de rulare a epruvetei - şină pe epruveta – roată; Ncri şi Ncrf sunt numerele ciclurilor de rulare ale epruvetei - şină la începutul şi la finele experimentului.

Intensitatea de uzare a epruvetei – roată (Iuw) se determină cu o expresie similară

( )cwicwfrirf

wfwiuw

NN2

dd2

ddI

−

+−

=πξ

(5.3.2)

în care Ncwi şi Ncwf sunt numerele ciclurilor de rulare ale epruvetei - roată la începutul şi la finele experimentului.

Graficele intensităţii de uzare a materialelor epruvetelor şină şi roată se reprezintă ca funcţie de alunecarea longitudinala relativă ξa şi ca funcţie de presiunea de contact adimensională pa. Presiunea de contact adimensională se consideră, similar cu încercările privind aderenţa, ca raportul dintre presiunea hertziană de contact maximă pH şi duritatea minimă a suprafeţei de contact HB

HBpp H

a =

Experimentele se fac pentru cinci presiuni adimensionale, pentru suprafeţe „curate şi uscate” şi pentru suprafeţe „contaminate” cu particulele proprii de uzură, cu apă sau cu ulei hidraulic:

pa1=0,053; pa2=0,085; pa3=0,24; pa4=0,58; pa5=0,86; Gama de alunecări longitudinale relative este aceeaşi ca la experimentările privind

determinarea coeficientul de aderenţă: ξa1=8x10-4; ξa2=4x10-3; ξa3=5,6x10-3; ξa4=8x10-3; ξa5=0,08; ξa6=0,4; ξa7=0,8; ξa8=2;

Pentru evaluarea statistică a rezultatelor experimentale privind intensitatea de uzare s-au făcut, la pregătirea standului, 10 experimentări în condiţii identice şi s-a stabilit, cu testul statistic Kolgomorov, că nu sunt valori aberante cu o probabilitate de 95 % şi că valoarea coeficientului de variaţie statistică este 0.14. Pe baza acestor încercări preliminarii, s-a luat decizia de a considera punctul statistic corect, media a trei încercări identice, după eliminarea eventualelor valori aberante.

La prelucrarea rezultatelor experimentale pe tipuri de încercări, s-au depistat 14 valori aberante. Aceste valori au fost eliminate şi s-a reluat tipul respectiv de încercare cu un alt experiment.

În tabelele matriciale 5.3.1.-5.3.4 sunt prezentate rezultatele experimentale privind variaţia intensitatea de uzare a epruvetei – şină (media aritmetică a trei încercări statistic valabile) cu presiunea adimensională de contact (pa) şi cu alunecarea longitudinală relativă (ξa) pentru cazul contact uscat şi fără contaminare cu particule de uzură (Iurexp), pentru cazul contact uscat cu contaminare cu particulele proprii de uzură (Iurex), pentru cazul contact contaminat cu apă (Iurew) şi pentru cazul contact contaminat cu ulei hidraulic (Iureo):

29

Tabelul 5.3.1. Intensitatea de uzare a materialului şinei în condiţii de contact uscat fără contaminare.

Iurexp 10 6−

0.05

0.07

0.17

0.37

0.41

1.07

1.44

3.1

5.5

5.4

1.82

2.5

5.3

9.8

9.7

2.85

4.1

9.2

17.1

18

27

40

98

195

239

140

202

480

947

1120

275

390

928

1820

2080

646

875

2090

3710

3850

⋅:=

Coeficientul de variaţie statistică pentru intensitatea de uzare a materialului şinei în condiţii de

contact uscat fără contaminare este 0,14. Tabelul 5.3.2. Intensitatea de uzare a materialului şinei în condiţii de contact contaminat cu

propriile particule de uzură.

Iurex 10 6−

0.045

0.067

0.14

0.32

0.38

1.05

1.41

3.0

5.3

5.2

1.78

2.45

5.1

9.6

9.6

2.80

4.0

9.1

16.9

17

26

38

95

190

231

138

195

475

941

1109

270

387

920

1805

2065

641

870

2075

3702

3840

⋅:=

Coeficientul de variaţie statistică pentru intensitatea de uzare a materialului şinei în condiţii de

contact uscat cu contaminare cu propriile particule de uzură este 0,11.

Tabelul 5.3.3. Intensitatea de uzare a materialului şinei în condiţii de contact contaminat cu apă.

Iurew 10 6−

0.042

0.065

0.12

0.31

0.36

1.01

1.40

3.0

5.1

5.1

1.72

2.40

5.00

9.56

9.6

2.75

3.90

9.00

16.70

17.00

25

36

93

187

228

136

192

470

939

1100

268

380

910

1790

2051

638

865

2070

3690

3805

⋅:=

Coeficientul de variaţie statistică pentru intensitatea de uzare a materialului şinei în condiţii de

contact contaminat cu apă este 0,12. Tabelul 5.3.4. Intensitatea de uzare a materialului şinei în condiţii de contact contaminat cu

ulei hidraulic.

Iureo 10 6−

0.040

0.062

0.11

0.30

0.32

0.96

1.35

2.90

4.95

4.96

1.70

2.35

4.92

9.50

9.45

2.71

3.89

8.78

16.10

16.90

23

34

91

183

226

132

187

465

930

1008

262

375

902

1781

2042

631

860

2062

3682

3795

⋅:=

Coeficientul de variaţie statistică pentru intensitatea de uzare a materialului şinei în condiţii de

contact contaminat cu ulei este 0,09.

30

Figurile 5.3.1...5.3.3 prezintă dependenţa intensităţii de uzare a materialului şinei (Iurexp1-

Iurexp5), funcţie de alunecarea longitudinală relativă (ξ1), pentru cele cinci presiuni adimensionale de încărcare (pa1-pa5) şi diferite condiţii de contaminare a contactului (uscat fără contaminare Iurexp, contaminare cu propriile particule de uzură Iurex, contaminare cu apă Iurew, contaminare cu ulei hidraulic Iureo), conform datelor centralizate din tabelele 5.3.1.-5.3.4.

Fig. 5.3.1. Variaţia intensităţii de uzare a epruvetei-şină pentru contactul uscat, necontaminat.

Fig. 5.3.2. Variaţia intensităţii de uzare a epruvetei-şină pentru contactul contaminat cu apă.

31

Fig. 5.3.3. Variaţia intensităţii de uzare a epruvetei-şină pentru contactul contaminat cu ulei hidraulic.

Variaţia intensităţii de uzare a epruvetelor – şină cu presiunea adimensională de contact şi

pentru diferite condiţii de contaminare, la două alunecări extreme (ξa1 = 0,8. 10– 4, ξa8 = 2), este

prezentată în figura 5.3.5. Analiza graficelor prezentate în figurile 5.3.1.- 5.3.5 indică o dependenţă liniară a intensităţii

de uzare cu fiecare dintre parametrii specifici contactului (presiunea adimensională şi alunecarea relativă).

Dacă se ţine seama şi de dependenţa coeficientului de aderenţă (μ) de presiunea de contact (pa), de alunecarea specifică (ξ) şi de starea de contaminare a contactului (uscat cu înlăturarea particulelor de uzură, contaminat cu apă şi contaminat cu ulei hidraulic), se poate aprecia coeficientul de uzare a materialului epruvetei-şină (kmtr).

Astfel, pentru rezultatele experimentale privind intensitatea de uzare, determinate pe maşina Amsler, se poate scrie

Iu kmt pa, µ, ξ,( ) kmt pa⋅ µ⋅ ξ⋅:= (5.3.3) în care produsul (μ pa ξ) reprezintă energia specifică generată prin frecare.

Pentru materialul epruvetei – şină, din rezultatele prezentate în graficele 5.3.1... 5.3.5 cu metoda celor mai mici pătrate se obţine kmtr = 0,1.

Astfel, în fig. 5.3.6 ... 5.3.7 sunt reprezentate spre exemplificare punctele experimentale şi cele obţinute cu relaţia (5.3.3) pentru contactul uscat fără contaminare cu particule şi contactul contaminat cu apă.

32

Fig. 5.3.6. Variaţia intensităţii de uzare cu alunecarea relativă şi presiunea pentru contactul uscat

necontaminat.

Fig. 5.3.7. Variaţia intensităţii de uzare cu alunecarea relativă şi presiunea pentru contactul

contaminat cu apă.

33

Capitolul 6. Interpretarea rezultatelor experimentale înregistrate in situ.

Măsurătorile uzurilor liniilor CF de la metrou în zona curbelor de cale ferată 6.1. Prezentarea considerentelor privitoare la uzurile înregistrate în timp Actualul sistem de metrou din Bucureşti a fost structurat pe mai multe magistrale.

Magistralele 1 şi 3 acoperă în principal un traseu circular în jurul centrului oraşului, în timp ce Magistrala 2 traversează oraşul de la nord la sud prin centru. Magistralele 1 şi 3 intersectează Magistrala 2 la staţiile Piaţa Victoriei şi Piaţa Unirii. Toate liniile sunt cu cale dublă şi efectuează trafic unidirecţional.

Pe parcursul anului 2003, materialul rulant de provenienţă internă tip "REM IVA" de pe Magistrala 2 a fost înlocuit treptat cu trenuri noi tip BM2. Alimentarea trenurilor se face cu curent continuu, iar ramele sunt prevăzute cu convertizoare şi cu motoare de tracţiune de curent alternativ. Boghiurile au osiile auto-orientabile, care includ trei elemente de suspensie: un arc elicoidal care preia sarcina verticală, braţe oscilante şi elemente de suspensie metal-cauciuc care împreună oferă o oarecare libertate pentru a facilita variaţia independentă a caracteristicilor de forfecare şi încovoiere în plan ale boghiului.

Într-un interval de timp destul de scurt (câteva luni) de la punerea în exploatare a trenurilor tip BM2, s-a observat, în timpul circulaţiei trenurilor, apariţia unor vibraţii şi şerpuiri anormale la aceste tipuri de rame de metrou, cu accentuarea în timp. Ulterior s-a afirmat faptul că trenurile tip BM2 ar fi mai stabile atât pe şine noi, cât şi pe şine uzate de pe liniile în aliniament dacă s-ar adopta profilul STAS 112/3 - 90 „modificat” pentru material motor utilizat la trenurile REM IVA utilizate pe Magistrale 1+3 (profil derivat din profilul STAS 112/3-90 pentru locomotive). Mersul stabil al trenurilor a fost demonstrat ulterior în practică în urma adoptării acestui profil.

Urmare a apariţie uzurilor anormale la roţile ramelor de metrou tip BM2 reprofilarea acestora a fost necesară după parcurgerea a aproximativ 18.000 km pentru atenuarea vibraţiilor şi şerpuirilor în condiţiile în care, în mod normal, ca ordin de mărime, un profil necesită restrunjire după aproximativ 250 000 km parcurşi.

În urma trecerii de la profilul de roată uzată tip P8 la un profil simplu conic tip STAS 112/3-90 „modificat”, intervalul de reprofilare s-a mărit (aproximativ la o valoarea medie de 30.000 km).

Un aspect deosebit de important care trebuie menţionat este că anormalitatea uzurilor a constat în principal în viteza de degradare a profilelor roţilor, iniţial la ramele de metrou tip BM2, dar în acelaşi timp şi la şinele de cale ferată, cu o accentuare mai deosebită pe anumite porţiuni (în general pe curbele cu raze mici de curbură), iar în final la roţile ramelor de metrou tip REM IVA.

6.2. Prezentarea modului de efectuare a măsurătorilor Având în vedere că la Metrorex programul de înlocuire a ramelor clasice tip REM IVA cu

rame tip BM 2 pe Magistralele 1+3 şi 2, a continuat şi după acel moment, în perioada 2006-2007, cu acordul conducerii SC Metrorex SA Bucureşti, s-a demarat, împreună cu personal de specialitate de la Metrorex, un program de supraveghere a comportării şinelor de metrou în puncte distincte (puncte aflate în aliniament şi în curbe, cu diferite raze de curbură), în vederea stabilirii comportării şi evoluţiei uzurii în timp, pe măsură ce aceste rame tip BM 2 intrau în exploatare.

Au fost alese 2 seturi de puncte de măsură (un set cu 3 puncte pentru Magistrala 1+3 şi un set pentru Magistrala 2), pentru a se sublinia influenţa tipului de material rulant.

S-au ales perechi de puncte pe zone cu raza aspră (R≈300 m), raza medie (R≈750 m) şi aliniament. Alegerea punctelor s-a făcut astfel încât acestea să nu fie în zonă de frânare sau zonă de demaraj a trenurilor, fapt care ar fi influenţat evoluţia uzurii.

Măsurătorile s-au efectuat periodic exact în aceleaşi puncte prestabilite care iniţial au fost identificate şi marcate. Perioada în care s-a desfăşurat aceste măsurători a fost între octombrie 2006 şi septembrie 2007. S-a evidenţiat şi interpretat uzurile laterale Ul şi verticale Uv, conform prevederilor Instrucţiei I 314 M/1997, iar valorile înregistrate au fost centralizate.

34

Pentru fiecare punct unde s-au efectuat măsurători există aceste tabele centralizatoare precum şi grafice care să reprezinte evoluţia uzurilor. S-a optat pentru reprezentarea evoluţiei uzurilor verticale şi laterale funcţie de tonajul brut cumulat (TBC), deoarece acest indicator este utilizat la toate administraţiile feroviare dar şi pentru că modul de determinare este unificat prin reglementări internaţionale, unanim acceptate.

Comparativ s-au studiat evoluţiile uzurilor înregistrate la SC Metrorex SA în perioada 01.01.2002-31.12.2006, cu observaţia că aceste măsurători nu au o acurateţe deosebită datorită faptului că realizarea acelor măsurători nu s-au efectuat strict în aceleaşi puncte ci pe zone de urmărire.

La SC Metrorex SA Bucureşti, calculul tonajului brut cumulat se efectuează în conformitate cu prevederile Fişelor UIC, cu parametri tehnici şi de trafic adaptaţi specificului metroului bucureştean. Pentru cazul de faţă s-a respectat procedurile de calcul a calculul tonajului brut cumulat, datele primare necesare fiind preluate de la SC Metrorex SA Bucureşti, Regulatorul de Circulaţie şi Secţiile Linii-Tunele. Un aspect deosebit de important a fost stabilirea numărului de trenuri care au circulat (pe zile lucrătoare şi nelucrătoare), precum şi determinarea statistică a numărului de călători transportaţi.

Tonajul brut înregistrat a fost stabilit conform reglementărilor existente din datele preluate de la regulatorul de circulaţie şi secţiile LT.

Pentru perioada efectuării acestor măsurători s-au înregistrat, pentru Magistrala 1+3 un tonaj brut cumulat de 12 621 539 TBC şi 2 184 360 osii tranzitate, iar pentru Magistrala 2 un tonaj brut cumulat de 6 922 044 TBC şi 2 586 072 osii tranzitate.

După efectuarea calculelor şi verificarea acestora cu personal de specialitate din cadrul SC Metrorex SA Bucureşti, au reieşit o serie de valori înregistrate pentru tonajul brut şi numărul de osii succedate prezentate centralizat în următoarele tabele.

Vitezele medii de circulaţie a trenurilor prin punctele stabilite au fost determinate prin analizarea vitezelor de circulaţie a trenurilor înregistrate de vitezometrele de pe ramele de metrou.

Pentru a se putea vizualiza mai explicit evoluţia uzurilor verticale şi laterale, acestea sunt prezentate prin marcarea punctelor de măsurare pe un profil de şina realizat prin utilitarul Mathcad.

6.3. Aspecte reieşite pe perioada prezentului studiu Din datele puse la dispoziţie a reieşit că pe Magistrala 1+3 tonajul cumulat pentru o perioadă

calendaristică identică este cu aproximativ 45% mai mare decât valorile tonajului cumulat pe Magistrala 2.

Pe perioada cât au fost realizate aceste măsurători (01-11.2006–18.09.2007), pe Magistrala 2 au circular doar rame tip BM2, iar pe Magistrala 1+3 la începutul măsurătorilor se aflau în circulaţie rame tip REM IVA, treptat, o parte dintre acestea au fost înlocuite cu ramele tip BM2, conform graficului de introducere în circulaţie.

Perioada de final a măsurătorilor a coincis cu momentul când pe Magistrala 1+3 ramele tip BM2 aflate în circulaţie acopereau o pondere de aproximativ 25% din totalul ramelor aflate în circulaţie.

Din analiza istoricului uzurilor pentru Magistrala 2, înregistrate într-un interval de timp de 4 ani (ianuarie 1999–decembrie 2003), pentru aceleaşi punctelor în care s-au efectuat măsurătorile din prezentul studiu, a reieşit ca atât uzurile verticale cât şi cele laterale au înregistrat valori cuprinse între 1 şi 2 milimetri, în funcţie de punctul de măsurare. Pe perioada prezentului studiu, care a durat de aproximativ 10 luni (octombrie 2006-septembrie 2007) uzurile verticale au înregistrat o evoluţie cuprinsă între 0,1 şi 0,7 milimetri, iar uzurile laterale au înregistrat o evoluţie cuprinsă între 0,1 şi 0,4 milimetri.

Din analiza istoricului uzurilor pentru Magistrala 1+3, înregistrate într-un interval de timp de 4 ani (ianuarie 2002–decembrie 2006), pentru aceleaşi zonă în care s-au efectuat măsurătorile din prezentul studiu, a reieşit ca atât uzurile verticale cât şi cele laterale au înregistrat valori cuprinse între 1 şi 2 milimetri.

35

Pe perioada prezentului studiu de aproximativ de 10 luni (octombrie 2006 şi septembrie 2007) uzurile verticale au înregistrat o evoluţie maximă de 1 milimetru, iar uzurile laterale au înregistrat o uzură cuprinsă între 0 şi 0,1 milimetri.

Privitor la apariţia uzurilor în punctele de aliniament A şi D s-au observat şi înregistrat uzuri severe (uzurile verticale şi laterale cu valori şi de 1 mm). Pentru circulaţia pe zonele curbe, cele mai severe uzuri verticale s-au observat şi înregistrat în punctele B2, B4, E1 şi E4 şi F5 pentru şinele interioare şi în punctele B2, B4, B5, E2 şi E4 pentru şinele exterioare (uzuri verticale maxime şi de 1 mm). Pentru circulaţia pe zonele curbe, cele mai severe uzuri laterale s-au observat şi înregistrat în punctele B1, B2, B4, E4 şi E5 pentru şinele interioare şi în punctele C1, C4, C5, E3 şi E4 pentru şinele exterioare (uzuri laterale maxime şi de 1 mm).

6.4. Observaţii preliminare Din analiza datelor înregistrate se observă, ca primă concluzie, că în general, uzarea şinelor de

metrou pe Magistrala 2 este mai accentuat decât la şinele de pe Magistrala 1+3 pe care s-a circulat combinat cu rame de metrou tip REM IVA şi BM2 (ponderea fiind a ramelor de metrou tip REM IVA), şi unde tonajul brut cumulat a fost cu aproximativ 45%. Din această observaţie se poate trage o primă concluzie că ramele de metrou tip BM2 sunt mai „agresive” în relaţia lor cu şinele de cale ferată în raport cu vechile rame de metrou tip IVA.

Din compararea datelor referitoare la măsurarea uzurilor de pe Magistrala 2 anterior introducerii trenurilor tip BM2 şi compararea lor cu valorile măsurate şi înregistrate, pe perioada prezentului studiu, se poate observa, ca o a doua concluzie, că uzură şinelor nu mai prezintă o uniformitate specifică uzurilor anterioare, existând atât zone cu intensităţi de uzură sub pragul caracteristic specific metroului bucureştean, cât şi zone cu intensităţi de uzură peste pragul caracteristic.

Tot din observarea şi compararea valorilor uzurilor, se poate constata, ca o a treia concluzie, că sunt zone unde intensitatea de uzură prezintă valori mari (0,85-1 mm/an uzură în plan vertical şi 0,5-1 mm/an uzură în plan lateral), anormale pentru punctele respective şi pentru specificul metroului bucureştean.

Un alt aspect ce reiese din aceste observaţii este că aceste uzuri, fie că sunt pe şinele interioare, fie pe cele exterioare curbelor sunt la intrare sau ieşirea de pe curbele de racordare parabolice, unde se cunoaşte că geometria realizării acestor curbe de racordare, şi menţinerea caracteristicilor în timp este mai dificilă.

6.5.Concluzii privitoare la posibilele cauze şi explicaţii O posibilă cauză este dezechilibrul raporturilor dintre duritatea oţelului roţilor şi cea a oţelului

şinelor la suprafaţa de contact. Acest aspect trebuie luat în considerare având în vedere şi faptul ca durităţile materialelor roţilor şi şinelor au valori diferite în funcţie de adâncimea faţă de suprafaţa de contact, de punctul de contact, de starea de ecruisare a materialului în zona de contact, de variaţia durităţii materialului şinei în lungul acesteia, etc.

Contactul roata şină poate şi trebuie studiat luând în calcul, atât aspectul dinamic cât şi cel geometric al roţii şi al şinei, dar şi sub aspectul determinării stării de tensiuni şi deformaţii la contactul dintre roată şi şină. În acest sens tot ca o posibilă cauză a uzurilor premature poate fi şi ,,strivirea’’ materialului în interiorul amprentei de contact, datorită depăşirii presiunii maxime admisibile la contactul dintre roata ramei de metrou tip BM2 şi şină din calea de rulare. Deformaţia plastică a umărului activ al şinelor, cât şi oboseala la contactul rulant (RCF) sunt mai severe pe Magistrala 2 de metrou, pe care circulă noile trenuri tip BM2, decât pe Magistrala 1+3, pe care circulă materialul rulant mai vechi. Analizarea eşantioanelor de material metalic (atât din roţi cât şi din şine) precum şi a materialelor foto ridicate din teren, au arătat că uzarea şi în final degradarea roţilor şi a şinelor a fost precedată de o ,,curgere” a materialului, fapt care susţine aceasta prezumtivă cauză.

36

Repartizarea greutăţii noilor rame de metrou tip BM2 la încadrarea acestora în cale, vitezele de circulaţie în funcţie de viteza proiectată a liniei, poziţionarea punctului (sau punctelor) efectiv de contact, la contactul roată-şină, cumulate bineînţeles cu ceilalţi factori specifici circulaţiei metroului pot crea situaţii în care rularea trenurilor de metrou să conducă la apariţia acestor uzuri anormale.

Oboseala materialului la contactul de rulare, exfolierea, deformarea plastică, canelarea şinelor şi roţilor, ondularea şi uzarea feţei interioare a buzei roţilor sunt probleme care apar la multe administraţii feroviare. Deşi toate aceste probleme apar şi la alte administraţii feroviare, există puţine căi ferate unde fenomenul de oboseală a materialului la contactul de rulare a fost atât de pregnant ca la metroul bucureştean.

O posibilă explicaţie pentru severitatea acestor probleme de la metroul din Bucureşti este şi faptul că şinele sunt lubrifiate în exces pe zona aparatelor cu transportarea unsorii consistente în lungul zonelor care deja prezentă o serie de defecte (îndeosebi sub formă de fisuri). Prin aplicarea unei presiunii asupra acestui film de lubrifiant se favorizează astfel introducerea unsorii consistente în adâncimea fisurii şi accelerarea smulgerilor de material prin propagarea fisurilor datorate presiunilor hidrostatice apărute.

Deşi un factor de micşorare a uzurilor este lubrifierea şinelor pe zonele cu raze „aspre” sau pe zona aparatelor de cale, o dozare în exces sau utilizarea acestei metode pe zone cu defecte care includ şi fisuri este contraproductivă. Se menţionează faptul că actualele reglementări nu fac menţiuni explicite privitoare la condiţiile de utilizare, dozare şi limitare a folosirii acestor tipuri de ungătoare, iar concepţia acestora este destul de veche fără posibilitatea de a controla şi doza nivelul optim de lubrifiant.

Intensitatea de uzură cu valoare mare observată în diferitele puncte poate fi explicată şi printr-un set de factori determinanţi peste care se suprapun o serie de factori favorizanţi.

În setul de factori determinanţi putem introduce: razele de curbură ”aspre„ care, după cum s-a observat, favorizează apariţia alunecărilor, precum şi ”agresivitatea„ noilor rame de metrou tip BM2, semnalate prin observaţie directă a evoluţiilor în timp a uzurilor verticale şi laterale ale şinelor de cale ferată.

Ca factori favorizanţi se put enumera: forma contactului datorat curburilor profilelor, care, după cum s-a observat, pot genera contacte hertziene sau nehertziene (contactele hertziene prezintă o repartizare a forţelor pe o suprafaţă de contact mai redusă faţă de contactul nehertzian), proprietăţile de auto-orientabilitate a osiilor ramelor de metrou tip BM2 care se orientează radial mult mai uniform decât vehiculele convenţionale şi de aceea uzura se concentrează în zone specifice ale suprafeţei de rulare (umărul şinei). Acest lucru apare la orice vehicul cu osii auto-orientabile şi nu este o problemă a vehiculelor tip BM2 în particular, precum şi rularea în bicontact datorate neechilibrului dintre supraînălţare şi vitezele de circulaţie.

Este posibil ca şi alţi factori să fi fost semnificativi în cauzarea apariţiei uzurilor anormale: - Materialul rulant utilizat pe Magistrala 1+3 a fost neuniform, iar circulaţia unidirecţionată.

Acest fapt a creat o uzură caracteristică tipului de împerechere tip REM IVA - cale de rulare, peste care, s-a suprapus un alt de tip de material rulant. Acest aspect s-a reliefat destul de bine pe distanţa de circulaţie dintre staţiile de metrou Semănătoarea şi Crângaşi, unde, după introducerea în circulaţie a noilor trenuri tip BM2 au început să se observe pe şină uzuri şi amprente pe zone distincte ale suprafeţei de rulare.

- Totodată trebuie menţionat şi faptul că vehiculele cu osii auto-orientabile sunt mult mai sensibile la conicitate decât vehiculele convenţionale şi prin urmare, la tipul profilurilor de roţi şi de şine, fapt caracteristic vehiculelor cu osii auto-orientabile şi nu vehiculelor tip BM2 în particular (Sandu, N., [2008]).

37

Capitolul 7. Concluzii. Contribuţii originale. Direcţii viitoare de cercetare 7.1. Concluzii generale Sistemul feroviar din România prin regulamentele şi instrucţiile specifice impun condiţiile de

exploatare, atât şinelor de cale ferată, cât şi a roţilor vehiculelor feroviare. Evoluţia sistemului roată-şină a fost şi va fi urmărit în permanenţă de considerentul asigurarea

condiţiilor de siguranţă şi securitate a transporturilor. Coeficienţii de frecare şi de aderenţă la contactul roată-şină, forma profilelor roţilor şi a

şinelor de cale ferată şi caracteristicile de material ale acestora sunt parametri de care vor depinde limitele acestui sistem şi implicit limitele sistemului de transport feroviar.

Referitor la forma profilelor roţilor şi a şinelor de cale ferată, determinarea matematică a acestora şi posibilitatea cunoaşterii curburilor punctelor de contact este esenţială în determinarea stării de tensiuni şi deformaţii. Pentru determinarea acestora s-a adoptat varianta determinării analitice a profilelor noi, iar pentru profilelor uzate s-a propus varianta determinării acestora prin puncte.

Dacă se face o analiză a aspectelor semnalate în această lucrare, la final se pot trage o serie de concluzii care sunt importante şi prin modul în care acestea pot fi exploatate în continuare:

A). În privinţa forţele longitudinale şi laterale, momentele de spin, precum şi a puterii

pierdută prin frecare: • Forţele longitudinale şi laterale, precum şi momentele de spin depind de valoarea

excentricităţii elipsei de contact, valorile acestora fiind mai mari cu cât excentricitatea este mai mică.

• Asemănător, cu cât excentricitatea elipsei de contact este mai mică, creşte şi puterea pierdută prin frecare.

• Forţele longitudinale ating valori maximale pentru vitezele de circulaţie a vehiculului mici, după care se poate vorbii de o stabilizare a acestor forţe.

• Decalajului osiei în cale nu influenţează într-o măsură importantă, valorile forţelor longitudinale, laterale şi momentelor de spin.

• Influenţa razelor mici de curbură a şinelor în cale apar la forţele laterale şi momentele de spin când acestea prezintă creşteri exponenţiale, iar peste valori ale razelor de curbură de 450 m, atât forţele laterale, cât şi momentele de spin prezintă valori constante.

• Puterea pierdută prin frecare prezintă valori maximale pentru raze de curbură cu valori mici. Peste valori de 450 m ale razei curbei, putem afirma ca raza curbei nu mai influenţează variaţia puterii pierdute prin frecare.

• Jocul osiei în cale influenţează valorile forţei adimensională laterală şi momentul adimensional de spin printr-o relaţie directă, în situaţia când excentricităţile elipsei de contact sunt mici. Pentru valori ale excentricităţile elipsei de contact peste 0,4, practic jocul osiei în cale nu mai are nici o influenţă.

• Nu acelaşi lucru se poate afirma despre puterea pierdută prin frecare, care prezintă o creştere parabolică cu creşterea jocului osiei în cale.

• Raza roţii implică o anumită influenţă în variaţia forţei adimensională laterală şi momentul adimensional de spin, dar şi de această dată se observă influenţa excentricităţile elipsei de contact. Forţei adimensională laterală şi momentul adimensional de spin scad cu creşterea razei roţii vehiculului, iar excentricitatea elipsei de contact modifică în sens crescător valorile acestora precum şi panta de scădere.

38

• Cu cât excentricitatea elipsei de contact este mai mare, cu atât panta de scădere a forţei adimensională laterală şi momentul adimensional de spin sunt mai mari;

• Pentru viteze de circulaţie peste 14 m/s (50 km/h), se observă o creştere a puterii pierdute prin frecare cu creşterea razei roţii. Sub aceste viteze se observă o scădere a puterii pierdute prin frecare cu creşterea razei roţii.

B). În privinţa generării şi reprezentării profilelor roţilor şi a şinelor:

• S-a plecat de la reprezentarea schematică şi matematică a principalele profile de roţi şi de şine utilizate şi s-a reuşit generarea de funcţii matematice, care o dată introduse în utilitarul Mathcad 2000 a condus la generarea acestor profile. Pentru cazul unor profile aflate în exploatare, unde uzurile au modificat profilul iniţial, acesta poate fi reprezentat şi generat prin perechile de puncte (ridicate cu diverse dispozitive profilograf existente tip Miniprof). Aceste perechi de puncte sunt importate în utilitarul Mathcad 2000 şi astfel se pot genera funcţiile care reprezintă profilul roţii sau al şinei.

• Cunoaşterea profilelor înseamnă şi cunoaşterea curburilor acestora în diversele puncte de contact, iar prin utilizarea soluţiei lui Hertz, se dezvoltă un program de calculator pentru toate punctele de contact dintre roată şi şină care poate lua în consideraţie inclusiv curbura şinelor în cale.

• Se poate constata că pentru unele puncte de contact roată-şină, curbura totală în punctul de contact este aproape de zero, iar în acest caz teoria hertziană se va aplica pentru un contact liniar.

• Utilizarea acestui aparat matematic a condus la analizarea dependenţei tensiunilor maxime, precum şi influenţarea acestora de diverşi parametrii.

• Din analiza dependenţei tensiunilor maxime de elipticitate se constată că situaţia cea mai defavorabilă este aceea în care contactul este circular (ge=1).

• Pentru contactul eliptic cu încărcare normală şi tangenţială, valorile tensiunii echivalente Hencky-Mises-Huber cresc cu creşterea coeficientului de adeziune şi a elipticităţii elipsei de contact;

C). În privinţa capacităţii de încărcare şi durabilitatea la oboseala de contact a şinei:

• Capacitatea de încărcare, în general, scade cu creşterea coeficientului de aderenţă. Diagramele variaţiei capacităţii de încărcare funcţie de coeficientul de aderenţă prezintă un interes prin analiza în raport de viteza de circulaţie a vehiculului feroviar. Indiferent de viteză, capacitatea portantă are o zonă iniţială de creştere, după care aceasta scade. Cu cât viteza de circulaţie este mai mică, atingerea punctului de maxim al capacităţii de încărcare se face la coeficienţi de adeziune mai mari. Pentru viteze de circulaţie mai mari de 30 km/h scăderea capacităţii de încărcare este destul de rapidă;

• Capacitatea de încărcare, în general, scade cu creşterea vitezei de circulaţie. Pentru viteze mici de circulaţie (0-3 m/s) există o zonă în care capacitatea de încărcare prezintă o anumită creştere, iar după atingerea unui maxim, descreşterea este parabolică în funcţie de creşterea vitezei;

• Capacitatea de încărcare în raport cu alunecarea specifică este influenţată major de modul de contaminare al suprafeţei de contract. Se observă ca o contaminare cu ulei creează chiar o uşoară creştere a capacităţii de încărcare, în raport cu o contaminare a zonei de contact cu apa care, iniţial favorizează creşterea capacităţii de încărcare, iar ulterior o defavorizează. O suprafaţă de contact uscată este situaţia cea mai defavorabilă pentru capacitatea de încărcare, aceasta scăzând rapid cu creşterea alunecării specifice;

39

• Durabilitatea la oboseala de contact funcţie de viteza de rulare prezintă interes prin analiza acesteia funcţie şi de modul de contaminare a suprafeţei de contact. O zona contaminată cu apa în raport cu o suprafaţa curată este mai favorabilă prin faptul că durabilitatea se extinde pentru plaje mai mari de viteze de rulare.

D). În privinţa dependenţei coeficientului de frecare la rostogolire funcţie de presiunea de

contact: • Se observă iniţial o creştere a coeficientului de frecare la rostogolire urmat de o

limitare pentru contactul uscat şi pentru cel contaminat cu apă şi o scădere nesemnificativă pentru contactul contaminat cu uleiul hidraulic. Această scădere poate fi explicată prin reducerea viscozităţii lubrifiantului şi a modificărilor reologice ale “corpului terţ”, posibil format la presiuni de contact ridicate.

• Intervalul de creştere a coeficientului de frecare la rostogolire este cuprins în intervalul 0-0,3 pentru contactul uscat, 0-0,25 pentru contactul contaminat cu apă şi 0-0,3 pentru contactul contaminat cu ulei.

• În afara acestor intervale de presiuni mici şi care în aplicaţiile practice se întâlnesc rar, putem vorbi de o zonă în care coeficientul de frecare la rostogolire se menţine aproximativ constant cu valori de 0,02 pentru contactul uscat, 0,009 pentru contactul contaminat cu apă şi 0,001 pentru contactul contaminat cu ulei.

E). În privinţa dependenţei coeficientului de aderenţă funcţie de presiunea de contact:

• Coeficientul de aderenţă, în condiţiile în care suprafeţele în contact au fost „curate şi uscate”, creşte proporţional cu alunecarea relativă până la o valoare maximă. În cazul în care alunecările sunt mici, coeficientul de aderenţă prezintă creşteri parabolice. După atingerea valorii maxime, coeficientul de aderenţă prezintă o scădere treptată cu creşterea alunecării.

• Valorile maxime ale coeficientului de aderenţă depind de încărcare, evaluată prin presiunea adimensională de contact.

• Valorile alunecărilor la care se ating maxime ale coeficientului de aderenţă sunt situate în jurul valorilor de 0,5 pentru contactul uscat, 0,2 pentru contactul contaminat cu apă şi 0,05 pentru contactul contaminat cu ulei.

• Pentru regimurile de frecare la care contactul este contaminat cu apă şi cu ulei hidraulic, diagramele de variaţie ale coeficientului de aderenţă sunt similare, însă cu maxime mai reduse.

• La alunecarea totală (ξa8=2), coeficientul de aderenţă are semnificaţia fizică a unui coeficient de frecare la alunecare şi se stabilizează la fiecare presiune de contact.

F). În privinţa poligonalizării suprafeţelor rolelor trebuie făcute câteva observaţii

• Poligonalizarea a apărut ca un ultim efect al fenomenului uzării şi ca un fenomen premergător începerii degradării severe;

• Poligonalizarea a apărut doar la rolele confecţionate din material de şină şi situate pe arborele inferior al maşinii Amsler.;

• Rolele confecţionate din material de roată prezintă şi ele forme de degradare dar sub forma unor „caneluri” şi „zgârieturi”

• Se observă o legătură între forma profilului rolei-epruvetă şi forma poligonalizării, profilul concav (rola tip II) favorizează apariţia unei poligonalizări cu lungime mare.

• Poligonalizarea, ca efect final al uzării a apărut pe fondul apariţiei iniţiale a unei uzuri ondulatorii.

• Poligonalizarea apărută a fost influenţată de inducerea alunecării între cele doua role ale fiecărui set pe care s-a efectuat experimentul.

40

• Efectul tracţiunii indus de roata conducătoare a fost vizualizat iniţial prin apariţia uzurii ondulatorie. Prin continuarea experimentului, aceasta uzură ondulatorie a fost lăsată să avanseze, iar în final aceasta a condus la apariţia unor forme severe de uzură cu modificarea geometriei profilului şi apariţia unor fenomene de poligonalizare pe rolele confecţionate din material de şină

• Acest fapt confirmă faptul că uzura ondulatorie constituie o cauză principală în generarea altor tipuri de uzuri (pierderi severe de material, modificarea geometriei profilului, etc.), precum şi faptul că ea constituie cauze primare în apariţia unor defecte şi degradări care por scoate din uz sistemul (turtiri, fluaj de material, etc.).

• Prin apariţia şi dezvoltarea uzurii ondulatorii, circularitatea rolelor a fost modificată, fapt care a condus la apariţia unor presiuni variabile pe zonele de contact (cu valori maxime în zona vârfurilor uzurii ondulatorie) şi care s-au suprapus peste alunecările care erau induse de către maşina Amsler. Fenomenul de uzare ondulatorie a început să aibă o formă cumulativă, iar presiunile maximale au condus la valori ale tensiunilor care au depăşind valorile limitelor de deformare plastică şi în final fluajul şi exfolierea zonei de contact a rolelor.

• Acest experiment confirmă două aspecte deosebit de importante observate în exploatarea feroviară, acelea că uzura ondulatorie constituie o cauză principală în generarea altor tipuri de uzuri sau degradări şi că fenomenul de uzare ondulatorie, din momentul apariţiei, începe sa aibă o formă cumulativă în evoluţia sa ulterioară.

G). În privinţa analizei variaţiei intensităţii de uzare:

• Intensitatea de uzare depinde direct de coeficientului de aderenţă (μ), de presiunea de contact (pa), de alunecarea specifică (ξ), de starea de contaminare a contactului şi de proprietăţile materialului.

• Creşterea alunecării longitudinale relativă (ξa) conduce la creşterea intensităţii de uzare, cu menţiunea că după valori ale alunecării longitudinale de 0,01, intensitatea de uzare prezintă o anumită scădere.

• Intensitatea de uzare funcţie de presiunea de contact (pa) prezintă două paliere (primul palier pentru pa cuprins între 0 şi 0,15, iar al doilea palier de creştere pentru pa cuprins între 0,3 şi 0,9), după care o intensitatea de uzare intră într-un palier descendent, fapt care conduce la confirmarea veridicităţii acestor experimentări cu alte studii efectuate pe plan mondial, unele dintre ele descrise şi în prezenta lucrare.

• La presiuni de contact ridicate, creşterea acesteia nu mai influenţează major creşterea intensităţii de uzare, dar totodată se observă începerea unui proces de degradare rapid al suprafeţelor de contact.

• Pentru experimentele ce au fost descrise în prezentul capitol, aceste degradări rapide s-au manifestat prin transformarea uzurii ondulatorii în poligonalizări ale suprafeţelor de contact şi apariţii de fenomene de exfolieri şi curgeri de material.

• Uzura ondulatorie, din momentul apariţiei, începe să aibă o componentă cumulativă la propria ei accentuare. Aceasta conduce în timp la apariţia unor forme de degradare severe ale suprafeţelor de rulare, iar în final la scoaterea completă din uz a respectivei componente.

41

7. 2. Concluzii privitoare la aspectele cu aplicabilitate practică la metroul din Bucureşti

În urma aspectele care au reieşit din prezentul studiu precum şi influenţele apariţiei unor uzuri anormale atât la şinele de cale ferată cât şi la roţile ramelor de metrou se pot prezenta câteva recomandări, structurate pe două direcţii distincte:

Recomandări privind stabilizarea intensităţilor de uzare pe un palier rezonabil:

• Stabilirea în amănunt a zonelor unde este absolut nevoie de utilizarea ungătoarelor de cale, şi realizarea unui sistem de dozaj optim a unsorii consistente aplicată pe calea de rulare.

• Circulaţia ramelor de metrou cu parametri de viteză şi acceleraţie cât mai apropiate de parametri pentru care a fost proiectată şi realizată calea de rulare.

• Analizarea achiziţionării de maşini de polizat calea şi utilizarea acestora optim la metroul bucureştean, precum şi posibilitatea utilizării acestora în alte zone de transport (transport urban, CFR, etc.), pentru echilibrarea şi amortizarea investiţiei realizate.

• Stabilirea unui joc optim a raportului durităţilor pe zonele de contact ale roţilor şi ale şinelor. Dacă modificarea durităţii zonei de rulare a şinei este mai greu de realizat, o modificare a durităţii suprafeţei de contact a roţilor este posibilă prin aplicarea unor metode diverse (tratamente termice de suprafaţă a roţilor, ecruisarea zonei de contact urmare a bombardării cu alice, „vălţuirea” zonei de contact a roţii, etc.).

• Stabilirea unui sistem optim de ungere a aparatelor de cale şi/sau liniilor de cale ferată aflate în curbele cu raze mici, prin care să se poată asigura prevenirea apariţiei uzurilor anormale, fără însă ca existenţa în surplus a lubrifiantului să conducă la apariţia unor degradări de natură hidrostatică. Recomandări privind continuarea studierii contactului de rulare roată-şină:

• Realizarea unor studii de cercetare internă sau împreună cu instituţii specializate, prin care, să se poată explica corect în detaliu diversele aspecte privitoare la comportarea materialelor la contactul roată-şină (starea de tensiuni şi deformaţii la contactul roată-şină, influenţa condiţiilor de mediu şi microclimat specific metroului bucureştean, comportarea materialelor şi uzarea acestora din punctul de vedere al structurii metalografice, a influenţei compoziţiei materialelor, influenţarea uzurilor de către regimul vibratoriu la contactul roată-şină, determinarea menţinerii în timp a parametrilor de elasticitate şi amortizare a caii de rulare, etc.). De menţionat că demararea de astfel de studii şi teme de cercetare este facilă şi fără antrenarea de resurse materiale şi umane semnificative, în condiţiile accesării unor fonduri europene specializate pentru cercetare.

• Achiziţionarea şi urmărirea evoluţiei uzurilor la roţile ramelor de metrou şi la şinele de cale ferată cu ajutorul unor dispozitive performante, prin care se pot urmării, interpreta şi înregistra mult mai uşor şi mai exact evoluţia uzurilor şi a indicatorilor specifici uzurilor.

• Analizarea realizării unui nou profil al bandajului optim pentru ramele tip BM2 specific metroului bucureştean, care să stabilizeze uzurile atât la roţi cât şi la şinele de cale ferată. Determinarea şi previziunea maselor pierdute prin uzura si, implicit evoluţia uzurilor la

principalele componente ale sistemului tribologic roată – şină are o importanţă deosebită, putându-se stabilii o noua abordare în proiectarea şi realizarea profilelor roţii şi a căii de rulare, care să prezinte o uzură minimă, un nou mod de a stabilii periodicitatea momentelor în care trebuie efectuate reparaţii de corecţie şi/sau de înlocuire a acestora, dar şi posibilitatea de preîntâmpinare şi explicare anumitor defecte care apar în exploatare la calea de rulare şi/sau la roţile vehiculelor feroviare.

Aceste determinări ale uzurilor prezintă atât avantajul menţinerii costurilor de întreţinere în exploatare între anumite valori optime, cât şi pe cel al menţinerii sistemului în limitele de siguranţă a circulaţiei şi securitate a transporturilor.

42

7.3. Contribuţii personale Pentru abordarea şi finalizarea obiectivelor propuse, se consideră contribuţii personale

următoarele: a. În plan documentar şi bibliografic

1) Studiul privind evoluţia teoriilor contactului roată-şină şi a metodelor de determinare a forţelor care pe suprafaţa de contact.

2) Studiul privind evoluţia proceselor de deteriorare la contactul roată-şină, cu analizarea următoarelor tipuri de uzuri:

• Analiza uzurilor ondulatorii la şinele de cale ferată şi importanţa acestor uzuri în generarea altor tipuri de uzuri şi defecte ale şinelor de cale ferată;

• Analiza uzurii prin oboseala superficială şi fisurarea şinelor şi a caracteristicilor de material în evoluţia acestora;

3) Studiul privind uzarea şinelor pe zona curbelor de cale ferată cu analizarea alunecărilor longitudinale, transversale şi de spin la mersul în aliniament şi curbă;

b. În plan teoretic 1) Dezvoltarea unei modalităţi de determinare şi reprezentare a profilelor roţilor şi a şinelor

de cale ferată; 2) Aplicarea şi completarea modelului de definire şi determinare a alunecărilor la contactul

şină-roată în zonele de curbură ale căii ferate; 3) Aplicarea şi completarea modelului de determinare a forţele de adeziune şi momentul de

spin la contactul şină-roată în zonele de curbură ale căii ferate 4) Stabilirea unui model de determinare a variaţiilor alunecărilor specifice, a vitezelor de

alunecare, a forţelor şi momentelor, precum şi a puterilor pierdute prin frecare la contactul roată-şină, pentru cazul circulaţiei pe curbe a unei osii;

5) Determinarea matematică a formulelor care definesc forma profilelor celor mai utilizate tipuri de şine şi roţi şi stabilirea unui model de determinare a acestor profile cu ajutorul unor programe de calcul în utilitarul Mathcad 2000;

6) Stabilirea unui model de determinare a zonelor de contact roată-şină care poate delimita zonele cu contactul liniar şi zonele cu contact eliptic;

7) Aplicarea metodicii de calcul generală propusă de Hills pentru contactele eliptice pentru analiza efectului curburii şinei în cale şi a unghiului de atac asupra geometriei suprafeţei de contact şi asupra stării de tensiuni şi deformaţii;

8) Dezvoltarea unui model de calcul pentru contactul eliptic cu încărcare normală şi tangenţială, prin care se poate reprezenta tensiunea adimensională echivalentă Hencky-Mises-Huber (σHMH) şi dependenţa acesteia de diverşi parametri (coeficientul de adeziune, elipticitatea contactului, etc);

9) Definirea şi determinarea coeficientului de concentrare a tensiunilor în centrul de contact, pentru cazul particular de contact roată-şină la circulaţia pe curbe de cale ferată şi stabilirea dependenţei acestuia de diverşi parametri specifici;

10) Plecând de la considerentul că un contact şină-roată poate fi considerat similar unui contact între corpul de rostogolire cu calea de rulare exterioară a rulmentului, s-a adaptat teoria durabilităţii rulmenţilor la contactul roată-şină şi s-au stabilit modele de dependenţă a capacităţii dinamice de încărcare a şinei şi a durabilităţii şinei cu raza curbei de cale ferată;

11) Pe baza ipotezelor şi teoriei termoelasticităţii ale lui Ting şi Winer, s-a propus un model de uzare de oboseală (datorată frecării la alunecare şi rostogolire a materialului în contact) în domeniul elasto-plastic, dintre o roata de vehicul şi şina de calea ferată;

12) Pentru explicarea direcţiei fisurilor observate la şinele de cale ferată, plecând de la modelul propus de Maugis, s-a realizat un model de determinare a stării de tensiuni şi deformaţii din jurul unei cavităţi eliptice, şi s-au stabilit modele de dependenţă a direcţiei iniţiale a fisurii eliptice şi rotirea fisurilor funcţie de coeficientul de aderenţă;

43

c. În plan experimental 1) Adaptarea standului Amsler pentru cercetarea proprietăţilor tribologice ale oţelurilor

utilizate la roţile şi respectiv şinele de cale ferată; 2) Determinarea pe model funcţional echivalent contactului roată-şină (model Amsler), pentru

5 presiuni de contact, 8 alunecări longitudinale relative şi 4 variante de contaminare a contactului, a următoarelor mărimi tribologice:

- coeficienţii de rostogolire liberă; - coeficienţii de alunecare pură; - coeficienţii de aderenţă; - energia consumată prin frecare; - indicatori de uzare (grosimea medie a stratului uzat, intensitatea liniară de uzare);

- observarea apariţiei uzurilor, extinderea acestora şi atingerea pragurilor critice ale uzurilor; 3) Stabilirea unei formule a coeficientului de aderenţă funcţie de alunecarea relativă. Formula

propusă ia în consideraţie: coeficientul maxim de aderenţă, alunecarea specifică portantă şi coeficientul de rostogolire şi este o formulă de tip polinomial, cu două ramuri (parabolă racordată cu o dreaptă);

4) Determinarea graficelor intensităţii de uzare a materialelor şină şi roată reprezentate funcţie de alunecarea longitudinală relativă şi de presiunea de contact;

5) Determinarea în condiţii reale de funcţionare, a uzurilor verticale şi laterale ale şinelor de cale ferată de la metroul din Bucureşti pentru 22 de puncte de măsurare aflate în linie curentă (aliniament şi curbe cu diferite raze), în urma cărora s-a determinat următoarele:

- evoluţia uzurilor verticale şi laterale în timp, funcţie de tonajul brut cumulat înregistrat;

- influenţa datorată introducerii noilor rame de metrou tip BM2 asupra evoluţiei uzurilor verticale şi laterale la şinele de cale ferată de la metroul din Bucureşti; 7.4. Direcţii noi de cercetare În urma studiului bibliografic, soluţionării analitice şi încercărilor experimentale privind

comportarea tribologică a materialelor provenite din roţi şi din şine de cale ferată, se estimează ca direcţii noi de cercetare următoarele:

- Studiul apariţiei şi dezvoltării uzurii ondulatorii la şinele de cale ferată; - Studiul influenţei curenţilor de retur asupra uzurilor roţilor şi şinelor de cale ferată; - Studiul privitor la utilizarea ungătoarelor de cale şi influenţa lubrificaţiei în exces

asupra uzurilor şinelor, aparatelor de cale şi roţilor de cale ferată; - Studiul privitor la uzurile aparatelor de cale;

- Studiul privitor la influenţa variaţiilor temperaturilor în şinele şi în roţile de cale ferată.

44

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

2 Ahlbeck D.R., Daniels L.E. 1991. Investigation of rail corrugations on the Baltimore Metro WEAR, vol. 144, no. 1-2, pp. 197-211

8 Beagley T.M. 1975. Severe wear of rolling/sliding contacts. WEAR, vol. 36, no. 3, pp. 317-337

9 Beagley T.M., McEwen I.J., Pritchard C. 1975. Wheel/rail adhesion-boundary lubrication by oily fluids. WEAR, vol. 31, no. 1, pp. 77-89

13 Bikerman J.J. 1976. Adhesion in friction. WEAR, vol. 39, no. 1, pp. 1-15

14 Bogdanski S., Brown M.W. 2002. Modelling the three-dimensional behaviour of shallow rolling contact fatigue cracks in rails. WEAR, vol. 253, no. 1-2, pp. 17-26

16 Bohmer A., Klimpel T. 2002. Plastic deformation of corrugated rails - a numerical approach using material data of rail steel. WEAR, vol. 253, no. 1-2, pp. 150-162

17 Bold P.E., Brown M.W. 1991. Shear mode crack growth and rolling contact fatigue WEAR, vol. 144, no. 1-2, pp. 307-319

18 Bower A.F., Johnson K.L. 1991. Plastic flow and shakedown of the rail surface in repeated wheell-rail contact. WEAR, vol. 144, no. 1-2, pp. 1-19

19 Broster M., Pritchard C., Smith D.A.. 1974. Wheel/rail adhesion: its relation too rail contamination on British railways. WEAR, vol. 29, no. 3, pp. 309-323

24 Cebuc Al., Mocanu C. 1967. Din istoria transporturilor de călători în Romania. Editura Stiinţifică. Bucureşti

25 Chen H., Ban T., Ishida M., Nakahara T. 2002. Adhesion between rail/wheel under water lubricated contact. WEAR, vol. 253, no. 1-2, pp. 75-82

26 Christopher Chant. 2004. Storia delle ferrovie. Editura Rusconi Libri s.r.l 27 Cioclov D. 1975. Rezistenţa şi fiabilitatea la solicitări variabile. Editura Facla. Bucureşti

29 Clayton P. 1995. Predicting the wear of rails on curves from laboratory data. WEAR, vol. 181-183, no. 1, pp. 11-20

33 Dang Van K., Maitournam M.H. 2002. On some recent trends in modelling of contact fatigue and wear in rail. WEAR, vol. 253, no. 1-2, pp. 219-228

37 Devanathan R., Clayton P. 1991. Rolling-sliding wear behavior of three bainitic steels WEAR, vol. 151, no. 2, pp. 255-269

41 Enblom R., Berg M. 2005. Simulation of railway wheel profile development due to wear-influence of disc braking and contact environment. WEAR, vol. 258, no. 7-8, pp. 1055-1064

43 Fischer F.D., Werner E., Yan W.Y. 1997. Thermal stresses for frictional contact in wheel-rail systems. WEAR, vol. 211, no. 2, pp. 156-164

44 Garnham J.E., Beynon J.H. 1991. The early detection of rolling-sliding contact fatigue cracks. WEAR, vol. 144, no. 1-2, pp. 103-117

53 Hills D.A., Novell, D., Sackfield A. 1993. Mechanics of elastic contacts. Butterworth- Heinemann

57 Jin X., Wen Z., Wang K., Xiao X. 2006. Effect of passenger car curving on rail corrugation at a curved track. WEAR, vol. 260, no. 6, pp. 619-634

62 Kabo E., Ekberg A. 2005. Material defects in rolling contact fatigue of railway wheels-the influence of defect size. WEAR, vol. 258, no. 7-8, pp. 1194-1201

45

70 Knothe K., Liebelt S. 1995. Determination of temperatures for sliding contact with applications for wheel-rail systems. WEAR, vol. 189, no. 1-2, pp. 91-100

71 Kulaghin M.I, Tiuricov V.I.1970 .Uzura ondulatorie. Editura Transport – Moscova

74 Lim S.C. and Ashby, M.F. 1987. Wear–Mechanism Maps. Acta Metall 35 vol.I, Overview no.55, England

75 Lin J.F., Jang J.Y. 1991. The tribological behavior of steel rollers under rolling-sliding contacts. WEAR, vol. 146, no. 1, pp. 149-165

77 Lunden R. 1991. Contact region fatigue of railway wheels under combined mechanical rolling pressure and thermal brake loading. WEAR, vol. 144, no. 1-2, pp. 57-71

82 Matsumoto A., Sato Y., Tanimoto M., Ono H. .2002. Formation mechanism and countermeasures of rail corrugation on curved track. WEAR, vol. 253, no. 1-2, pp. 178-185

88 Mueller S. 2000. A linear wheel-rail model to investigate stability and corrugation on straight track. WEAR, vol. 243, no. 1-.2, pp. 122-133

93 Ohyama T.1991. Tribological studies on adhesion phenomena between wheel and rail at high speeds. WEAR, vol. 144, no. 1-2, pp. 263-277

95 Pashley M.D., Pethica J.B., Tabor D. 1984. Adhesion and micromechanical properties of metal surfaces. WEAR, vol. 100, pp. 7-33

110 Sandu N.2005. Considerente tribologice contact roată şină. Siompozion UCB 2005

111 Sandu N.2006. Considerente privind studiul fenomenelor tribologice la contactul roată-şină cu aplicaţii în domeniul feroviar. Buletin AFER, nr 1/2006

112 Sandu N.2008. Uzura şinelor la metroul din Bucureşti. Concluzii preliminare privind uzura şinelor de către ramele de metrou tip BOMBARDIER BM2. Buletin AFER, nr 1/2008

118 Sawley K., Wu H. 2005. The formation of hollow-worn wheels and their effect on wheel/rail interaction. WEAR, vol. 258, no. 7-8, pp. 1179-1187

119 Sebeşan I. 1993. Proiectarea suspensiilor pentru vehicule pe şine. Editura Tehnică - Bucureşti

120 Sebeşan I. 1995. Dinamica vehicolelor de cale ferată, Editura Tehnică - Bucureşti

122 Sebeşan I. 2008. Teoria sistemelor elastice la vehiculele feroviare. Editura Matrix-Rom - Bucureşti

125 Soto Y., Matsumoto A., Knothe K. 2002. Review on rail corrugation studies. WEAR, vol. 253, no. 1-2, pp. 130-140

132 Sugino K., Kageyama H. 1991. Metallurgical improvement of rail for the reduction of rail-wheel contact fatigue failures. WEAR, vol. 144, no. 1-2, pp. 319-329

133 Suh N.D. 1986. Tribophysics. Prentice-Hall, Inc., Englewoods Cliffs 136 Telliskivi T., Olofsson U. 2004. Wheel-rail wear simulation .WEAR, vol. 257, no. 11,

137 Ting, B.Y. and Winer, W.O. 1989. Friction-Induced Thermal Influences in Elastic Contact Between Spherical Asperities. Journal of Tribology, Transact. of ASME, vol. 111.

140 Tudor, A., Sandu, N., Tountas, E. Wheel/rail friction power in curved track. U.P.B. Sci. Bull., Series D, in press.

141 Tudor, A., Sandu, N., Tountas, E. 2008. Wheel/rail adhesion and analysis by using Amsler machine. International conference on tribology “BALKANTRIB 08”, Sozopol, 11-14 June, 2008.

142 Tudor, A., Sandu, N., Tountas, E. 2008. Un model de uzură termomecanică pentru contactul dintre şina de cale ferată şi roata de metrou. Conferinţa Internaţionala VAREHN Suceava 2008

144 Ţăruş B. Soluţii neconvenţionale pentru îmbunătăţirea aderenţei roată-şină în regim de tracţiune sau frânare. UPB Simpozionul naţional de Material Rulant de Cale Ferată, Bucureşti 2003

46

146 Wen Z., Jin X. 2005. Effect of track lateral geometry defects on corrugations of curved rails WEAR, vol. 259, no. 7-12, pp. 1324-1332

149 Yang, J. and Winer, W.O. A Comparison Between the Thermomechanical Wear Model and Some Experimental Observations. Transactions of the ASME, 1991, vol.113, p.262-269.

151 Zakharov S., Komarovsky I. 1998. Wheel flange/rail head wear simulation. WEAR, vol. 215, no. 1-2, pp. 18-25

156 Zhang W., Chen J., Wu X., Jin X. 2002. Wheel/rail adhesion and analysis by using full scale roller rig. WEAR, vol. 253, no. 1-2, pp. 82-89