A cikk szerzője:

Horváth Róbert ügyvezető
H-Planer Mérnökiroda Kft.

Dr. Major Zoltán egyetemi adjunktus
Széchenyi István Egyetem, Győr

A vasúti sín-kerék kapcsolatban kialakuló sínfeszültségek vizsgálata

A sín-kerék érintkezési hely a gördülőállomány (gépészet) és a felépítmény (építőmérnök) szakterületek fontos találkozási területe. A vasútépítéssel, -üzemeltetéssel és -karbantartással foglalkozó szakemberek gyakran találkoznak különféle sínhibákkal. Ha erőtani számításokkal nem is foglalkoznak, ismerik a sín-kerék kapcsolatban kialakuló Hertz-féle érintkezési feszültség fogalmát. Cikkünkben példákkal alátámasztva bemutatjuk az érintkezési és a sínfejben ébredő nyírófeszültség jelenlegi számítási gyakorlatának hátterét és annak kritikáját, majd ezt követően tárgyaljuk a számítás pontos módját és alkalmazási lehetőségét. Végül kijelöljük a mérnöki gyakorlat számára fontos további kutatási irányokat.

Az érintkezési feszültségre bemutatott 1. képlet az eredeti Hertz-féle összefüggés egyszerűsített formulájának további egyszerűsítéseképpen jött létre. Az eredeti egyszerűsített formulát Eisenmann alkotta meg [2] a 3. képletnek megfelelő formában. Ez a kifejezés is átlagértéket szolgáltat, hasonlóan az 1. képlethez.

ahol:
qmean: az érintkezési feszültség átlagértéke [N/mm2],
Q: a kerékterhelés [kN],
r: a kerék futókörének sugara [mm],
2b: az érintkezési ellipszis szélessége [mm],
E: a sínanyag rugalmassági modulusa [N/mm2],
ν: a sínanyag Poisson-tényezője [-].
A 3. képletbe behelyettesítve az alábbi értékeket, megkapjuk az 1. képletet [2], mintegy a gyakorlati tapasztalatokon nyugvó további egyszerűsítést:
E = 210 000 N/mm2,
ν = 0,3,
b = 6 mm.

Ha feltesszük a kérdést, hogy vajon miért alakultak ki a korábbiakhoz képest új hibajelenségek, akkor joggal gondolhatunk a megnövekedett terhelésre, azonban ez túl egyszerű válasz lenne, hiszen a vasutak lépéseket tettek azzal, hogy emelték a sín keresztmetszetét, szakítószilárdságát, keménységét, új sín- és kerékprofilokat alkottak meg. Azonban, ha a számítások során használt elméletet vizsgáljuk, akkor ennek a közelítésnek a hibája máris láthatóvá válik, hiszen míg az anyagjellemzők terén valós értékekkel számolnak, addig az érintkezési ellipszis fél szélességére egy erősen hipotetikusnak nevezhető közelítést alkalmaztak. Ezt a közelítést elfelejtve a szakma már csak a kellően megnyugtató eredményeket biztosító 1. képletet jegyezte meg és alkalmazta. Az élet viszont nem igazolta ennek megnyugtató voltát, mivel a vasúti hálózat jelentős része gördülési érintkezési hibákkal terhelt. Erre mutat példát a 6. ábra.

6. ábra. Sínfej-hajszálrepedésekkel (HC) és squat hibával terhelt sín
Dr. Kazinczy Lászlónak 2000-ben, a Műszaki Szemlében megjelent cikke [3] tekinthető egy olyan fontos mérföldkőnek a téma vizsgálatában, amely új alapokra helyezi a vizsgálat módját. Szakít a korábbi eljárással és a valóságos körülményekhez közelebb álló henger-henger érintkezési modell alapján vizsgálja a problémát, amelynek elvét a 7. ábra szemlélteti.
Rámutat arra is, hogy az így számítható feszültségek lényegesen nagyobbak lehetnek a közelítő képletek alapján meghatározottaknál. A sín-kerék kapcsolatnál kialakuló Hertz-féle feszültségi testet a 8. ábrán láthatjuk. Módszerének hátránya, hogy pontos eredményt csak a vasúti őskerék (aminek abroncsa 1:20 dőlésű alkotóval megszerkesztett kúpos felület volt) mintájára megalkotott kúpos kerekek esetén szolgáltat, illetve akkor, ha az egyéb kerékprofilok esetén a kúpos felületen történik az érintkezés.

7. ábra. Sín-kerék kapcsolat a Hertz-féle henger-henger modell esetén8. ábra. A Hertz-féle feszültségi test sín-kerék kapcsolatnál

Az összetett kosárgörbe kialakítású kerékprofilok esetén ez a megoldás is csupán közelítő eredményt képes szolgáltatni. Tovább kell lépni, meg kell alkotni azokat a módszereket, amelyekkel számítani lehet a ma járatos összetett kerékprofilok és sínprofilok érintkezésének megfelelő feszültségeket. Foglalkozni kell továbbá a különféle kopású sín- és kerékprofilok érintkezésekor kialakuló feszültségek számításával is. A 9. ábra mutatja az új és a kopott kerék, valamint a szabványos sín érintkezésénél releváns felületeket, ahol az érintkezési pont kialakulása várható.

A cikk folytatódik, lapozás:« Előző12345678Következő »

Irodalomjegyzék

  • [1] Lichtberger B. Track Compendium, Eurailpress Tetzlaff-Hestra GmbH & Co. KG, Hamburg, 2005
  • [2] Esveld C. Modern Railway Track. MRT-Productions, Zaltbommel, 2014.
  • [3] Dr. Kazinczy L. A kerék-sín között fellépő Hertz-féle érintkezési feszültség vizsgálata közúti vasúti felépítmények esetében. Műszaki Szemle, 2000, https://epa.oszk.hu/00000/00028/00005/pdf/musze_EPA00028_2000_09_10_012-016.pdf
  • [4] Ponomarjov SzD. Szilárdsági számítások a gépészetben – 3. kötet. Budapest: Műszaki Könyvkiadó; 1965.
  • [5] Faber G és munkatársai. Hegesztett szerkezetek. Budapest: Műszaki Könyvkiadó; 1964.
  • [6] Havlicek G, Kartnig G, Klapper G. Kombination von Eigenspannungen und betrieblichen Spannungen in einem Kranlaufrad – Combination of residual stresses and operational stresses in a crane wheel, https://www.logistics-journal.de/proceedings/2018/4751/havlicek%202018.pdf. Letöltve: 2023.04.30.
  • [7] Horváth R.Nagygépes karbantartási munkák tapasztalatai. XIX. Közlekedésfejlesztési és beruházási konferencia. Bükfürdő, 2018, https://vtl.ktenet.hu/download.php?edid=1865. Letöltve: 2023.04.30.
A teljes cikket megtalálja a folyóirat 2023 / 4. számában.
Ha szeretne rendszeresen hozzájutni a legfrisebb számokhoz, fizessen elő a folyóiratra.
A hozzászólások megtekintéséhez vagy új hozzászólás írásához be kell jelentkeznie!
Sínek Világa A Magyar Államvasútak Zrt. pálya és hídszakmai folyóirata
http://www.sinekvilaga.hu | ©