Sylwester Żak

ArecelorMittal Poland S.A.

Dariusz Woźniak

Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Metalurgii Żelaza

NAPRĘŻENIA WŁASNE W SZYNACH KOLEJOWYCH

Monografia nr 18, 2022

Koncepcja prac przedstawionych w niniejszej monografii zakłada uzyskanie niższego poziomu naprężeń własnych w stopce szyn kolejowych w stosunku do obecnie wymaganych normatywnie wartości poprzez zastosowanie nowego, unikatowego kalibrowania wykrojów walców i rolek prostownic oraz związanych z tym zmian parametrów technologicznych procesów walcowania i prostowania.
W części teoretycznej monografii omówiono znaczenie naprężeń własnych oraz ich wpływ na właściwości eksploatacyjne szyn kolejowych, w szczególności ich odporności na pękanie, rozwój wad kontaktowo-zmęczeniowych oraz nakładanie się naprężeń własnych występujących w szynach na naprężenia termiczne i naprężenia dynamiczne pochodzące z eksploatacji. Dokonano także przeglądu światowych norm w zakresie wymagań stawianych szynom kolejowym odnośnie dopuszczalnego poziomu naprężeń oraz metodyki ich pomiaru, jak również przeglądu aktualnie dostępnych niszczących i nieniszczących metod badania naprężeń własnych w szynach. Ostatni rozdział części teoretycznej monografii zawiera analizę wpływu technologii produkcji szyn kolejowych w zakresie procesów walcowania, chłodzenia i prostowania na rozkład naprężeń własnych w gotowym wyrobie.
W części badawczej przedstawiono wyniki przyjętego programu badań obejmującego określenie wpływu zmian kształtu powierzchni roboczej rolek prostownic pionowej i poziomej na stan naprężeń własnych w stopce szyny oraz rezultaty wpływu zmiany kształtu wykrojów walców w walcarkach: pośredniej Z2, przedgotowej D1 i wykańczającej D2 w obszarze stopki szyny, które po procesie prostowania prowadzą do obniżenia naprężeń. W pierwszym etapie badań własnych wykonano symulacje numeryczne procesu prostowania z zastosowaniem różnych wariantów układu rolek kształtowych prostownic oraz symulacje komputerowe procesu walcowania z wykorzystaniem nowego kalibrowania wykrojów walców. Następnie przeprowadzono w warunkach przemysłowych eksperymenty prostowania przy użyciu innowacyjnych rolek kształtowych prostownic oraz walcowania szyn z zastosowaniem nowego kalibrowania wykrojów klatek wykańczającej, przedgotowej i pośredniej w celu nadania wklęsłości stopki i prostowania szyn z zastosowaniem tradycyjnych i kształtowych rolek prostownic. Przeprowadzono badania laboratoryjne składu chemicznego, właściwości mechanicznych stali szynowej oraz badania rozkładu naprężeń własnych w różnych miejscach na obwodzie szyny metodą tensometryczną i wiercenia otworu.
W części podsumowującej zawarto statystyczną analizę wyników badań empirycznych oraz dokonano oceny przeprowadzonych eksperymentów walcowania i prostowania na poziom naprężeń własnych nie tylko w stopce szyny ale także jej szyjce i główce oraz w wybranych 16 miejscach na jej obwodzie. Analizowano również wpływ poszczególnych eksperymentów na uzyskaną prostość w płaszczyźnie pionowej i poziomej oraz poprawność geometryczną gotowego wyrobu. Opracowano metodę obliczania naprężenia uśrednionego jako wskaźnika skuteczności obniżenia naprężeń własnych w szynach. W podsumowaniu zwięźle przedstawiono najważniejsze wnioski z przeprowadzonych badań w ramach eksperymentów przemysłowych i wskazano na najbardziej optymalne warianty pod kątem wdrożenia do praktyki przemysłowej.
Słowa kluczowe: szyna kolejowa, naprężenie własne, kalibrowanie rolek prostownic, kalibrowanie wykrojów walców, metoda tensometryczna pomiaru naprężeń, metoda wiercenia otworu, walcowanie szyn, prostowanie szyn