Geometrie kol – příčiny, důsledky a preventivní opatření

V prvních deseti dnech června předložila společnost JSC VNIIZhT společnosti JSC Russian Railways závěrečnou konsolidovanou zprávu s výsledky realizace integrovaného projektu „Kolo – kolejnice“. Budeme hovořit o opatřeních vyvinutých ke snížení opotřebení systému kolo – kolejnice.

Oleg Suslov, technický expert Vědeckého centra „Infrastruktura“ (NCI) společnosti JSC „VNIIZhT“

– Oleži Aleksandroviči, s jakými komponentami systému slibuje spolupráce výsledky?

– Největšího efektu se dosahuje prací s geometrií profilů kol a kolejnic v kombinaci s koordinací jejich vzájemných poloh prostřednictvím šířky a sklonu koleje (úhel sklonu roviny podkolejné plošiny k podélné ose pražce, měřený ve svislé rovině. – pozn. red.). Jinými slovy, optimalizace spřažení geometrie kola a kolejnice pro stávající a budoucí provozní podmínky je nejúčinnějším způsobem boje proti opotřebení. Její implementace může přinést společnosti JSC Ruské železnice úspory v řádu milionů dolarů. V projektu Kolo – kolejnice byly upraveny provozní požadavky na profily kolejnic a kol, sklon a na řadě je šířka koleje.

– Vývojáři navrhli řadu opatření k prodloužení životnosti infrastruktury a dvojkolí. Byla jejich účinnost potvrzena testy v plném rozsahu?

– Nejprve byly vytvořeny a validovány digitální modely, na nichž byly rozvíjeny a testovány nápady na snížení opotřebení. Výsledky byly ověřeny v praxi, kde byla zpočátku potvrzena účinnost vyvinutých opatření. Interakční síly byly měřeny v různých úsecích sítě – po opravách, před opravami, před broušením, po broušení, s novým profilem kola, se starým. Zkoumali jsme, jak různé netlumené zrychlení ovlivňuje silovou interakci mezi kolem a kolejnicí.

– Mezi návrhy patří i broušení kolejnic. Technologie, která se v síti používá již dlouho. Jaké jsou inovace?

– V současné době je jedinou indikací pro předepsání broušení prošlá tonáž. Brousit se má jednou za 75 milionů tun prošlého nákladu – a to také děláme. Nyní navrhujeme sledovat geometrický stav valivého povrchu a brousit, pokud geometrie překročí povolené limity, které jsme stanovili během výzkumu. S tímto přístupem se práce budou provádět podle skutečného stavu geometrie kolejnice a někde bude možné brousit jednou za 175 milionů tun a někde bude broušení vyžadováno každých 50 milionů tun prošlé tonáže. Efektivita takové práce však bude vyšší.

– Jaké změny se navrhují v práci se sklonem kolejnice?

– Zde byly také vyvinuty zpřesněné normy. Podle normy musí mít kolejnice sklon vzhledem k ose o tečnu rovnou 1/20. Kolejnice nesmí být nakloněna více než 1/12 a méně než 1/60. To jsou ale obecné mezní hodnoty. Standardizovali jsme je poloměry, přičemž jsme vypočítali optimální sklon pro různé oblouky.

Obecně se ukázalo, že je škodlivé dělat vnitřní závit strmější: 1/12 pro vnitřní kolejnici je vždy špatné. A větší úhel sklonu je užitečnější pro vnější závit. Hlavním úkolem při práci se sklonem je zajistit jeho stabilitu během provozu. Toho lze dosáhnout jak konstrukčně (použitím podložek pod kolejnice se zvýšenou tuhostí), tak organizačně – zavedením parametru nestability sklonu jako kritéria pro zvýšení objemu prací na výměně podložek pod kolejnice během běžné údržby a mezioprav trati. V projektu byly rozpracovány oba směry.

– Co se dá změnit při práci s neuhašenou akcelerací?

– Neuvolněné zrychlení – neuvolněné odstředivé zrychlení, které vzniká při vjezdu vlaku do zatáček. Pro snížení přetížení kolejnic se vnější kolejnice zvedne – upraví se její elevace. Neuvolněné zrychlení je normováno: pro osobní vlaky – do 0,7 m/s, pro nákladní vlaky – ±0,3 m/s. Rychlost osobních vlaků je povolena vyšší z důvodu, že jejich hmotnost je mnohem nižší než hmotnost nákladních vlaků a vliv na opotřebení není tak významný.

V současné době se na síti testuje dvouúrovňový systém kritérií pro přiřazování vnějších výškových úrovní kolejnic s ohledem na jízdní rychlosti. Prvním kritériem jsou trakční výpočty (možná rychlost kolejových vozidel), druhým jsou rychlosti stanovené na základě stavu kolejové konstrukce. Zdůvodnili a navrhli jsme třetí kritérium – provozní, kdy se výšková úroveň v oblouku upravuje po celou dobu životnosti koleje v souladu se skutečně realizovanými rychlostmi na každém jednotlivém úseku. Jízdní rychlost, která je stanovena s ohledem na přípustnou trakční rychlost a možnosti infrastruktury, totiž není všude dosažena. Na obzvláště nákladně náročných úsecích tedy vlaky jezdí s minimálním intervalem a z tohoto důvodu nemohou jet rychleji, a to i přes trakční schopnosti lokomotiv.

Výzkum ukázal, že skutečné hodnoty nepotlačeného zrychlení jsou v nákladní dopravě většinou nižší než doporučené. Tuto situaci lze a mělo by se změnit a skutečné hodnoty nepotlačeného zrychlení by se měly upravit na normu úpravou výšky vnější kolejnice v souladu se skutečnými rychlostmi během plánovaných oprav. Tím se déle zachovají kolejnice i kola. Řešení problému vyžaduje dodatečnou analýzu skutečných rychlostí pohybu v každé oblouku a zohlednění hmotností vlaků. Stávající systémy sběru dat umožňují plnou automatizaci tohoto procesu.

– Umožňuje inovativní profil kola Unison, který byl vytvořen, přechod na jednobodový kontakt s kolejnicí?

– Umožňuje minimalizovat pravděpodobnost dvoubodového kontaktu v obloucích. Kuželový profil používaný dnes, s ohledem na současné normy šířky koleje, je při vjezdu do oblouků s poloměrem menším než 650 m nucen zaujmout polohu, ve které se dotýká kolejnice nejen valivým bodem na povrchu, ale také okolem. V důsledku toho se okol kola a boční plocha vnější kolejnice, která se jí dotýká, intenzivně opotřebovávají.

Profil jsme změnili tak, aby se za současných podmínek kolo v obloucích všech možných poloměrů vůbec nedotýkalo kolejnice přírubou, nebo pokud ano, tak s minimálním tlakem příruby na kolejnici. Během modelových i plnohodnotných zkoušek na Východním zkušebním polygonu se Unison dobře osvědčil. Nyní prochází provozními zkouškami na okruhu VNIIZhT ve Ščerbince. Následně bude tento typ profilu zahrnut do všech norem Ruských drah.

– Je možné přebrousit stávající kola pro Unison, nebo budou s touto konfigurací vydávána pouze nová?

– Profil lze změnit během plánovaného otáčení kol používaných dnes v depovních podmínkách. A nová kola musí být s takovým profilem vyrobena již při vydání. Za zmínku stojí, že byly vyvinuty varianty profilu vagónů a lokomotiv. Ty se mírně liší.

– Samostatným tématem výzkumu je ocel, ze které jsou kolejnice vyrobeny. Závěr říká, že by měla být pevná a zároveň pružná. Nejsou to vzájemně se vylučující pojmy?

– Ve skutečnosti se u oceli zpravidla jedná o vzájemně se vylučující pojmy. Ale při současné úrovni vývoje metalurgie je tento úkol proveditelný. Pro zvýšení pevnosti a plasticity v současnosti používaných perlitických ocelových kolejnic se během výroby přidávají legující prvky, jako je vanad, dusík a chrom. Zavedení těchto prvků do oceli umožňuje zmenšení velikosti strukturních složek perlitu a zvýšení pevnostních i plastických vlastností.

Kromě toho je dosažení vysoké úrovně vzájemně si konkurujících vlastností možné i při použití jiných technologií tepelného zpracování. Dříve vyráběné kolejnice kategorie T1 (OT350 dle GOST R 51685-2022) byly tepelně zpevněny kalením v oleji s odděleným ohřevem. Navzdory řadě pozitivních aspektů však tyto kolejnice měly vysokou úroveň zbytkových napětí, což neumožňovalo jejich výrobu v délkách 100 m. U moderních kolejnic DT se provádí diferencované tepelné zpracování hlavice vzduchem nebo polymerním roztokem s válcovacím ohřevem. Výzkum, který je v současné době prováděn společně s podniky vyrábějícími kolejnice, ukazuje významný potenciál pro použití diferencovaného tepelného zpracování s odděleným ohřevem stlačeným vzduchem s řízenou vlhkostí k dosažení vysoké úrovně pevnosti, tažnosti a odolnosti proti praskání současně.

Začal také výzkum výroby kolejnic z bainitických ocelí. Předběžné výsledky testování experimentálních kolejnic s bainitickou mikrostrukturou ukazují výrazné zvýšení pevnosti, plasticity a rázové houževnatosti. V této oblasti jsme na začátku cesty, ale aktivně pokračujeme ve výzkumu společně s výrobními závody, Ruskými železnicemi a vědecko-průmyslovým komplexem.

V Rusku probíhá vývoj v oblasti používání legované bainitické oceli pro výrobu kol, což zvyšuje jejich rázovou houževnatost a odolnost proti opotřebení ve srovnání s výrobky vyrobenými z moderní oceli třídy T.

Rozhovor s Alexandrem Zubovem

Na projektu Kolo-kolejnice pracovaly Oddělení technické politiky, Ústřední ředitelství infrastruktury, VNIIZhT, VNIKTI, PGUPS a Samarská státní univerzita železniční dopravy. Výzkum a vývoj začaly v roce 2021. Po schválení výsledků vědecké činnosti v JSC Ruské železnice nastane čas na průmyslovou implementaci návrhů vyvinutých vědci v rámci projektu.

Jednou z nejnepříjemnějších vad pneumatik automobilu je kýla na kole. Jedná se o lokální zvětšení gumy, ke kterému dochází při poškození vnitřní textilní vrstvy pneumatiky. Tato část je zodpovědná za udržení správného tvaru kola.

K částečnému přetržení vláken obvykle dochází v důsledku zvýšeného tlaku vzduchu uvnitř pneumatiky. Navíc je často poměrně obtížné si náhodně všimnout, že se na kole objevila kýla. Proto se před každou jízdou doporučuje preventivní kontrola pneumatik.

Malá kýla na kole slibuje velké problémy na silnici

Příčiny

Pneumatiky automobilů se nejčastěji vyboulí v důsledku nárazu při nárazu do výmolu na silnici. V takové situaci se pneumatika stlačí, což zvyšuje vnitřní tlak vzduchu. K podobným následkům může vést i srážka automobilu s jiným vozidlem nebo jinou překážkou.

Boční kýla kola se často objevuje v důsledku bočního řezu v pneumatice. I po opravě takového poškození se může po nějaké době objevit problém s textilní vrstvou. Kromě toho může tření pneumatiky o obrubník způsobit vznik boule na její straně.

Boční kýla na kole značné velikosti

Proč je kýla na kole nebezpečná?

Popsaná vada pneumatik automobilů je nejnebezpečnější, protože pokud je přítomna, pneumatika může explodovat. Proto na otázku, kterou si majitelé aut často kladou: „Je možné řídit s kýlou na kole?“ může být jen jedna odpověď – v žádném případě. Pokud si ale na silnici všimnete poškození, musíte se opatrně dostat do garáže nebo nejbližšího servisního střediska.

Kromě rizika exploze má vyboulení pneumatiky i další negativní důsledky. Patří mezi ně nadměrné zahřívání pneumatik a zvýšený tlak v nich. To vede k rychlému opotřebení gumy. Také dochází k vibracím kol a narušení vyvážení kol, což snižuje celkovou ovladatelnost vozidla a negativně ovlivňuje odpružení.

Co dělat, když se na kole objeví kýla, majitelé aut se zajímají. Nejlepší možností by bylo výměna pneumatik. Navíc čím dříve se to stane, tím lépe. Za silničních podmínek se vyplatí okamžitě nainstalovat rezervní pneumatiku, pokud ji máte.

Výměna pneumatiky je ideálním opatřením při vzniku kýly na kole

Je oprava možná

Další oblíbenou otázkou mezi automobilovými nadšenci je: „Je možné opravit kýlu na kole?“ Je těžké na ni jednoznačně odpovědět – Vše záleží na umístění a velikosti stávající vady. Navíc potřebujeme vysoce kvalifikovaného a zkušeného řemeslníka, který je připraven se takové práce ujmout.

Kýla na předním kole je obzvláště nebezpečná. Je to dáno tím, že když praskne, budou postiženy a poškozeny hlavní části vozu zodpovědné za jeho pohyb a ovládání. Proto je nutné vyměnit nafouklé přední pneumatiky, aby se eliminovala tato vážná hrozba.

Kýla na zadním kole je méně nebezpečná, protože samotná část automobilu je obvykle méně vystavena nárazům během jízdy. Pokud je otok na zadní pneumatice malý a nenachází se na jejím středním povrchu, ale blíže k boku, lze provést opravu.

Oprava kýly na kole by měla být svěřena specialistům v dílně

Odborník by měl rozhodnout, jak odstranit kýlu na kole. Samostatné zásahy do takového poškození bez potřebných znalostí jsou nebezpečné. Obvykle se k opravě používá speciální šňůrová záplata s vnitřní výztuží. Upevňuje se tmelem, lepidlem a vulkanizací za horka. I tato metoda je však považována za dočasné řešení.

Jak předcházet kýle

Odborníci z automobilového průmyslu nabízejí řadu doporučení, jejichž dodržování umožňuje minimalizovat riziko vzniku kýly kol.

• Nepřetěžujte auto. Každý model má určitý limit zatížení. Když je tohoto limitu dosaženo nebo překročeno, hmotnost nákladu a rámu silně tlačí na kola, což zvyšuje vnitřní tlak v pneumatikách. To může snadno vést k vyboulení pneumatiky.
• Nejeď příliš rychle. Rychlá a silná akcelerace narušuje cirkulaci vzduchu uvnitř kol a nerovnoměrně zatěžuje jejich povrch. Proto může být textilní vrstva na určitých místech poškozena.
• Vyvarujte se prudkého brzdění. Tato situace je podobná předchozí, pouze nerovnoměrné rozložení zatížení jde opačným směrem.
• Vyhýbejte se výmolům. Někteří automobiloví nadšenci se domnívají, že pokud jedete rovně po nerovnostech silnice vysokou rychlostí, v kabině je prakticky nepocítíte. Navíc je tato možnost rychlejší než objíždění. Takový přístup vám však prakticky zaručuje vznik boulí na pneumatikách vašeho auta.

Klidná a správná jízda je nejlepší prevencí kýly na kole

Řešením kýly je tedy v první řadě opatrná a pozorná jízda!