پيشگام در تحقيقات جلوگيري از فرسايش زود هنگام چرخ ها

صنعت حمل و نقل آنلاین: Association of American Railroads)) AAR در سال 1989، اجراي عمليات حرارتي بر روي چرخ هاي جديد را اجباري نمود ولي با افـزايش طـول عمر پيش بيني شده مشكل پوسته شدن (Shelling) و تورق چرخ ها (Spalling) گريبان گير صنعت راه آهن شد كه انگيزه انجام تحقيقاتي در اين راستا اجرا گرديد.

از ميان ده ميليون چرخ واگن هاي باري در ايالات متحده آمريكا و كانادا، هر ساله حدود يك ميليون چرخ تعويض مي گردد. البته 36% از آنها در شرايط خوبي قرار دارند كه پس از اجراي عمليـات اصلاحي و تعميـراتي دوباره مورد استفاده قرار مي گيرند. 640 هزار چرخ باقيمانده با هزينه اي بالغ بر 600 ميليون دلار جايگزين مي گردند.

در تلاشي جهت افزايش طول عمر چرخ ها، انجمن راه آهن آمريكا از سال 1989 مقرر نمود كه بر روي كليه چرخ ها عمليات حرارتي اجرا شود (درجه  B يا C استاندارد AAR). هدف از اجراي اين دستورالعمل خارج كـردن چرخ هاي درجه U از چرخه استفاده بوده و امروز 95% از واگن هاي باربري در آمريكا مجهز به چرخ هاي نوع C مي باشند.

اطلاعات به دست آمده از آزمايشات FAST (Facility for Accelerated Service Testing) كه توسط گروه تحقيقاتي TTCI در كلرادو به مرحله اجرا در آمد، نشان داد كه شدت فرسودگي چرخ هاي C يك سوم چرخ هاي نوع نرمتر U مي باشد. بنابراين پيش بيني شد كه با جايگزيـن نمـودن چـرخ هاي نوع C به جاي چرخ هاي نوع U ميزان مصرف چرخ ها به ازاي هر يك ميليارد تن – كيلومتر، به نسبت 50% تا 60% كاهش يابد.

مطالعات سال گذشته نشان مي دهد كه بخش عمده اي از چرخ هايي كه تعويض شده اند، قبل از پايان عمر مفيد آنها بوده و به دليل فرسودگي سطح غلتش اين عمل صورت گرفته است. حذف و يا

كاهش چشمگير نقايص چرخ ها نه تنها اين اجازه را مي دهد كه چرخ ها به طور كامل فرسوده شوند بلكه كاهش نقص فني در چرخ ها نقش قابل توجهي در بهره برداري ايمن چرخ دارد.

اطلاعات اساسي به دست آمده از AAR حاكي از آن است كه تنها 16% از يك ميليون چرخ تعويض شده در هر سال فرسوده مي باشند. 36% دوباره به خدمت گرفته شده و 48% باقيمانده نيز بايد به دليل بروز قبل از موعد معايب ديگر اسقاط شوند.

مطـالعـات نشـان مي دهـد كـه در سـال 1989 تعداد كل چرخ هاي تعويض شده به دليل تورق، پخ شدن جانبي، ترك هاي حرارتي و ناصاف شدن سطح غلتش بيش از تعداد چرخ هاي جايگزيـن شده به دليل فرسودگي بوده است. از سوي ديگر هنگامي كه يكي از چرخ هاي يك مجموعه چـرخ و محور به دليل نقص فني تعويض مي گردد، لنـگه سالم آن نيز از بين مي رود زيرا از حد استاندارد

چرخ نو پايين تر بوده و اين خود موجب ضرر و زيان مالي و اقتصادي بيشتر مي گردد.

 

تورق و پوسته شدن

تعداد چرخ هاي تعويض شده به دليل وجود نقص در آنها رو به افزايش مي باشد. در سال 1997 تعويض تعداد چرخ ها به دليـل تورق و پوسته شدن بيش از تعداد چرخ هاي تعويض شده بر اثر فـرسـودگي بـوده است. لازم بـه ذكر مي باشد كه تعويض چرخ ها به صورت تصاعدي در ماه هاي زمستان كه عملكرد ترمزها تحت تأثير يخ و برف قرار مي گيرد، افزايش مي يابد.

ورقه ورقه شدن (spalling) كه قبلاً يك عامل جزئي در تعويض چرخ ها محسوب مي شد هر سال نسبت به وضعيت قبلي رو به افزايش گذاشته است. ورقه ورقه شدن (تورق) يعني جدا شدن ورقه كوچكي از سطح غلتش در اثر تشكيل ماده فلزي سخت و شكننده به نام Martensite ناشي از حرارت ايجاد شده در اثر اصطكاك بين چرخ و ريل.

نقيصـه پـوسته شـدن (shell defect) عبـارت از جـدا شـدن قسمت كوچكـي از سطح غلتش در اثر خستگي ناشي از تماس چرخ با ريل مي باشد.

تورق و پوستـه شدن را نمي توان با بازديد بصري از هم تشخيص داد و تنها روش غير مخرب براي شنـاسـايـي ايـن دو نقيصـه قلم زني سطح غلتش چرخ است. اگر منطقه پيرامون نقص بـه رنگ خاكستري باشد نقص از نوع تورق بوده و اگر تغيير رنگي مشاهده نگردد از نوع پوسته شدن است.

علت پوسته شدن ناشي از استفاده از فلنج نامناسب و بر اثر افزايش تنش تماس و يا افزايش چسبنـدگي نـاشي از چرخش نامناسب چرخ ها در يك مجموعه چرخ و محور مي باشد. پوسته شدن در مناطق غربي كانادا و خط آهن Carajas در برزيل مشاهده شده است كه در هر دو مورد با اضافه نمودن يك قاب تسمه اي يا بوژي هاي هادي برطرف شده است.

از سوي ديگر ورقه شدن ناشي از لغزيـدن چـرخ است كه منجر به توليد حرارت كافي بر روي پوسته سطح غلتش گشته و اين حرارت مي تواند لايه نازك سطح را تغيير ماهيت داده و از نظر متالوژيك به صورت ساختار فولادي از نوع ديگر در آورد. اين ناحيه فلزي سخت (Martensite) شكننده بـوده و داراي ساختـار كريستالي است كه تقريباً 4% بزرگتر از سازه اوليه از نوع آلياژ آهن و كربن (Pearlitic) است.

اين امر منجر به توليد تنش هاي كششي زياد مي گردد كه به ناحيه سخت شده سطح چرخ بـه ضخامت 5/0 تا 5 ميلي متر وارد مي شود. محاسبات انتقال حرارت و مطالعات آزمايشگاهي فولاد چرخ نشان داده كه تغيير ماهيت سطح چرخ و تشكيل Martensite در كسري از ثانيه اتفاق مي افتد.

ميزان ورقه شدن چرخ نسبت عكس با وزن واگن دارد. چهار عامل متغير منجر به لغزش چرخ و ايجاد انرژي كافي جهت شكل گيري ناحيه فلزي سخت شده مي شود:

نسبت هاي بسيار بالاي ترمز گيري با واگن هاي خالي و ترمزهاي اضطراري ناخواسته

• چسبندگي كم بين چرخ و ريل
• وجود ناهمواري در سطح ريل
• لغزش چرخ بر اثر عبور از قوس هاي تند

 

بنابراين ورقه شدن چرخ ممكن است در نتيجه تعدادي شرايط منجر به لغزش چرخ رخ دهد.

آزمايش هـاي اخير نشان داده اند كه نسبت هاي بالاي ترمزگيري، محدود شدن حركت محور ترمز و شتـاب هاي عمودي واگن مي تواند منجر به لغزش چرخ شود كه خود مبين اين مطلب است كه هيچ راه حل خاصي جهت حذف پديده خرد شدن ناشي از تورق چرخ وجود ندارد.

به منظـور افزايش كـارايي و بهـره وري در توليد، ساخت واگن هاي سبك از جنس آلومينيوم  بـراي حمل زغال سنگ در آمريكاي شمالي متداول شده است. چنيـن واگنهـايـي بـه همـراه بار داراي وزني معادل 130 تن بوده و وزن خالي آنها در حدود 19 تن است.

علي رغم آن كه اين كاهش وزن در واگن هـا، منافع اقتصادي زيادي را به همراه داشته ولي هزينه تعمير و نگهداري بالايي را به منظور تعويض چرخ هاي متورق ايجاد كرده است. در واقع هـزينه سالانـه تعويض چرخ هاي متورق در آمـريكاي شمالي، حدود 150 ميليون دلار برآورد شده است. بايد در نظر داشت كه اين رقم شامل خسارت ناشي از زمان عدم سرويس دهي واگن ها و تأثيرات ناشي از آن بر روي روند خدمات رساني به مشتريان نمي باشد.

 

صاف و يخ شدن و خرابي چرخ ها

خـرد شـدن نـاحيـه فلـزي سخـت شـده حيـن لغزش در مدت كمتر از يك ثانيه تا 45 ثانيه رخ مي دهد. ايـن امـر بـاعث مطـرح شـدن ايـن سؤال مي شود كه چگونه پخي چرخ بدون تشكيل ناحيه سخت شده فلزي در اثر اصطكاك به وجود مي آيد. در حال حاضر سه فرضيه در اين زمينه وجود دارد.

فرضيه اول اين كه صاف شدن طي ترمز گيري معمولي حادث مي شود. لغزش چرخ هنگامي رخ مي دهد كه درجه حرارت سطح غلتش بالاتر از 232 درجه سانتي گراد يعني درجه حرارت شروع تشكيل ناحيه سخت فلزي است. ايـن امر باعث مي گردد كه ناحيه در حال لغزش فرصت سرد شدن و رسيدن به درجه حرارت لازم جهت شكل گيري ناحيه martensite را پيدا نكند ولي از آنجايي كه سختي چرخ در درجه حرارت بـالا كـاهش مي يابد، چرخ به آساني ساييده شده و پخ مي شود.

فرضيـه دوم آن كه آزمايش نشان مي دهد لغزش چرخ ها با سرعت پايين داراي انرژي كافي جهت توليد دماي لازم در سطح چرخ براي توليد martensite نمي باشد.

فرضيه سوم مبتني بر اين نكته است كه هنگام لغزش چرخ، سطح صفحه تماس چرخ با ريل افزايش مي يابد. به طوري كه ميزان انرژي در واحد سطح كاهش يافته و مانع از افزايش درجه حرارت تا حد مورد نياز جهت تشكيل martensite مي گردد.

هر يك از فرضيه هاي فوق به تنهايي و يا در تركيب با يكديگر مي توانند منجر به پديده صافي و پخ شـدن چـرخ ها شوند. هنگامي كه پخي و يا ورقـه شدن رخ دهد پيوستگي حركت سطح چرخ به هم خورده و تحت فشار شكل قالب چرخ تغيير مي يابد و گردي و انحناي آن از بين مي رود. آزمايش هاي TTCI نشان داده كه در شرايط عدم انحناي چرخ، آسيب وارده به سطوح تماس بين چرخ و ريل بسيار بيشتر از آسيب ناشي از تورق يا پخي است.

 

شكستگي تاج چرخ ها

شكستگي تاج چرخ نيز ماننـد پوسته شدن ناشي از خستگي بر اثر تماس مي باشد و در ابتداي امر با ايجاد ترك و حفره در چرخ ها آغاز مي شود. اين نقايص به شدت تحت تأثير بار چرخ هستند. بررسي مجدد اطلاعات اصلي مربوط به نقايص چرخ ها در AAR نشان مي دهد كه شكسته شدن تاج، اغلب در چرخ هاي نسبتاً جديد رخ مي دهد.

مطالعات انجام شده تـوسط شـركت هاي راه آهن آفريقاي جنوبي، چين و سوئد حاكي از آن است كـه وجـود حفـره ها يا فضاهاي خالي در چرخ هاي ريخته گري شده و يا شكاف هاي خالي در چـرخ هـاي فلـز كاري شده آهن چكش خوار با قطر بيش از يك ميلي متر مي تواند روند شكسته شدن تاج چرخ در چرخ هاي ريخته گري را تحت 27 تن بار محوري و در چرخ هاي فلزي چكش خوار تحت 20 تن بار محوري آغاز نمايد.

در آفريقاي جنوبي Spoornet از طـريق اصلاح مشخصـات فنـي AAR و كـاهش دادن سطح استاندارد قابل قبول آزمايش هاي اولتراسونيك تا 20%، چرخ هاي داراي شكستگي را از رده خارج نموده است. AAR نيز درصدد است سطح قابل قبول را تا ميزان 50% كاهش دهد.

 

ناصاف شدن سطوح غلتش

ازميان تمامي دلايل متداول براي تعويض چرخ ها، دانسته هاي ما در مورد مكانيسم ناصاف شدن سطوح غلتش از همه كمتر است. آزمايش هاي ميداني TTCI در مورد فاصله توقف كفشك ترمز نشان مي دهد كه زبر و ناصاف شدن سطح غلتش غالباً در شرايط مرطوب رخ مي دهد.

دو نظريه در مورد تشكيل زبري در سطح غلتش مطرح شده است:

• در طي تـرمـز گيـري فشار نـاشي از لغـزش چرخ، لايه هاي مختلف تشكيل دهنده ريل را

كه قبلاً در محل تماس با ريل جدا شده بودند به هم جوش مي دهد.

• ذرات سخت فلـزي مـوجـود در مـاده پر كننده كفشك ترمز، تراشه هايي را از سطح غلتش

چرخ جدا ساخته و بعداً به سطح غلتش جوش مي دهد.

 

نقايص حرارتي

مطالعات گسترده در مورد شكستگي چرخ ها در راه آهن سنگين آمريكاي شمالي نشان داده است كه شكستگي ناگهاني هنگامي رخ مي دهد كه مواد موجود در منطقه ترك در معرض بار كششي زياد قرار گيرند. گستـرش ترك مي تواند انفجاري باشد و منجر به خروج قطار از ريل به دليل خرد شدن چرخ به قطعات مجزا شود. چنين نقيصه اي زماني به وجود مي آيد كه تركي قديمي در معرض تنش كششي محيطي باقيمانده قرار گيرد.

ميزان وقوع حادثه خروج قطار از ريل در آمريكاي شمالي با صدور دستورالعمل مبني بر اينكه تاج كليـه چـرخ هـا بـايـد در زمـان تـوليد آبديده بـوده و تمامي طرح هاي جديد بايد از فلز نورد گرم با تنش كم باشند، كاهش يافته است.

آب دادن تاج موجب ايجاد يك تنش كششي محيطي باقيمانده مي شود كه به طور مؤثري مانع از گسترش ترك مي گردد. استفاده از صفحات فلزي با تنش كم براي تاج منجر به تحمل حرارت بيشتر در هنگام ترمز گيري و در نتيجه بالا رفتن حد نقطه تسليم (Yielding) صفحه تاج و منطقه پشت صفحه تاج چرخ مي گردد. آزمايش هاي دينامومتري TTCI نشان داده است كه تسليم شدن چرخي با قطر 914 ميلي متر كه از طراحي با تنش كم بهره مند مي باشد نياز به انرژي ترمزي به ميزان حداقل 60 كيلو وات براي يك ساعت دارد. حد تسليم شدن طبق تعريف مقدار تنشي است كه بعد از آن جسم خاصيت كش ساني خود را از دست مي دهد.

صـدمـات حـرارتي وارده بـه چـرخ هـاي واگن هاي مسافري كه داراي توقف هاي متناوب در سرعت هاي بالا هستنـد نـاشي از مجمـوعـه اي از شـرايـط مختلف است. اداره حمل و نقل ايـالات متـحده مـدلي را ارائـه داده كـه مي تـوانـد به طور كار آمد روند تنش آسايش (Stress relaxation) و رفتار ترك خـوردگي در چـرخ هاي واگن هاي مسافربري در معرض توقف هاي متعدد را شرح دهد. اين يافته ها در مشخصات فني و طراحي چرخ هاي مورد استفاده در واگن هاي مسافربري توسط انجمن حمل و نقل همگاني آمريكا لحاظ مي گردد.

 

لزوم تحقيقات بيشتر

TTCI كنسرسيوم تحقيقاتي را با مشاركت راه آهن آمريكاي شمالي، سازندگان چرخ ها، مالكين خصوصي واگن هاي باري و تأمين كنندگان تجهيزات ترمز تشكيل داده است تا راه هاي جلوگيري از تعويض زود هنگام چرخ ها را بيابد. صرفه جويي بالقوه در اين زمينه در صنعت بسيار چشمگير مي بـاشد. اگر ايـن برنامه تا ميزان 25% نيز موفقيت آميز باشد، ميزان صرفه جويي سالانه تقريباً 25 ميليون دلار خواهد بود.

به علاوه نماينـدگان مؤسسه تحقيقات راه آهـن اروپا (European Rail Research Institute) ERRI، اخيراً بازديدي از TTCI به عمل آورده اند تا اطلاعات مورد نياز خود را جهت اجراي برنامه تحقيقاتي در مورد چرخ واگن هاي باري جمع آوري نمايـند. اين برنامه به منظور حل مشكلات مربوط به پوسته شدن، تورق و همچنين پخي چرخ ها در اروپا ارائه شده است.

فولاد مـورد استفاده در چـرخ واگن هاي باري اروپا از نظر سختي و ميزان كربن معادل فولاد كلاس B در AAR بـا ميـزان كـم كربن مي باشد. هدف اصلي ERRI ارائه فولادي قوي تر جهت ساخت چرخ است. اين طرح شامل مطالعات در زمينه كاربري فولاد bainitic به جاي فولاد pearlitic، مورد استفاده در چرخ هاي فعلي مي باشد.

بـر خلاف بسيـاري از مشكلات در اروپا و آمريكاي شمالي به نظر مي رسد كه مسائل مربوط به چرخ ها داراي نقاط مشتركي بوده به طوري كه برنامه هاي در دست اقدام مي توانند راه حل هايي را براي هر دو سوي اقيانوس اطلس به همراه داشته باشند.