Statistisk analys av hjulprofilparametrar för järnvägshjul
Christian Gustafsson
Högskoleingenjör, Maskinteknik 2018
Luleå tekniska universitet
Institutionen för teknikvetenskap och matematik
FÖRORD
Denna studie är ett examensarbete motsvarande 15 högskolepoäng skrivet av en student på maskiningenjörsprogrammet vid Luleå tekniska universitet. Arbetet är utfört på uppdrag av Järnvägtekniskt Centrum vid Luleå tekniska universitet. Resultat från arbetet kan komma att ingå i leverabler och publikationer inom det pågående Shift2Rail-projektet IN2SMART.
Det har varit mycket intressant och lärorikt att på ett ingenjörsmässigt sätt analysera hur skador orsakar förändring av järnvägshjulets parametrar och erhålla en fördjupad kunskap inom detta område. Att få ta del av och utföra mätningarna, och sedan analysera mätdata har givit arbetet en god variation och en djup förståelse kring resultaten.
Jag vill rikta ett stort tack till min handledare och biträdande professor Matti Rantatalo från Järnvägstekniskt Centrum vid Luleå tekniska universitet samt doktor Matthias Asplund, spårspecialist på Trafikverket.
Ett särskilt tack till Robert Pallari, underhållsingenjör på LKAB, för hjälp och handledning vid frågor och funderingar samt för ett gott omhändertagande under vistelsen i Kiruna.
Luleå, 2018-07-01 Christian Gustafsson
Sammanfattning
En väl fungerande järnväg är en viktig del av Sveriges och stora delar av världens
infrastruktur. Hundratusentals människor transporterar sig dagligen till och från arbete efter den svenska järnvägen samtidigt som det efter samma spår sker en storskalig godstransport genom tungt lastade godståg.
Att kunna planera underhållet av ett järnvägssystem är en viktig del för att erhålla en hög funktionssäkerhet hos systemet. Plötsliga fel och haverier av järnvägshjul är i dagsläget en stor anledning till driftstörningar och driftstopp. Med en utökad kunskap kring spridningen av nötningen i järnvägshjulet kan man prediktera slitage och prognostisera hjulets livslängd och då även planera framtida underhåll. På så sätt kan funktionssäkerheten öka, detta genom att minska risken för driftstörningar.
Arbetets resultat kommer att redovisas genom en statistisk analys av hjulparametrar i en teknisk rapport innehållande nödvändig teori samt överskådliga figurer i form av tabeller, diagram och plottar. Figurerna är baserade på analys av insamlade mätdata från LKAB:s lokverkstad i Kiruna, Sverige.
Studien visar att nötning och skador uppträder runt om hela hjulets omkrets där flänsbredden är den parameter där det sker störst förändring.
NYCKELORD: Järnväg, hjulprofil, underhåll, mätning, nötning.
Abstract
A well-functioning railway is an important part of Sweden's amongst many other countries infrastructure. On daily basis hundreds of thousands of people use the railway as their primary mode of transportation. Meanwhile on the same track there’s a large-scale transportation of goods by heavy loaded cargo trains.
Planning the maintenance of the railway and its components is important in order to achieve a high-level functionality of the system. Sudden failure of railway wheels is one of the biggest causes of downtime of the railway system. Increased knowledge about the spread of wear around the wheel could result in a higher level of functionality of the system, this by being able to predict the wear and prognosis the need of maintenance.
This project will be presented as a statistical analysis in the form of a technical report which contains the necessary theory as well as figures in the form of diagrams and plots. The figures are based on analysis of collected measurement data from LKAB’s locomotive workshop in Kiruna, Sweden.
This study shows that abrasion and other types of wheel damage occur all around the
circumference of the wheel and the flange width is the parameter where most abrasion occurs.
KEYWORDS: Railway, wheel profile, maintenance, measure, wear.
Innehåll
1 INLEDNING ... 1
1.1 Mål ... 2
1.2 Syfte ... 2
1.3 Avgränsningar ... 2
2 BAKGRUND ... 4
2.1 Järnvägshjul ... 4
2.2 Hjulprofil ... 4
2.3 Hjulfläns ... 5
2.4 Löpyta ... 6
2.5 Negativ fläns ... 6
2.6 Gångegenskaper ... 6
2.7 Mättekniker för hjulprofilmätningar ... 7
2.8 Skadetyper ... 7
2.8.1 Rullkontaktsutmattning ... 8
2.8.2 Utvalsning ... 8
2.8.3 Punkteringsskada ... 8
2.8.4 Orundhet... 8
2.8.5 Krosskador ... 9
2.9 Serviceåtgärder järnvägshjul ... 9
3 METOD ... 10
4 RESULTAT ... 13
4.1 Repeterbarhet och reproducerbarhet ... 13
4.2 Spridning ... 14
4.2.1 Mätning av nya hjul ... 14
4.2.2 Mätning av använda hjul ... 17
4.3 Analys ... 28
5 DISKUSSION ... 32
5.1 Slutsatser ... 33
5.2 Framtida studier ... 34
6 REFERENSER ... 35
1
1 INLEDNING
Tågets hjul och den räl hjulet rullar på bildar tillsammans ett system med en nära relation där förändringar i någon av dessa två delar påverkar hela järnvägens prestanda. För att kunna planera drift och erhålla en hög funktionssäkerhet i ett järnvägssystem krävs kunskap kring förslitningen av järnvägssystemets olika beståndsdelar. År 2013 beräknades kostnaden för förseningar som kan härledas till hjulskador till 77 MSEK [1]. Med utökad kunskap genom analys av förändringar av parametrar i hjulen kan risken för hjulhaveri och urspårning samt slitage av hjul och räl på grund av en felaktig hjulprofil minska. Detta leder till lägre driftkostnader vilket gör järnvägen till en ännu mer fördelaktig transportmetod.
Vid tillverkning och underhåll av järnvägshjul är målet att ge dessa en förutbestämd
hjulprofil. Hjulprofilen kan delas in i fyra delar innehållande viktiga parametrar som beskriver hjulets profil, se Figur 1. Dessa parametrar är direkt avgörande för hjulprofilens utformning som sedan i kombination rälsprofilen styr tågets gångegenskaper. De parametrar som beskriver ett nysvarvat hjul är:
- Flänshöjd, Fh - Flänsbredd, Fw - Flänsvinkel, qR - Hjulbredd, W
Figur 1. Hjulaxel placerad på räls. Viktiga områden på hjul och räl har pekats ut och namngetts.
Genom att anpassa hjulets profil mot rälsens profil skapas en förutbestämd storlek på den area där kontakten mellan hjul och räl sker. Storleken av denna area är avgörande för den adhesion som uppträder i kontaktytan mellan hjul och räl. För hjul med en felaktig profil förändras
2 kontaktytan och då även adhesionen mellan hjul och räl. En förändrad kontaktyta kan leda till ökade materialpåfrestningar samt en ökad risk för låsning av hjul samt slirning och glidning mellan hjul och räl, detta vid exempelvis gaspådrag och inbromsningar. Vid slirning och glidning skapas en friktionskraft i kontaktpunkten mellan hjul och räl vilket resulterar i nötning och skador i hjulets material. Ökad nötning leder till en förkortad livslängd och en försämrad funktionssäkerhet hos systemet vilket i sin tur leder till fler och mer tidskrävande underhållsåtgärder för att erhålla krävd funktion. Vanligtvis sker hjulprofilmätningar med enstaka mätningar på en enstaka punkt genom manuella mätningar eller via automatiska mätsystem monterade ute längs järnvägen. Vid manuella mätningar kan man välja att mäta en eller flera punkter för ett och samma hjul men för automatiska system ute i spår sker endast en mätning på en punkt per hjul. För att kunna använda dessa mätningar som underlag för
underhållsbeslut behöver man veta om dessa enstaka mätningar är representativa för hela hjulets omkrets.
1.1 Mål
Denna studie skall undersöka enstaka hjulprofilmätningars repeterbarhet för hela hjulets omkrets, detta genom att utföra ett flertal hjulprofilmätningar med ett manuellt mätsystem runt om omkretsen av ett antal hjul.
Följande frågeställning skall besvaras:
- Hur ser spridningen av hjulprofilerna ut längs med hela hjulets omkrets?
- Hur ser mätsystemets repeterbarhet och reproducerbarhet ut?
Målet med studien är:
- Genom tester erhålla en ökad kunskap kring mätsystemets repeterbarhet och reproducerbarhet.
- Dokumentera och analysera förändringarna av hjulprofilernas form och spridningen av dess parametrar längs järnvägshjulens omkrets.
1.2 Syfte
Syftet med denna studie är att skapa en kunskapsbas kring hjulprofilens spridning längs med hjulens omkrets. Detta kan lägga grund för bedömning av osäkerhet i mätningar av
hjulparametrar med mätmetoder där endast ett snitt av hjulets profil mäts.
1.3 Avgränsningar
Denna studie är baserad på total 12 stycken uppmätta järnvägshjul vars mätdata sedan analyserats. 10 stycken av dessa är gamla hjul och två stycken är nysvarvade hjul. Hjulen i denna studie har uteslutande använts av LKAB i malmvagnar av typen F050 för
malmstansport från LKAB:s gruvor i Kiruna och Malmberget.
3 Det mätsystem som användes i studien är tillverkad av NextSense och är av modellen Calipri.
Innan testerna gällande representerbarheten och insamling av mätdata utfördes tester av mätsystemets repeterbarhet och reproducerbarhet. Mätsystemets repeterbarhet undersöktes för att undersöka mätsystemets spridning av mätdata mellan varje mätning och testerna kring mätsystemets reproducerbarhet visar hur pass stor påverkan mätoperatören har på mätdatat.
Detta ger en grund till att avgöra om mätsystemet är dugligt för denna typ av mätningar.
Totalt utfördes 525 mätningar där 11 stycken hjul mättes med 35 mätpunkter med 100 millimeters intervall mellan mätpunkterna. Ett hjul mättes med 140 mätpunkter med 25 millimeters intervall mellan mätpunkterna.
4
2 BAKGRUND
Denna studie är baserad på mätningar utförda på hjul tillhörande LKAB:s malmvagnar av typen F050. Malmtågen har som huvuduppgift att frakta järnmalm efter den drygt 200 mil långa järnvägssträcka mellan gruvorna i Kiruna och Malmberget till Victoriahamnen i Luleå och Narvik hamn i Norge.
Hjul tillhörande en malmvagn har ett genomsnittligt serviceintervall på cirka 300’000 kilometer och med en hjuldiameter på 950 mm innebär detta cirka 100’000’000 rotationer mellan varje underhållstillfälle. Varje enskilt hjul har en kontaktyta mellan hjul och räl på cirka 1cm# [2]. Totalvikten av en fullastad malmvagn är cirka 120 ton vilket innebär att kontaktytan för varje enskilt hjul utsätts för en tryckande kraft på cirka 14,7 kN. Resultatet av denna höga materialpåfrestning är förslitning och skador i hjul och räl [2].
2.1 Järnvägshjul
En boggi i en malmvagn har två stycken axlar med två stycken ringhjul monterat på varje axel. Ett ringhjul är ett löst hjul med ett centrumhål. När hjulet monteras på axeln tillämpas krymppassning. Genom att tillämpa denna sammanfogningsmetod kan hjulen demonteras från axeln på samma sätt som de monterades. Detta kan utnyttjas genom att ersätta hjul med slitna hjulringar mot nya och behålla hjulets grundstomme, lager och axel. Detta ingrepp kallas omstomning.
2.2 Hjulprofil
Vid nytillverkning och omsvarvning av järnvägshjul är målet att ge hjulet en specifik utformning. Denna utformning kallas för hjulprofil och kan delas upp i fyra områden, flänshöjd, flänsbredd, flänsvinkel och hjulbredd, se Figur 1. Hjulets profil anpassas mot rälsens profil med mål att erhålla en förutbestämd kontaktyta mellan hjul och räl, detta för att få en förutbestämd adhesion i denna kontaktyta. Adhesionen i kontaktytan är avgörande för beräkningar av tågets dragkraft, bromsverkan och hjulets livslängd. Genom att göra
förändringar i hjulprofilen kan man förändra kontaktytan. En större kontaktyta resulterar i högre friktion mellan hjul och räl. En mindre kontaktyta resulterar större
materialpåfrestningar då det nu är ett högre tryck på en mindre area enligt Pascals lag, ekvation (1), där F är applicerad kraft uttryckt i Newton och A är arean av kontaktytan:
𝑃 =𝐹
𝐴 (1)
Generellt gäller sambandet; ju mindre kontaktyta, ju högre materialpåfrestningar med en snabbare materialnedbrytning som påföljd.
Vid en hjulprofilmätning av använda hjul mäts sex stycken parametrar i hjulets profil. Måtten på dessa parametrar kan användas för att bedöma om hjulet är i behov av underhåll.
Uppmätta parametrar vid en hjulprofilmätning är:
5 - Flänshöjd, Fh
- Flänsbredd, Fw - Flänsvinkel, qR - Utvalsning, RO - Hjulbredd, W - Negativ fläns, HT
Figur 2 är ett exempel på hur en mätfil på ett gammalt hjul kan se ut.
Figur 2. Hjulprofilmätning av ett hjul med en flänshöjd (Fh) och en negativ fläns (HT) som överskrider säkerhetsgränsen. Hjulet har även en utvalsning (RO).
2.3 Hjulfläns
Hjulflänsen är den sektion på hjulets innersida som har en större diameter än övriga delar av hjulet, se Figur 1. Hjulflänsens uppgift är att förhindra urspårning genom att begränsa tågets lateralrörelser.
Flänshöjden är det avstånd från hjulets löpyta till hjulflänsens högsta punkt, se Figur 1. Detta avstånd ökar med tiden då material på löpytan nöts bort under drift. En för hög hjulfläns riskerar att komma i kontakt med och skada andra spårkomponenter och med en för låg flänshöjd riskerar tåget att kliva över flänsen med urspårning som resultat.
Bredden av hjulflänsen kallas flänsbredd. Flänsbredden minskar med tiden då det stundom sker kontakt mellan rälsens farkant och hjulflänsen vilket resulterar i att material från hjulflänsen nöts bort, se Figur 1. Denna typ av skada åtgärdas genom omsvarvning där man avverkar material från hjulets löpyta för att skapa en bredare hjulfläns. Slitage av
flänsbredden är något man i största möjliga mån vill undvika då det kräver stor materialavverkning av hjulets diameter för att bygga flänsbredd.
Sambandet mellan flänshöjden och flänsbredden avgör flänsvinkeln, se Figur 1. Flänsvinkeln minskar och flänsen blir brantare vid drift då flänsbredden minskar samtidigt som flänshöjden
6 ökar på grund av nötning. Resultatet av en för flack flänsvinkel är att den inte orsakar
tillräcklig motriktad kraft för att förhindra tåget att kliva över flänsen. En för brant flänsvinkel kan medföra i att hjulet vandrar på flänsen med urspårning som resultat.
2.4 Löpyta
Hjulets löpyta är där den huvudsakliga kontakten mellan hjul och räls sker, se Figur 1.
Löpytan är konstant under hög belastning och är därför härdad för att förlänga hjulets livslängd genom att minska nötningen av materialet. Rälsens material är något hårdare än hjulets, detta för att nötning ska uppträda i hjulen istället för på rälsen då hjulen har en lägre underhållskostnad än rälsen.
2.5 Negativ fläns
Negativ fläns skapas då material från hjulets löpyta nöts bort på grund av upprepade dynamiska belastningar med materialutmattning i kontaktytan mellan hjul och räl som resultat. Denna typ av skada gör att hjulet tappar sin konicitet, se Figur 2.
2.6 Gångegenskaper
Hjulparen är monterade på en stum axel och kommer därför alltid att ha samma
vinkelhastighet. Rälsen har en spårvidd på 1435 mm [3]. Detta medför att det i kurvor bildas en differens i längd mellan den yttre och den inre rälen (s1 och s2 i Figur 3). Figur 3 visar en kurva där r1 och r2 är kurvans radie for den inre respektive yttre rälen och vinkeln a är mittpunktsvinkeln. Detta innebär att om tåget skulle röra sig genom en kurva med hjul som har en identisk diameter, och då även rullomkrets, så kommer det inre hjulet att avverka den inre rälens sträcka fortare än det yttre hjulet på den yttre rälen vilket leder till slirning mellan hjul och räl samt torsionssvängningar.
Figur 3. Skillnaden i sträcka mellan inner- och ytterspår.
7 Detta problem åtgärdas genom att ge hjulet en konisk utformad löpyta. På detta vis skapas diameterskillnader på hjulet och på så sätt även en differens mellan hjulets rullomkrets beroende på var på hjulet kontakten mellan räl och hjul sker. Detta gör det möjligt att skapa skillnader i rullsträcka mellan hjulparen, det vill säga att ett hjul kan rullar en kortare sträcka per helvarvsrotation än det andra. Detta är direkt nödvändigt för att erhålla
kurvtagningsförmåga samtidigt som det leder till minskade påfrestningar på hjulet vid kurvtagning. Löpytans konicitet bidrar även till att tåget självcentrerar vilket hämmar tågets lateralrörelser [4].
2.7 Mättekniker för hjulprofilmätningar
LKAB inspekterar och mäter sina hjuls profiler med manuella och automatiserade mätsystem.
Inspektionerna sker genom en okulär besiktning av hjul och räl. De manuella mätningarna sker genom handhållna verktyg, exempelvis Calipri eller MiniProf och utförs baserat på hjulens kilometerdata. Den automatiserade mätningen sker kontinuerligt på passerande tåg under drift genom ett lasermätsystem utplacerat efter bandel 119 strax väster om Luleå.
Tabell 1 visar de parametrar som mäts vid en hjulprofilmätning av gamla hjul. Tabellen innehåller även riktvärden för nysvarvade hjul, underhållsgränser och säkerhetsgränser för varje parameter. Om ett uppmätt hjul där en eller flera parametrar överskrider dess
underhållsgräns tas detta hjul in för underhåll så snabbt som möjligt. Om ett hjul där en eller flera uppmätta parametrar överskrider dess säkerhetsgräns tas detta hjul omedelbart ur drift.
Tabell 1. Tabell innehållande information gällande mått på parametrar i nysvarvade hjul, underhållsgränser och säkerhetsgränser. Angivna mått har storheten millimeter.
2.8 Skadetyper
Grundorsaken till hjulslitage är upprepade dynamiska belastningar, friktionskrafter, värmeutveckling och glidning mellan hjulets löpyta och rälens farbana. Bromsning, kurvtagning och slirning är i praktiken tre stora orsaker till hjulslitage.
Tidigare forskning visar samband mellan uppkomst av skada och accelererad nötning [1].
Detta beror på att när skador uppkommer orsakar dessa en försämrad geometri av hjulets profil vilket resulterar i en förändrad fordonsdynamik och/eller en försämrad
spänningsfördelning i hjulet. Därför är det viktigt att bevara en korrekt hjulprofil så länge som möjligt för att undvika onödig nötning.
Parameter Nysvarvat Underhållsgräns Säkerhetsgräns
Fh 27,7 22,5 22
Fw 28,8 34 36
qR 9,6 7 6,5
RO 0 ≥5 ≥5
W 135 - -
HT 0 1,5 2
8
2.8.1 Rullkontaktsutmattning
Rullkontaktsutmattning är en typ av materialutmattning orsakad av upprepade mekaniska spänningar. Rullkontaktsutmattningen sker i tre steg. Inledningsvis sker en sprickinitiering i materialet, sedan propagerar sprickan och slutligen sker ett brott. Denna typ av skada kan delas in i två grupper, ytinitierad utmattning (surface-initiated) och utmattning initierad under ytan (subsurface-initiated). Rullkontaktsutmattning är den huvudsakliga orsaken till
uppkomsten av negativ fläns i hjulen.
2.8.2 Utvalsning
En utvalsning är resultatet av en sorts materialutmattning där material plastiskt deformeras och valsas från hjulets löpyta ut mot hjulets yttersida. På detta sätt skapas ett överhäng av material utanför hjulets ytterkant, se Figur 4. Resultatet av detta blir en försämrad
underhållsmässighet då detta överhängande material försvårar mätningen av hjulprofilen samtidigt som det försvårar utförandet av underhållsåtgärder på hjulet.
Figur 4. Utvalsningsskada på det högra hjulet tillhörande hjulaxel HP9709.
2.8.3 Punkteringsskada
Punkteringsskador uppkommer när ett låst hjul glider och nöts mot rälens farbana. Detta orsakar en punktbelastning i form av friktion i kontaktpunkten mellan hjul och räl. Resultatet av detta blir nötning i kontaktpunkten vilket kan orsaka ett plant område på hjulets löpyta. En annan vanligt förekommande benämning för punkteringsskadade hjul är slaghjul.
2.8.4 Orundhet
Det är inte bara i hjulflänsen och löpytan skador uppträder. Även hjulets cirkulära utformning kan variera. Skador i form av orundhet, exempelvis ovalitet kan förekomma. Denna typ av skada orsakar buller och försämrar komforten i tåget samtidigt som det leder till en ökad dynamisk belastning på hjul och räl på grund av ofördelaktig spänningsfördelning i hjulet.
9
2.8.5 Krosskada
En krosskada är en typ av skada där det uppstått materialbortfall i hjulets löpyta enligt Figur 5. Brottet sker i tre steg. Initialt sker en sprickinitiering, därefter sprickpropagering och slutligen ett brott där material lossnar från hjulet. Sprickinitieringen är ofta svår att upptäcka visuellt men går att detektera genom t.ex. ultraljudsmätning och akustiska mätmetoder.
Figur 5. Skada i form av krossår i området mellan mätpunkt sju och åtta.
2.9 Serviceåtgärder järnvägshjul
Hjulskador och felaktiga hjulprofiler åtgärdas genom omsvarvning. Omsvarvningen sker med en NC-programmerad undergolvssvarv där båda hjulen bearbetas simultant enligt Figur 6.
Hur arbetsförloppet går till kan skilja sig beroende på typ av skada och hur pass allvarlig den är men principen är densamma. Processen är att material avverkas från hjulet genom
svarvning till dess att skadorna inte längre går att urskilja.
Efter ett antal omsvarvningar når hjulet sin minimidiameter på 895 mm och måste då kasseras. Om axeln fortfarande går att bruka sker omstomning.
Figur 6. Till vänster är en hjulaxel uppspänd för svarvning i LKAB:s lokverkstad i Kiruna.
Högra bilden visar NC-svarvens bearbetningsförslag av hjulet.
10
3 METOD
Mätmetod
Studiens mätdata är insamlat med en Calipri [6]. Mätningen sker kontaktlöst genom att
projicera en laserstråle på hjulets löpyta för att sedan förflytta denna laserstråle efter systemets angivelser, se Figur 7.
Figur 7. Calipri. Kontaktlös lasermätning. Datorenheten till höger i bild ger direktiv hur mätinstrumentet till vänster ska förflyttas för att utföra en korrekt mätning.
Mätsystemsanalys
Inledningsvis utfördes tester av mätsystemets repeterbarhet och reproducerbarhet. Detta testades genom två olika operatörer som under samma förutsättningar utförde 5 stycken mätningar på en och samma punkt på samma hjul. Mellan varje mätning nollades
mätsystemets utgångsposition genom att förflytta mätinstrumentet från hjulet för sedan återgå till uppskattad startposition.
För att beräkna mätsystemets repeterbarhet, EV, användes ekvation (2) där 𝑅)* och 𝑅)# är medelvärdet av spridningen av mätresultatet för varje parameter och operatör. 𝐾* är en given konstant som är beroende av antalet mätningar per parameter [5]:
𝐸𝑉 = .𝑅)*+ 𝑅)#
2 1 × 𝐾* (2)
Vid beräkning av mätsystemets reproducerbarhet, AV, användes ekvation (3) där 𝑋4566 = 𝑋)789− 𝑋)75;, d.v.s. differensen mellan de två operatörernas totala medelvärde av samtliga mätningar. 𝐾# är en given konstant som är beroende av antalet mätoperatörer [5], 𝑛 är antalet uppmätta parametrar och 𝑟 är antalet mätningar per parameter:
11 𝐴𝑉 = >?𝑋)4566× 𝐾#@#− A 𝐸𝑉#
𝑛 × 𝑟C (3)
Gage R&R, eller GRR, är en typ av mätsystemanalys där både repeterbarheten och reproducerbarheten tas i beaktning. Resultatet av denna typ av analys blir ett mått på mätsystemets precision som beräknades enligt ekvation (4):
𝐺𝐺𝑅 = E(𝐸𝑉)#+ (𝐴𝑉)# (4)
Representerbarhetsstudie
Totalt mättes 12 stycken hjul varav 11 stycken hjul med 35 mätpunkter och ett hjul med 140 mätpunkter per varv. Utav dessa 12 hjul var två stycken nyligt omsvarvade och oanvända från två olika underhållsentreprenörer, resterande 10 hade varit i drift enligt Tabell 2.
Tabell 2. Tabell innehållande information kring hjulens kilometerdata, antal mätpunkter, skadetyper och tidigare underhåll för samtliga uppmätta hjul.
För att få en konstant spridning av mätpunkterna runt om hela hjulets omkrets märktes mätpunkterna ut på förhand med ett konstant avstånd, därefter numrerades mätpunkterna för att förenkla mätproceduren. För att enkelt dokumentera hjulmätningarna döptes hjulen till höger respektive vänster för respektive identifikationsnummer och axel, exempelvis HP7480, se Figur 8. Detta identifikationsnummer använder LKAB för att dokumentera
underhållshistorik och kilometerdata vilket är en viktig del vid analysen av detta arbete.
Figur 8. Uppmärkning av hjulaxelns identifikationsnummer.
Id Hjulsida Kilometerdata Mätpunkter Skadetyp Underhållsentreprenör
HP6448 Hö 317125 35 Negativ fläns, hög fläns A
HP6448 Vä 317125 35 Negativ fläns, hög fläns A
HP7480 Hö 315740 35 - A
HP7480 Vä 315740 140 Negativ fläns, hög fläns, utvalsning A
HP8507 Hö 237832 35 - A
HP8507 Vä 237832 35 Negativ fläns, felaktig flänslutning A
HP8628 Vä N/A 35 N/A A
HO9270 Vä N/A 35 N/A B
HP9684 Hö 409522 35 Negativ fläns, hög fläns, felaktig flänslutning N/A
HP9684 Vä 409522 35 Hög fläns, felaktig flänslutning N/A
HP9709 Hö 409522 35 Utvalsning, negativ fläns N/A
HP9709 Vä 409522 35 Utvalsning, negativ fläns, krossår N/A
12 Samtliga hjul mättes motsols med startpunkten klockan tolv. Genom att systematiskt mäta alla hjulen på samma sätt kan man enkelt gå tillbaka och hitta mätdata för valfri mätpunkt genom att använda sig av mätfilerna.
Efter utförda mätningar sammanställdes samtliga mätdata. För att visualisera spridningen av mätdata och fördelningen av parametrarna skapades fördelnings- och orbitplottar med hjälp av MATLAB. För att visa hur uppmätta värden avviker från medelvärdet skapades tabeller innehållande aritmetiskt medelvärde och standardavvikelse för vardera parameter i de gamla hjulen. Det aritmetiska medelvärdet beräknades enligt ekvation (5), där n är antalet mätvärden och x är uppmät mätvärde:
𝑥̅ =∑ 𝑥
𝑛 (5)
Då denna studie behandlar ett begränsat antal hjul och inte hela populationen betraktas detta som ett stickprov och därför blev ekvationen för beräkning av standardavvikelsen enligt ekvation (6):
σ = >∑|𝑥 − 𝑥̅|# 𝑛 − 1
(6)
13
4 RESULTAT
4.1 Repeterbarhet och reproducerbarhet
Resultatet av testerna kring mätsystemets repeterbarhet presenteras i Figur 9 och 10 samt Tabell 3 och 4. Enligt Figur 9 och 10 kan vi se att det förekommer en spridning av mätdata i samtliga parametrar hos båda operatörerna. Tabell 3 visar standardavvikelsen för varje parameter för operatörerna. Medelvärden och standardavvikelser beräknades enligt ekvation (5) och (6). Tabell 4 visar mätsystemets repeterbarhet, reproducerbarhet samt GRR beräkande enligt ekvation (2), (3) och (4).
NextSense som är tillverkaren av Calipri utlovar en mätnoggrannhet på < ± 80 µm och en repeterbarhet på < ± 35 µm [7]. Resultatet av utförda tester gällande mätsystemets
repeterbarhet i Tabell 4 påvisar den utlovade repeterbarheten. I Tabell 4 kan vi även se att mätsystemets reproducerbarhet är cirka 6,31 µm.
Figur 9. Mätdata för tester av mätsystemets repeterbarhet och reproducerbarhet.
Figur 10. Mätdata för tester av mätsystemets repeterbarhet och reproducerbarhet.
14 Tabell 3. Tabell innehållande information gällande medelvärde och standardavvikelse för varje parameter vid utförda tester av systemets repeterbarhet och reproducerbarhet. Angivna mått har storheten millimeter.
Tabell 4. Tabell innehållande information gällande mätsystemets repeterbarhet,
reproducerbarhet samt GGR baserat på utförda tester. Angivna mått har storheten millimeter.
4.2 Spridning
4.2.1 Mätning av nya hjul
Genom att jämföra hjulaxel HP9270 (Figur 11 och 12) med HP8628 (Figur 13 och 14) kan vi se skillnader mellan hjulens parametrar. Dessa hjul är två stycken nyligt omsvarvade hjul som kommer från två olika underhållsentreprenörer, underhållsentreprenör A och
underhållsentreprenör B, detta enligt Tabell 2. Figur 15 illustrerar skillnaderna mellan hjulens parametrar. Enligt Tabell 5 kan vi se att den största skillnaden mellan de nya hjulen och dess parametrar är flänsbredden, Fw, där HP9270 (Figur 11) har en bredare hjulfläns än HP8628 (Figur 13).
Figur 11. Plottar av hjulparametrar gällande ett nytt hjul.
Parameter Medelvärde operatör 1 Medelvärde operatör 2 Standardavvikelse operatör 1 Standardavvikelse operatör 2
Fh 35,122 35,039 0,002996 0,001409
Fw 26,348 26,293 0,001876 0,002681
qR 11,197 11,159 0,000921 0,000789
RO 0,066 0,072 0,000144 0,000096
W 135,151 135,163 0,004829 0,002721
HT 1,181 1,195 0,000459 0,000845
Repeterbarhet 0,03296667 Reproducerbarhet 0,00631089
GRR 0,03356529
15 Figur 12. Plottar av hjulparametrar gällande ett nytt hjul.
Figur 13. Plottar av hjulparametrar gällande ett nytt hjul.
16 Figur 14. Plottar av hjulparametrar gällande ett nytt hjul.
Figur 15. Plot som illustrerar skillnaderna i parametrar mellan två nysvarvade hjul från två olika underhållsentreprenörer.
17 Tabell 5. Tabellen visar medelvärdet för varje uppmätt parameter i de nysvarvade hjulen.
Angivna mått har storheten millimeter.
4.2.2 Mätning av använda hjul
Genom att studera och jämföra figurerna för använda hjul (Figur 16–35) syns det att de områden som är mest utsatta för nötning är på och runt hjulflänsen. Vid en jämförelse mellan nya och gamla hjul ser man en tydlig ökning av flänshöjden runt om hela hjulets omkrets.
Detta gäller för samtliga gamla hjul i denna studie. Även en förändring av flänsbredden och flänsvinkeln är vanligt förekommande och sker runt om hela hjulets omkrets.
Vid en jämförelse mellan höger och vänster hjul på samma axel finns ett samband mellan skadetypen negativ fläns och minskad flänsbredd. Det hjul som har negativ fläns har även smalare hjulfläns än det hjul som inte har negativ fläns. Detta samband gäller för samtliga hjul i denna studie och kan ses i plottar av HP9709 (Figur 16, 17, 18 och 19), HP9684 (Figur 20, 21, 22 och 23), HP8507 (Figur 24, 25, 26 och 27), HP7480 (Figur 28, 29, 30 och 31) samt HP6448 (Figur 32, 33, 34 och 35)
HP9709 (Figur 16, 17, 18 och 19) och HP9684 (Figur 20, 21, 22 och 23) är två hjulaxlar med hög kilometerdata (se Tabell 2). Alla fyra hjul tillhörande dessa två axlar har skadetypen negativ fläns runt om hela hjulets omkrets. Detta är något som skiljer sig mot övriga hjul då denna typ av skada annars uppträder på antingen det högra eller vänstra hjulet, inte båda samtidigt. Det högra hjulet tillhörande axel HP8507 har ett litet område med negativ fläns klockan 10 (se Figur 27). Detta kännetecknar en punkteringsskada och är det enda hjulet i denna studie som har denna typ av skada.
HP9709 (Figur 16, 17, 18 och 19) är det enda hjulpar där det skett utvalsning runt om hela hjulets omkrets. På övriga hjul sker utvalsning antingen i en punkt eller i ett mindre område.
Hjulbredden är den enda parameter som inte överskrider larm- eller säkerhetsvärde på något av de uppmätta hjulen.
Enligt orbitplottarna i Figur 16–35 kan vi se att spridningen av nötningen sker till största del runt om hela hjulets omkrets. Skador i mindre områden av hjulet förekommer men är små.
Parameter HP9270 HP8628
Fh 28,6665714 28,2831429
Fw 29,14171 27,486
qR 9,782857 9,564286
RO 0,018571 0
W 134,9477 135,2809
HT 0 0
18 Figur 16. Plottar av hjulparametrar gällande HP9709. Skadetyper: utvalsning, negativ fläns, krossår. Kilometerdata: 409 522 km.
Figur 17. Plottar av hjulparametrar gällande HP9709. Skadetyper: utvalsning, negativ fläns, krossår. Kilometerdata: 409 522 km.
19 Figur 18. Plottar av hjulparametrar gällande HP9709. Skadetyper: utvalsning, negativ fläns.
Kilometerdata: 409 522 km.
Figur 19. Plottar av hjulparametrar gällande HP9709. Skadetyper: utvalsning, negativ fläns.
Kilometerdata: 409 522 km.
20 Figur 20. Plottar av hjulparametrar gällande HP9684. Skadetyper: hög fläns, felaktig
flänslutning. Kilometerdata: 409 522 km.
Figur 21. Plottar av hjulparametrar gällande HP9684. Skadetyper: hög fläns, felaktig flänslutning. Kilometerdata: 409 522 km.
21 Figur 22. Plottar av hjulparametrar gällande HP9684. Skadetyper: negativ fläns, hög fläns, felaktig flänslutning. Kilometerdata: 409 522 km.
Figur 23. Plottar av hjulparametrar gällande HP9684. Skadetyper: negativ fläns, hög fläns, felaktig flänslutning. Kilometerdata: 409 522 km.
22 Figur 24. Plottar av hjulparametrar gällande HP8507. Skadetyper: negativ fläns, felaktig flänslutning. Kilometerdata: 237 832 km.
Figur 25. Plottar av hjulparametrar gällande HP8507. Skadetyper: negativ fläns, felaktig flänslutning. Kilometerdata: 237 832 km.
23 Figur 26. Plottar av hjulparametrar gällande HP8507. Skadetyper: N/A. Kilometerdata: 237 832 km.
Figur 27. Plottar av hjulparametrar gällande HP8507. Skadetyper: N/A. Kilometerdata: 237 832 km.
24 Figur 28. Plottar av hjulparametrar gällande HP7480. Skadetyper: negativ fläns, hög fläns, utvalsning. Kilometerdata: 315 740 km.
Figur 29. Plottar av hjulparametrar gällande HP7480. Skadetyper: negativ fläns, hög fläns, utvalsning. Kilometerdata: 315 740 km.
25 Figur 30. Plottar av hjulparametrar gällande HP7480. Skadetyper: N/A. Kilometerdata: 315 740 km.
Figur 31. Plottar av hjulparametrar gällande HP7480. Skadetyper: N/A. Kilometerdata: 315 740 km.
26 Figur 32. Plottar av hjulparametrar gällande HP6448. Skadetyper: negativ fläns, hög fläns.
Kilometerdata: 317 125 km.
Figur 33. Plottar av hjulparametrar gällande HP6448. Skadetyper: negativ fläns, hög fläns.
Kilometerdata: 317 125 km.
27 Figur 34. Plottar av hjulparametrar gällande HP6448. Skadetyper: negativ fläns, hög fläns.
Kilometerdata: 317 125 km.
Figur 35. Plottar av hjulparametrar gällande HP6448. Skadetyper: negativ fläns, hög fläns.
Kilometerdata: 317 125 km.
28
4.3 Analys
Genom att summera alla hjul och ta fram medelvärdet, standardavvikelsen samt fördelningen av mätvärdena för varje parameter visualiserades vilken av dessa parametrar som är mest utsatt för nötning och hur parametrarna förändras samt dess spridning. I Figur 36, 37, 38, 39, 40 och 41 visas en jämförelse där parametrarna för nya och gamla hjul har summerats och plottats tillsammans med tillhörande fördelningskurva.
Enligt figur 36, 38, 39 och 40 kan man se att flänshöjd, negativ fläns, flänsvinkel och utvalsning är parametrar vars mått ökar från det nysvarvade måttet. Enligt figur 37 kan flänsbredden både minska och öka.
Enligt Tabell 6 uppstår största nötningen i och runt hjulflänsen där flänsbredden och
flänshöjden är de två parametrar som har störst avvikelse. Även negativ fläns och förändrad flänsvinkel är en vanligt förekommande typ av skada i de använda hjulen.
Tabell 6. Tabell innehållande information gällande medelvärde och standardavvikelse för samtliga parametrar i de gamla hjulen. Angivna mått har storheten millimeter.
Figur 36. Plot som visar förändringen av flänshöjden för nya resp. gamla hjul. Flänshöjden ökar från det nysvarvade måttet.
Parameter Medelvärde Standardavvikelse
Fh 34,25789011 1,069275584
Fw 27,41703 1,471982512
qR 11,23105 0,753052533
RO 0,031824 0,063043434
W 135,0741 0,162338776
HT 0,704615 0,623117486
29 Figur 37. Plot som visar förändringen av flänsbredden för nya resp. gamla hjul.
Flänsbredden både ökar och minskar från det nysvarvade måttet.
Figur 38. Plot som visar förändringen av negativ fläns för nya resp. gamla hjul. Negativ fläns förekommer endast i de gamla hjulen.
30 Figur 39. Plot som visar förändringen av flänsvinkeln för nya resp. gamla hjul. Flänsvinkeln ökar från det nysvarvade måttet.
Figur 40. Plot som visar förändringen av utvalsningen för nya resp. gamla hjul. Utvalsning förekommer endast i de gamla hjulen.
31 Figur 41. Plot som visar förändringen av hjulbredden för nya resp. gamla hjul.
32
5 DISKUSSION
Resultatet visar att samtliga hjul som varit i drift har någon form av nötning och att den största nötningen sker i och runt hjulflänsen. Nötning i detta område innebär en brantare flänsvinkel och en högre hjulfläns. Enligt Tabell 6 kan vi se att de två parametrar där det sker minst förändring är hjulbredden och utvalsning. Anledningen till detta kan vara att hjulen svarvas enligt en europastandard där hjulets yttersida fasas. Detta ingrepp har genom tidigare tester visat sig vara en effektiv metod för att undvika att utvalsning påverkar den totala hjulbredden.
Det funna sambandet mellan negativ fläns och minskad flänsbredd kan bero på att skadetypen negativ fläns förändrar löpytans koniska utformning vilket leder till att den lateralt riktade kraften som hjulen skapar för att självcentrera minskar på ett av hjulen. Detta gör att
jämviktsläget för vagnen förflyttas och avståndet mellan hjulfläns och rälens farkant minskar för ett av hjulen, något som ökar risken för kontakt mellan hjulfläns och räl.
En intressant notering är att det kan vara stora variationer i nötningen mellan höger och vänster hjul tillhörande samma axel, exempelvis HP7480 och HP8507 i Tabell 2. Det vill säga att nötningen i hjul med identiska kilometerdata kan variera kraftigt. I Matthias Asplunds avhandling nämner han ett samband mellan initiering av skada/nötning och accelererad nötning. Detta samband förekommer även i denna studie.
HP9684 och HP9709 är två axlar som har suttit i samma hjulboggi. I Tabell 2 kan vi se att dessa två axlar har tagits in för underhåll för olika skadetyper. Detta är alltså hjul med identiska kilometerdata och suttit på samma boggi men där det skiljer sig i vilken typ av skador som uppstått. Om skillnaden mellan skadorna beror på hjulens placering i hjulboggin är något som hade varit intressant att undersöka. I dagsläget dokumenterar inte LKAB vart i boggin hjulen varit placerade men det kan vara något de bör börja med för att lägga grund för framtida studier.
Det vänstra hjulet tillhörande HP7480 har betydligt fler mätpunkter än övriga uppmätta hjul.
Detta hjul mättes med 140 stycken mätpunkter medan övriga hjul mättes med 35 stycken mätpunkter. Fler mätpunkter resulterar i snyggare plottar och ett mer exakt resultat. Att göra dessa mätningar är tidskrävande och för att få en bra bredd på arbetet valde vi att utföra färre mätningar per hjul och istället mäta ett fler antal hjul. 35 mätpunkter är tillräckligt för att upptäcka den typ av skador och nötning som förekommer i tåghjul men vid fortsatt arbete inom detta område rekommenderas att använda något fler mätpunkter per hjul, detta för att minska effekten av eventuella mätfel.
Figur 15 och Tabell 5 visar skillnader mellan parametrarna på nya hjul svarvade hos två olika underhållsentreprenörer. Då tiden för hjulmätningarna var begränsad mättes endast ett hjul från vardera underhållsleverantör och därför går det inte att dra några direkta slutsatser kring detta men att göra fler mätningar för att avgöra om detta var en slump eller inte kan ligga i abonnentens intresse.
33 I orbitplotten för parametern utvalsning i Figur 12 kan man se att det förekommer små
områden med utvalsningar. Detta är ett misstänkt mätfel dels för att detta hjul är helt
nysvarvat och att hjulet hade en väldigt blank yta som skulle mätas. Detta medför en risk att mätsystemets laserstråle reflekteras felaktigt med felaktiga mätvärden som påföljd.
De nysvarvade hjulen var i jämförelse med gamla hjul svåra att utföra godkända mätningar på och anledningen till detta misstänks bero på att de nysvarvade hjulens blanka yta gör att mätsystemets laserstråle reflekteras felaktigt. Vid framtida mätningar av nysvarvade hjul med denna typ av mätinstrument rekommenderas någon typ av lättlöslig matt färg som appliceras på hjulet innan mätning, detta för att minska risken för mätfel.
5.1 Slutsatser
Denna studie visar att hjulprofilens parametrar förändras vid drift vilket leder till en förändring av den kontakt som sker mellan hjul och räl.
Förändringen av hjulprofilens parametrar så som flänshöjd, flänsbredd och flänsvinkel sker runt om hela hjulets omkrets. Utvalsning och negativ fläns sker vanligtvis runt om hjulets omkrets med det förekommer några få fall där dessa typer av skador förekommer i små områden, så kallade punktskador. För beslut om underhåll gällande tåghjul där
hjulprofilmätningarna skett genom automatiserade hjulprofilmätningsmetoder med enstaka mätningar av hjulets profil bör den standardavvikelse gällande gamla hjul som presenteras i Tabell 6 tas i beräkning. För en säker detektering av nötning och skador som kan uppstå i små områden, till exempel negativ fläns, utvalsning, krosskador och punkteringsskador krävs mätmetoder där man mäter hela hjulets omkrets.
Genom att jämföra mätdata ur Tabell 5 och 6 kan vi se att mätdata för parametrarna i de gamla hjulen har en större spridning än de mätdata från testerna gällande mätsystemets repeterbarhet och reproducerbarhet. Detta bekräftar att det förekommer en förändring av hjulprofilerna runt om hela hjulets omkrets.
I Tabell 3 och 4 kan man se att det förekommer en viss spridning i mätdatat vid testerna gällande mätsystemets repeterbarhet men denna anses vara så pass liten att denna inte har någon påverkar vid bedömning av tåghjulens skick. Det förekommer även en viss spridning mellan de två olika mätoperatörerna men denna anses vara för liten för att säga att
mätsystemet är operatörsberoende för denna typ av hjulprofilmätningar då skillnaderna mellan måtten för ett nysvarvat hjul, hjulets underhållsgräns och hjulets säkerhetsgräns enligt Tabell 1 är så pass mycket större än de skillnader som förekommer mellan operatörernas mätvärden. Efter tester gällande mätsystemets repeterbarhet och reproducerbarhet anses mätsystemet vara dugligt för denna typ av hjulprofilmätning, detta baserat på data ur Tabell 3 och 4 i jämförelse med data ur Tabell 1.
34
5.2 Framtida studier
I resultatdelen av detta arbete är det tydligt att en stor del av nötningen sker i och runt
hjulflänsen. Denna typ av nötning är vanligt förekommande efter kurviga järnvägssträckor där hjulen vandrar på rälsen. En framtida studie med syfte att maximera hjulets livslängd är att begränsa utvalda vagnar efter en utvald sträcka. Exempelvis att vissa vagnar endast går
sträckan Kiruna-Narvik och att andra vagnar går sträckan Kiruna-Luleå. Efter att hjulen varit i drift mäts och jämförs hjulen tillhörande dessa vagnar. Syftet är att studera hur sträckans utformning påverkar nötningen av hjulen. Ny kunskap kring hur sträckan påverkar hjulens nötning kan leda till en förändring av hur vagnens körsträcka planeras. Detta för att uppnå en jämn nötning av hela hjulets profil, något som leder till en ökad livslängd av hjulet och då även minskade underhållskostnader.
35
6 REFERENSER
[1] Asplund, Matthias (2014). Wayside condition monitoring technologies for railway systems. Licentiatavhandling (sammanfattning) Luleå : Luleå tekniska universitet, 2014.
[2] Lewis, R. & Olofsson, U. (red.) (2009). Wheel-rail interface handbook [Elektronisk resurs]. Boca Raton, FL: CRC Press.
[3] Trafikverket (2015). Malmbanan 1915–2015. [Elektronisk] Tillgänglig:
https://www.trafikverket.se/contentassets/69a7d3e0596a492f8ec29b890a9bc914/folder_malm banan.pdf [2018-01-22]
[4] J S Mundrey (2009). "Railway Track Engineering, Fourth Edition" [Elektronisk resurs].
[5] A.I.A.G. – Chrysler Corp., Ford Motor Co., General Motors Corp. (2010). Measurement System Analysis, Reference Manual, Fourth Edition. Auflage, Michigan, USA.
[6] NextSense (2017). Calipri. https://www.nextsense- worldwide.com/en/industries/railway.html [2017-05-22]
[7] NextSense (2017). Measurement module “Wheel profile” data sheet. [Elektronisk]
Tillgänglig: https://www.nextsense-worldwide.com/en/industries/railway/wheel-profile- measuring-tool.html [2017-05-22]
Mätdata för hjulprofiler insamlat mellan 2017-04-12 – 2017-04-20 i LKAB Kiruna av Christian Gustafsson.
Mätdata för mätning av repeterbarhet och reproducerbarhet insamlat den 2017-04-12 LKAB Kiruna av Christian Gustafsson (operatör 1) och Matthias Asplund (operatör 2).
