Caracteristicile Sistemului Feroviar Roata Sina [PDF]

Zitiervorschau

Infrastructura si suprastructura feroviara Infrastructura este compusă din terasamentul căii creat fie prin umplutură de pământ (rambleu), fie prin săparea şi evacuarea pământului (debleu). În secţiune transversalǎ se disting corpul terasamentului cu faţa superioară înclinată spre exterior, pentru evacuarea apelor şi stratul de repartiţie aşezat deasupra corpului terasamentului. Faţa superioară a stratului de repartiţie, întotdeauna orizontală, se numeşte platforma căii. Stratul de repartiţie şi primii 50 cm din corpul terasamentului constituie zona platformei căii. Suprastructura căii, aşezată deasupra platformei căii, cuprinde prisma căii în care este înglobat cadrul şine - traverse

Vehiculul generează în cale eforturi longitudinale, verticale şi transversale. Eforturile longitudinale, care se produc în general datorită acceleraţiilor şi frânărilor, sunt mai puţin importante în comparaţie cu cele produse de solicitările dinamice verticale şi transversale.

Nivel roată-şină şină-placă de prindere placă de prindere-traversă traversă-balast balast-substructură

Aria de repartizare a solicitării A = 1 cm2 A = 200 cm2 A = 750 cm2 A = 1500 cm2 A = 10000 cm2

Tensiunea medie de lucru σ = 1000000N/cm2 σ = 250N/cm2 σ = 70N/cm2 σ = 30N/cm2 σ = 5N/cm2

Repartizarea suprafeţelor şi a eforturile exercitate asupra căii.

Ecartamentul O dimensiune fundamentală, care din punct de vedere tehnic asigură ghidarea vehiculului în cale, este ecartamentul căii. Geometric, ecartamentul reprezintă distanţa E dintre flancurile interioare ale şinelor măsurate între două puncte situate la o cotă h sub nivelul căii, adică sub planul tangent la suprafeţele de rulare ale celor două şine Ecartamentul normal al căii este E = 1435 mm.

Definiţia geometricǎ a ecartamentului cǎii.

LARG Brunel Indian Iberian Irlandez Rus

2140 7′ 0¼″ 1676 5′ 6″ 1668 5′ 5⅔″ 1600 5′ 3″ 1520 4′ 11⅚″

STANDARD Stephenson

1435 4′ 8½″ 1435 4′ 8½″

INGUST/Mediu Scotch Cape Metre

1372 4′ 6″ 1067 3′ 6″ 1000 3′ 3⅜″

INGUST Three foot Bosnian

914 3′ 760 2′ 5⅞″

INGUST /Minim Fifteen inch

381 1′ 3″

La CFR, ecartamentul nominal în curbe cu raze mai mici sau egale cu 350 m se stabileşte în funcţie de mărimea razei R prin sporirea valorii de 1435 mm, respectiv a valorii de 1433 mm, la construcţii şi refacţii de linii cu material nou, cu o valoare a supralărgirii S care este: S = 25 mm, S = 20 mm, S = 10 mm,

pentru R = (100...150) m; pentru R = (151...250) m; pentru R = (251...350) m.

Toleranţele la ecartament sunt: - +−14 mm faţă de (1433 + S) mm la construcţii şi refacţii de linii cu material nou;

( ) - ( ) mm faţă de (1435 + S) mm la construcţii şi refacţii de linii cu material semibun, precum şi +5 −3

la reparaţii radicale şi la reparaţii periodice. La liniile în exploatare, toleranţele la ecartament, faţă de (1435 + S) mm, reglementate în funcţie de viteza V de circulaţie, sunt: - pentru V > 120 km/h, +−53 mm;

( ) - pentru V ≤ 120 km/h, ( ) mm. +10 −3

Sine de cale ferata

Şinele de cale ferată trebuie să ofere roţilor în mers o suprafaţă de rulare cât se poate de netedă şi neîntreruptă, să asigure ghidarea laterală necesară şi o bună calitate de rulare vehiculelor.

Uzarea şinelor este o consecinţă a interacţiunii vehicul - cale, depinzând în principal de forma profilelor de rulare, de mărimea vitezelor de alunecare şi a forţelor tangenţiale în punctele de contact roată - şină. Uzura verticală uv se defineşte ca distanta măsurată pe axa de simetrie a şinei între suprafaţa şinei noi şi a celei uzate (fig. 1.3), iar uzura laterală ul ca distanţa dintre faţa interioară a şinei noi şi a celei uzate, măsurată la 14 mm de vârful ciupercii şinei.

Uzurile verticală şi laterală ale şinei

Ciuperca şinei şi punctele limitǎ ale profilului

Uzurile verticale şi laterale maxim admise sunt reglementate funcţie de tipul şinei, categoria liniei şi viteza maximă de circulaţie [55]. De asemenea înălţimea uzurii laterale H nu trebuie să depăşească limita Hlim care corespunde punctului de început al racordării flancului lateral cu umărul ciupercii, evitându-se astfel contactul buzei roţii cu plăcuţa de asamblare (eclisă) de la joantă.

Osii pentru vehiculele feroviare

Principalul element care asigurǎ ghidarea vehiculelor pe cele douǎ şine ale cǎii este osia montatǎ, care se compune dintr-o pereche de roţi confecţionate din oţel laminat sau forjat, uneori din oţel turnat (ca la roţile cu spiţe ale locomotivelor), calate prin presare la rece pe o osie prelucratǎ prin strunjire din oţel forjat . Dacǎ vehiculul este echipat cu frânǎ – disc, pe corpul osiei se caleazǎ discul de frânǎ iar vehiculele motoare se caleazǎ roata dinţatǎ de antrenare a osiei.

Osia montată, compusă din cele două roţi calate pe osie, formează de fapt un corp de revoluţie. Axa principală de revoluţie a acestui corp este tocmai axa geometrică a osiei. Ca la orice corp de revoluţie, toate planele care trec prin axa de revoluţie a osiei se numesc „plane meridiane”, iar cele perpendiculare pe această axă poartă numele de „plane paralele”. O importanţă deosebită pentru îndeplinirea acestor cerinţe o are suprafaţa de rulare şi înclinarea flancului exterior activ al buzei (unghiul de flanc), adică unghiul γa pe care această suprafaţǎ îl face cu axa de revoluţie a osiei.

Cotele profilului de rulare

Convenţional s-a stabilit ca diametrul d al roţii să se măsoare într-un plan paralel situat la o anumită distanţă fixă de la faţa interioară a profilului. Intersecţia acestui plan cu suprafaţa de rulare este un cerc denumit cerc nominal de rulare, spre deosebire de cercurile efective de rulare, care pot veni în contact cu şina în timpul rulării. Din acest motiv, atunci când vorbim de diametrul roţii ne referim, de fapt, la diametrul nominal al acesteia. Pentru ecartamentul nominal de 1435 mm al căilor normale, reglementările internaţionale prevăd ca distanţa fixă de la faţa interioară a profilului, la care se măsoară diametrul nominal, să fie de 70 mm.

La buza profilului se definesc următoarele dimensiuni importante

- grosimea buzei Sd, care se măsoară într-un plan meridian, între flancul exterior şi cel interior al buzei, la cota de 10 mm sub cercul nominal de rulare; - înălţimea buzei Sh, care este distanţa radială de la cercul nominal de rulare până la creştetul buzei. Unghiul flancului exterior activ al buzei are o mare influenţă asupra siguranţei contra deraierii. Prin uzare, unghiul se măreşte (fig. 1.13) şi, din punct de vedere al urcării buzei pe flancul şinei, devine favorabil siguranţei. Dacă însă o astfel de roată atinge o discontinuitate a flancului şinei (bavuri la limbile macazurilor, la inimi sau chiar pe flancul interior al şinei), deraierea poate fi uşor produsă prin urcarea buzei pe aceste discontinuităţi având în vedere că în acest caz unghiul de flanc la vârful buzei este extrem de mic.

Forme de uzare ale buzei.

Ca măsură preventivă, comitetul ORE C70 a definit cota qR şi apoi, prin reglementările RIV şi RIC, s-a introdus obligativitatea măsurării acestei cote. Cota qR este definită ca distanţa transversală între punctul A10, situat la 10 mm în exteriorul cercului nominal de rulare, şi punctul Aq0 , situat la 2 mm în interior de la creştetul buzei Valoarea acestei cote a fost stabilită la qR ≥ 6,5 mm, sub rezerva neapariţiei de bavuri sau rizuri pe buză la o înălţime mai mare de 2 mm de creştetul buzei care să favorizeze căţărarea buzei pe flancul şinei. Fac excepţie de la cota qR roţile de la osiile intermediare ale vehiculelor, care au doar rol de portanţă, la care buza se subţiază prin strunjire pentru a se evita înţepenirea în curbe a vehiculului. La osiile montate sunt reglementate, de asemenea, urmǎtoarele

- Distanţa c între feţele interioare ale buzelor (cota de calare sau ecartamentul feţelor interioare), care, dacă ţinem seama că între planele cercurilor nominale de rulare corespunzătoare celor două roţi ale osiei montate există distanţa de 1500 mm (la căile normale), iar distanţa dintre planul cercului nominal şi faţa interioară a buzei este de 70 mm, este de 1500 − 2 ⋅ 70 = 1360 mm, la care se admit toleranţele corespunzătoare. În exploatare, măsurarea acestei cote se face la nivelul căii în trei puncte situate la 120° prin deplasarea vehiculului (gol sau încǎrcat) în aceste puncte, aceasta pentru a se ţine seama de încovoierea elastică a osiei sub sarcină. - Ecartamentul osiei E0 , care reprezintă distanţa între feţele exterioare ale buzelor, măsurat la 10 mm în exteriorul cercului nominal de rulare (distanţa dintre punctele A10 ale celor două roţi).

Dimensiuni importante la osiile montate.

Limitele admisibile în exploatare ale diferitelor dimensiuni ale buzei sunt prevăzute în reglementările internaţionale RIV si RIC (tabelul 1.2).

Diferenţa dintre ecartamentul căii şi cel al osiei determină de fapt jocul σ dintre buze şi şine, denumit şi lărgimea canalului de ghidare, σ = E – E0 , care are o valoare minimă necesară pentru evitarea „înţepenirii” vehiculelor cu trei sau mai multe osii din cauza unor imperfecţiuni de aliniere a şinelor şi roţilor, precum şi o valoare maximă care rezultă din motive de siguranţă contra ”căderii” roţilor în interiorul celor două fire ale căii. Astfel, pentru Emin = 1432 mm şi E0 max = 1426 mm se obţine: σ min = 1432 − 1426 = 6 mm ; pentru Emax = 1470 mm şi E0 min = 1410 mm rezultă: σ max = 1470 − 1410 = 60 mm .

Profile pentru suprefetele de rulare ale rotilor

După forma suprafeţei de rulare, întâlnim profiluri de rulare conice şi profiluri de uzură. Iniţial, scopul profilurilor de rulare conice a fost ca să se evite alunecările longitudinale care se produc între roţi şi şine la circulaţia în curbe şi să se realizeze un centraj al osiei pentru ca aceasta să nu circule tot timpul în contact cu buza. Dar, prin faptul că există o mare diversitate de vehicule cu diferite regimuri de circulaţie în curbe cu raze diferite, evitarea alunecărilor longitudinale nu este posibilă, iar condiţia de realizare a centrajului nu este îndeplinită la profilurile conice. Suprafaţa de rulare conică are înclinarea constantă 1:20, iar partea exterioară a suprafeţei de rulare definită la 100 mm de faţa interioară a profilului are conicitatea 1:10. Buza de ghidare are înălţimea de 27 mm, flancul exterior activ al acesteia se racordează la suprafaţa de rulare cu torul de gât care are raza de 15 mm, iar cu flancul interior se racordează prin torul de vârf cu raza de 13 mm. Cotele variabile (b - lăţimea bandajului şi d - diametrul nominal al roţii) sunt prescrise pentru diferite tipuri de vehicule. Flancul exterior al buzei are un unghi de înclinare de ≈ 60° şi o lungime a porţiunii drepte l = 14,37 mm, iar buza are o grosime de 32,27 mm. La acest profil, în stare neuzată, qR = 10,34 mm.

Profilul normal UIC (CFR).

S-a mai constatat că, prin uzare, suprafaţa de rulare conică devine concavă, ajungând la o formă de uzură stabilizată şi astfel a apărut interesul realizării profilelor de uzură care să nu-şi modifice substanţial forma, să menajeze pe cât este posibil flancul activ al buzei şi flancurile interioare ale şinelor. Concomitent cu profilul buzei, în cadrul ORE, s-a stabilit şi geometria suprafeţei de rulare, care prezintă o variaţie continuă a razei de curbură în porţiunile B şi C, şi s-a elaborat un profil unificat adaptat la uzare (concluziile studiului au fost prezentate în raportul ORE S 1002/RP 2). Profilurile studiate şi adoptate de diferite reţele de cale ferată fiind foarte apropiate, UIC, în fişa 510-2, a recomandat folosirea acestui profil. Profilul unificat de uzură, denumit profilul UIC - ORE, este valabil la orice diametru de roată (în plaja 1000...330 mm pentru vehicule remorcate, cu cele două înălţimi ale buzei menţionate anterior, de 28 mm şi, respectiv, 32 mm) şi pentru orice tip de construcţie a vehiculului cu sau fără osii orientabile.

Profilul UIC-ORE pentru roţi cu diametrul cuprins între 1000 mm şi 330 mm.

Multe ţări au adaptat profiluri de uzură existente, în măsura în care s-au potrivit condiţiilor proprii. Altele au elaborat profiluri proprii. În ţara noastră este utilizat profilul S-78 (STAS 112/3-90) pentru roţi de vagoane, prevăzut cu buza UIC obligatorie (v. fig. 1.19 şi tabelul 1.5) [54]. Suprafaţa de rulare are o formă de uzură stabilizată, adaptată la ecartamentele căii de pe reţeaua CFR. Porţiunea obligatorie a buzei E1 – C1 (v. fig. 1.17) la profilul S -78 este aproximată prin trei arce de cerc, cu razele de curbură de 13, 25 şi 80 mm.

Profilul S-78 pentru roţi de vagoane cu diametrul cuprins între 1000 mm şi 760 mm (vmax = 160 km\h), adaptat la condiţiile din fişa UIC 510.

Caracteristicele profilelor conice Profilul roţii cu pantă constantă tg γ 0 determină pe şina de formă cilindrică un punct de contact cu aceeaşi pantă, indiferent de mărimea ecartamentului căii sau de înclinarea spre interior a şinelor. Dacă şinele sunt înclinate spre interior cu un unghi (faţă de verticală) egal cu unghiul profilului roţii (înclinare tot cu tgγ 0 ), atunci punctul de contact de pe şină apare pe axa de simetrie a acesteia, oricare ar fi ecartamentul căii.

Geometria contactului în cazul profilelor de rulare conice.

Din contră, poziţia punctului de contact de pe roată este influenţat de ecartamentul căii, în sensul că la ecartamente mici punctul de contact se apropie de buză, iar la ecartamente mari se deplasează spre exterior. Lăţimea şinei, respectiv înclinarea spre interior, influenţează în acelaşi sens poziţia punctelor de contact de pe roţi. Astfel, pentru un ecartament dat de şine de o anumită înclinare, pot fi stabilite razele r0 ale cercurilor efective de rulare şi distanţele e0 de la centrul de masă al osiei până la planele cercurilor efective de rulare, în poziţia mediană a osiei. La decalajul transversal yc al osiei, panta profilurilor roţilor fiind constantă, punctele de contact de pe şine rămân neschimbate, iar cele de pe roţi se deplasează numai local, pe o distanţă egală cu decalajul şi în sens contrar acestuia. Distanţele de la centrul de masă al osiei până la planele cercurilor efective de rulare devin ee = e0 − yc ; (2.1) ei = e0 + yc , iar razele cercurilor efective de rulare re = r0 + tg γ 0 ⋅ yc ; (2.2) ri = r0 − tg γ 0 ⋅ yc , determinând pe cele două roţi o diferenţă de raze re − ri = 2 tgγ 0 ⋅ yc , care variază liniar cu decalajul yc, raportul re − ri = tgγ 0 (2.3) 2 yc fiind constant şi egal cu panta profilului.

Unghiul de contact γ 0 de pe cele două roţi fiind egal şi de sens contrar, componentele transversale ale forţelor gravitaţionale se anulează, după cum se observa (Y forţele transversale, iar unde Q0 reprezintă sarcina pe roată), şi astfel nu apare nici o rezultantă care să centreze osia montată către poziţia mediană. Ye = Yi = Q0 ⋅ tgγ 0 , În consecinţă, la profilurile cu pantă constantă, procesul de ghidare rămâne în întregime pe seama buzei; este suficient ca în timpul rulării să apară o forţă transversală oricât de mică pentru ca osia să fie bracată, adică să se consume în întregime jocul dintre buză şi flancul şinei, decalajul transversal luând valoarea maximă yc max = σ / 2 . Buza va suporta deci forţele de ghidare nefiind menajată de profilul conic de rulare. Menţionăm că în condiţiile de mai înainte nu s-a ţinut seama de faptul că diferenţa de raze ale cercurilor efective produce o uşoară înclinare a osiei, având ca efect o deplasare a punctelor de contact ceva mai mare decât decalajul yc şi o mică inegalitate a unghiurilor de contact, care însă se poate neglija în calculele inginereşti. Osiile prevăzute cu suprafeţe de rulare conice nu satisfac cerinţele contrare pentru mersul în aliniament şi în curbe: pentru limitarea mişcării de şerpuire este nevoie de o conicitate mai redusă, în timp ce pentru evitarea alunecărilor longitudinale dintre roţi şi şine în curbe sunt necesare conicităţi mari. Calculul razei minime la care nu se produc alunecări longitudinale arată că, pentru conicitatea tg γ 0 =1/20 şi valorile curente pentru lărgimea canalului de ghidare σ, roţile prevăzute cu suprafeţe de rulare conice sunt incapabile de a parcurge majoritatea curbelor de pe reţea fără alunecări longitudinale. Datorită alunecărilor longitudinale, în funcţie de frecvenţa şi sensul curbelor, suprafaţa de rulare, de regulă, se uzează în sensul creşterii conicităţii, ceea ce determină implicaţii nefavorabile la mersul în aliniament. Alunecările longitudinale, pe lângă uzură, generează căldură şi zgomot, şi necesită un consum suplimentar de energie. O caracteristică nefavorabilă a suprafeţelor de rulare conice constă în aceea că, la bracajul osiei în cale, se produce de regulă bicontactul cu şina, adică în afară de contactul de pe suprafaţa de rulare apare şi un punct de contact pe buză. Aceste puncte de contact sunt decalate între ele vertical, dar şi longitudinal, atunci când osia se află în poziţie de atac. Alunecările suplimentare, determinate de aceste decalaje, produc în timpul rulării o uzare pronunţată prin abraziune cu dislocări importante de material de pe flancul de ghidare al buzei şi flancul interior al şinei, fiind amplificată şi de alunecările longitudinale de pe suprafaţa de rulare. Alunecările nu constituie însă unica sursă de producere a uzurii. Evoluţia uzurii este influenţată de solicitările din zona de contact roată - şină. Se ştie că, sub acţiunea forţelor normale, din cauza deformării materialelor constitutive ale roţii şi şinei, contactul se face pe o zonă de formă eliptică, punctele de contact fiind centrele acestor elipse. Fără a intra prea mult în detalii, menţionăm că coeficienţii de frecare, respectiv de aderenţă, sunt dependenţi de dimensiunile şi orientarea elipsei de-a lungul sau transversal pe şină. Astfel, la orientarea elipsei de-a lungul şinei aderenţa este mai redusă, în schimb cresc forţele de frecare transversale care amplifică forţa de ghidare în curbe şi mişcarea de şerpuire a vehiculului. Uzurile sunt cu atât mai pronunţate, cu cât dimensiunile elipsei sunt mai mici şi forţele normale (sarcina pe roată), respectiv cele de ghidare, sunt mai mari. Dar, dimensiunile elipsei de contact sunt influenţate de razele de curbură ale roţii şi şinei în plan longitudinal şi transversal şi de caracteristicile elastice ale oţelurilor utilizate pentru cele două corpuri. În plan longitudinal, raza şinei fiind infinită, axa elipsei va fi cu atât mai lungă, cu cât raza roţii este mai mare; în plan transversal, la suprafeţele de rulare conice raza profilului fiind infinită, axa elipsei se micşorează cu cât raza profilului şinei este mai mică şi, în consecinţă, eforturile de contact cresc şi se micşorează aderenţa.

Originea profilurilor de uzură Urmărind evoluţia uzurii pe suprafeţele de rulare conice, se constată că datorită deplasării locale a punctului de contact, uzarea determină la început modificarea profilului, pe aceeaşi zonă, într-o formă concavă cu pante diferite, care la rândul lor determină o deplasare a punctelor de contact pe şină şi deci o lărgire treptată a zonei punctelor de contact de pe roată şi şină. După o prestaţie de 20000-30000 km profilul ajunge la o formă de uzură stabilizată, care nu se mai modifică în timp, fiind determinată de forma şi înclinarea şinelor şi de distribuţia medie a ecartamentului căii de pe reţea. Totodată, bicontactul dispare, iar monocontactul care se instaurează opreşte procesul de uzare a buzei. Această constatare a sugerat ideea de a se realiza de la început un profil de uzură cu o formă stabilă, care să funcţioneze în monocontact pe toate tipurile de şină utilizate pe reţea, să menajeze flancul activ al buzei şi flancurile interioare ale şinelor. La un asemenea profil, deoarece uzarea se manifestă printr-o translaţie paralelă cu axa osiei, fără modificarea sensibilă a grosimii buzei, rectificările care se execută numai cu ocazia reviziilor planificate se rezumă, în general, la porţiunea de vârf a buzei şi într-o mică măsură la zona exterioară a suprafeţei de rulare, fără intervenţii pe partea ecruisată de pe suprafaţa de rulare şi racordarea buzei. Deoarece forma stabilă a profilului de pe suprafaţa de rulare este condiţionată, în principal, de forma şi înclinarea şinelor şi cum aceşti parametri diferă de la o ţară la alta, fiecare administraţie şi-a realizat sau a adoptat un profil de uzură care să satisfacă condiţiile concrete de funcţionare pe reţeaua proprie de cale ferată. Necesitatea introducerii profilelor de uzură la CFR a fost impusă ca urmare a efectelor nefavorabile, cu grave implicaţii tehnico-economice, rezultate în exploatarea profilelor conice. Uzarea rapidă a buzei şi uzarea neuniformă a suprafeţei de rulare conice determină parcursuri reduse între două reprofilări succesive, prestaţii importante de manoperă şi imobilizări frecvente ale vehiculelor, iar refacerea grosimii buzei comportă îndepărtarea unor cantităţi importante de metal din corpul bandajului. La şine s-au observat uzuri pronuţate în curbe, pe flancul interior de ghidare al firului exterior. Este de remarcat faptul că în trecut la CFR, când şinele cele mai grele (ex. şina tip 49 veche) aveau lăţimea sub 70 mm şi erau prevăzute pe suprafaţa de rulare cu o rază unică de 400 mm racordată pe flancuri cu raze de 14 mm, uzurile pe acest profil al roţilor erau încă acceptabile. Pe măsura introducerii şinelor grele standard UIC tip 49, 54, 60, începând din anii 1965 - 1970, cu lăţimea de 70 mm şi cu suprafaţa de rulare realizată cu razele de 300 - 80 - 13 mm (mai ascuţite la vârf), uzările s-au manifestat din ce în ce mai pronunţat. Pe sectoare de linii unde au fost operate refacţii cu şina R 65 având lăţimea de 73 mm şi pe suprafaţa de rulare aceleaşi raze, uzurile au devenit de-a dreptul aberante. Toate aceste observaţii au dus la crearea profilului S-78, standardizat pentru parcul de vagoane de călători şi marfă.

Caracteristicile profilurilor de uzură Suprafaţa de rulare şi racordarea buzei având o formă concavă, cu pantă variabilă, contactul cu şina se face cu totul diferit decât pe profilurile conice. Eliminarea bicontactului şi forma stabilă a profilului se realizează printr-o descreştere continuă a pantei începând de la porţiunea dreaptă a buzei către exterior până la un punct de inflexiune, după care pantele devin uşor crescătoare, în vederea evitării prin uzare sau fluaj a unor pante negative. În aceste condiţii, în poziţia mediană a osiei faţă de cale, punctele de contact de pe profilul şinei nu mai sunt fixe, devenind dependente de ecartament. Distanţa maximă e0 este determinată de panta punctului de inflexiune de pe profilul roţii, care, de regulă fiind mai mică (apropiată de zero), face ca punctul de contact extrem să apară aproximativ pe creştetul şinei. Pentru ecartamente mai mari sau mai mici punctul de contact de pe şină se deplasează spre interior. La decalajul transversal yc al osiei din poziţia sa mediană, punctele de contact pe şina atacantă coboară, iar pe şina opusă urcă şi astfel, în mişcarea osiei, şina va fi solicitată pe o zonă largă, între punctul de contact extrem din poziţia mediană şi flancul interior, ceea ce este un avantaj pentru uzarea şinelor.

În poziţia decalată, unghirile de contact γ e şi γ i de pe cele două roţi fiind diferite, componentele orizontale ale forţelor gravitaţionale determină o forţă de centraj C a osiei către poziţia mediană definită de relaţia C = Q0 ⋅ ( tg γ e − tg γ i ) = f ( yc ) . (2.4) Această forţă, fiind în funcţie de decalajul yc , face ca suprafaţa de rulare şi racordarea buzei să participe la procesul de ghidare a osiei, micşorează amplitudinile mişcării de şerpuire a osiilor în aliniament şi acţiunea forţei de ghidare asupra buzei în curbe, amortizează mai bine şocurile de atac ale buzei produse de neregularităţile de curbură ale căii. Panta profilului fiind variabilă, diferenţa de raze re - ri ale cercurilor efective de rulare pe cele două roţi nu mai variază liniar cu decalajul yc, ca la profilurile conice. Din acest motiv, la profilurile de uzură s-a introdus noţiunea de conicitate efectivă (echivalentă) a osiei, definită prin raportul r −r tgγ = e i (2.5) 2 yc care la profilurile conice este constantă, adică tgγ = tgγ 0 La profilurile de uzură diferenţa de raze re - ri rezultă direct din forma profilului. Pentru amplitudini mici yc= ( ± 3... ± 5) mm se obţine o conicitate efectivă aproximativ constantă, puţin mai mare decât la profilurile conice, iar la decalaje mari, la apropierea de buză, se obţin conicităţi mari de 1:3...1:5, ceea ce demonstrează că profilurile de uzură satisfac cerinţele centrare pentru mersul în aliniament şi curbe. Din cauza conicităţii mai mari pe suprafaţa de rulare decât la profilurile conice, mişcarea de şerpuire a osiilor se va manifesta cu o frecvenţă mai ridicată, însă cu amplitudini mult mai reduse din cauza efectului de centraj şi fără atingerea buzei de flancul şinei. Forma concavă reduce eforturile din zonele de contact roată-şină, ca urmare micşorează fluajul (strivirea şi refularea) materialelor constitutive ale roţilor şi şinelor, favorizează ecruisarea suprafeţelor de rulare şi, prin orientarea elipselor de contact cu axa mare transversal pe şină, îmbunătăţeşte aderenţa la tracţiune şi frânare. Se menţionează că o caracteristică proprie profilelor care funcţionează în monocontact constă în aceea că, la bracajul osiei, suprafaţa de rulare se ridică de pe şină şi roata continuă să ruleze în deplină siguranţă, cu un rulment, cu torul de gât pe flancul şinei prin contact liniar. În aceste condiţii, ungerea buzei sau a flancului de şină care se practică în general la vehicule motoare pentru micşorarea uzurilor devine ineficientă, fiindcă reduce aderenţa în această zonă. Faţă de firele căii, osia montată poate avea o poziţie normală sau o poziţie oblică, numită poziţie de atac (fig. 2.11). În poziţia de atac, direcţia de rostogolire a roţii sau direcţia unui plan paralel al roţii formează cu direcţia şinei un unghi α numit unghi de atac. Chiar în aliniament osia are, de regulă, o poziţie de atac datorită inegalităţii diametrelor cercurilor efective de rulare ale roţilor, abaterilor de la geomeria osiilor în cadrul vehiculului, jocurilor din sistemele de ghidare ale osiilor.

Poziţii ale osiei în cale.

Unghiul de atac α este, în general, mic, fiind de cel mult 2o la vehiculele obişnuite şi de 3o la vehiculele cu osii orientabile pe liniile cu ecartament normal. Unghiul α se consideră pozitiv atunci când osia, faţă de poziţia normală, este rotită în sens trigonometric şi negativ - la rotirea osiei în sens opus. Dacă osia are o poziţie normală pe direcţia căii, punctele posibile de contact apar în planul meridian vertical al osiei. Când buza roţii atinge flancul interior al şinei, după cum s-a arătat la, contactul poate avea loc în două puncte sau, situaţie care se întâlneşte la profilurile de uzură, într-un singur punct. Poziţiile punctelor de contact dintre roată şi şină sunt bine determinate geometric. În cazul bicontactului dintre roată şi şină un punct de contact A1, numit punct de sprijin, este situat pe suprafaţa de rulare, iar celălalt punct de contact A, numit punct de ghidare, este situat de regulă pe flancul exterior al buzei.

Astfel, după cum se poate vedea în fig. 2.13, în poziţia de atac a osiei, punctul de contact A1 se poate considera situat în planul meridian vertical al osiei, iar punctul Aa de pe buză se află la cota t sub A1 şi decalat înaintea acestuia cu ba.

Decalarea punctului de contact de pe buzǎ la roata în poziţie de atac