titulnyMedzi najzložitejšie mechanické časti električiek typu T3 a T6 patria ich podvozky. Rám podvozku sa skladá z dvoch navzájom zoskrutkovaných asymetrických zvarencov tvaru T. Do nich sú namontované ostatné súčasti slúžiace na jeho pohon, brzdenie a natáčanie podvozku do strán.

Pohon je v každom podvozku tvorený dvojicou trakčných elektomotorov, prevodoviek a náprav. Trakčné elektromotory a prevodovky sú z konštrukčného dôvodu asymetricky umiestnené na hnacích nápravách (viď. obr. 1).Vlastné kolesá sú k nápravám uchytené obojstranne silentblokmi, ktoré ich pomocou prítlačných diskov držia na mieste. Na koncoch náprav sú ložiskové domce s ložiskami. Ložiskové domce so silentblokmi (viď. obr. 1 a 2) sú uchytené v ráme podvozka.

obr1
Obr. 1. Niektoré časti podvozka vozidla T3

 

Popis a rozbor problematiky
Medzi najviac namáhané mechanické súčiastky uvedeného typu električiek patria ložiská na nápravách týchto vozidiel (viď. obr. 2 a 3). Nesú celú váhu vozidla s cestujúcimi a zároveň sa musia vyrovnať so všetkými negatívami, ktoré vznikajú počas prevádzky vozidla.

obr2 obr3

Obr. 2. Hriadele nápravy električky T3 s prevodovkami, 

kolesami a ložiskovými domcami

 Obr. 3. Dvojité súdočkové ložisko


Vnútorný krúžok nápravového ložiska (viď. obr. 3) má kužeľovú dieru. Ložisko je na čap osadené tak, že väčší priemer kužeľovej diery smeruje k vonkajšiemu koncu čapu. Pri montáži sa medzi krúžok ložiska a čap nápravy narazí pozdĺžne rozrezané púzdro s protikužeľom, ktoré má (viď. obr. 4) na vonkajšej strane závit. Kužeľové púzdro medzi ložiskom a čapom hriadeľa sa montuje bez akéhokoľvek maziva - teda na sucho. Závit na púzdre slúži na naskrutkovanie prípravku pri demontáži ložiska. Púzdro je na svoje miesto zatlačené poistným krúžkom. Celé je to zaistené proti uvoľneniu trojuholníkovou plechovou poistkou s tromi skrutkami M12. Tieto súčiastky sú uchytené o koniec čapu (viď. obr. 5 ÷ 7).
Údržba ložiska spočíva len v doplňovaní maziva do ložiskových domcov. Mazivo tu slúži nielen na mazanie ložiska, ale zároveň aj ako prostriedok na odvádzanie tepla. Pri nedostatku maziva totiž nastáva postupná kumulácia tepla v ložisku, vplyvom čoho sa ono zahrieva a následne postupne zväčšuje svoje rozmery. V prípade, keď rozmery nadobudnú kritické hodnoty, dôjde k zadretiu ložiska (viď. obr. 8). Pri zadretí dochádza k prekĺznutiu vnútorného krúžku ložiska a kužeľového púzdra na čape nápravy. Počas preklzu sa poškodí presne opracovaný povrch (viď. obr. 9) spomínaného čapu o rozmere Ø100 x 100 mm a počas ďalšej prevádzky vozidla môže dôjsť aj k ohnutiu hriadeľa nápravy.

obr4 obr5
Obr. 4. Kužeľové púzdro. Obr. 5. Poistný krúžok s plech. poistkou a skrutkami
obr6 obr7
Obr. 6. Uchytenie ložiska na čape. Obr. 7. Zaistenie ložiska na čape.
obr8 obr9
Obr. 8. Zadreté ložisko. Obr. 9. Poškodený čap hriadele nápravy

 

Z prehliadky poškodených čapov bolo zrejmé, že poškodenia sú väčšinou plytké a len povrchové. Z tohto dôvodu bolo rozhodnuté, že v prípade, ak hriadeľ nápravy nie je deformovaný, obnoví sa geometrický povrch čapu hriadeľa nápravy pomocou tavného navárania. Počas prvých pokusov o naváranie sa čap naváral ručne bežnými elektródami. Vzhľadom k nerovnomernému rozloženiu tepla v navarenej oblasti a nebezpečenstvo zavarenia trosky z elektród, sa od tohto spôsobu upustilo. Najvhodnejším spôsobom obnovy sa javilo mechanizované tavné naváranie metódou MAG. Ako prídavný materiál (ďalej len PM) bolo v minulosti rozhodnuté použiť na naváranie drôt na zváranie nízkolegovaných vysokopevných ocelí typu LNM MoNiVa.

obr10
Obr. 10. Hriadeľ nápravy s prítlačnými diskami a prevodovkou v polohovadle pri naváraní.


Na naváranie bolo vyrobené jednoduché polohovadlo, do ktorého sa umiestnila celá náprava spolu s vnútornými prítlačnými diskami a prevodovkou. Pohon polohovadla zabezpečuje iné polohovadlo pomocou hriadeľa s kardanovými spojkami(viď. obr. 10).
Hriadeľ je vyrobený z ocele tr. 15 230.9. Podľa obsahu uhlíka (viď. tab. 1) zaraďuje danú oceľ medzi podmienečne zvariteľné [1]. Stav tepelného spracovania .9 výrobca neudáva. Je to chrómvanádová oceľ na zošľachťovanie s označením materiálu podľa W. -Nr. (1.7361).

tab1

Na výpočet teploty predhrevu nie je možné použiť vzťah doporučený IIW ani iný podľa normy STN EN 1011 – 2 : 2003, nakoľko obsah uhlíka je na hornom okraji intervalu povoleného zastúpenia a obsah chrómu ďaleko prekračuje normou stanovenú maximálnu hodnotu. Z toho dôvodu sa na výpočet predhrevu použil vzťah podľa Séferiana [2, 3]:

rovnica

Aj keď predhrev by mal podľa (1) dosahovať hodnoty 257 °C, od jeho použitia bolo upustené.
Totiž hriadeľ by sa musel celý odstrojiť, čo je časovo náročné a znižovalo by to operatívnosť renovácie. Navyše ohrev celej nápravy s rozmermi Ø112 x 1450 mm v plnom priereze je energeticky náročný. Zvyšoval by cenu renovácie a spätne by sa len ťažko dali obnoviť pôvodné mechanické vlastnosti nápravy získané tepelným spracovaním výrobcu hriadeľa. Predhrev plameňom sa zavrhol ako nevhodný, nakoľko by mohlo dôjsť k nerovnomernému ohriatiu hriadeľa a k jeho prípadnej deformácii.

tab2

Postup obnovy povrchu čapu
Postup obnovy povrchu čapu sa dá rozdeliť do niekoľkých úkonov:
- Náprava sa zdemontuje z podvozka. Kvôli urýchleniu opravy sa na nej ponechá prevodovka a vnútorné prítlačné disky (viď. obr. 10). Navyše tieto sú nalisované na hriadeľ nápravy s pomerne veľkým presahom a tým sú ťažko demontovateľné.
- Odstrojená náprava sa uchytí do sústruhu a poškodený povrch čapu sa osústruží.
- Následne sa premiestni do polohovadla, v ktorom sa odmastí a vyhotoví návar (obr. 11). Navára sa postupne a to tak, že počas jednej otáčky polohovadla sa navarí len jedna húsenica. Návar sa nechá vychladnúť na teplotu okolia, očistí sa (viď. obr. 12) a až potom sa pokračuje v navarení ďalšej húsenice. Robí sa to z dôvodu čiastočného zjemnenia štruktúry predchádzajúceho návaru a TOO. Podľa doporučenia výrobcu PM, navára sa v zmesi plynov M21 (82% Ar + 18% CO2) podľa STN EN ISO 14175:2009.
- Po navarení povrchu čapu sa náprava premiestni späť do sústruhu, kde sa osústruží na finálny rozmer (viď. obr. 13).
- Po osústružení sa vykoná spätná montáž demontovaných dielov (viď. obr. 2) a montáž do podvozka.

obr11  obr12 
 Obr. 11. Naváranie húsenice.  Obr. 12. Čistenie návaru a jeho okolia.
  obr13
  Obr. 13. Vyhrubovaný návar čapu hriadeľa prevodovky.

 

Experiment
Cieľom experimentu bolo porovnanie dvoch návarov, pričom jeden mal byť vyhotovený drôtom na zváranie mäkkých ocelí a druhý pôvodným drôtom LNM MoNiVa na zváranie nízkolegovaných vysokopevných ocelí. Na mäkké ocele bol k dispozícii drôt FIProm VAC 60 určený na zváranie mäkkých nelegovaných a nízkolegovaných ocelí (viď. tab. 3). Chemické zloženie a mechanické vlastnosti zvarového kovu (ďalej len ZK) oboch drôtov sú uvedené v tab. 4 a 5. Priemery použitých drôtov boli D = Ø 1,2 mm.

tab3
tab4
tab5

 

Na experimentálne účely sa použil vyradený hriadeľ nápravy s ponechaním všetkých súčastí tak, ako je uvedené vyššie. Parametre navárania u PM LNM MoNiVa boli známe. Bolo potrebné doladiť parametre pre naváranie u PM FIProm VAC 60. Tieto sa doladili pred naváraním na menšom kuse ZM a to tak, aby boli pre daný PM optimálne.
Priemerný merný tepelný príkon u PM LNM MoNiVa dosahoval hodnotu 0,4218 kJ/mm, u PM FIProm VAC 60 hodnotu 0,4896 kJ /mm.
S takto vyladenými parametrami sa urobilo experimentálne naváranie. Na jeden čap tej istej nápravy boli navarené oba PM (viď. obr. 14). Ako prvý sa naváral PM FIProm VAC a to od vnútorného okraja čapu do polovice jeho dĺžky. V strede čapu sa vynechala šírka jednej húsenice a následne až do konca čapu sa naváral PM LNM MoNiVa. Každým PM sa navarilo osem húseníc. Naváralo sa v polohe PA smerom dopredu s predsadením drôtu voči stredu hriadele asi o 20 mm.
Podľa požiadaviek výrobcu PM FIProm VAC 60 aj tu sa na naváranie použila v zmysle normy STN EN ISO 14175 zmes plynov M21 so zložením 82% Ar + 18% CO2.

Dosiahnuté výsledky
Zisťovanie necelistvostí
Na obr. 14 vidieť navarený čap s vynechanou stredovou húsenicou, ktorá slúži na identifikáciu návarov z oboch PM. Ďalším identifikačným znakom sú diery v odrezkoch so závitom M12 (viď. obr. 14,16,18) pre poistné skrutky a strediacu jamku. V tejto časti bol naváraný PM LNM MoNiVa.
Po navarení a vychladnutí čapu sa najprv vizuálne skontrolovali oba návary. Následne sa obe časti rozrezali, každá na tri časti o hrúbke cca 15 mm. Na dvoch odrezkoch z každej časti čapu a na ich oboch stranách sa pomocou penetračnej metódy zisťovali prípadné návarové a podnávarové necelistvosti (viď. obr. 15 a 16). Necelistvosti neboli zistené.
U dvoch odrezkov (s návarmi s rôznymi PM) sa Heynovým leptadlom naleptal povrch odrezkov z dôvodu zistenia prípadných chýb pri nadpájaní húseníc. Chyby v nadpájaní húseníc neboli zistené (viď. obr. 17 a 18).
Po penetračnom testovaní sa dva odrezky (s návarmi s rôznymi PM) osústružili na priemer D = Ø100 mm. Následne sa z každého osústruženého odrezku vyhotovila jedna metalografická vzorka. Na týchto dvoch vzorkách sa zmerala hrúbka návaru a šírka TOO (viď. obr. 19). Priemerné namerané hodnoty hĺbok návaru sa u oboch vzoriek pohybovali od hodnoty 1,2 ÷ 2 mm. Obdobne to bolo aj so šírkou TOO. Táto sa pohybovala v rozmedzí od 1,2 ÷ 1,6 mm.

obr14 obr15
Obr. 14. Skúšobný čap po navarení. Obr. 15. Časť čapu naváraná PM FIPromVAC 60 po testovaní penetrantom
obr16 obr17
Obr. 16. Časť čapu naváraná PM LNM MoNiVa po testovaní penetrantom Obr. 17. Časť čapu naváraná PM FIPromVac 60 po naleptaní Heynovým leptadlom
obr18 obr19
Obr. 18. Časť čapu naváraná PM LNM MoNiVa po naleptaní Heynovým leptadlom. Obr. 19. Vzorky navarené PM FIProm VAC 60 a LNM MoNiVa na meranie hĺbky návaru a hrúbky TOO. 

 

Zisťovanie tvrdostí
Na zisťovanie tvrdostí boli bežnými metalografickými postupmi vyhotovené vzorky za účelom zdokumentovania tvrdosti v jednotlivých návarových, ale hlavne v podnávarových oblastiach.

Zisťovanie tvrdostí u návaru z PM FIProm VAC 60.
Miesta merania tvrdostí sú zdokumentované na obr. 20 a v tab. 6 ÷ 8. Na obr. 20 nie sú udávané vzdialenosti vpichov ale ich poradie. Je to z toho dôvodu, že tvrdosť bola meraná v rôznych na seba nenaväzujúcich oblastiach. Navyše kvôli lepšiemu zdokumentovaniu tvrdosti v týchto oblastiach je vzdialenosť vpichov rôzna. V ZK a TOO oblasti je vzdialenosť vpichov 0,1mm, v ZM je to 0,25 mm.
Vzhľadom na premiešanie PM so ZM priemerná hodnota tvrdosti zvarového kovu bola 336,6 HV0,2 (viď. tab. 6). Podnávarová oblasť TOO vyhriata nad Ac3 má priemernú tvrdosť 442,8 HV0,2, TOO vyhriata medzi Ac1-Ac3 hodnotu 403,4 HV0,2 (viď. tab. 7). Tvrdosť ZM (viď tab. 8) má priemernú hodnotu 251 HV0,2. Celý priebeh tvrdostí v jednotlivých častiach návaru je zdokumentovaný na obr. 20.

obr20
Obr. 20. Oblasti merania tvrdostí ZK, TOO, ZM u PM FIProm VAC 60.
tab6
tab7
tab8
obr21
Obr. 21. Priebeh tvrdostí na vzorke po naváraní PM FIProm VAC 60.

 

Zisťovanie tvrdostí u návaru PM LNM MoNiVa
Na obr. 22 a 23 sú zobrazené miesta, kde bola meraná tvrdosť ako v ZK tak aj v podnávarových oblastiach. Na obr. 24 a 25 nie sú udané vzdialenosti vpichov, ale ich poradie. Je to z toho dôvodu, že jednotlivé oblasti merania nenaväzujú vždy na seba a z dôvodu presnejšieho premerania danej oblasti sú vzdialenosti vpichov v jednotlivých oblastiach rôzne. U ZK a ZM je vzdialenosť vpichov 0,25 mm, v medzihúsenicovej, prechodovej oblasti na začiatku TOO a v TOO oblasti 0,1mm.
Priemerná tvrdosť ZK vyhotoveného PM LNM MoNiVa je 331,18 HV0,2 (viď. tab. 9).Priemerná tvrdosť v prechodovej oblasti ZK - TOO je 426,80 HV0,2 (viď. tab. 10). Priemerná tvrdosť ZK v medzihúsenicovej oblasti je 392,22 HV0,2 (viď. tab. 11). Priemerná tvrdosť vo vysokovyhriatej TOO je 455,60 HV0,2 (viď. tab. 12). Priemerná tvrdosť ZM je 250,79 HV0,2 (viď. tab. 13).

obr22
Obr. 22. Miesta merania tvrdostí: ZK, medzihúsenicová oblasť a prechodová oblasť na začiatku TOO u PM LNM MoNiVa.
obr23
Obr. 23. Miesta merania tvrdostí v TOO a v ZM u PMLNM MoNiVa.
tab9
tab10
tab11
tab12
tab13
obr24
Obr. 24. Priebeh tvrdostí na vzorke po návare PM LNM MoNiVa 1. časť.
obr25

Obr. 25. Priebeh tvrdostí na vzorke po návare PM LNM MoNiVa 2. časť.

 

Zhodnotenie výsledkov
Pri porovnaní tvrdosti ZK u oboch PM, tak priemerná tvrdosť 336,67 HV0,2 u PM FIProm VAC a priemerná tvrdosť 331,18 HV0,2 u PM LNM MoNiVa sa navzájom veľmi nelíšia (viď. tab. 6 a 9).
Priemerná tvrdosť TOO u PM FIProm VAC má hodnotu 442,83 HV0,2 a u PM LNM MoNi- Va 455,60 HV0,2 (viď. tab. 7 a 12). Ani tu nie je badateľný významnejší rozdiel v tvrdostiach a nepriamo teda aj vplyvu na oteruvzdornosť čapu pri zadretí ložiska. Vzhľadom k tomu, že pôvodná povrchová tvrdosť nerenovovaného čapu hriadeľa dosahuje hodnoty cca 270 HV0,2, tak renovovaný povrch by mal byť oteruvzdornejší než pôvodný nerenovovaný.
Priemerné hodnoty tvrdosti ZM pod obomi návarmi potvrdzujú, že sa jedná o identický materiál.
Vznik zákalných štruktúr v TOO, ale aj v ZK u jednovrstvových návarov (v dôsledku premiešania) sa predpokladal, čo sa aj potvrdilo premeraním tvrdosti.
Treba si uvedomiť, že sa nejedná o zváranie celého profilu čapu hriadeľa, ale len o jeho návar. Keďže pôvodný priemer čapu bol pred opravou je D = Ø100 mm a pred naváraním sa osústružil na D = Ø 98,8 ÷ 99,2 mm, teda v priemere na D = Ø 99 mm. Po finálnom osústružení pri tomto rozmere ostala na čape vrstvička ZK o hrúbke 0,5 mm. Pri vzdialenosti vpichov 0,2 mma ich maximálnom počte 10 cez TOO spolu s vrstvičkou ZK, vychádza hrúbka tvrdej vrstvy maximálne 2,5 mm do hĺbky čapu, čo je cca 9,75 % z celkového prierezu čapu.
Najdôležitejšie je, ako je to aj zdokumentované na obr. 15 a 16, že zvoleným postupom navárania vo ZK a ani v TOO nedošlo k vzniku necelistvostí.

Na čape sa návarom vytvorila povrchová tvrdá vrstva, predstavujúca asi desatinu priemeru čapu, čím v podstate dochádza k zlepšeniu vlastnosti čapu hriadeľa nápravy, nakoľko vnútro (jadro) je húževnaté a povrch je tvrdý.
Ako je vyššie uvedené zostávajúca povrchová vrstvička ZK dosahuje v priemere 337 HV0,2, čím vytvára ochrannú vrstvu pre podstatne tvrdšiu TOO oblasť.

Možno konštatovať, že uvedený postup renovácie čapu hriadeľa nápravy PM FIProm VAC 60 je pre daný účel použitiaz hľadiska vlastností vhodný. V uvedených parametroch sa prakticky zhoduje s PM LNM MoNiVa.

Ekonomické zhodnotenie renovácie
V prípade, ak porovnáme jednotkovú cenu v experimente použitých PM, tak návar PM FIP- rom VAC 60 je 4,4 krát lacnejší než návar PM LNM MoNiVa (viď. tab. 14). No ak si prepočítame množstvo PM u oboch PM potrebné k navareniu 18 ks návarových húseníc na celú dĺžku čapu, celková spotreba u oboch PM bude 0,053 kg/čap (viď. tab. 15). Cena spotrebo- vaného drôtu u PM FIProm VAC 60 vychádza na 0,09 €a u PM LNM Moniva na 0,40 €. Po finálnom opracovaní na čape ostáva asi 26,13% pôvodného množstva PM čo je asi 0,014 kg. Zvyšok je odpad v cene 0,066 € u PM FIProm VAC 60 a 0,30 € u LNM MoNiVa.
Ekonomický efekt pri jednom návare je uvedený v tab. 14. Výraznejšia finančná úspora pri zmene PM sa prejaví pri nákupe väčšieho množstva.
V prípade, ak porovnáme cenu nového hriadeľa, ktorý stojí 970,- € bez DPH a všetky pracovné a materiálové náklady spolu 320,- € bez DPH, tak pri úspore 650,- € bez DPH sa renovácia rozhodne vždy finančne vyplatí a o to viac pri lacnejšom PM.

tab14
tab15

 

Záver
Použitie oboch spomínaných PM tak, ako to je v tomto príspevku uvedené, je vhodné na bezproblémovú renováciu čapu nápravy.
Zdokumentovaným postupom s PMLNM Moniva sa čapy náprav v Ústredných dielňach DP Bratislava a.s. renovujú už niekoľko rokov a električky s takto renovovanými nápravami bez problémov jazdia v bežnej premávke. Napriek tomu, z ekonomických dôvodov navrhujem re- novovať čapy náprav PM FIProm VAC 60. Prv než ale dôjde k bežnej renovácii je potrebné podrobiť prevádzkovým skúškam čapy renovované týmto PM.

TEXT/FOTO Ing. Tomáš Világoš IWE
Recenzent: Doc. Ing. Peter Bernasovský Ph.D., EWE

Poďakovanie: týmto si autor dovoľuje poďakovať pracovnej skupine Rudolfa Schüllera za demontáž nápravy z podvozka, pracovnej skupine Štefana Pikálka za odrezanie čapu z nápravy, Alojzovi Hlavatému za naváranie čapu a pracovnej skupine Gejzu Molnára z obrobne za sústružnícke práce.

Prehľad literatúry
[1] Ptáček, L. a kolektív: Náuka o materiálu I. a II. Vydavateľ: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o. Brno, ISBN: 80-7204-2831-1 (2.opr. a rozš. vyd.), 2002
[2] Hrivňák, I.: Zváranie a zvariteľnosť materiálov. Vydavateľstvo Citadela ISBN 978-80-89628-18-6 (2. vyd.), 2013
[3] Bernasovský, P.: Prípady havárií zváraných konštrukcií. Vydavateľ: VUZ - PISR Bratislava 2017, ISBN 978-80-88734-77-2, 2017