Så utvecklades axelboxtekniken för järnvägsfordon

Så utvecklades axelboxtekniken för järnvägsfordon

SKF har en lång tradition inom utveckling av axelboxlösningar. Företaget har alltid lagt stor vikt vid miljöaspekter – som minsta möjliga användning av energi och smörjmedel. Det här är första avsnittet i en tvådelad artikel om konstruktion av axelboxar till järnvägsfordon. Följ med på en historisk exposé över hur detta viktiga delsystem utvecklades inom järnvägstekniken.

Axelboxar Järnvägsteknik

Teknologi

Ända sedan de först började användas i järnvägsapplikationer har axelboxlager gett möjligheter att spara energi och smörjmedel. De flesta moderna järnvägsfordon har avancerade axelboxkonstruktioner, avsedda för kompletta hjulpar, med hjullager eller lagerenheter, axelboxhus och integrerade sensorer. SKF erbjuder järnvägsmarknaden ytterligare funktioner, som tillståndsövervakning och servicepaket, till exempel serviceinriktad konstruktion, omtillverkning och utbildning.

Det grundläggande konceptet för järnvägshjul har inte förändrats nämnvärt under järnvägarnas historia. Kombinationen av två järnvägshjul och en axel brukar kallas ett ”hjulpar”. Hjulparet lagras i vad som kallas ”axelboxlager” eller ”axeltapplager”. Dessa lager är inbyggda i axelboxar, eller i speciella adaptrar som är förbundna direkt eller via fjädrar med löpverket, vilket i de flesta fall utgörs av en boggi. En axelbox är ett av de säkerhetskritiska delsystemen i ett järnvägsfordon.

Med hjälp av tribologi, läran om smörjning och nötning, har ingenjörer och forskare lärt sig mycket om interaktion mellan ytor som rör sig relativt varandra. Transportindustrin ger många exempel på tillämpad tribologi. Inom järnvägstekniken har vi sett en lång utveckling, från enkla hjul- och axelboxkonstruktioner, via tidiga friktionsminskande axelboxlager, till de senaste årens utveckling av avancerade axelboxlagerenheter och komplexa paket med lager, tätningar, smörjning, mekatronik (till exempel sensorer som detekterar driftmässiga parametrar) och ett omfattande utbud av tjänster.

De första järnvägarna
Ett tidigt exempel på strävan att spara energi hittar vi i den hästdragna järnvägsförbindelsen mellan Linz i Österrike och Budweis i Tjeckien, som huvudsakligen användes för att transportera salt – en dyrbar produkt på den tiden. Den 130 kilometer långa järnvägen öppnades 1832. På sin tid var det utan tvekan världens längsta järnvägslinje. Figur 1 visar att en järnvägslösning ökade transportkapaciteten åtta till tio gånger, jämfört med konventionell vägtransport.

Axelboxlager
Det finns några tidiga patent, men det är inte säkert att alla förverkligades. En av de första väldokumenterade applikationerna med axelboxlager var på treaxliga personvagnar från 1903. Vagnarna utrustades med axelboxar, varje box med två spårkullager (fig 2a). Den nödvändiga dragkraften för ett tågsätt med två vagnar och en totalvikt på 33,15 ton var 4,4 kN med glidlager och bara 0,62 kN med kullager – en minskning med 86 procent (fig 2b). Lagren och axelboxarna tillverkades av Deutsche Waffen- und Munitionsfabriken AG (DWF) i Berlin, Tyskland. Detta företag blev senare en del av Vereinigte Kugellagerfabriken (VKF), som i sin tur förvärvades av SKF.

Ytterligare test utfördes i USA 1905, av professor Graham vid Syracuse University i New York. Han forskade kring energiförbrukning genom jämförande fälttest mellan två spårvagnar, en med glidlager och en med rullager (fig 3a). Energiförbrukningen längs hela sträckan för spårvagnen med glidlager var 6,45 kWh. Detta ska jämföras med 3,10 kWh för spårvagnen med rulllager – en energibesparing på 52 procent (fig 3b). 1907 meddelade trafikbolaget Syra Rapid Transit Co lagerleverantören Standard Roller Bearing (SRB) Co i Philadelphia att efter fyra och ett halvt års drift och omkring 400 000 avverkade kilometer uppvisade rullagren fortfarande inga tecken på förslitning. För att generera den besparade mängden elenergi skulle det ha gått åt en mängd kol värd 260 USA-dollar, eller 390 gram guld. The Standard Roller Bearing Co gick senare upp i Marlin Rockwell Corporation (MRC). SKF förvärvade MRC 1986.

Krav på hastighet
Hastighet har varit avgörande för järnvägar sedan det första ångloket dök upp 1804. När det gäller utvecklingen av höghastighetståg står SKF för några av de mest säkerhetskritiska komponenterna – de kompletta axelboxlösningarna för hjulpar – bestående av hjulparslager eller lagerenheter, axelboxhus och integrerade sensorer. SKF har alltid arbetat aktivt för att utveckla lösningar som uppfyller de hårda kraven från tillverkare och operatörer av höghastighetståg. Här handlar det särskilt om utveckling, konstruktion och test av hjulparslager (fig 4a och 4b). Redan på 1930-talet hade tågen i Europa och Nordamerika kommit upp i marschfarter på 130 km/h, och toppfarter runt 160 km/h. I dag definieras höghastighetståg i vissa europeiska standarder som järnvägsfordon med maximal hastighet över 200 km/h.

Smörjmedelsbesparing
Förutom energibesparing kan axelboxtekniken bidra positivt till miljön genom att minska förbrukningen av smörjmedel. Lagersmörjmedel, som olja och fett, tillverkas genom raffinering av mineralolja. I samband med underhåll, efter många års drift, samlas det förbrukade smörjmedlet upp då axelboxen demonteras. Detta kräver specialbehandling, liksom hanteringen av annat avfall med mineralolja. Självklart är det därför bättre för miljön ju mindre smörjmedel som används.

I järnvägsteknikens barndom användes oljesmorda glidlager. Den ursprungliga oljemängden i en axelbox till en typisk tysk godsvagn var 1,3 kilogram, varav 500 gram för de smörjande backarna och 800 gram i oljetråget. Oljenivån måste kontrolleras med jämna mellanrum och det ständiga oljeläckaget under drift förorenade spåren och deras omgivning. Oljeförbrukningen låg omkring 200 gram per 1 000 kilometer.

De fettsmorda rullagren var ett stort steg framåt. Fettet fylls på i samband med monteringen. För de flesta applikationer krävs ingen eftersmörjning. På 1930-talet uppgick fettmängden i en typisk axelbox med cylindriska rullager i en tysk godsvagn till cirka 1,7 kilogram. Många undersökningar under decenniernas lopp har visat att denna mängd skulle kunna minskas drastiskt utan att riskera utarmade smörjförhållanden. Omkring 1950 hade fettmängden minskat till 1,2 kilogram. Senare minskade den till ett kilo och ligger i dag på 700 gram för smörjning av otätade cylindriska rullager. Ytterligare ett stort steg i minskningen av fettförbrukning togs när tekniken med tätade och fabriksinfettade cylindriska rullagerenheter (CRU) introducerades. I sådana behövs bara 200 till 300 gram fett. Den minskade fettmängden ger lägre drifttemperaturer, vilket i sin tur betyder ökad brukbarhetstid för fettet.

Den andra delen av denna artikel kommer att inriktas på utvecklingen av modern axelboxteknik.

Relaterat innehåll