wpływ parametrów aerodynamicznych układu koło

XLVI Sympozjon „Modelowanie w mechanice”
Marek SITARZ, Adam MAŃKA, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska
WPŁYW PARAMETRÓW AERODYNAMICZNYCH
UKŁADU KOŁO-KLOCEK HAMULCOWY
NA JEGO WŁASNOŚCI EKSPLOATACYJNE
Nacisk na realizowanie usług transportowych w coraz to krótszym czasie pociąga za sobą
systematyczny wzrost prędkości ruchu pojazdów szynowych. Zwiększanie prędkości pociąga
jednak za sobą znaczny wzrost energii mechanicznej pojazdu, która jest wytracana w czasie
hamowania. Energia ta jest w większości zamieniana na ciepło, wywołując znaczne
obciążenia termiczne pary ciernej, oraz odprowadzana do otoczenia poprzez konwekcję,
radiację i przewodzenie. Dotychczas do analiz numerycznych wykorzystywano dane
literaturowe, które nie precyzowały jednoznacznie podstawowych parametrów związanych z
wartościami obciążeń cieplnych i ich rozkładem pomiędzy koło, klocek hamulcowy a
otoczenie. Najczęściej też, zakładano, że całkowita energia mechaniczna pojazdu zamieniana
jest na ciepło. W literaturze brak również jednoznacznych danych dotyczących wartości
współczynnika konwekcji dla powierzchni koła i wstawki hamulcowej (w literaturze spotkać
można wartości od 10 do 500 [W/m2C]), która to determinuje wartości maksymalne i rozkład
temperatur w kole i klocku hamulcowym, a co za tym idzie ma wiodące znaczenie na
uzyskiwany rozkład naprężeń termicznych. Dlatego też, w Katedrze Transportu Szynowego
Politechniki Śląskiej w Katowicach, przeprowadzono szereg badań mających na celu
wyznaczenie podstawowych wielkości opisujących zjawiska termiczne w układzie koło
kolejowe-klocek hamulcowy. Pozwoliło to na wyznaczenie danych niezbędnych do
modelowania i analizy numerycznej zjawisk termicznych i sprzężonych w układzie koło
kolejowe-klocek hamulcowy. W artykule przedstawiono również metodykę wyznaczania
współczynnika konwekcji w funkcji temperatury i prędkości omywającego badana próbkę
powietrza. W literaturze wartość współczynnika konwekcji była podawana jako wartość stała
lub uzależniana od temperatury materiału. Na podstawie badań własnych wykazano jednak,
że wpływ temperatury materiału na wartość współczynnika konwekcji jest mało znaczący w
porównaniu z wpływem prędkości strugi powietrza. Jest to szczególnie widoczne po
przekroczeniu temperatury ok. 600C. Podano również rozkład współczynnika konwekcji na
powierzchni koła i klocka hamulcowego w funkcji prędkości omywającego powietrza na
przykładzie lokomotywy EU07. Przedstawiono również wyniki analiz numerycznych, w
których wykazano, że wpływ wyznaczonych wielkości, w tym rozkładu współczynnika
konwekcji w układzie koło-wstawka hamulcowa, jest decydujący dla uzyskiwanego rozkładu
temperatur oraz wartości naprężeń maksymalnych - co jest silnie skorelowane ze zużyciem
tych elementów. Analizy numeryczne MES prowadzono dla wyznaczonych uprzednio
własności mechanicznych materiału w funkcji temperatury do 7400C. Uwzględniono
również, wyznaczone na specjalnie zaprojektowanym stanowisku, własności termiczne
materiałów takie jak: współczynnik radiacji, konwekcji, przewodności cieplnej,
rozszerzalności cieplnej, oraz ciepło właściwe. Wyznaczone własności pozwalają na
modelowanie rozkładu temperatur oraz naprężeń w układzie koło-klocek hamulcowy z
uwzględnieniem rzeczywistych obciążeń wynikających z hamowania pojazdu i umożliwiają
uzyskanie znacznie większej zbieżności wyników analizy numerycznej z badaniami
eksperymentalnymi.
XLVI Sympozjon „Modelowanie w mechanice”
INFLUENCE OF AERODYNAMICAL PARAMETERS OF
The pressure exerted on railway companies to transport people and cargoes in as short
time as possible leads to systematic rise of rail vehicles speeds. However, rise in speed causes
a significant increase of vehicle’s mechanical energy, which must be dissipated during
braking. This energy is mostly transformed into heat, which in turn leads to increased thermal
loading of friction pair and is partly abstracted into the surrounding environment by
convection, radiation and conduction. Until now, the numerical analyses used data obtained
from reference books. These data were not unequivocally precise as to basic parameters
related to thermal loads values and their distribution between the wheel, brake shoe and the
environment. It has often been assumed that total mechanical energy is converted into heat.
The literature also lacks unequivocal data on convection coefficient for wheel surface and
brake inset (it ranges from 10 to 500 W/m2C). This coefficient determines maximum values
and temperature distribution in the wheel and brake shoe, which means that it is a decisive
factor in the obtained thermal stress distribution. That is why research has been undertaken in
the Department of Rail Transport of Silesian University of Technology, targeted at
determining the basic values related to thermal effects in railway wheel-brake shoe system.
These values may be used in modelling and numerical analysis of thermal and related effects
in wheel - brake shoe system. The paper presents also the methodology of determining
convection coefficient vs. temperature and air velocity (air flowing around the sample) The
convection coefficient value is usually assumed to be constant or related to material
temperature. However, authors investigation shows that the influence of material temperature
on convection coefficient is very slight compared to the air flow speed. This is more clearly
seen if temperature exceeds c. 600C. This distribution as a function of air velocity has been
given here basing on EU07 type locomotive example calculations. The results of numerical
analyses are presented. It is shown that the influence of determined values, including
distribution of convection coefficient in railway wheel-brake shoe system is a major factor
for the temperature distribution and maximum stresses values and this is also closely
correlated to the wear of these elements. The FEM analyses were run for material properties
determined previously and for temperatures up to 7400C. The thermal properties of materials
such as radiation, convection, thermal conductivity, thermal expansion coefficients and
specific heat were measured at a special test stand. The determined values make possible
modelling temperature distribution and stress in wheel-brake shoe system taking into account
real loads due to vehicle braking. It is therefore possible to obtain much better convergence
of numerical analysis and experimental test results.