Zastosowanie charakterystyk widmowych sygnału drganiowego do

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 98
Transport
2013
Wojciech Sawczuk,
Franciszek Tomaszewski
Politechnika Poznaska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu
Zakad Pojazdów Szynowych
ZASTOSOWANIE CHARAKTERYSTYK
WIDMOWYCH SYGNAU DRGANIOWEGO
DO DIAGNOZOWANIA HAMULCA TARCZOWEGO
PRZY JEGO DWÓCH OBCIENIACH CIEPLNYCH
Rkopis dostarczono, kwiecie 2013
Streszczenie: Artyku przedstawia autorsk metod diagnozowania zuycia okadzin ciernych
poprzez analiz drga ukadu hamulcowego w czasie hamowania ze sta moc dokonujc analizy
sygnaów w dziedzinie czstotliwoci. Dodatkowo uwzgldniono wpyw zwikszonej temperatury
tarczy hamulcowej i okadziny na zmian charakterystyki widmowej przy szacowania zuycia
okadzin ciernych. W czasie bada rejestrowano przyspieszenia drga generowane przez obsady
hamulcowe z okadzinami w czasie hamowania.
Sowa kluczowe: kolejowy hamulec tarczowy, diagnostyka hamulca, analiza widmowa
1. WPROWADZENIE
Hamulce tarczowe, ze wzgldu na szereg zalet w stosunku do tradycyjnego
powietrznego hamulca klockowego, s coraz czciej stosowane w wagonach pasaerskich
oraz w pojazdach trakcyjnych. Do podstawowych zalet tarczowych ukadów hamulcowych
naley stay, niezmienny w caym zakresie prdkoci wspóczynnik tarcia lizgowego Ð,
którego warto wynosi Ð =0,35 [4].
Dugotrwaa eksploatacja tarczowych ukadów hamulcowych wykazaa, e na
przyspieszone zuycie okadzin ciernych najwikszy wpyw ma hamowanie z duych
prdkoci hamowania powyej 200 km/h oraz wysoka temperatura pary ciernej
spowodowana rozpraszaniem energii pojazdu w czasie hamowania z duymi naciskami
okadzin do tarczy [3]. Wówczas na powierzchni tarczy pojawiaj si mikropknicia,
które rozrastaj si promieniowo przy kolejnych hamowaniach.
Podczas okresowych przegldów tarczowych ukadów hamulcowych zauwaa si
równie zuycie powierzchni czoowej obsady podtrzymujcej okadzin ciern.
586
Wojciech Sawczuk, Franciszek Tomaszewski
Zuycia te powstaj z powodu nie dokonania wymiany zuytych okadzin ciernych na
nowe po przekroczeniu wymiaru granicznego wynoszcego 30mm [1]. W niektórych
przypadkach wystpowao tarcie samej obsady hamulcowej o tarcz hamulcow. Przykad
tego uszkodzenia zosta przedstawiony na rysunku 1a) i 1b).
Rys. 1. Uszkodzona obsada okadziny ciernej typu 175: a) widok od strony montau z okadzin
ciern, b) widok od strony zamocowania do dwigni przycylindrowej; rw - promie wewntrzny,
rz - promie zewntrzny, c) widok obsady na ukadzie dwigniowym
Inn przyczyn uszkodzenia obsady okadziny jest zamocowanie okadziny typu 175 w
obsadzie przystosowanej do wspópracy z okadzin typu 200 w wyniku czego nastpuje
wyrwanie okadziny w miejscu zamocowania blachy nonej i tarcie samej obsady o tarcz
hamulcow. Zniszczenie okadziny w miejscu czenia z obsad jest spowodowane rón
dugoci czci czcej. Okadzina typu 200 wyposaona jest w cznik wraz z blach
non o dugoci 160mm natomiast okadzina typu 175 posiada cznik o dugoci 152mm
[5]. Zamocowanie dwóch okadzin typu 175 do obsady przystosowanej do okadzin typu
200, powoduje, e przy kadym hamowaniu okadziny przesuwaj si po rowku
prowadzcym i uderzaj o zakoczenie rowka i zamek obsady co w konsekwencji w
wyniku cigych uderze okadzin powoduje ich wyrwanie od czci mocujcej.
Obserwacja wymian okadzin ciernych na wagonach z hamulcem tarczowym wykazaa u
jednego z przewoników kolejowych, e na 374 przegldy midzypocigowe (liczba
przegldów w okresie 6-ciu miesicy) zwizane z ukadem hamulcowych, stwierdzono 11
przypadków uszkodze obsad (imaków) jak przedstawiono na rysunku 1a) i 1b). Koszt
wymiany jednego kompletu obsad okadzin wynosi okoo 1500z.
Celem artykuu jest przedstawienie moliwoci wykorzystania sygnau drganiowego
generowanego przez obsady hamulcowe do oceny zuycia okadzin ciernych hamulca
tarczowego stosujc wybrane charakterystyki widmowe podczas symulowanych hamowa
ze sta moc (hamowanie na spadku). W czasie bada dodatkowo uwzgldniono wpyw
obnionej temperatury pary ciernej na pocztku hamowania na jednej z okadzin ciernych
przy wyszej temperaturze pary ciernej na pozostaych grubociach okadzin ciernych na
sygna wibroakustyczny.
Zastosowanie charakterystyk widmowych sygnau drganiowego …
587
2. METODYKA I OBIEKT BADA
Badania diagnostyczne przeprowadzone zostay w Instytucie Pojazdów Szynowych
TABOR w Poznaniu na bezwadnociowym stanowisku do bada hamulców klockowych i
tarczowych pojazdów szynowych (rys. 2). Obiektem bada bya tarcza hamulcowa typu
640×110 z wentylujcymi opatkami oraz 3 komplety okadzin typu 200 FR20H.2 firmy
Frenoplast. Pierwszy komplet okadzin - nowy o gruboci 35 mm oraz 2 komplety zuyte
do gruboci 25 mm i 15 mm.
Rys. 2. Widok mechanizmu dwigniowego kolejowego hamulca tarczowego: a) obsada
z przetwornikiem drga od strony obudowy cylindra (nie widoczna na zdjciu), b) obsada
z przetwornikiem drga od strony toczyska, 1- obudowa cylindra hamulcowego, 2- toczysko
cylindra hamulcowego, 3- dwignia lewa, 4- dwignia prawa, 5- niewidoczna obsada
z przetwornikiem drga
Do bada wykorzystano program badawczy 2B1 (I) zgodniez zacznikiem C.2
zawartym w Kodeksie UIC 541-3. Dla wspomnianego programu przeprowadzono
hamowanie ze sta moc hamowania wynoszc 55kW [4]. Jest to symulacja zjadu
pocigu ze sta prdkoci przy wczonym ukadzie hamulcowym. Prdko zjazdu
v=80km/h, nacisk okadziny na tarcz N=28kN, cakowity symulowany czas zjazdu
pocigu t=10min. Masa do wyhamowania przypadajca na jedn tarcz wyniosa w czasie
bada M=6,7t. Na obsadach hamulcowych zamocowano przetworniki drga co
przedstawia rysunek 2a i 2b przykrcony do obsady za porednictwem pytki mocujcej.
588
Wojciech Sawczuk, Franciszek Tomaszewski
Rys. 3. Schemat toru pomiarowego przyspiesze drga generowanych przez obsad hamulcow
z okadzinami w czasie hamowania
Podczas bada rejestrowano sygnay przyspiesze drga w jednym kierunku tj.
prostopadych do powierzchni ciernej tarczy hamulcowej. Do akwizycji sygnaów drga
zastosowano zestaw pomiarowy skadajcy si z: piezoelektrycznego przetwornika
przyspiesze drga, kasety pomiarowej typu B&K 3050-A-060 wraz z oprogramowaniem
systemu PULSE 16.0. Tor pomiarowy przedstawiono na rysunku 3.
Przetworniki drga typu 4504 firmy Brüel&Kjær wybrano na podstawie wytycznych
zawartych w pracy [7], liniowe pasmo przenoszenia przetworników wynioso 13 kHz.
Czstotliwo próbkowania ustawiono na 131 kHz. Oznacza to, e pasmo poddane analizie
zgodnie z zalenoci Nyquista wynioso 65 kHz.
Badania zostay przeprowadzone zgodnie z zasadami eksperymentu czynnego [6]. Po
przeprowadzeniu hamowania dla zadanej gruboci okadziny, zmieniano okadzin bez
zmian pozostaych parametrów hamowania jak prdko zjazdu pocigu, docisk okadziny
do tarczy czy masa hamujca i czas hamowania. Równoczenie obserwowano zmiany
zachodzce w amplitudzie chwilowych przyspiesze drga.
W czasie bada zwrócono uwag na moliwo zmiany sygnay wibroakustycznego
pochodzcego z obsady z zamocowan okadzin w czasie hamowania z nisz
temperatur ni przewiduje to Karta UIC 541-3. W pierwszym przypadku hamowania z
okadzin o gruboci G1=35 mm temperatura bya nisza jak w pozostaych przypadkach
hamowa i wyniosa dla tarczy okoo 20°C, rozkad redniej temperatury pary ciernej
przed hamowaniem jak po hamowaniu trwajcym 10 minut przestawia rysunek 4. W
pozostaych przypadkach hamowa na okadzinach o gruboci G2=25 mm i G3=15 mm
temperatura pocztku hamowania dla tarcz hamulcowych wyniosa okoo 50°C.
Zastosowanie charakterystyk widmowych sygnau drganiowego …
589
Rys. 4. Rozkad redniej temperatury pary ciernej tarcza hamulcowa-okadzina cierna z obsad
hamulcow dla przypadku hamowania z okadzin o gruboci G1=35mm: a) pomiar temperatury
przed hamowaniem, b) pomiar temperatury po zakoczonym hamowaniu ze sta moc, czas
hamowania th=10 min
3. WYNIKI BADA
Celem analizy widmowej sygnaów drga byo wyznaczenie pasm czstotliwoci
zwizanych ze zmian gruboci okadziny w czasie pracy ukadu hamulcowego. Do
analizy widmowej wykorzystano fragment sygnau drganiowego pochodzcego z
hamowania hamulcem tarczowym. Analiza czasowych fragmentów chwilowych wartoci
przyspiesze drga wykazaa, e czas hamowania w cigu pierwszych 20 sekund jest
okresem w którym widoczna jest najwiksza dynamika zmian (zaleno (1)) sygnau
drganiowego od zuycia okadzin ciernych. Jednak do analizy w dziedzinie czstotliwoci
wybrano fragment po pierwszej minucie hamowania, uznajc pierwszy okres hamowania
jako stan przejciowy zwizany z dopasowaniem okadziny do tarczy (jej dotarciem) i
ustabilizowaniem si parametrów hamowania przewidzianych dla przypadku hamowania
ze staa moc. Widmo uzyskano przy pomiarze drga w kierunku prostopadym po
powierzchni ciernej tarczy (kierunek Y1 ) na obsadzie od strony obudowy cylindra. Do
analizy w dziedzinie czstotliwoci wybrano fragment przebiegu czasowego chwilowych
przyspiesze drga zarejestrowanych w przedziale 60-80 sekund co przedstawia rysunek 5.
590
Wojciech Sawczuk, Franciszek Tomaszewski
Rys. 5. Warto chwilowa przyspiesze drga w funkcji czasu hamowania podczas hamowania ze
sta moc dla trzech gruboci okadzin ciernych dla fragmentu hamowania th=20 sekund
Na rysunku 6 przedstawiono przykadowe widma amplitudowe przyspiesze drga dla
rónych gruboci okadzin uzyskanych przy hamowaniu ze sta moc na tarczy o rednicy
zewntrznej 640 mm w kierunku pomiaru drga Y1. W tym kierunku uzyskano
zadowalajc dynamik zmian zwizan ze zmian postaci widma amplitudowego.
Badania pomiaru przyspiesze drga obsad hamulcowych w dziedzinie czstotliwoci
wykazay, e moliwe jest znalezienie pasm czstotliwoci, w których obserwuje si
zaleno wartoci skutecznej przyspiesze drga ARMS (równanie (1)) [7] od rónych
gruboci okadzin w rozpatrywanym zakresie prdkoci podczas zjazdu pocigu z
wczonymi hamulcami, zarówno dla kierunku Y1 jak i Y2 (pomiar od strony toczyska
cylindra hamulcowego). Dla tego przypadku hamowania, kierunku pomiaru Y1 oraz dla
fragmentu hamowania, pasmo czstotliwoci zwizane ze zmian gruboci wynosi 17501850Hz. Na rysunku 7 przedstawiono posta widma amplitudowego po zastosowaniu filtra
rodkowoprzepustowego dla powyszego zakresu czstotliwoci.
Zastosowanie charakterystyk widmowych sygnau drganiowego …
591
Rys. 6. Zaleno amplitudy przyspiesze drga od czstotliwoci: a) grubo okadziny
G1=35mm, b) grubo okadziny G2=25mm, c) grubo okadziny G3=15mm
Rys. 7. Widmo amplitudowe przyspiesze drga po zastosowaniu filtra rodkowoprzepustowego w
zakresie 1750-1850 Hz: a) grubo okadziny G1=35mm, b) grubo okadziny G2=25mm,
c) grubo okadziny G3=15mm
592
Wojciech Sawczuk, Franciszek Tomaszewski
W tabeli 1 przedstawiono zakresy czstotliwoci, w których obserwuje si zaleno
wartoci skutecznej przyspiesze drga ARMS od zuycia okadzin zgodny dla tarczy
hamulcowej typu 640. Dodatkowo przedstawiono dynamik zmian zgodnie z zalenoci
(2) [2] badanego parametru diagnostycznego dla danych pasm czstotliwoci oraz wartoci
wspóczynników korelacji dla liniowej zalenoci wartoci skutecznej przyspiesze drga
od badanych gruboci okadzin ciernych.
1
T
ARMS
gdzie:
T
s(t)
³ >s(t )@ dt [m/s ]
2
2
(1)
0
czas uredniania [s],
warto chwilowa przyspiesze drga [m/s2].
D
gdzie:
T
§s
20 lg¨¨ 2
© s1
·
¸¸
¹
(2)
s1 – warto miary punktowej wyznaczonej dla okadziny G3 lub G2,
s2 – warto miary punktowej wyznaczonej dla okadziny G1.
Tablica 1
Zestawienie wyników analizy widmowej sygnaów przyspiesze drga obsad hamulcowych z
okadzinami ciernymi
Tarcza hamulcowa typu 640×110, pomiar w kierunku Y1 (pomiar od strony obudowy cylindra)
Dynamika zmian [dB]
RMS z pasma czstotliwoci w [m/s2]
Wsp.
Czstotliwo
Dla G1= 35
Dla G2= 25
Dla G3= 15
[Hz]
Dla G2/G1 Dla G3/G1 Korelacji R
[mm]
[mm]
[mm]
1750-1800
0,5681
1,0283
1,1575
5,1544
6,1826
0,9513
1800-1850
0,5878
0,9457
1,1974
4,1298
6,1793
0,9950
Po uwzgldnieniu niszej temperatury pary ciernej przy hamowaniu z okadzin G1=35 mm
1750-1800
0,7106
1,0283
1,1575
3,2101
4,2383
0,9716
1800-1850
0,7199
0,9457
1,1974
2,3700
4,4195
0,9995
Wpyw zmiany temperatury pary ciernej podczas hamowania z okadzin G1=35 mm na
warto chwilowych przyspiesze drga przedstawia rysunek 8 dla fragmentu hamowania
poddanego analizie w dziedzinie czstotliwoci.
Natomiast na rysunku 9 przedstawiono graficzn zaleno wartoci skutecznej
przyspiesze drga ARMS od gruboci okadzin ciernych dla rozpatrywanego pasma
czstotliwoci.
Zastosowanie charakterystyk widmowych sygnau drganiowego …
593
Rys. 8. Warto chwilowa przyspiesze drga w funkcji czasu hamowania dla okadziny
G1=35mm przy dwóch obcieniach cieplnych pary ciernej hamulca tarczowego
Rys. 9. Zaleno wartoci skutecznej przyspiesze drga ARMS od gruboci okadzin ciernych ze
szczególnym zwróceniem na zmian ARMS dla okadziny G1=35 mm podczas hamowa przy dwóch
rónych rozkadach redniej temperatury pary ciernej hamulca tarczowego
594
Wojciech Sawczuk, Franciszek Tomaszewski
4. PODSUMOWANIE
Stanowiskowe badania diagnostyczne wykazay, e moliwe jest diagnozowanie
zuycia okadzin ciernych hamulca tarczowego dokonujc analizy wartoci chwilowych
przyspiesze drga obsad z okadzinami w dziedzinie czstotliwoci. Do celów
diagnostyki wystarczajce jest zarejestrowanie 20-to sekundowego fragmentu przebiegu
czasowego sygnau chwilowych przyspiesze drga w czasie hamowania.
Analiza drga obsad w dziedzinie czstotliwoci umoliwia diagnozowanie zuycia
okadzin ciernych w pamie czstotliwoci 1750-1850 Hz. Jest to pasmo, w którym
obserwuje si zmiany w widmie amplitudowym w zalenoci od gruboci okadzin
ciernych. Dla analizy w dziedzinie czstotliwoci dynamika zmian wyniosa 6dB
natomiast hamowania okadzin o niszej temperaturze obnia dynamik o 2dB. Wówczas
bd aproksymacji liniowej zalenoci ARMS od gruboci okadzin nie przekracza 10%.
Projekt jest finansowany ze rodków Narodowego Centrum Nauki, nr N N504 644840
Bibliografia
1. Gruszewski M.: Wybrane zagadnienia eksploatacji hamulca tarczowego. Technika transportu Szynowego
6-7/1995, s. 84-86.
2. Grybo R.: Drgania maszyn. Wydawnictwo Politechniki lskiej, Gliwice 2009, s. 214.
3. Kaluba M.: Zuycie okadzin ciernych hamulca tarczowego pojazdów szynowych, Pojazdy Szynowe
1999 nr 4, s. 24-29.
4. Kodeks UIC 541-3. Hamulec-Hamulec tarczowy i jego zastosowanie. Warunki dopuszczenia okadzin
hamulcowych. Wyd. 6, listopad 2006, s. 23.
5. Polska Norma ZN-2001 PKP-3517: Zespoy hamulca tarczowego. Warszawa 2006.
6. Rafajowicz E.: Optymalizacja Eksperymentu z Zastosowaniami w Monitorowaniu Jakoci Produkcji.
Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocawskiej, 2005.
7. Sawczuk W., Tomaszewski F.: Assessing the wear of friction pads in disc braking system of rail vehicle
by using selected amplitude characteristics of vibration signal. Vibration In Physical Systems, Volume
XXIV, s. 335-361.
EVALUATION OF VIBRATION GENERATED BY BRAKE SYSTEM FOR DIAGNOSIS
IN DIFFERENT TEMPERATURE STATES
Summary: The article presents a new method for diagnosis of the wear of friction pads through analysis of
the braking vibration during braking with a permanent effect by making the analysis of signals in the
frequency domain. In addition, account has been taken of the impact of increased temperature of brake disc
and pads to change the frequency characteristics to estimation of the wear of friction pads. At the time of
research there are vibration acceleration generated by the caliper with brake pads during braking.
Keywords: railway disc brake, diagnostics of brake, frequency analysis