BADANIA EKSPERYMENTALNE

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 98
Transport
2013
Robert Konowrocki, Jacek Kukulski,
Sawomir Walczak, Witold Groll
Instytut Kolejnictwa
DYNAMICZNA WSPÓPRACA WSTAWKI
HAMULCOWEJ OCZYSZCZAJCEJ
W POCIGACH DUEJ PRDKO
CI –BADANIA
EKSPERYMENTALNE
Rkopis dostarczono, kwiecie 2013
Streszczenie: Artyku powicony jest badaniom eksperymentalnym wspópracy wstawki
oczyszczajcej z powierzchni toczn koa kolejowego, stosowanego w pojazdach kolejowych duych
prdkoci.
W takich ukadach stosuje si pojedyncz wstawk hamulcow, która przez kontakt z powierzchnia
toczn koa kolejowego zapewnia usuwanie wszelkich elementów, które mog w czasie eksploatacji
w wyniku adhezji przyklei si do koa. Elementy pozostajc w kontakcie z powierzchni toczn koa
wpynyby na przyspieszone zuycie zestawów koowych oraz wzrost nadwyek dynamicznych w
strefie kontaktu koo szyna, skutkujce degradowaniem powierzchni tocznej kó i szyn. W pracy
zaprezentowane zostay badania eksperymentalne przeprowadzone na rzeczywistym ukadzie
hamulcowym z zastosowaniem wstawki oczyszczajcej z jednostronnym naciskiem przy hamowaniu
z duej prdkoci. Na postawie bada okrelono parametry jakie wystpuj w takich ukadach.
Sowa kluczowe: tarcie, drgania wzbudzane tarciem, ukad hamulcowy duych prdkoci
1. WSTP
Ukady hamulcowe s jednym z dominujcych rozwiza, które wpywaj na
niezawodno eksploatacyjn pojazdów szynowych. S stosowane we wszystkich typach
pojazdów kolejowych i stanowi jeden z najwaniejszych systemów bezpieczestwa tych
pojazdów. Eksploatacja ukadów hamulcowych w warunkach zwikszonych wymaga
uytkowych, zwizanych ze wzrostem obcienia oraz czstotliwoci dziaania zmusza do
uwzgldnienia w projektowaniu efektów zwizanych z dynamik konstrukcji. Wzrost
prdkoci jazdy, masy pojazdów oraz uycie nowych materiaów na elementy cierne
wywouje nowe problemy wystpujce w ukadach hamulcowych, dotychczas zbadane w
niewielkim zakresie. W przypadku gdy parametry takich ukadów s nieodpowiednio
dobrane i le zaprojektowane, pojawi si mog podczas hamowania efekty generowania
280
Robert Konowrocki, Jacek Kukulski, Sawomir Walczak, Witold Groll
drga, skutkujce pogorszeniem efektywnoci ich dziaania. Powstaje to w wyniku utraty
stabilnoci elementów ciernych rozpatrywanych ukadów w wyniku zjawiska tarcia.
Zastosowanie niektórych materiaów na elementy cierne systemów hamulcowych
polepsza wasnoci zwizane np. z drganiami akustycznymi, pogarszajc wasnoci
przewodnoci elektrycznej wykorzystywanej w bocznikowaniu obwodów torowych.
Zastosowanie ukadu wstawkowego oczyszczajcego w pojazdach duych prdkoci
pozwala porednio przeciwdziaa wyej opisanym zjawiskom. System taki usuwa
porednio take zanieczyszczenia znajdujce si na powierzchniach tocznych szyn torów
kolejowych, a take w pewien sposób ,,reprofiluje powierzchni toczn koa”.
Rozwizanie to jest coraz czciej stosowane w zespolonych pocigach duych prdkoci
na zestawach napdnych. Rozwizania takie funkcjonuj m.in. w pojazdach
produkowanych przez firm Alstom (np. ETR 610) jak i Siemens (np. Desiro City
Thameslink).
Zasady wdraania hamowania z wykorzystaniem tego systemu reguluj wewntrzne
przepisy przewoników (DTR). Szczegóowe wymagania dot. wstawek oczyszczajcych
regulowa bdzie norma [7].
Nie ma w literaturze prac w których analizowano by ukady wstawek jednostronnych.
Wielu badaczy zajmowao si analiz ukadów hamulcowych. Autor pracy [1] zajmowa
si badaniem ukadu hamulcowego z uwzgldnieniem wpywu zmian struktury par
ciernych w wyniku reakcji cieplno-chemicznych w strefie kontaktu. Wskazywa on na
przyspieszone zuywanie si okrelonych sektorów materiau pary ciernej i w dalszej
konsekwencji przez ograniczenie powierzchni kontaktu pary ciernej lokalne zwikszenie
temperatur w tych obszarach strefy kontaktu. Takie zjawisko obnia skuteczno
hamowania oraz wywouje zmiany chemiczne w strukturze elementów hamulcowych
wykonanych z materiaów organicznych. Autorzy [3], [4] przedstawili opis bada
eksperymentalnych i teoretycznych klockowego ukadu hamulcowego z segmentacj
powierzchni ciernej. Wykazano w nich wpyw drga ssiednich elementów pary ciernej na
zmniejszenie niekorzystnych drga zwikszajcych skuteczno hamowania. W pracach
[2], [5] autor przedstawi badania eksperymentalne wstawek kompozytowych na
stanowisku badawczym przy hamowaniu od maksymalnej prdkoci pocztkowej
270 km/h do zatrzymania. Praca dotyczya analizy czstotliwociowej drga osi
hamowanego koa. Autor nie opisa matematycznie badanego przypadku. Z kolei w pracy
[6] autor zaprezentowa badania stanowiskowe spiekanych okadzin hamulcowych
z prdkoci pocztkowej 300 km/h, W pracy tej przedstawione zostay równie wyniki
bada wasnoci tribologicznych materiau ciernego. W dostpnej literaturze nie mona
znale prac dotyczcych bada wstawek czyszczcych. Na tej podstawie przeprowadzono
poniej prezentowane badania i analizy wstawki czyszczcej przy hamowaniu z duej
prdkoci.
2. OPIS BADA EKSPERYMENTALNYCH.
Badania eksperymentalne maj na celu okrelenie dynamiki wstawki hamulcowej
czyszczcej podczas jej pracy. Ze wzgldu na fakt, e taka wstawka wykorzystywana jest
Dynamiczna wspópraca wstawki hamulcowej oczyszczajcej w pocigach duej prdkoci …
281
do montau w ukadach czyszczcych powierzchnie toczne kó napdowych pojazdów
duej prdkoci, zaproponowano przeprowadzenie kilku testowych hamowa z jej uyciem
z duych prdkoci pocztkowych kó kolejowych. Badania przeprowadzono na
przygotowanym do tego celu stanowisku eksperymentalnym (Rys. 1).
Rys. 1. Schemat stanowiska wykorzystanego podczas bada par ciernych
Stanowiskowe
badania
dowiadczalne
wykonane
zostay
na
specjalnym
bezwadnociowym stanowisku hamulcowym do badania par ciernych hamulców
pojazdów szynowych zlokalizowanego w Instytucie Kolejnictwa. Stanowisko ma
homologacj UIC (Midzynarodowego Zwizku Kolei) dla uniwersalnych stanowisk
hamulcowych kategorii D do prdkoci maksymalnej 350 km/h. Wykorzystywane jest ono
do testów homologacyjnych wg kart UIC 510-5, UIC 541-3 i UIC 541-4, które dotycz
bada par ciernych ukadów hamulców pojazdów szynowych. Konstrukcja stanowiska
umoliwia badanie par ciernych hamulców pneumatycznych kolejowych pojazdów
szynowych do wagonów pasaerskich, towarowych, pocigów zespolonych duych
prdkoci, zespoów trakcyjnych, lokomotyw i autobusów szynowych w naturalnej
wielkoci odpowiadajcej warunkom rzeczywistym. Na tym stanowisku mona
przeprowadzi symulacj prdkoci jazdy pojazdu szynowego do 420 km/h przy kole
o rednicy 890 mm. Zmieniajc rednic koa na wysz od 890 mm, prdkoci liniowe
pojazdu mog by znacznie wysze. W 2009 roku wykonywano testy hamowania na tym
stanowisku z uyciem tarczy hamulcowej montowanej na osi z prdkoci Vmax=500 km/h.
Zakres bada oprócz par ciernych hamulca tarczowego obejmuje badania z wstawkami
kompozytowymi typu K, L i LL.
Przez specjalnie zmodyfikowany ukad zamocowania i wywierania siy na wstawk
hamulcow mona byo przeprowadzi badania systemu hamowania jednowstawkowego.
Taki system jest uywany take do zastosowa czyszczcych wstawek hamujcych.
Parametry techniczne bezwadnociowego stanowiska badawczego przedstawiono
w tablicy nr 1.
282
Robert Konowrocki, Jacek Kukulski, Sawomir Walczak, Witold Groll
Rys. 2. Stacjonarne stanowisko badawcze widok ogólny i na mechaniczne
masy zamachowe [Fot. J. Kukulski]
Rys. 3. Kabina badawcza stanowiska z rónymi obiektami bada [Fot. J. Kukulski]
Tablica 1
Parametry techniczne stanowiska badawczego
L. P.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Parametr
zakres prdkoci pojazdu (dla koa ‡ 890 mm)
maksymalna prdko obrotowa
moc silnika napdowego przy 1150 obr./min
moment obrotowy w zakresie do 1150 obr./min.
maksymalny moment hamowania:
- hamowanie do zatrzymania
- hamowanie cige
Zakres momentów bezwadnoci mas z elektryczn symulacj
Maksymalna symulowana masa przypadajca na par ciern
Zakres regulacji sumarycznej siy docisku szczk hamulcowych
Zakres pomiarowy temperatury tarczy hamulcowej (koa
jezdnego)
Warto
3,5 y 420 km/h
2500 obr./min.
536 kW
4450 Nm
3000 Nm
4450 Nm
150y3000 kgm2
15 t
0 y 100 kN
0 y 1000 [qC]
Dynamiczna wspópraca wstawki hamulcowej oczyszczajcej w pocigach duej prdkoci …
283
3. WARUNKI WYKONYWANIA BADA
Badania przeprowadzono na opisanym powyej stanowisku badawczym. Parametry
techniczne z jakim wykonywano badania dowiadczalne wspópracy wstawki hamulcowej
oczyszczajcej z koem przedstawiono w tablicy nr 2. Badania byy wykonywane dla koa
o rednicy 920 mm, ze wstawk zamocowan jednostronnie. Konfiguracja ta oparta bya
na rozwizaniach spotykanych w zespolonych pojazdach kolejowych przeznaczonych do
duych prdkoci. Przykadana sia hamowania bya dwustopniowa, podobnie jak
symulowana masa hamujca przypadajca na par ciern.
Tablica 2
Parametry przeprowadzonych bada
Nr
hamowania
Prdko pocztkowa
hamowania [km/h]
1
300/200
2
270/200
3
250/200
Sia hamowania [kN]
8/23
Masa hamujca
przypadajca na
wstawk [t]
2,5/4,0
W trakcie bada rejestrowano nastpujce parametry wymagane w kartach UIC m.in.:
- moment uzyskania 95% nominalnej cznej siy nacisku wstawek; - prdko ktow
i obrotow koa; - prdko liniow dla zadanej rednicy koa; - drog hamowania; - czas
hamowania; - cinienie w cylindrze hamulcowym; - czn si nacisku wstawki
hamulcowej; - moment hamujcy; - symulowan mas hamowania; - temperatury w trzech
punktach powierzchni tocznej koa i ich chwilow warto redni; - chwilowy
wspóczynnik tarcia; - prdko przepywu powietrza wentylujcego par ciern.
W oparciu o powysze parametry oraz parametry zadane (tablica 2) (prdko liniowa,
rednica koa i czna sia nacisku wstawki) obliczone zostay wielkoci wykorzystane do
analizy wyników bada. Ze wzgldu na ograniczone miejsce w artykule zaprezentowano
tylko kilka wybranych wyników bada w rozdziale nr 4. W trakcie bada rejestrowano
take przemieszczenia osiowe piasty i wieca koa oraz wstawki hamulcowej (Rys. 4 a).
W tym celu uyto laserowych czujników odlegoci. Mierzono równie wartoci
przyspiesze wstawki hamulcowej w 3 kierunkach (Rys. 4 b) oraz przyspieszenia korpusu
wau napdzajcego hamowane koo. W tym celu uyto czujników przyspiesze
i laserowych czujników przemieszczenia o wysokiej rozdzielczoci i duej czstotliwoci
próbkowania. Specyfikacj sprztu pomiarowego zamieszczono w tablicy nr 3.
284
Robert Konowrocki, Jacek Kukulski, Sawomir Walczak, Witold Groll
a)
b)
Rys. 4. Czujniki pomiarowe zamontowane na stanowisku badawczym i obiekcie badanym
Rys. 5. Stykowa metoda pomiaru temperatury powierzchni tocznej koa kolejowego
Tablica 3
Parametry czujników pomiarowych uytych w badaniach
L. P.
Typ
Opis parametrów
1.
3 piezoelektryczne czujniki przyspiesze
A200-02, A200-04, A200-10
- zakres pomiarowy do 200 g,
- czuo: 0.5 mV/g
- zakres pomiarowy: 200 g
- zakres czstotliwoci: 0 – 10 kHz
- bd nieliniowoci i histerezy: 0,5 %
- bd funkcji przenoszenia: 0,2 dB
- zakres: 0.1Hz – 8.4kHz ,
- czuo: 31 pC/g
- zakres pomiarowy 0-10 mm
- rozdzielczoci 0.5 μmi
-czstotliwoci próbkowania 2,5 kHz.
2.
wzmacniacz pomiarowy ESAM TRAVELLER
3.
piezoelektryczny czujnik przyspiesze
B&K typu 4371
4.
laserowy czujnik przemieszczenia
ILD 100-10
Dla tak dobranej aparatury pomiarowej niepewno rozszerzona pomiaru przyspiesze
wynosi: 4,2 %.
Dynamiczna wspópraca wstawki hamulcowej oczyszczajcej w pocigach duej prdkoci …
285
4. WYNIKI BADA
W rozdziale 4 zaprezentowano wybrane wyniki pomiarów zarejestrowanych podczas
bada wstawki czyszczcej. Rys. 6 przedstawia przebieg zmiany redniej temperatury
powierzchni tocznej koa podczas hamowania mierzony trzema termoparami lizgowymi
(Rys. 5) w funkcji prdkoci liniowej koa. Naley zauway, e najwikszy wzrost
temperatury wystpuje po stronie powierzchni tocznej najbardziej oddalonej od obrzea
koa. Wynika to z faktu, e w tym miejscu dyssypacja ciepa ze wzgldu na mniejsz ilo
materiau oraz mniejsz powierzchnie boczn wieca (bez obrzea) jest ograniczona.
Rys. 6. Temperatury powierzchni tocznej koa przy hamowaniu z 270 i 300 km/h
Rys. 7. Sia nacisku wstawki i rednia temperatura powierzchni koa
w funkcji prdkoci przy hamowaniu badawczym z V=270 km/h i V=300 km/h
Kolejne wykresy (Rys. 7) przedstawiaj przyrost redniej temperatury powierzchni
tocznej koa i dwustopniowej siy docisku wstawki do powierzchni tocznej koa przy
hamowaniu
z dwóch prdkoci. Sia docisku zmienia swoj warto z 8 na 23 kN w obu przypadkach
przy prdkoci 200 km/h. Hamowanie z wyszej prdkoci wywoao wzrost temperatury
powierzchni tocznej o 25% przy prdkoci 200 km/h i o 12% po cakowitym zatrzymaniu.
286
Robert Konowrocki, Jacek Kukulski, Sawomir Walczak, Witold Groll
Chwilowy wspóczynniki tarcia przedstawiony na rysunku 8 okrelono w kadej chwili
hamowania jako stosunek cakowitej sia stycznej hamowania Ft do cakowitej siy
w kontakcie Fb (sia nacisku wstawki) z zalenoci (1)
ߤ௔ ൌ
ி೟
ி್
(1)
Rys. 8. Przebieg chwilowego wspóczynnika tarcia w funkcji prdkoci przy hamowaniu
z V=300 km/h przy siach nacisku wstawki F=8/23 kN
Widoczne na wykresie wspóczynnika tarcia (Rys. 8) przy staej sile docisku 23 kN
zaburzenia jego wartoci dla 75 i 150 km/h, wynikaj z drga wstawki oczyszczajcej.
Rysunek 9 ilustruje przyspieszenia w kierunku obwodowym (stycznym do strefy kontaktu)
oraz w kierunku bocznym (równolegym do osi koa) zarejestrowane na badanej wstawce.
Widoczny jest wzrost drga w kierunku stycznym przy prdkociach 20, 75, 150 i 200
km/h. Zwikszenie wartoci przyspieszenia w kierunku stycznym przy prdkoi 200 km/h
wywoane jest zmian nacisku z 8 na 23 kN. Drgania przy 75 i 150 km/h mog by
wywoane konstrukcj jednostronnego ukadu wywierania siy naciku na wstawk
oczyszczajc. Tego typu przebiegi nie wystepoway podczas zastosowania ukadu
hamulcowego z dwiema wstawkami.
Dynamiczna wspópraca wstawki hamulcowej oczyszczajcej w pocigach duej prdkoci …
287
Rys. 9. Wartoci przypieszenia wstawki przy hamowaniu z 300 km/h
redni wspóczynnik tarcia Pm, okrelono przez cakowanie chwilowego wspóczynnika
tarcia od osignicia 95% nominalnej siy nacisku Fb na drodze hamowania L. Prezentuje
to równanie (2)
.
(2)
Badana wstawka charakteryzowaa si rednim wspóczynnikiem tarcia o rónych
wartociach w zalenosci od prdkoci z jakiej rozpoczto proces hamowania. Wartoci
wspóczynnika tarcia oraz maksymalne temperatury powierzchni tocznej koa
zarejestrowane podczas hamowania z trzech prdkoci pocztkowych zamieszczono
w tablicy 4. Hamowanie z duych prdko wywouje obnienie redniego wspóczynnika
tarcia odpowiadajcego procesowi hamowania do zatrzymania.
Tablica 4
rednie wartoci wspóczynnika tarcia wstawki oczyszczajcej
L. p.
1
2
3
Prdko pocztkowa
hamowania [km/h]
300
270
250
Wspóczynnik
tarcia
0.219
0.221
0.230
Maksymalna
temperatura [°C]
350
320
296
Naley zaznaczy, e wasnoci tribologiczne nie byy gównym przedmiotem
prowadzonych bada. Take w normalnej eksploatacji analizowana wstawka nie peni
funkcji hamujcych pojazd kolejowy, a jedynie suy w celu oczyszczania powierzchni
tocznej koa na zestawach napdnych z rónego rodzaju nieczystoci, które w trakcie
288
Robert Konowrocki, Jacek Kukulski, Sawomir Walczak, Witold Groll
eksploatacji mog przykleja si do kó z toków szynowych. Gównym celem bada byo
okrelenie relacji generowania drga we wstawce hamulcowej ze zmian wspóczynnika
tarcia przy hamowaniu z duych prdkociach. Otrzymane wyniki posu w dalszym
etapie bada do budowy modelu numerycznego rozpatrywanego ukadu hamulcowego
i jego teoretycznych analiz.
5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
W pracy zaprezentowano wyniki bada wspópracy oczyszczajcej wstawki
hamulcowej, wykonane na stacjonarnym stanowisku eksperymentalnym. Na podstawie
przeprowadzonych analiz i bada eksperymentalnych zaobserwowano, e wstawka
oczyszczajca montowana w pojazdach duych prdkoci przy prdkoci hamowania
z rónych prdkoci pocztkowych cechuje si rónym rednim wspóczynnikiem tarcia.
Jego warto zaley od prdkoci pocztkowej hamowania. Takie obserwacje potwierdzaj
prace innych badaczy [2 i 6]. Wywoane jest to wzrostem temperatury
w strefie kontaktu wstawka-koo. Zarejestrowano take nierównomierny rozkad
temperatur na powierzchni tocznej koa. Z analizy wyników pomiarowych wida
charakterystyczne przedziay prdkoci, przy których wzrastaj drga w kierunku
stycznym do powierzchni strefy kontaktu wstawki oczyszczajcej z koem. Zaburzenie to
potwierdzi take przebieg wspóczynnika tarcia, wyznaczony niezalen od pomiaru
drga metod.
Ze wzgldu na pojawienie si dominujcych drga przy okrelonych prdkociach koa,
w dalszym etapie pracy przewidziano budow modelu numerycznego. Model ten pozwoli
na teoretyczne okrelenie przyczyn wzrostu drga.
Bibliografia
1. Ostermeyer, G. P. Dynamic Friction Laws and their Impact on Friction Induced Vibrations, SAE (2010)
2010-01-1717.
2. Kim L. Dynamometer Tests of Brake Shoes under Wet Conditions for the High Speed Trains.
International Journal of Systems Applications, Engineering & Development, Issue 2, Volume 5, 2011.
3. Konowrocki R., Bogacz R. Numerical analysis of vibration in a brake system for high speed
train. Vibrations In Physical Systems, Editors: Cz. Cempel, M. W. Dobry, Pozna 2012, Vol. XXV: 235240 ISBN 978-83-89333-43-8.
4. Konowrocki R., Bogacz R., Jacek Kukulski, Sawomir Walczak. Drgania w ukadach hamulcowych kolei
duych prdkoci –badania eksperymentalne i numeryczne. XX Midzynarodowa Konferencja
Naukowa „Pojazdy Szynowe 2012” (mat. konferencyjne na CD).
5. Kim M. Vibration Analysis of Tread Brake Block in the Brake Dynamometer for the High Speed Train.
International Journal of Systems Applications, Engineering & Development Issue 1, Volume 5, 2011.
6. Kim M. Development of the Braking Performance Evaluation Technology for High-speed Brake
Dynamometer. International Journal of Systems Applications, Engineering & Development Issue 1 Issue
1, Volume 6, 2012.
7. PrEN 16452 Railway applications - Braking - Brake blocks.
Dynamiczna wspópraca wstawki hamulcowej oczyszczajcej w pocigach duej prdkoci …
289
DYNAMIC INTERACTION OF CLEANSING BRAKE INSERT FOR HIGH SPEED
TRAIN - EXPERIMENTAL INVESTIGATION
Summary: Paper is devoted experimental studies of the dynamics of cleansing brake insert. The test system
is used in high-speed railway vehicles. In this case, the single brake insert during contact with the surface of
the wheel tread removes any elements that as a result adhesion stick to the rolling surface of wheels. Foreign
objects glued to the wheel tread affected the accelerated wear of wheel sets, as well as be able to damage the
rail track. As a result of installing such a system during the braking process, which is a temporary
phenomenon, there are variables vibrations induced by friction interaction of brake insert with railway wheel.
In the paper presented results of experimental studies carried out on a real high-speed brake system.
Keywords: railway high-speed braking, self-excited vibrations, friction