Analiza zmian wartości temperatury hamulców naczep ciągników siodłowych

Transkrypt

1 SZEWS Maciej 1 KNOPIK Leszek 2 PERCZYŃSKI Daniel 2 PESZYŃSKI Kazimierz 2 Analiza zmian wartości temperatury hamulców naczep ciągników siodłowych WSTĘP Zadaniem układu hamulcowego naczep ciągników siodłowych jest wytworzenie na kołach jezdnych momentów hamujących, umożliwiających w sposób kontrolowany przez kierowcę zmniejszanie prędkości jazdy, jak również unieruchomienie zestawu na postoju. Samochodowy układ hamulcowy przeważnie zbudowany jest z pełnej lub wentylowanej tarczy hamulcowej i klocków. W systemach tych tarcze hamulcowe wykonane są ze stali lub żeliwa szarego i współpracują podczas procesu hamowania z organiczno-kompozytowymi klockami hamulcowymi co ma zapewnić stosunkowo wysoką i stabilną wartość współczynnika tarcia, wskaźnik niskiego zużycia i cichość podczas pracy [3]. Praca układów hamulcowych w pojazdach samochodowych podczas ich eksploatacji wykazuje powstawanie stanów pracy określanych jako nieprawidłowe. Nieprawidłowość określana jest np. jako blokowanie koła, powstawanie różnicy siły hamowania na osi większej niż 30%, zbyt małej siły hamowania koła w stosunku do masy przypadającej na badany układ a w skrajnych przypadkach braku siły hamowania. W procesie hamowania pojazdu energia kinetyczna pojazdu samochodowego zamieniana jest na ciepło, które powstaje w układzie hamulcowym (tarcza hamulcowa klocek lub bęben hamulcowy i okładzina cierna). Wydaje się, że ten sygnał diagnostyczny może dostarczyć potrzebnych informacji o skuteczności hamowania wybranego węzła ciernego. Analiza wartości temperatury par ciernych naczep ciągników siodłowych może być metodą pozwalającą na dynamiczne określanie stanów awaryjnych układu hamulcowego. 1 OBIEKT I PRZEDMIOT BADAŃ Obiektem, na którym zrealizowano wstępne badania eksploatacyjne jest ciągnik siodłowy Iveco Stralis AS440S50 T/P z trójosiową naczepą K.SCS M / / 27. Samochód ten został wyposażony w hamulce tarczowe firmy KNORR przedstawione na rys. 1. Przedmiotem badań jest ocena skuteczności hamowania poszczególnych węzłów ciernych na podstawie analizy wartości temperatury w bezpośrednim otoczeniu hamulca pojazdu samochodowego. Zacisk hamulcowy firmy Knorr o nazwie własnej SB7 jest przeznaczony do kół 22,5. Konstrukcyjnie nie różni się od zacisków przeznaczonych dla kół o mniejszych wymiarach SB6 dla 19,5 i SB5 dla 17,5. Zasada działanie oparta jest o równowagę sił działających na ułożyskowaną dźwignię od sprężyny oraz siłownika pneumatycznego. Siłownik pneumatyczny przeciwdziałając sile sprężyny zwalnia hamulec. Wciśniecie pedału hamulcowego powoduje zmniejszenie ciśnienia w komorze siłownika w wyniku czego sprężyna dociska klocki hamulcowe do tarczy. Jest to bardzo korzystne rozwiązanie w przypadku awarii, ponieważ np. przy zerwaniu przewodu ciśnieniowego powietrza sprężyna uruchamia hamulec. Opisane wyżej rozwiązanie może być również niekorzystne. W przypadku częściowego zmniejszania ciśnienia w siłowniku klocki są częściowe dociskane do tarczy hamulcowej powodując powstanie niepełnej siły hamującej i jednoczesne ogrzewanie się tarczy hamulcowej. 1 MAKTRONIK, Autoryzowany Servis IVECO, ul. Deszczowa 61, Bydgoszcz, tel.: ; office@maktronik.com.pl 2 Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Sterowania, al. Prof. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz, tel , perkol@utp.edu.pl 10336

2 Rys. 1. Widok zacisku hamulcowego firmy KNORR, 1 obudowa zacisku, 2 blokada klocków hamulcowych, 3 klocki hamulcowe 2 UKŁAD POMIAROWY W pracy do pomiaru i rejestracji wartości temperatury wykorzystano cyfrowy miernik temperatury oparty o mikrokontroler ATmega 32. Wyniki pomiarów rejestrowane były na karcie pamięci SD. Do pomiaru temperatury zastosowano cyfrowe czujniki temperatury z interfejsem 1-wire DS18B20 firmy Dallas Semiconductor. Układ pomiarowy pozwala na podłączenie wielu czujników za pomocą interfejsu 1-Wire (dwóch przewodów, linia danych i masa), co ułatwia proces podłączenia czujników zamontowanych na pojeździe do układu pomiarowego. Układ DS18B20 jest cyfrowym czujnikiem o programowalnej rozdzielczości. Jego podstawowe cechy to [2]: komunikacja za pomocą interfejsu 1-Wire, każdy odbiornik posiada unikalny 64 bitowy kod umieszczony w wewnętrznej pamięci ROM układu, maksymalnie uproszczony sposób odczytu temperatury, nie potrzebuje żadnych zewnętrznych komponentów, może być zasilany z linii danych, zasilanie od +3V do +5,5V, dokładność 0,5 o C dla zakresu -10 o C 85 o C, możliwość ustawienia rozdzielczości od 9 do 12 bitów, czas konwersji 12 bitowego słowa max. 750ms. Czujniki DS18B20 zamontowano (rys. 2.) w otoczeniu wszystkich sześciu węzłów ciernych naczepy w odległości 10mm od krawędzi zewnętrznej w połowie grubości tarczy hamulcowej

3 Przyjęto następujące kodowanie temperatur z poszczególnych kół naczepy: strona lewa wartości nieparzyste (1, 3, 5), natomiast dla strony prawej wartości parzyste (2, 4, 6)- rosnąco od strony ciągnika siodłowego. Dodatkowo rejestrowano również wartość temperatury otoczenia. Rys. 2. Widok zacisku hamulcowego badanego zestawu z zamontowanym czujnikiem temperatury 3 ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Badania wykonano w rzeczywistych warunkach eksploatacji zestawu bez ładunku na trasie liczącej ok. 40 km. Łącznie wykonano n=2241 pomiarów wartości temperatury dla każdego z siedmiu punktów pomiarowych. Rejestrację wartości temperatury wykonano w odstępach jednosekundowych z jednoczesną rejestracją okresu załączenia układu hamulcowego. Zmiany wartości temperatury w funkcji czasu opisuje proces stochastyczny. Realizacje tego procesu dla koła pierwszego (T1) i trzeciego (T3) (rys. 3) wykazują wyraźną niestacjonarność. Analiza realizacji przebiegu temperatury zmiennych losowych T1 i T3 wykazuje znaczne różnice między nimi. Z tego faktu można wnioskować o tym, że ocena sprawności hamulców na podstawie temperatury może dać zadawalające wyniki. Wzrost wartości amplitud realizacji procesu jest powodowany hamowaniem. Realizacja procesu dla koła trzeciego (T3) charakteryzuje się zdecydowanie niższymi temperaturami w porównaniu z realizacją dla koła pierwszego (T1). Realizacja procesu T3 posiada widoczny czynnik losowy

4 Rys. 3. Zależność wartości temperatury w funkcji czasu dla koła pierwszego (T1) i trzeciego (T3) Oba analizowane koła reagują w tym samym czasie na rozpoczęcie hamowania, jednak reakcja na hamowanie w kole T1 jest większa niż w kole T3. Temperatura w węzłach ciernych rośnie z pewnym opóźnieniem. Porównanie wartości średnich temperatury mierzonej podczas hamowania i bez hamowania pokazuje, że tylko dla koła czwartego temperatura (T4) bez hamowania i z hamowaniem nie różni się statystycznie istotnie. Dla pozostałych kół temperatura podczas hamowania jest niższa od temperatury z hamowaniem. Wynika to z faktu, że okres hamowania w analizowanym badaniu był stosunkowo krótki i efekt nagrzania hamulców wystąpił częściowo po hamowaniu. Wartości podstawowych statystyk dla temperatur zawiera tabela 1. W tabeli 1 podano dla temperatur bez hamowania i z hamowaniem wartości podstawowych statystyk: wartość średnia, odchylenie standardowe, współczynnik zmienności, wartość minimalna w próbie, wartość maksymalna w próbie, liczebność próby. W trzeciej, ostatniej części tabeli podano kolejno: wartość statystyki F-Snedecora (jest ona podstawą do porównania wariancji w obu próbach), wartość statystyki t-studenta (dla przypadku równych wariancji), liczba stopni swobody dla statystyki t-studenta. p-value oznacza poziom istotności obliczony na podstawie wartości statystki t-studenta i liczby stopni swobody, wartość zmodyfikowanej statystyki t-studenta dla nierównych wariancji, liczba stopni swobody dla zmodyfikowanej statystyki t-studenta, poziom istotności (p-value) obliczony na podstawie wartości zmodyfikowanej statystki t-studenta i liczby stopni swobody. W pracy analizuje się próby statystyczne o dużych liczebnościach, dlatego stosowanie testowania hipotezy o równości średnich statystyki t-studenta jest możliwe [1]. Wartości średnie temperatur T1, T2, T3 i T5 różnią się statystycznie istotnie, natomiast dla T4 i T6 można zaobserwować brak istotnych statystycznie różnic

5 Tab. 1. Wartości podstawowych statystyk dla temperatur z hamowaniem i bez hamowania oraz porównanie wartości średnich Bez hamowania T1 T2 T3 T4 T5 T6 Średnia 41,96 38,85 37,43 37,70 35,84 37,53 Odchylenie standardowe 5,57 4,50 3,91 4,41 3,27 4,05 Współczynnik zmienności 0,13 0,12 0,10 0,12 0,09 0,11 Min 32,2 31, ,2 29,4 30,6 Max 51,5 46,6 44,3 45,5 41,9 45 Liczność Z hamowaniem T1 T2 T3 T4 T5 T6 Średnia 39,62 37,19 35,55 36,37 34,27 36,28 Odchylenie standardowe 5,41 4,34 3,66 4,20 3,03 3,88 Współczynnik zmienności 0,14 0,12 0,10 0,12 0,09 0,11 Min 32,3 31,5 31,3 30,4 30,8 30,7 Max 49,5 45,6 41,7 44,4 38,9 43,8 Liczność FSNED 1,06 1,08 1,14 1,10 1,17 1,09 TSTUD 2,61 2,28 2,97 1,86 2,98 1,91 DF P-VALUE 0,0091 0,0226 0,0030 0,0625 0,0029 0,0563 TSTUDM 2,68 2,36 3,17 1,95 3,22 1,99 DF(ZM) P-VALUE 0,0106 0,0231 0,0030 0,0582 0,0026 0,0537 Temperatury w analizowanych kołach są realizacjami zmiennych losowych silnie skorelowanych. Fakt ten potwierdza macierz współczynników korelacji zamieszczona w tabeli 2. Wszystkie współczynniki korelacji są istotne statystycznie. Tab. 2. Macierz korelacji dla zmiennej losowej (T1, T2, T3, T4, T5, T6) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T1 1 T2 0, T3 0,9803 0, T4 0,9959 0,9967 0, T5 0,9481 0,9459 0,9887 0, T6 0,9966 0,9978 0,9770 0,9992 0, Analiza tabeli 2 pokazuje, że największe współczynniki korelacji zaobserwowano dla par (T1, T2), (T1, T4), (T1, T6), (T2, T4), (T2, T6), (T4, T6). Temperatura dla kół T1, T2, T4 i T6 zawiera w porównaniu z pozostałymi kołami stosunkowo mało czynnika losowego. W celu potwierdzenia tego przypuszczenia dla przebiegów temperatur wyznaczono funkcję trendu. Odejmując od wartości temperatury, wartość funkcji trendu otrzymuje się wartość składnika losowego. Przykładowy przebieg składnika losowego dla temperatur węzłów ciernych T1 i T3 ilustruje rysunek

6 Rys. 4. Przebieg składnika losowego dla temperatur zmiennych losowych T1 i T3 Odchylenie standardowe zmiennej losowej T1 jest równe s 1 = 0.156, natomiast T3, s 3 = Fakt ten jest widoczny na rysunku 3. Analiza zmian wartości składników losowych przedstawionych na rysunku 4 sugeruje, że składnik losowy nie jest realizacją szumu białego. Fakt ten potwierdza wykres gęstości widmowej umieszczony na rysunku 5. Rys. 5. Gęstość widmowa dla składnika losowego T1 WNIOSKI Analiza statystyczna zmian temperatury w funkcji czasu mierzona jednocześnie w otoczeniu sześciu węzłów ciernych naczepy wykazuje istotne różnice między poszczególnymi punktami pomiarowymi. Spostrzeżenie to jest podstawą do stwierdzenia, że proponowana metoda diagnozowania skuteczności działania hamulców może być podstawą do zbudowania układu diagnostycznego stanu zdatności układu hamulcowego. W pracy zmiany wartości temperatury w funkcji czasu traktuje się jako proces stochastyczny, natomiast zmiany temperatury dla danego węzła ciernego stanowią realizację tego procesu

7 Macierz korelacji wyznaczona dla wektora (T1, T2, T3,, T6) pokazuje, że wszystkie korelacje są silnie istotne statystycznie. Jednak dla różnych par (Ti, Tj) wartości współczynników korelacji różnią się. Problem diagnozowania układu hamulcowego ma nie tylko znaczenie techniczne (poprawa bezpieczeństwa jazdy), ale również istotne znaczenie ekonomiczne. Ruch wieloosiowego pojazdu samochodowego przy wadliwie działającym jednym układzie ciernym (częściowo zablokowany hamulec lub niedziałający element układu) rozpoznawany jest dopiero na podstawie zwiększonego zużycia paliwa lub podczas wykonywanego raz na 12 m-cy badania technicznego. Wcześniejsza identyfikacja tego problemu może w sposób istotny poprawić bezpieczeństwo wszystkich uczestników ruchu drogowego i może przynieść wymierne korzyści ekonomiczne. Pomiar temperatury otoczenia węzła ciernego pozwoli także wykryć awarię polegającą na nie załączeniu się zacisku hamulca podczas hamowania, co objawiać się będzie niższą temperaturą określonego węzła ciernego w porównaniu z pozostałymi węzłami. Streszczenie W artykule przedstawiono analizę zmian wartości temperatury układu hamulcowego na podstawie pomiaru temperatury w otoczeniu elementu wykonawczego układu hamulcowego. Badania wstępne zrealizowano na ciągniku siodłowym Iveco Stralis AS440S50 T/P z trójosiową naczepą K.SCS M / / 27 wyposażonych w hamulce tarczowe firmy KNORR. Badania wykonano w rzeczywistych warunkach eksploatacji zestawu bez ładunku na trasie liczącej ok. 40 km. Łącznie wykonano n=2241 pomiarów wartości temperatury dla każdego z siedmiu punktów pomiarowych. Rejestrację wartości temperatury wykonano w odstępach jednosekundowych z jednoczesną rejestracją okresu załączenia układu hamulcowego Do rejestracji wartości temperatury zastosowano cyfrowy miernik temperatury oparty o mikrokontroler ATmega32 z cyfrowymi czujnikami DS18B20 z interfejsem 1-wire. Analiza statystyczna zmian temperatury w funkcji czasu mierzona jednocześnie w otoczeniu sześciu węzłów ciernych naczepy wykazuje istotne różnice między poszczególnymi punktami pomiarowymi. Spostrzeżenie to może być podstawą do oceny skuteczności hamowania poszczególnych węzłów ciernych naczepy. The temperature changes analysis of the semi-trailer brakes of a road tractor Abstract The paper demonstrates the temperature changes analysis of braking system based on the temperature measurements surrounded by an actuator of braking system. Preliminary tests were conducted on AS440S50 T/P road tractor with K.SCS M / / 27 triaxial trailer, which was equipped with KNORR Disc Brakes. The field tests of the set were carried out without the load on the route approx. 40 km. Total n=2241 measurements of the temperature were performed for each of the seven sampling points. The temperature was recorded in one second intervals with simultaneous record of period of braking system switch. The digital temperature meter was used for the temperature measurements, based on ATmega32 microcontroller with DS18B20 digital sensors with 1-wire interface. Statistical analysis of the temperature changes as a function of time measured simultaneously in surrounding of the six friction nodes of a trailer shows significant differences between the data points. This observation can be the basis for evaluation of braking performance of each trailer friction nodes. BIBLIOGRAFIA 1. Bendat, J.S., Piersol A.G., Metody analizy i pomiaru sygnałów losowych. PWN, Warszawa DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer, dokumentacja techniczna, [Online] /DS18B2 0.html. 3. Gąsowski W., Kaluba M., Trybologiczne badanie okładzin ciernych hamulca tarczowego pojazdów szynowych. Pojazdy Szynowe nr 1.,