Rys. 1. Zjawiska termo-vibro-mechaniczne występujące w czasie hamowania,

Transkrypt

1 Projekt pt: Identyfikacja i modelowanie zjawisk nieliniowych w strefie kontaktu okładziny ciernej z tarczą hamulcową pojazdu szynowego w aspekcie ustabilizowania chwilowego współczynnika tarcia 1. Cel projektu Celem naukowym projektu jest identyfikacja i modelowanie najważniejszych zjawisk nieliniowych zachodzących w strefie kontaktu okładziny z tarczą hamulcową (rys. 1). Rys. 1. Zjawiska termo-vibro-mechaniczne występujące w czasie hamowania, Aby powyższy cel osiągnąć, konieczna jest realizacja innowacyjnych zadań badawczych, obejmujących szczegółową, eksperymentalną i numeryczną analizę geometrii profili powierzchni ciernej tarczy hamulcowej jako elementu oczyszczającego okładziny cierne z obecności produktów zużycia wytwarzających dodatkową cienką warstwę przyklejoną w różnych miejscach okładziny ciernej. Cel postawiony w projekcie jest próbą poznania zjawisk jakie występują w strefie kontaktu okładziny z tarczą hamulcową w czasie hamowania z obecnością dodatkowej warstwy przypowierzchniowej na okładzinie powodującej dodatkowy poślizg oraz nierównomierny rozkład nacisków na tarczy hamulcowej, co do tej pory nie było dogłębnie analizowane w literaturze o tematyce hamulcowej. Celem utylitarnym (praktycznym) projektu jest opracowanie optymalnego profilu powierzchni ciernej tarczy hamulcowej dla pojazdów szynowych, uwzględniając kryterium bezpieczeństwa w czasie hamowania oraz zużycia elementów pary ciernej w okresie eksploatacji. Dla optymalizacji założono następujące funkcje celu: 1

2 Ustabilizowanie chwilowego współczynnika tarcia między okładziną a tarczą hamulcową w czasie hamowania, Poprawa oraz uzyskanie równomiernego rozkładu nacisków na tarczy hamulcowej, co dodatkowo zbieżne będzie z uzyskaniem równomiernego rozkładu temperatury na tarczy hamulcowej oraz na powierzchni okładziny, Zmniejszenie naprężeń w materiale tarczy hamulcowej co powinno skutkować ograniczeniem powstawania mikropęknięć na powierzchni ciernej tarczy. W dalszych konsekwencjach opóźnienie w pojawieniu się siatki mikropęknięć na powierzchni tarczy wydłuży jej żywotność Aktualny stan wiedzy - istniejące rozwiązania technologiczne wykorzystywane w praktyce, w Polsce i za granicą Ze względu na coraz większe prędkości jazdy pociągów pasażerskich i towarowych hamulec tarczowy jest zasadniczym urządzeniem hamulcowym odpowiedzialnym za zatrzymanie pojazdu na możliwie najkrótszej drodze hamowania. Niestety w niektórych sytuacjach wartości chwilowe współczynnika tarcia mogą zmieniać się istotnie w całym procesie hamowania, co wynika ze zjawisk jakie występują w kontakcie okładziny z tarczą hamulcową. Na obniżenie współczynnika tarcia, szczególnie przy hamowaniach z dużych prędkości (powyżej 160km/h) mogą mieć wpływ zarówno procesy termiczne oraz zjawisko powstawania warstwy trzeciej w styku okładziny z tarczą otrzymanej z produktów zużycia pary ciernej, opisane w pracach [5, 7, 8]. Dłuższe czasy hamowania powodują, że ze względu na trudności w odprowadzeniu zużytego materiału ciernego, na styku tarczy i okładziny powstaje dodatkowa warstwa zwiększająca poślizg okładziny względem tarczy hamulcowej, co zostało przedstawione w pracach [14, 26]. Badania współczynnika tarcia mogą ułatwić dobór pary ciernej, nie powodujące jego zmian w procesie eksploatacji bez przekroczenia dolnej odchyłki średniego współczynnika tarcia. Może mieć to istotny wpływ na bezpieczeństwo jazdy pociągu. Ze strony producentów okładzin ciernych problem jest rozwiązywany, poprzez dobór mieszaniny składników do produkcji okładzin co następnie skutkuje długotrwałymi próbami na stanowiskach hamulcowych symulującymi różne warunki pracy hamulca zgodnie z programami badawczymi zawartymi w UIC w celu określenia głównych charakterystyk ciernych badanego materiału ciernego. Para cierna powinna być tak dobrana, aby uzyskać w miarę możliwości stały przebieg współczynnika tarcia w funkcji prędkości o wartości średniej 0,35 [9, 16]. Jednak w niekorzystnych warunkach atmosferycznych (duża wilgotność i niskie temperatury) wartość współczynnika tarcia może obniżyć się nawet o około 20-30% [27, 28]. Okładzina hamulcowa ma za zadanie wyrównanie rozkładu rzeczywistych nacisków jednostkowych na powierzchni styku z tarczą hamulcową oraz polepszenie warunków odprowadzenia ciepła a tym samym obniżenie temperatury. Pracy pary ciernej towarzyszą bardzo wysokie (średnie) temperatury dochodzące nawet do C a jednocześnie znaczne obciążenia cieplne elementów pary ciernej. Przyczynia się to do zakłócenia prawidłowego przebiegu procesu hamowania pociągu powodując takie ujemne skutki jak odkształcanie tarczy i rozkład tworzywa wykładziny ciernej. Pierwszy sposobem obniżenia temperatury jest stosowanie okładzin ze specjalnie ukształtowanymi rowkami dylatacyjnymi lub otworami, przez które następuje przepływ powietrza "odprowadzający" część ciepła powstałego podczas hamowania. Rowki te umożliwiają dodatkowo lepszy rozkład nacisków okładziny na tarczę hamulcową oraz pomagają w odprowadzeniu produktów zużycia [24]. Wybrani producenci okładzin ciernych do hamulca tarczowego pojazdów szynowych również w swojej ofercie posiadają okładziny dzielone, które zapewniają lepszą współpracę z tarczą hamulcową. Wynikało to z doświadczenia zdobytego podczas eksploatacji standardowych okładzin ze spieku 2

3 metalicznego, co przyczyniło się do opracowania przez firmę Knorr-Bremse nowego rozwiązania okładziny, całkowicie pozbawionej wad już istniejących rozwiązań wstawek ciernych [29]. Nowa okładzina hamulcowa znana jako ISOBAR, również wykonana jest ze spieku metalicznego jednak różni się tym od wcześniejszych rozwiązań, że każda powierzchnia tarcia wstawki stanowi osobny element mocowany w specjalnie ukształtowanej "elastycznej" szczęce hamulcowej. Takie rozwiązanie zapewnia równomierne rozłożenie nacisków wszystkich elementów ciernych na tarczy przez cały okres eksploatacji okładziny. Zalety okładziny ISOBAR to m.in. poprawa skuteczności hamulca tarczowego, ze względu na stały i równomierny rozkład nacisków wszystkich elementów ciernych na tarczy hamulcowej, przez cały okres eksploatacji, obniżenie temperatury tarczy hamulcowej o 25 30%, co wyeliminowało powstawanie "gorących" obszarów (hot spots) i formowaniem się wybrzuszeń materiału tarczy [12]. Inne zalety stosowania okładzin dzielonych to redukcja hałasu powodowanego przez hamulec tarczowy oraz możliwość obniżenia kosztów eksploatacji, przez wymianę tylko zużytych (indywidualnych) elementów ciernych okładziny. Ze względu na znaczący koszt oraz złożoność, okładzina typu ISOBAR jest rzadko stosowana, zagraniczni przewoźnicy najczęściej wykorzystują ją jedynie do lokomotyw pasażerskich kursujących z prędkościami powyżej 200km/h. 2. Charakterystyka problemu W hamulcu tarczowym stosuje się dwa rodzaje materiałów na okładziny cierne, są to szeroko rozumiane tworzywa sztuczne oraz spieki metaliczne. Tworzywa organiczne stosowane na okładziny cierne cechują się takimi zaletami jak [3] stabilnym przebiegiem współczynnika tarcia w funkcji prędkości jazdy, co gwarantuje równą wartość opóźnienia podczas całego przebiegu hamowania. Jednakże, okładziny tego typu wykazują pewne wady, w czasie hamowania utrzymują stały rozkład nacisków na tarczy hamulcowej tak długo jak ich wartość twardości oraz moduły elastyczności (ściskania) będą utrzymane poniżej pewnej wartości dopuszczalnej. Okładzina z tworzywa organicznego zachowuje swoje własności mechaniczne, fizykalne oraz cierno-techniczne, do średniej temperatury 400 C. Po przekroczeniu tej wartości następuje przyspieszone zużycie, a na powierzchni okładziny pojawiają się wykruszenia, których cześć jest usuwana a cześć przyklejana jest do powierzchni okładziny jako mieszanina z produktami zużycia materiału tarczy hamulcowej. Obecność warstwy trzeciej na powierzchni okładziny ciernej dowodzą zdjęcia przedstawione na rysunki 2, zrobione w czasie badań stanowiskowych kolejowego hamulca tarczowego w Instytucie Pojazdów Szynowych TABOR w Poznaniu. Rys. 2. Widok okładzin ciernych przypadających na jedną tarczę hamulcową z widoczną warstwą trzecią po hamowaniu na stanowisku hamulcowym IPS TABOR w Poznaniu: a) z naciskiem okładziny do tarczy N=28kN i symulowaną masą do wyhamowania M=7,5t na jedną tarczę, b) z naciskiem okładziny do tarczy N=44kN i symulowaną masą do wyhamowania M=7,5t na jedną tarczę, 3

4 Nierównomierny docisk okładziny do tarczy spowodowany występowaniem w różnych obszarach okładziny przyklejonej warstwy produktów zużycia okładziny i tarczy, może mieć również wpływ na zmienną wartość chwilowego współczynnika tarcia między tarczą a okładzina cierną w czasie hamowania. Wówczas na przebiegach czasowych chwilowego współczynnika tarcia obserwuje się lokalne obniżenie jego wartości, co przedstawia rysunek 3. Rys. 3. Przebieg chwilowego współczynnika tarcia zbadany na stanowisku hamulcowym IPS TABOR w Poznaniu, przy hamowaniu z : a) naciskiem okładziny do tarczy N=28kN i symulowaną masą do wyhamowania M=7,5t na jedną tarczę, b) naciskiem okładziny do tarczy N=44kN i symulowaną masą do wyhamowania M=7,5t na jedną tarczę, Oczywiście wykresy przedstawione na rysunku 3 dotyczą tylko jednego przypadku hamowania z zadanej prędkości początku hamowania z zadanym naciskiem okładziny do tarczy oraz symulowanej masie do wyhamowania. Nie można zatem na ich podstawie wnioskować o całości zjawisk między okładziną a tarczą hamulcową. Z wstępnych badań, przeprowadzonych przez autorów tego projektu oraz na podstawie [2, 27] wynika, że zjawisko powstawania dodatkowej warstwy pod okładziną nie jest ciągłe w czasie. Po przekroczeniu wytrzymałości nagromadzonego materiału w czasie hamowania dochodzi do zerwania wspomnianej warstwy materiału trzeciego. Następnie zjawisko cyklicznie jest powtarzane. W wyniku samooczyszczenia powierzchni pary ciernej tarcza-okładzina, dochodzi do przyrostu współczynnika tarcia. Rys. 4. Termogramy z badań stanowiskowych: a) rozkład temperatury na tarczy na początku hamowania, b) temperatury na tarczy po 20 s hamowania, c) temperatura na tarczy w chwili zatrzymania, d) rozkład temperatury na okładzinach ciernych 4

5 Nierównomierność rozkładu nacisków okładziny do tarczy hamulcowej, dodatkowo dowodzą przeprowadzone równolegle z badaniami ciernymi na stanowisku hamulcowym badania termowizyjne. Na rysunku 4 przedstawiono rozkład średniej temperatury na 4-ech okładzinach ciernych przypadających na jedną tarcze hamulcową (rys.4d)) oraz obrazy termowizyjny tarczy w różnych momentach hamowania (rys. 4a), b) i c)). Można zaobserwować, że w miejscu występowania warstwy trzeciej na okładzinie występują obszary o wyższej temperaturze względem pozostałych obszarów okładziny. Dlatego istotne jest utrzymanie równomiernego rozkładu nacisków okładziny na powierzchni tarczy. Wtedy cała energia powstała w wyniku tarcia okładziny o tarczę, w postaci ciepła jest jednakowo rozpraszana w całej masie tarczy hamulcowej. W przeciwnym wypadku na powierzchni tarcia powstaną naprężenia, które dodatkowo przyczyniają się do powstawania pęknięć [1]. Bardziej odporne na działanie wysokich temperatur są okładziny wykonane ze spieków metalicznych, o większej twardości niż okładziny organiczne [25]. Duża twardość okładzin ze spieków metalicznych w stosunku do okładzin organicznych, pozwala na ukształtowanie oddzielnych powierzchni tarcia. Liczba oraz kształt tych powierzchni zależy od producenta okładzin hamulcowych a poprzedzona była wcześniejszymi badaniami. Głównie na liczbę indywidualnych powierzchni ciernych mają wpływ własności wytrzymałościowe spieku metalicznego oraz własności samooczyszczenia spieku. Dodatkową zaletą okładziny z odrębnymi powierzchniami tarcia jest równomierny i rozkład nacisków między tarczą hamulcową a okładziną. Rys. 5. Widok elementów hamulca tarczowego z pociągu TGV Duplex : a) okładzina ze spieku metalicznego, b) zestaw kołowy wózka Y237b [25] Jednak eksploatacja okładzin ciernych ze spieków metalicznych na przykładzie kolei francuskich SNCF na pociągach TGV wykazała, że problem występowania warstwy trzeciej na powierzchni okładziny również występuje, co przedstawia rysunek 5 [25]. Proponowany projekt skupia się na zjawiskach zachodzących w obszarze styku okładziny ciernej z tarczą hamulcową. W pojazdach szynowych właściwa współpraca pary ciernej wpływa istotnie na wahania chwilowego współczynnika tarcia co w konsekwencji powoduje wydłużenia drogi hamowania w szczególności podczas hamowań nagłych. Dodatkowo niestabilna praca hamulca tarczowego jest powodem powstawania drgań samowzbudnych, co autor projektu przedstawił w pracach [17-22] podczas prowadzonych zarówno badaniach stanowiskowych jak i eksploatacyjnych na wagonach z tarczowym układem hamulcowym. Wspomniane drgania z jednej strony wydłużają czas hamowania z drugiej strony pogarszają komfort jazdy w chwili włączenia hamulców. 5

6 Pierwsze symulacje komputerowe oraz badania wstępne dowodzą, że zmodyfikowany profil powierzchni ciernej tarczy hamulcowej przez odpowiednie ukształtowanie rowka (nacięcia) na tarczy wpływa na stabilizację chwilowego współczynnika tarcia, co przedstawia rysunek Informacje o projekcie Instytucja finansująca Jednostka realizująca projekt Kierownik projektu Miejsce realizacji projektu NCBiR w Warszawie Politechnika Poznańska dr inż. Wojciech Sawczuk Zakład Pojazdów Szynowych w Instytucie Silników Spalinowych i Transportu na Wydziale Maszyn Roboczych i Transportu Okres realizacji projektu Kwota dofinansowania zł Referencje: [1] Bagnoli F., Dolce F., Bernabei M.: Thermal fatigue cracks of fire fighting vehicles gray iron brake discs Engineering Failure Analysis 16 (2009) [2] Belhocine A., Bouchetara M.: Thermomechanical modelling of dry contacts in automotive disc brake. International Journal of Thermal Sciences 60 (2012) [3] Belhocine A., Bouchetara M.: Thermal analysis of a solid brake disc. Applied Thermal Engineering 32 (2012) [4] Coello, Carlos A. Coello. "A comprehensive survey of evolutionary-based multiobjective optimization techniques." Knowledge and Information systems 1.3 (1999): [5] Dżuła S, Urbańczyk P.: Wpływ zużycia elementów pary ciernej klocek hamulcowy koło zestawu kołowego na siłę hamowania, XIV Konferencja Naukowa POJAZDY SZYNOWE 2000, Kraków, Arkanów, 9-13 październik 2000, t. 2, s [6] Ehrgott, Matthias. Multicriteria optimization. Vol. 2. Berlin: Springer, 2005 [7] Gąsowski W., Kaluba M.: Trybologiczne badanie okładzin ciernych hamulca tarczowego pojazdów szynowych, Pojazdy Szynowe 1999 nr 1, s [8] Kaluba M.: Zużycie okładzin ciernych hamulca tarczowego pojazdów szynowych, Pojazdy Szynowe 1999 nr 4, s [9] Karta UIC , Hamulec-Hamulec tarczowy I jego zastosowanie. Warunki dopuszczenia okładzin hamulcowych, Wyd. 6, listopad 2006 [10] Leopold, Claudia. Parallel and Distributed Computing: A survey of models, paradigms, and approaches. Wiley, 2001 [11] Mathur, Vijay K. (1991). "How Well Do We Know Pareto Optimality?". Journal of Economic Education 22 (2):

7 [12] Panier S., Dufrénoy Ph., Brémond B. :Infrared characterization on thermal gradients on disc brakes 13th International Conference on Thermal Engineering and Thermogrammetry (THERMO) June, 2003, Budapest, Hungary [13] Pawlak, Zdzisław. "Rough set approach to knowledge-based decision support." European journal of operational research 99.1 (1997): [14] Piec P.: Analiza zjawisk kontaktowych typu sick-slip w miejscu styku koła z klockiem hamulcowym, Monografia, Kraków 1995 [15] Ropponen, A.; Ritala, R.; Pistikopoulos, E. N. (2011). "Optimization issues of the broke management system in papermaking". Computers & Chemical Engineering 35 (11): 2510 [16] Sawczuk W.: Badanie współczynnika tarcia hamulca tarczowego. Czasopismo Pojazdy Szynowe 2/2012, s [17] Sawczuk W.: Application of Vibroacoustic Signal to Diagnose Disc Braking System. Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 18, No , European Science Society of Powertrain and Transport Publication Warsaw 2011, s Wydawnictwo Institute of Aviation (Aeronautics) BK [18] Sawczuk W.: Assessing the Wear of Friction Pads in Disc Braking System of Rail Vehicle by Using Selected Frequency Characteristics of Vibration Signal. Vibration In Physical Systems, Volume XXV s [19] Sawczuk W.: Zastosowanie sygnału wibroakustycznego do diagnostyki tarczowego układu hamulcowego podczas badań eksploatacyjnych. XX Międzynarodowa Konferencja Naukowa POJAZDY SZYNOWE 2012, 4-7 września 2012, Trzebaw k/stęszewa, Poznań [20] Sawczuk W., Tomaszewski F.: Evaluation of the wear of friction pads railway disc brake using selected frequency characteristic of vibrations signal generated by the disc brake. Czasopismo Diagnostyka Applied Structural Health, Usage and Condition Monitoring, Vol. 14, No. 3, PTDT, Warszawa 2013, s [21] Sawczuk W., Tomaszewki F.: Application of FFT Fast Fourier Transform to the vibration signal generated by the disc brake to assess the wear of friction pads during braking with the constant braking power. The Archives of Automtive Engineering (Archiwum Motoryzacji). Vil. 61, No. 3, 2013, s Wydawnictwo Naukowe PIMOT [22] Sawczuk W., Tomaszewski F.: Ocena rozkładu średniej temperatury pary ciernej tarcza hamulcowa-okładzina wraz z obsadą hamulcową w czasie hamowania ze stałą mocą. Pomiary Automatyka Kontrola PAK, 9/2013 Vol. 59, s [23] [14]Singh, Hemant Kumar, Tapabrata Ray, and Warren Smith. "Surrogate assisted Simulated Annealing (SASA) for constrained multi-objective optimization." Evolutionary Computation (CEC), 2010 IEEE Congress on. IEEE, 2010 [24] Sorochtej M., Hamulec tarczowy pojazdów szynowych. Przegląd kolejowy 6/93. [25] strona internetowa: ( ). [26] Ścieszka S.F.: Hamulce cierne. Zagadnienia materiałowe, konstrukcyjne i tribologiczne, Wydawnictwo Gliwice-Radom 1998, s.15 [27] Trichês M., Gerges S., Jordan R : Analysis of brake squeal noise using the finite element method: A parametric study. Applied Acoustics 69 (2008) [28] Wirth X., Disc brakes to stop the world's fastest trains. Railway Gazette February [29] Wirth X., Improving the Performance of Disc Brakes on High-speed Rail Vehicles with a Novel Types of Brake Pad: Isobar. RTR [30] Yevtushenko A.A., Grzes P.: Axisymmetric FEA of temperature in a pad/disc brake system at temperature-dependent coefficients of friction and wear. International Communications in Heat and Mass Transfer 39 (2012)