Badania doświadczalne i symulacyjne par ciernych hamulca kolejowego

Transkrypt

1 Badania doświadczalne i symulacyjne par ciernych hamulca kolejowego Dr inż. Robert Konowrocki Dr inż. Jacek Kukulski Slajd nr 1

2 Plan prezentacji: 1. Wstęp 2. Przegląd literatury 3. Zagadnienia ogólne 4. Stanowisko badawcze 5. Aparatura pomiarowa 6. Badania doświadczalne 7. Badania symulacyjne 8. Podsumowanie Slajd nr 2

3 Wstęp Uzasadnienie tematyki badań: zwiększa się prędkość jazdy pociągów; dziedzina ta ulega rozwojowi, np. udoskonalane systemów sterowania hamulcem, nowe rozwiązania par ciernych (geometria: wstawki, okładziny, tarcze hamulcowe); dobieranie par ciernych do konkretnych linii kolejowych i pojazdów skład materiałowy wpływający na koszty eksploatacji i utrzymania; względy bezpieczeństwa; ewaluacja programów badawczych pod kątem warunków eksploatacyjnych Slajd nr 3

4 Literatura Piechowiak T. Hamulce pojazdów szynowych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej. 2012r. Neuman T. Wagony i hamulce kolejowe. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności 1967r. Kalinkowski A.,Orlik A. Wagony kolejowe i hamulce. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności 1981r. Ostermeyer, G. P. Dynamic Friction Laws and their Impact on Friction Induced Vibrations, SAE (2010) Bogacz R., Konowrocki R., Kukulski J., Walczak S. Experimental and numerical investigation of oscillations in a disc brake system for high speed train. Chudzikiewicz Andrzej, Bogacz Roman, Ostermmeyer Georg-Peter (red.): Selected Dynamical Problems in Mechanical Systems, vol. 1, 2014, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, ISBN strony Limpert R., Brake Design and Safety, SAE, Inc., Tirovic M., Galindo-Lopez C. H., Convective heat dissipation from a wheel-hubmounted railway brake disc, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit 222 (4) (2008) Qi H.S., Day A.J., Investigation of disc/pad interface temperatures in friction braking, Wear 262 (5-6) (2007) Sawczuk W. Badania powierzchni ciernej kolejowych tarcz hamulcowych Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej, nr 63 Maszyny Robocze i Transport 2008, Slajd nr 4

5 Literatura UIC Brakes - Disc brakes and their application General conditions for the approval of brake pads. 7th edition, January UIC Brakes - Brakes with composite brake blocks General conditions for certification of composite brake blocks - 4th edition, January Report B 126/RP 18 Dynamometers for international approval of friction materials. Requirements. EN Railway applications Brake discs for railway rolling stock Part EN Railway application Brake discs for railway rolling stock Part 3: Brake discs, performance of the disc and the friction couple, classification, PN-EN A2:2011 Kolejnictwo -- Zestawy kołowe i wózki -- Koła monoblokowe Procedura dopuszczenia -- Część 1: Koła kute i walcowane pren Railway applications - Braking - Brake blocks, 2012 UIC Technical approval of monobloc wheels - Application document for standard EN TSI Wagony towarowe - Rozporządzenie Komisji (UE) Nr 321/2013 TSI LOC&PAS - Rozporządzenie Komisji (UE) Nr 1302/2014 z dnia 18 listopada 2014 roku odnoszącej się do podsystemu Tabor lokomotywy i tabor pasażerski ERA-TD INT Friction elements for wheel tread brakes for freight wagons Slajd nr 5

6 Zagadnienia ogólne Tribologia - jest nauką o tarciu i procesach towarzyszących tarciu. Tribologia zajmuje się opisem zjawisk fizycznych (mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych), chemicznych, biologicznych i innych w obszarach tarcia. Zakres trybologii nie ogranicza się tylko do procesów tarcia w maszynach, ale również odnosi się do wszystkich procesów tarcia w przyrodzie i technice. Do ważnych zjawisk towarzyszących tarciu, a mających duże znaczenie techniczne, należą procesy zużywania materiałów trących oraz smarowanie. Slajd nr 6

7 Zagadnienia ogólne Tarcie to zjawisko powstawania siły hamującej (siły oporu), na styku dwóch ciał. Jeżeli stykające się ze sobą ciała nie są względem siebie w ruchu to mówimy o tarciu statycznym (spoczynkowym), w przeciwnym wypadku mamy do czynienia z tarciem kinetycznym (dynamicznym). Źródło: Kalinkowski A.,Orlik A. Wagony kolejowe i hamulce Slajd nr 7

8 Zagadnienia ogólne Georg Peter Ostermayer Pojęcie dynamicznego tarcia w układach hamulcowych materiał organiczny (polimer-matrix) i więcej niż 20 komponenty metalowy materiał wstawka strefa kontaktu N N v = ωr ω skomplikowane fizyczne i i chemiczne reakcje w strefie kontaktu Tarcza hamulcowa Slajd nr 8

9 Zagadnienia ogólne Para cierna jest zespołem elementów mechanicznych, przystosowanym do sztucznego wytwarzania zjawiska tarcia i siły hamowania pociągu. Najważniejsze zadanie w tym zespole spełniają dwa elementy cierne, współpracujące ze sobą na powierzchni styku ciernego, który powstaje pod działaniem siły docisku. Slajd nr 9

10 Zagadnienia ogólne Hamulec klockowy - wstawki hamulcowe Slajd nr 10

11 Zagadnienia ogólne Konfiguracja wstawek hamulcowych Slajd nr 11

12 Zagadnienia ogólne Kształty wstawek hamulcowych Slajd nr 12

13 Zagadnienia ogólne Hamulec tarczowy okładziny hamulcowe Źródło: Slajd nr 13

14 Zagadnienia ogólne Okładziny hamulcowe Slajd nr 14

15 Zagadnienia ogólne Koła Slajd nr 15

16 Zagadnienia ogólne Tarcze hamulcowe Slajd nr 16

17 Stanowisko badawcze Parametr Wartość zakres prędkości pojazdu (dla koła 890 mm) 3,5 420 km/h maksymalna prędkość obrotowa 2500 obr./min. moc silnika napędowego przy 1150 obr./min 536 kw moment obrotowy w zakresie do 1150 obr./min Nm maksymalny moment hamowania: 3000 Nm - hamowanie do zatrzymania 4450 Nm - hamowanie ciągłe Zakres momentów bezwładności mas z elektryczną symulacją kgm 2 Maksymalna symulowana masa przypadająca na parę cierną 15 t Zakres regulacji sumarycznej siły docisku szczęk hamulcowych kn Zakres pomiarowy temperatury tarczy hamulcowej (koła jezdnego) [ C]. Slajd nr 17

18 Stanowisko badawcze Zakres badawczy stanowiska badawczego: - badanie wstawek żeliwnych, kompozytowych typu K i LL. - badanie okładzin hamulcowych; - badanie kół kolejowych, tramwajowych; - badanie tarcz hamulcowych. Slajd nr 18

19 Stanowisko badawcze Wentylacja pary ciernej Slajd nr 19

20 Stanowisko badawcze Rama hamulca klockowego Slajd nr 20

21 Stanowisko badawcze Rama hamulca tarczowego Slajd nr 21

22 Stanowisko badawcze Rama hamulca tarczowego Slajd nr 22

23 Aparatura pomiarowa - Pomiar siły normalnej; - pomiar siły stycznej (pomiar momentu); - pomiar temperatur za pomocą termopar zainstalowanych w kole lub tarczy; - pomiar temperatury powietrza wentylującego parę cierną - pomiar prędkości obrotowej; - pomiar prędkości wentylacji pary ciernej; - pomiar wydatku wody do zraszania; - pomiar chropowatości koła lub tarczy; - pomiar masy wstawek; - pomiar profilu koła; - pomiar profilu tarczy; - pomiary naprężeń własnych; - pomiar generowanego hałasu w trakcie hamowania; - pomiary termowizyjne. Slajd nr 23

24 Aparatura pomiarowa Slajd nr 24

25 Aparatura pomiarowa - pomiar siły normalnej czujnik siły HBM 50 KN U2B; - pomiar siły stycznej (pomiar momentu) - czujnik siły HBM 20 KN U2A; - pomiar temperatur - termopary typu K (zakres o C); - przetworniki temperaturowe AR 593; - pomiar prędkości obrotowej; - pomiar chropowatości koła lub tarczy - chropowatościomierz Hommel Etamic W5; - pomiar generowanego hałasu w trakcie hamowania mikrofon Bruel&Kjaer, system pomiarowy 01dB-Matravib - Orchestra; - pomiary termowizyjne - optris PI200 z soczewką 41x31. Slajd nr 25

26 Badania doświadczalne Badania własności tribologicznych - określenie średniego współczynnika tarcia; - określenie chwilowego współczynnika tarcia; - zużycie masowe (wstawek, okładzin). Slajd nr 26

27 Badania doświadczalne Programy certyfikacyjne wstawek hamulcowych Źródło: Karta UIC Slajd nr 27

28 Badania doświadczalne Programy certyfikacyjne okładzin hamulcowych Źródło: Karta UIC Slajd nr 28

29 Badania doświadczalne Kryteria oceny - zawarte m.in.: w kartach UIC i Źródło: Karta UIC Źródło: Karta UIC Slajd nr 29

30 Badania doświadczalne Badania na obciążenia termiczne - hamowania ciągłe o dużej mocy hamowania powyżej 45 kw; - symulacja awarii hamulca (Vmax=100 km/h, F=9/24 KN, t=do 60 min; - symulacja hamowań awaryjnych. Slajd nr 30

31 Badania doświadczalne Badania na obciążenia termiczne Slajd nr 31

32 Badania doświadczalne Badania na obciążenia termiczne Slajd nr 32

33 Badania doświadczalne Badania symulujące warunki mokre i zimowe Badania symulujące warunki mokre i zimowe mają na celu sprawdzenie współpracy pary ciernej w warunkach opadu deszczu i śniegu (wychwycenie aquapaningu). Symulowanie opadu deszczu odbywa się za pomocą specjalnych zraszaczy. Wydatek wody zraszającej parę cierną wynosi od l/h (małe masy i siły docisku). Slajd nr 33

34 Badania doświadczalne Badania sprawdzające pojawianie się wtrąceń metalicznych Slajd nr 34

35 Badania doświadczalne Badania symulujące warunki eksploatacyjne Badania symulujące sprawdzenie współpracy pary ciernej w warunkach zbliżonych do warunków eksploatacji: - symulacja profilu linii po której będzie poruszał badany obiekt; - cykliczne obciążenia ( hamowań). Slajd nr 35

36 Badania doświadczalne Badania hałasu w badaniach tribologicznych Slajd nr 36

37 Badania doświadczalne Badania hałasu w badaniach tribologicznych Slajd nr 37

38 Badania doświadczalne Badania kół kolejowych - wg Karty UIC wg PN-EN A2:2011- Koła monoblokowe - Procedura dopuszczenia Źródło: Karta UIC Źródło: PN-EN Slajd nr 38

39 Badania doświadczalne Badania tarcz hamulcowych - wg EN Railway application Brake discs for railway rolling stock 1. Performance and Endurance Test 2. Heat Dissipation Test 3. Centrifugal test 4. Ventilation Test 5. Noise generation Slajd nr 39

40 Badania doświadczalne tarczą hamulcową o zmniejszonej wentylacji BSI (640X110 mm) Segmentowa okładzina hamulcowa o 2 różnych materiałach ciernych Slajd nr 40

41 Badania doświadczalne Lokalizacja termopar Temp. mierzona na promieniach R1=211 mm, R2=247 mm, R3=284 mm. Slajd nr 41

42 Badania doświadczalne Slajd nr 42

43 Badania doświadczalne Slajd nr 43

44 Badania doświadczalne Rozkład temperatur w tarczy w trzech punktach pomiarowych, hamowanie z prędkości A) 200 km/h B) 230 km/h Temp. mierzona na promieniach R1=211 mm, R2=247 mm, R3=284 mm. Slajd nr 44

45 Badania symulacyjne W przypadku badanego obiektu hamowanie z prędkości V P do prędkości V K energię hamowania E ham można zapisać jako gdzie: m - jest masą pojazdu, I - moment bezwładności elementów obrotowych, ω - prędkości kątowa obracających się elementów. W przypadku rozpatrywania proces hamowania do zatrzymania tarczy, parametry przyjmują wartość V K = ω K =0. Uwzględniając to oraz przekształcając zapis równania (1) w odniesieniu do ruchu obrotowego, otrzymujemy postać gdzie: k cf jest współczynnikiem korekcyjnym mas wirujących i R jest promieniem koła Slajd nr 45

46 Badania symulacyjne Moc hamowania P ham jest równa energii hamowania podzielonej przez czas trwania procesu hamowania t. Przy stałym opóźnieniu hamowania a=const. i uwzględniając zależność (2) oraz (3) otrzymamy moc hamowania w postaci Przyjmując, że przy podanych wartościach czasu t, lokalizacji okładziny na promieniu r tarczy, prędkości V oraz siły nacisku F n działającej na okładzinę będącą w kontakcie ciernym z tarczą, możemy określić energię rozproszoną w postaci wytworzonego ciepła Q ham z zależności Slajd nr 46

47 Badania symulacyjne Podział energii cieplnej pochłoniętej przez elementy pojedynczej pary ciernej układu hamulcowego określimy zależnością Slajd nr 47

48 Badania symulacyjne Mając określoną ilość ciepła Q ham z zależności (5) oraz współczynnik podziału przepływu ciepła λ (7), możemy określić ilości ciepła pochłoniętego przez okładzinę oraz tarczę jako Biorąc równania (4), (5) oraz (8) określimy przepływ ciepła na powierzchni hamowania z zależności lub określając energię rozproszoną z opóźnienia tarczy hamulcowej (4) przepływ określimy następująco W obu przypadkach parametr A O określa powierzchnie styku okładziny z tarczą hamulcową. Slajd nr 48

49 Badania symulacyjne Model układu hamulca tarczowego Do analizy propagacji ciepła użyto pakietu Abaqus. Dyskretyzację tarczy hamulcowej oraz okładziny oparto na 4 węzłowych bryłowych elementach skończonych typu tetragonalnego z liniową funkcją kształtu o oznaczeniu DC3D4. W przypadku okładzin uproszczono ich budowę w porównaniu do rzeczywistej konstrukcji, dzieląc je tylko na dwa elementy (kompozyt i spiek). Model zawierał: węzłów elementów Slajd nr 49

50 Badania symulacyjne Model tarcia W celu określenia siły tarcia w kontakcie zastosowano model tarcia Coulomba. Wykres przedstawia charakterystykę, którą była skalowana do wartości określonej z eksperymentu przez mnożnik 0.34 s - prędkości poślizgu Slajd nr 50

51 Badania symulacyjne Parametry przyjęte do badań numerycznych Nazwa parametru Wartość Moduł Younga tarczy E t 169 GPA Współczynnik Poissona tarczy ν t Ciepło właściwe tarczy C P 515 [J/kg K] Gęstość tarczy ρ t 7100 kg/m 3 Przewodność cieplna tarczy 35.2 [W/m K] Konwekcja tarczy 1320 W/m 2 K Moduł Younga klocka (kompozyt/spiek) E o 100.4/165 GPA Współczynnik Poissona okładziny (kompozyt/spiek) ν o 0.30/0.28 Ciepło właściwe okładziny (kompozyt/spiek) C o 1.09/1.60 [kj/kgk] Gęstość okładziny (kompozyt/spiek) ρ o 2185/8200 kg/m 3 Przewodność cieplna (kompozyt/spiek) 1.67/2.40 [W/m K] Średnica zewnętrzna/wewnętrzna kontaktu okładziny 0.58/0.34 m Średni współczynnik tarcia (kompozyt/spiek tarcza) z badań 0.34 Temperatura otoczenia/temperatura początkowa z badań 50 C/50 C Opóźnienie ruchu tarczy z prędkości 200 i 230 km/h z badań 1.9 m/s 2 Masa hamowana przypadająca na oś wirtualnego pojazdu 6700 kg Moment bezwładności mas wirujących z badań 891 kg m 2 Energia hamowania z prędkości 230 km/h MJ Energia hamowania z prędkości 200 km/h 9.26 MJ Slajd nr 51

52 Badania symulacyjne Rozkład temperatury w tarczy podczas hamowania z prędkości 200 km/h w chwili t=50 s od początku procesu hamowania Slajd nr 52

53 Badania symulacyjne Rozkład temperatury w tarczy podczas hamowania z prędkości 200 km/h w chwili t=100 s od początku procesu hamowania Slajd nr 53

54 Badania symulacyjne Rozkład temperatury w tarczy po zatrzymaniu z hamowania z prędkości 200 km/h w chwili t=138 s. Slajd nr 54

55 Badania symulacyjne Mapa temperatur odpowiadające miejscom montażu termopar w tarczy przy prędkości tarczy 100 km/h-hamownie z 200 km/h Slajd nr 55

56 Badania symulacyjne Mapa temperatur odpowiadające miejscom montażu termopar w tarczy przy prędkości tarczy 100 km/h-hamownie z 200 km/h Slajd nr 56

57 Badania symulacyjne Generowanie gorących punktów w badaniach tribologicznych par ciernych hamulca kolejowego Slajd nr 57

58 Podsumowanie Zadania na przyszłość: Akredytacja PCA procedury badawczej par ciernych hamulca kolejowego. Modernizacja oprogramowania do rejestracji i obróbki danych. Zwiększenie zakresu badawczego o większe siły nacisku w przypadku hamulca tarczowego. Adaptacja stanowiska do montażu,,tzw. kompaktów hamulcowych obsady hamulcowe z cylindrem hamulcowym. Pozyskanie nowych narzędzi pomiarowych (profilomierz do kół i tarcz hamulcowych). Kontynuacja i nawiązywanie nowej współpracy z przemysłem oraz uczelniami zajmującymi się podobną tematyką badawczą Kontynuowanie badań naukowych. Slajd nr 58

59 Dziękujemy za uwagę Slajd nr 59