OCENA DRGA GENEROWANYCH PRZEZ UK AD HAMULCA TARCZOWEGO DO JEGO DIAGNOZOWANIA PRZY JEGO RÓ NYCH OBCI ENIACH CIEPLNYCH

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLIECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 98 ransport 2013 Wojciech Sawczuk Politechnika Poznaska, Instytut Silników Spalinowych i ransportu Zakad Pojazdów Szynowych OCENA DRGA GENEROWANYCH PRZEZ UKAD HAMULCA ARCZOWEGO DO JEGO DIAGNOZOWANIA PRZY JEGO RÓNYCH OBCIENIACH CIEPLNYCH Rkopis dostarczono, kwiecie 2013 Streszczenie: W pojazdach szynowych ze wzgldu na coraz to wiksze prdkoci jazdy prowadzi si prace nad udoskonalaniem ukadów hamulcowych tak, aby zatrzymanie pojazdu odbyo si na moliwie najkrótszej drodze hamowania. Wiksze wymagania stawiane ukadom hamulcowym wymusza nie tylko okresowe kontrolowanie stanu pary ciernej, ale równie staego monitorowania zuycia elementów ukadu hamulcowego. Celem artykuu jest przedstawienie moliwoci diagnozowania pary ciernej hamulca tarczowego wykorzystujc wybrane charakterystyki amplitudowe sygnau drganiowego generowanego przez obsad hamulcow z okadzinami ciernymi z uwzgldnieniem wpywu temperatury tarczy na sygna wibroakustyczny. Sowa kluczowe: diagnostyka hamulca, temperatura tarczy, charakterystyki amplitudowe 1. WPROWADZENIE W pojazdach szynowych, ze wzgldu na cigy wzrost prdkoci jazdy w celu uzyskania wymaganej drogi hamowania, stosuje si hamulce tarczowe jako hamulec zasadniczy. Do niewielu wad hamulca tarczowego zalicza si brak moliwoci kontroli stanu pary ciernej tarcza-okadzina w caym procesie eksploatacji. Jest to szczególnie zauwaalne w wagonach kolejowych, w których tarcze hamulcowe zamocowane s na osi zestawu koowego midzy koami [2, 7]. W celu sprawdzenia zuycia okadzin ciernych i tarcz hamulcowych, konieczne jest wykorzystanie kanau rewizyjnego dla przeprowadzenia kontroli a w sytuacji osignicia granicznego zuycia elementów ciernych równie ich wymiany. Ze wzgldu na rozbudowany ukad hamulcowy wagonu oraz lokomotywy, skadajcy si najczciej z 8 indywidualnych cylindrów hamulcowych, utrudnione jest zastosowanie jednego systemu diagnostycznego do oceny zuycia wszystkich par ciernych.

2 576 Wojciech Sawczuk W technice kolejowej do diagnozowania zuycia okadzin ciernych stosuje si stanowiska torowe, w których dokonuje si fotograficznej rejestracji obrazu pary ciernej tarcza hamulcowa-okadzina cierna podczas przejazdu pocigu [8]. Nastpnie na podstawie zarejestrowanych obrazów dokonuje si oszacowania gruboci okadzin ciernych hamulca tarczowego, co przedstawia rys.1. Przy gruboci okadzin wynoszcym 10 mm, maszynista pocigu otrzymuje informacj o osigniciu granicznego dopuszczalnego zuycia okadzin na danej osi zestawu koowego. Stanowiska torowe do diagnostyki zuycia okadzin ciernych stosowane s midzy innymi na kolejach niemieckich, angielskich i francuskich. Rys. 1. Stanowisko podtorowe do fotograficznej oceny zuycia okadzin ciernych firmy MERMEC Group: a) widok stanowiska, b) identyfikacja punktów odniesienia, c) szacowanie gruboci okadziny [8] W pojazdach szynowych, najczciej stosowane s ukady sygnalizujce proces hamowania oraz luzowania (rys.2), widoczne dla obsugi pocigu ze rodka jak i z zewntrz pojazdu. Wspomniane ukady umoliwiaj podczas przejazdu pocigu sprawdzenie, w którym z wagonów jest zablokowany ukad hamulcowy.

3 Ocena drga generowanych przez ukad hamulca tarczowego do jego diagnozowania 577 Rys. 2. Urzdzenie sygnalizujce dziaanie hamulca tarczowego na wagonie typu 136: a) hamulec wyczony, b) inny stan hamulca: 1 kolor zielony tj. wyczenie hamulca, 2 prostokt przekrelony tj. innego stanu hamulca (np. brak powietrza w instalacji hamulcowej), 3 manometr cinienia powietrza z cylindrze hamulcowym Innym zaawansowanym ukadem do diagnostyki hamulca tarczowego jest system do wizyjnej kontroli i diagnostyki opracowany w Instytucie Pojazdów Szynowych ABOR w Poznaniu. Ukad diagnozujcy (rys. 3) [1] dostarcza penych informacji na temat zuycia okadzin ciernych oraz tarcz hamulcowych w kadym momencie eksploatacji. Rys. 3. System wizyjny HARD Soft: a) schemat zasady dziaania, b) obraz pary ciernej hamulca tarczowego do oszacowania zuycia okadziny i tarczy [1] Opracowane rozwizania cechuje skomplikowany i kosztowny ukad pomiarowy skadajcy si z kamery cyfrowej i oprogramowania do przetwarzania obrazu. Po udanych

4 578 Wojciech Sawczuk próbach na stanowisku badawczym, wizyjny uk ad diagnostyczny b dzie testowany podczas bada eksploatacyjnych. Celem bada jest przedstawienie mo liwo ci wykorzystania sygna u drganiowego generowanego przez obsady hamulcowe do oceny zu ycia ok adzin ciernych hamulca tarczowego stosuj c wybrane charakterystyki amplitudowe podczas symulowanych hamowa ze sta moc (hamowanie na spadku) z uwzgl dnieniem wp ywu temperatury tarczy hamulcowej na sygna wibroakustyczny. 2. MEODYKA I OBIEK BADA Badania diagnostyczne przeprowadzone zosta y w Instytucie Pojazdów Szynowych ABOR w Poznaniu na bezw adno ciowym stanowisku do bada hamulców klockowych i tarczowych pojazdów szynowych (rys. 4). Obiektem bada by a tarcza hamulcowa typu z wentyluj cymi opatkami oraz 3 komplety ok adzin typu 175 FR20H.2 firmy Frenoplast. Pierwszy komplet ok adzin - nowy o grubo ci 35 mm oraz po 2 komplety zu yte do grubo ci 25 mm i 15 mm. Rys. 4. Stanowisko do bada kolejowego hamulca tarczowego: a) widok stanowiska w czasie bada diagnostycznych, b) widok obsady hamulcowej z przetwornikiem drga ; 1- obsada hamulcowa, 2- przetwornik drga, 3- tarcza hamulcowa Do bada wykorzystano program badawczy 2B1 (II) zgodniez za cznikiem C.2 zawartym w Kodeksie UIC Dla wspomnianego programu przeprowadzono hamowanie ze sta moc hamowania wynosz c 45kW [4]. Jest to symulacja zjadu poci gu ze sta pr dko ci przy w czonym uk adzie hamulcowym. Pr dko zjazdu v=80km/h, nacisk ok adziny na tarcz N=25kN, ca kowity symulowany czas zjazdu poci gu t=10min. Masa do wyhamowania przypadaj ca na jedn tarcz wynios a w czasie

5 Ocena drga generowanych przez ukad hamulca tarczowego do jego diagnozowania 579 bada M=5,7t. Na obsadach hamulcowych zamocowano przetworniki drga co przedstawia rysunek 4b przykrcony do obsady za porednictwem pytki mocujcej. Rys. 5. 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 or pomiarowy przedstawiono na rysunku 5. 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 stanowiskowe uwzgldniajce wpyw temperatury tarczy na sygna drganiowy przeprowadzono przy wykorzystaniu szeciu termopar zainstalowanych na tarczy hamulcowej, po trzy na kad stron tarczy. Otwory pod termopary (2,5mm) byy wiercone co 120 na trzech promieniach tarczy, r 1 =¼ r w, r 2 =½ r w i r 1 =¾ r w (r w - promie wewntrzny tarczy), zgodnie z [5]. W otworach najbliej rednicy zewntrznej tarczy zainstalowano termopary o najduszej czci roboczej (termopary P-213K-a ), na pozostaych promieniach - termopary P-213K-a Na drugiej stronie tarczy wykonano otwory przesunite o 60 wzgldem pierwszej strony w celu nie pokrywania si termopar. 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.

6 580 Wojciech Sawczuk 3. WYNIKI BADA W celu uwzgldnienia wpywu temperatury na sygna drganiowy celowo przeprowadzono hamowania ze sta moc, gdzie w czasie bada hamulcowych obserwuje si zmiany wspóczynnika tarcia od narastajcej w czasie hamowania temperatury tarczy. Pozostae parametry hamowania s stae jak symulowana prdko zjazdu, nacisk okadziny na tarcz oraz masa do wyhamowania. Do sprawdzenia zalenoci parametru diagnostycznego od temperatury do dalszych analiz wykorzystano diagnostyczne miary punktowe z sygnaów przyspiesze drga. W dziedzinie amplitud, równie byy wyznaczone wartoci wybranych miar punktowy zwizanych ze zmian gruboci okadziny w czasie pracy ukadu hamulcowego. Do analizy amplitudowej wykorzystano fragment sygnau drganiowego pochodzcego z hamowania hamulcem tarczowym podzielony na osiem odcinków czasowych, co 20 sekund od 0 do 160 sekund. Na rysunku 6 przedstawiono przebiegi czasowe sygnau przyspiesze drga uzyskanych przy hamowaniu z okadzinami o trzech grubociach (widoczne jest pi odcinków czasowych co 20 sekund). Rys. 6. Warto chwilowa przyspiesze drga w funkcji czasu hamowania podczas hamowania ze sta moc dla trzech gruboci okadzin ciernych z podziaem na pi przebiegów czasowych do analizy w dziedzinie amplitud: I czas hamowania 0-20s, II czas hamowania 20-40s, III czas hamowania 40-60s, IV czas hamowania 60-80s, V-czas hamowania s Zalet miar punktowych w diagnostyce wibroakustycznej jest scharakteryzowanie sygnau drganiowego przy pomocy jednej liczby, przez co atwo mona okreli zmiany w sygnale wibroakustycznym, bdce wynikiem zmiany stanu technicznego badanego obiektu w tym przypadku zmian gruboci okadziny ciernej. Wykorzystywane miary punktowe w diagnostyce wibroakustycznej, zgodnie z prac [9], dzieli si na wymiarowe i bezwymiarowe. Do diagnostyki zuycia okadzin ciernych

7 Ocena drga generowanych przez ukad hamulca tarczowego do jego diagnozowania 581 kolejowego hamulca tarczowego zastosowano nastpujce miary punktowe (wymiarowe): - amplituda skuteczna, co przedstawia zaleno: A s( t) RMS dt [m/s 2 ] (1) gdzie: czas uredniania [s], s(t) warto chwilowa przyspiesze drga [m/s 2 ]. - amplituda rednia, opisana równaniem: A AVERAGE 1 0 t s dt [m/s 2 ] (2) - amplituda pierwiastkowa, co przedstawia zaleno: - amplituda szczytowa, opisana równaniem: ASQUARE s t dt [m/s 2 ] (3) APEAK s t dt [m/s 2 ] (4) 0 Wielkoci (miary) bezwymiarowe w charakterystykach sygnaów diagnostycznych s ilorazami odpowiednich miar punktowych wymiarowych. Jednak w analizach sygnaów przyspiesze drga okadzin z obsadami hamulcowymi podczas bada na dwóch tarczach hamulcowych nie znalazy zastosowania. Na rysunku 7 przedstawiono analizowane miary punktowe przyspiesze drga dla rónych gruboci okadzin uzyskanych przy hamowaniu ze sta moc na tarczy o rednicy zewntrznej 590 mm. Pomiaru drga dokonano na dwóch obsadach, do dalszej analizy wykorzystano kierunek prostopady do tarczy Y 2 (pomiar od strony toczyska cylindra hamulcowego). Badania wibroakustyczne przeprowadzone na tym ukadzie hamulca tarczowego wykazay, e kierunek Y 1 (pomiar od strony obudowy cylindra hamulcowego) równie moe by wykorzystany do dalszych analiz. Jednak w kierunku pomiaru drga Y 2 uzyskuje si wysz dynamik zmian analizowanego parametru diagnostycznego [3]. Wartoci miar punktowych na rysunku 6 zostay uszeregowane od najwikszej do najmniejszej wartoci przyspieszenia drga okadziny z obsad uzyskanych w pierwszym (20-to sekundowym) czasie hamowania. Analizujc wykresy na rysunku 7 stwierdza si, e najwiksze zmiany w wartoci wszystkich rozpatrywanych miar punktowych wystpuj do czasu hamowania wynoszcego 140 sekund i tylko dla okadzin o skrajnych

8 582 Wojciech Sawczuk grubociach tj. G1=35 mm oraz dla G3=15 mm. Rys. 7. Zaleno analizowanych miar punktowych dla rónych gruboci okadzin przy hamowaniu ze sta moc na tarczy typu , dla kierunku Y 2 z uwzgldnieniem przyrostu temperatury tarczy: a) warto szczytowa A PEAK, b) warto skuteczna A RMS, c) warto rednia A AVERAGE d) warto pierwiastkowa A SQUARE

9 Ocena drga generowanych przez ukad hamulca tarczowego do jego diagnozowania 583 PODSUMOWANIE Stanowiskowe badania diagnostyczne wykazay, e wystpuje zaleno zmiany parametru diagnostycznego od zuycia okadzin ciernych rozumianego zmian gruboci okadzin. Analiza sygnaów przyspiesze drga generowanych przez obsady hamulcowe z okadzinami wykazaa, e do celów diagnostyki zuycia okadzin mona zastosowa wybrane charakterystyki amplitudowe jak warto skuteczn A RMS, warto redni A AVERAGE, warto pierwiastkow A SQUARE oraz warto szczytow A PEAK. Wspomniana analiza sygnaów przyspiesze drga wykazaa, e najwiksze zmiany w parametrze diagnostycznym wynikajcym ze zmiany gruboci okadzin uzyskuje si dla pierwszego okresu hamowania (czas hamowania do 20 sekund). W tym okresie uzyskuje si najwysz warto parametru dla okadziny zuytej do gruboci 15 mm oraz najnisz warto dla okadziny nowej (dotartej) o gruboci 35 mm. Dalsze okresy hamowania powyej 20 sekund powoduj, e parametr diagnostyczny dla okadziny nowej nieliniowo ronie, dla okadziny zuytej do gruboci 15 mm nieliniowo maleje natomiast dla okadziny o gruboci 25 mm w caym okresie hamowania nie zmienia si. Zmiany parametru dla okadzin o gruboci 35 i 15mm aproksymowano funkcj potgow natomiast dla okadziny o gruboci 25mm funkcj liniow staa. Zaoony trend zmian parametrów diagnostycznych zgodnie z zaoonymi funkcjami aproksymujcymi jest widoczny dla wszystkich analizowanych miar punktowych. Po czasie hamowania wynoszcym 140 sekund wszystkie wartoci miar punktowych stabilizuj si i nie zmieniaj si w dalszym okresie hamowania. Zmiany w wartociach rozpatrywanych miar punktowych mona wyjania zmianami temperaturowymi, jakie wystpuj w czasie hamowania oraz tym, e pierwsze 20 sekund hamowania jest procesem przejciowym zwizanym z ustabilizowaniem si parametrów hamowania. W dalszym etapie prac naleaoby uwzgldni wpywu temperatury tarczy na rozkad temperatury okadziny i obsady hamulcowej w wyniku przewodzenia cieplnego na dalsze elementy ukadu hamulcowego. A nastpnie jak mogoby to wpyn na drgania wymuszone okadziny gdzie wpyw temperatury moe powodowa zmian charakterystyk dynamicznych pary ciernej opisywanych midzy innymi wspóczynnikiem sprystoci i tumienia. Projekt jest finansowany ze rodków Narodowego Centrum Nauki, nr N N Bibliografia 1. Bocian S., Bogu P., Kaluba M., Kardacz A.: Pozyskanie obrazu przez komputerowe systemy graficzne do wizyjnej kontroli i diagnostyki hamulca tarczowego. Pojazdy Szynowe 2000, nr 2, s Gruszewski M.: Wybrane zagadnienia eksploatacji hamulca tarczowego. echnika transportu Szynowego 6-7/1995, s Grybo R.: Drgania maszyn. Wydawnictwo Politechniki lskiej, Gliwice 2009, s Kodeks UIC Hamulec-Hamulec tarczowy i jego zastosowanie. Warunki dopuszczenia okadzin hamulcowych. Wyd. 6, listopad 2006, s. 23.

10 584 Wojciech Sawczuk 5. Polska Norma PN-EN Kolejnictwo tarcze hamulcowe kolejowych pojazdów szynowych Cz 1: arcze hamulcowe wtaczane lub mocowane skurczowo na osiach zestawów tocznych lub napdnych, wymiary i wymagania dotyczce jakoci. Warszawa Rafajowicz E.: Optymalizacja Eksperymentu z Zastosowaniami w Monitorowaniu Jakoci Produkcji. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocawskiej, Sawczuk W., omaszewski 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 Strona internetowa: ( ). 9. Szymaski G.: Analiza moliwoci zastosowania wybranych charakterystyk sygnau drganiowego do diagnostyki silnika spalinowego. Rozprawa doktorska, Politechnika Poznaska, Pozna 2005, s EVALUAION OF VIBRAION GENERAED BY BRAKE SYSEM FOR DIAGNOSIS IN DIFFEREN EMPERAURE SAES Summary: In rail vehicles, because of higher and higher ride speeds, there are works carried out to upgrade braking systems to stop the vehicle at shortest possible braking distance. It is required that in braking systems the condition of friction set is periodically controlled and the wear of braking system parts is constantly monitored. he purpose of this article is to present possibility to diagnose the friction set of disc brake by using selected amplitude characteristics of vibration signal generated by brake caliper with friction pads. he article additionally includes the effect of the temperature of the brake disc for the vibration signal. Keywords: diagnostics of brake, disc temperature, amplitude characteristics