POJAZDY SZYNOWE 2/2014

Transkrypt

1 ZASTOSOWANIE MIAR PUNKTOWYCH DO OCENY ZUŻYCIA ELEMENTÓW CIERNYCH KOLEJOWEO HAMULCA TARCZOWEO W CZASIE HAMOWAŃ ZATRZYMUJĄCYCH Wojciech Sawczuk 1 1 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu Instytut Silników Spalinowych 3 Zakład Pojazdów Szynowych wojciech.sawczuk@put.poznan.pl Słowa kluczowe: kolejowy hamulec tarczowy, diagnostyka hamulca, analiza widmowa Streszczenie W pojazdach szynowych, ze względu na ciągły wzrost prędkości jazdy w celu uzyskania wymaganej drogi hamowania, stosuje się hamulec tarczowy jako hamulec zasadniczy. Do niewielu wad hamulca tarczowego zalicza się brak możliwości kontroli stanu pary ciernej tarczaokładzina w całym procesie eksploatacji. Jest to szczególnie zauważalne w wagonach kolejowych, w których tarcze hamulcowe zamocowane są na osi zestawu kołowego między kołami. Artykuł przedstawia autorską metodę diagnozowania zużycia okładzin ciernych poprzez analizę drgań układu hamulcowego w czasie hamowania zatrzymującego dokonując analizy sygnałów w dziedzinie amplitud. W czasie badań rejestrowano przyspieszenia drgań generowane przez obsady hamulcowe z okładzinami w czasie hamowania, z których następnie wyznaczano miary punktowe jak wartość skuteczna, średnia, pierwiastkowa i szczytowa. Na tej podstawie wyznaczono regresyjne modele diagnostyczne oceny zużycia okładzin ciernych wykorzystując wybrane miary punktowe. 1 WPROWADZENIE Hamulec tarczowy ze względu na coraz to większe prędkości jazdy pociągów zarównowno w ruchu pasażerskim jak i towarowym staje się podstawowym hamulcem odpowiedzialnym za zatrzymanie pociągu na wymaganej stosownymi przepisami drodze hamowania. Do podstawowych zalet hamulca tarczowego na tle hamulca klockowego jest możliwość uzyskania stabilnego (stałego) współczynnika tarcia między okładziną a tarczą hamulcową niezależnie od prędkości początku hamowania. W przypadku hamulca klockowego ten przebieg jest silnie nieliniowy w funkcji prędkości początku hamowania. Najogólniej związane jest to z warunkami współpracy klocka z obręczą zestawu kołowego oraz rodzajem klocka. Do niewielu wad hamulca tarczowego zalicza się brak możliwości kontroli stanu pary ciernej tarczaokładzina w całym procesie eksploatacji. Jest to szczególnie zauważalne w wagonach kolejowych, w których tarcze hamulcowe zamocowane są na osi zestawu kołowego między kołami

2 [3]. W celu sprawdzenia zużycia okładzin ciernych i tarcz hamulcowych, konieczne jest wykorzystanie kanału rewizyjnego dla przeprowadzenia kontroli a w sytuacji osiągnięcia granicznego zużycia elementów ciernych również ich wymiany. W pojazdach szynowych, najczęściej stosowane są układy sygnalizujące proces hamowania oraz luzowania, widoczne dla obsługi ze środka jak i z zewnątrz pojazdu (rys. 1). Wspomniane układy umożliwiają podczas przejazdu pociągu sprawdzenie, w którym z wagonów jest zablokowany układ hamulcowy. Rys. 1 - Urządzenie sygnalizujące działanie hamulca tarczowego na wagonie typu 136: a) hamulec wyłączony, b) inny stan hamulca: 1 kolor zielony tj. wyłączenie hamulca, prostokąt przekreślony tj. innego stanu hamulca (np. brak powietrza w instalacji hamulcowej), 3 manometr ciśnienia powietrza z cylindrze hamulcowym Celem badań jest wykorzystanie wybranych miar punktowych sygnału drganiowego obsad zokładzinami ciernymi do oszacowania zużycia okładzin ciernych hamulca tarczowego, wyznaczając charakterystyki w dziedzinie amplitud, na podstawie badań na bezwładnościowym stanowisku hamulcowym.

3 METODYKA I OBIEKT BADAŃ Badania o charakterze diagnostycznym przeprowadzone zostały w Instytucie Pojazdów Szynowych TABOR w Poznaniu na bezwładnościowym stanowisku do badań hamulców klockowych i tarczowych pojazdów szynowych. Obiektem badań była tarcza hamulcowa typu z wentylującymi łopatkami, co przedstawia rysunek oraz 3 komplety okładzin typu 175 FR0H. firmy Frenoplast. Pierwszy komplet okładzin dla tarczy o średnicy zewnętrznej 590 mm - nowy o grubości 35 mm oraz po komplety zużyte do grubości 5 mm i 15 mm. Rys. - Obiekt badań na stanowisku hamulcowym kolejowego hamulca tarczowego, widok na tarczę hamulcową typu z kompletem okładzin ciernych typu 175 Do badań wykorzystano program badawczy B (II) zgodniez załącznikiem C. zawartym w Kodeksie UIC Dla wspomnianego programu przeprowadzono hamowanie zatrzymujące z prędkości v=50, 80, 10, 160 i 00km/h [5]. Nacisk okładziny na tarczę N=5kN, masa hamującą przypadająca na jedną tarczę wyniosła w czasie badań M=5,7t. Na dwóch obsadach hamulcowych zamocowano przetwornik drgań co przedstawia rysunek 3 przykręcony do obsady za pośrednictwem płytki mocującej [].

4 Rys. 3 - Schemat procedur selekcji sygnału przyspieszeń drgań w czasie diagnozowania zużycia elementów ciernych kolejowego hamulca tarczowego: 1 komplet okładzin ciernych typu 175 lub 00 (prawe i lewe), obsada hamulcowa (prawa i lewa), 3 tarcza hamulcowa ( lub ), 3 przetwornik drgań Rys. 4 - Schemat toru pomiarowego przyspieszeń drgań generowanych przez obsadę hamulcową z okładzinami w czasie hamowania Podczas badań rejestrowano sygnały przyspieszeń drgań w jednym kierunku tj. prostopadłych do powierzchni ciernej tarczy hamulcowej. Do akwizycji sygnałów drgań zastosowano zestaw pomiarowy składający się z: piezoelektrycznego przetwornika przyspieszeń drgań, kasety pomiarowej typu B&K 3050-A-060 wraz z oprogramowaniem systemu PULSE Tor pomiarowy pomiaru chwilowych przyspieszeń drgań przedstawiono na rysunku 4. Przetworniki drgań typu 4504 firmy Brüel&Kjær wybrano na podstawie wytycznych zawartych w pracy [1], liniowe pasmo przenoszenia przetworników wyniosło 13 khz. Częstotliwość próbkowania ustawiono na 131 khz. Oznacza to, że pasmo poddane analizie zgodnie z

5 zależnością Nyquista wyniosło 65 khz. Przyspieszenia drgań rejestrowano w kierunku prostopadłym do powierzchni tarczy (Y) na dwóch przetwornikach, pierwszy zamocowany do obsady połączonej dźwignią z obudową cylindra oraz drugi przetwornik na obsadzie połączonej dźwignią z tłoczyskiem hamulcowym. Badania zostały przeprowadzone zgodnie z zasadami eksperymentu czynnego. Po przeprowadzeniu hamowania dla zadanej grubości okładziny, zmieniano okładzinę bez zmian pozostałych parametrów hamowania jak prędkość zjazdu pociągu, docisk okładziny do tarczy czy masa hamująca i czas hamowania. Równocześnie obserwowano zmiany zachodzące w amplitudzie chwilowych przyspieszeń drgań. 3 WYNIKI BADAŃ Celem analizy sygnałów przyspieszeń drgań w dziedzinie amplitud, było wyznaczenie wartości wybranych miar punktowy związanych ze zmianą grubości okładziny w czasie pracy układu hamulcowego. Do analizy amplitudowej wykorzystano fragment sygnału drganiowego pochodzącego z hamowania hamulcem tarczowym (rys. 5). Na rysunku przedstawiono przebieg wartości chwilowych przyspieszeń drgań dla czasu hamowania wynoszącego 39 sekund, co uzyskano dla okładziny o grubości 35mm. Hamowania na okładzinach zużytych wydłużało czas hamowania, dla okładziny o grubości 5mm uzyskano 41 sekund, natomiast dla okładziny o grubości 15mm 43,5 sekundy. Rys. 5 - Wartość chwilowa przyspieszeń drgań w funkcji czasu hamowania podczas hamowania zatrzymującego dla trzech grubości okładzin ciernych dla czasu hamowania wynoszącego 39 sekund

6 Zaletą miar punktowe w diagnostyce wibroakustycznej jest scharakteryzowanie sygnału drganiowego przy pomocy jednej liczby, przez co łatwo można określić zmiany w sygnale wibroakustycznym, będące wynikiem zmiany stanu technicznego badanego obiektu w tym przypadku zmianą grubości okładziny ciernej. Wykorzystywane miary punktowe w diagnostyce wibroakustycznej, zgodnie z pracą [7], dzieli się na wymiarowe i bezwymiarowe. Do diagnostyki zużycia okładzin ciernych kolejowego hamulca tarczowego zastosowano następujące miary punktowe (wymiarowe): - amplituda skuteczna, co przedstawia zależność: A RMS 1 T T s( t) gdzie: T czas uśredniania [s], s(t) wartość chwilowa przyspieszeń drgań [m/s ]. - amplituda średnia, opisana równaniem: A AVERAE 0 1 T T 0 s t - amplituda pierwiastkowa, co przedstawia zależność: dt dt [m/s ] (1) [m/s ] () 1 T 1 ASQUARE st dt T 0 [m/s ] (3) - amplituda szczytowa, opisana równaniem: 1 1 T A PEAK st dt [m/s ] (4) T 0 Na rys. 6-7 przedstawiono przykładowe miary punktowe przyspieszeń drgań dla różnych grubości okładzin uzyskanych przy hamowaniu zatrzymującym na tarczy o średnicy zewnętrznej 590 mm, pomiar drgań w kierunku Y 1 (pomiar od strony cylindra hamulcowego). Dodatkowo przedstawiono dynamikę zmian dla okładziny nowej względem zużytej do grubości 15mm oraz dla okładziny o grubości =5mm względem okładziny 3=15mm. Na rysunku 7 zaznaczono przedział 6 db.

7 Rys. 6 - Zależność wybranych miar punktowych dla różnych grubości okładzin przy hamowania zatrzymującym na tarczy typu , dla kierunku Y 1 : a) wartość skuteczna A RMS, b) wartość średnia A AVERAE, c) wartość pierwiastkowa A SQUARE, d) wartość szczytowa A PEAK

8 Rys. 7 - Zależność dynamiki zmian wybranych miar punktowych dla różnych grubości okładzin przy hamowania zatrzymującym na tarczy typu , dla kierunku Y 1 : a) wartość skuteczna A RMS, b) wartość średnia A AVERAE, c) wartość pierwiastkowa A SQUARE, d) wartość szczytowa A PEAK Oba kierunki umożliwiają znalezienie zależności wartości danej miary od zużycia okładziny, kierunek Y 1 cechuje większa dynamika zmian opisana zależnością (5) [6] dla tarczy typu Badania pomiaru przyspieszeń drgań obsad hamulcowych w dziedzinie amplitud wykazały, że możliwe jest zastosowanie wybranych miar punktowy, w których obserwuje się zależność wartości danej miary punktowej od różnych grubości okładzin w rozpatrywanym zakresie prędkości początku hamowania od 50 do 00km/h.

9 Tabela 1 - Zestawienie wyników analizy amplitudowej sygnałów przyspieszeń drgań obsad hamulcowych z okładzinami ciernymi dla I okresu hamowania tj. od 0 do 0 sekund Rodzaj miary punktowej Wartość miary punktowej w [m/s ] Dla okładziny o gr. 5mm Dla okładziny o gr. 35mm Dla okładziny o gr. 15mm Dynamika zmian w [db] Dla okładzin o gr. 35 i 5mm Dla okładzin o gr. 35 i 15mm Prędkość początku hamowania v=50km/h A RMS 6,88 9,36 10,63,67 3,78 A AVERAE 5,18 7,01 8,07,63 3,86 A SQUARE 4,5 6,6 6,88 3,35 4,17 A PEAK 45,06 59,5 65,35,38 3,3 Prędkość początku hamowania v=80km/h A RMS 7,9 1,47 15,05 4,66 6,9 A AVERAE 5,55 9,39 11,48 4,57 6,3 A SQUARE 11,10 0,44 5,06 5,30 7,08 A PEAK 5,57 71,69 90,75,69 4,74 Prędkość początku hamowania v=10km/h A RMS 8,65 13,95 17,68 4,15 6,1 A AVERAE 6,61 10,6 13,60 4,1 6,6 A SQUARE 8,66 53,51 68,67 5,4 7,59 A PEAK 59,63 95, 111,55 4,07 5,44 Prędkość początku hamowania v=160km/h A RMS 10,03 14,17 37,46 3,00 11,45 A AVERAE 7,59 10,67 18,66,96 7,81 A SQUARE 6,34 106,4 168,47 4,64 8,64 A PEAK 77,05 14,80 471,50 4,19 15,73 Prędkość początku hamowania v=00km/h A RMS 9,68 1,57 96,31,7 19,96 A AVERAE 7,40 9,59 39,1,6 14,47 A SQUARE 104,50 179,86 493,99 4,7 13,49 A PEAK 85,0 131,30 918,63 3,76 0,65 W tabeli 1 przedstawiono wartości wybranych miar punktowy, w których obserwuje się zależność wartości jej amplitudy od zużycia okładzin zgodny dla tarczy hamulcowej Założono, że do celów diagnostyki należy wygrać miarę punktową, w której zmiana stanu rozumiana zużycie okładzin ciernych cechuje się zmianą parametru diagnostycznego przekracza-

10 jącego 6dB. W tym celu wyznaczono dynamikę zmian zgodnie z zależnością (5) [6] badanego parametru diagnostycznego oraz wartości współczynników korelacji dla liniowej zależności wartości amplitudy przyspieszeń drgań od badanych grubości okładzin ciernych. s D 0 lg (5) s1 gdzie: s 1 wartość miary punktowej wyznaczonej dla okładziny 3 lub, s wartość miary punktowej wyznaczonej dla okładziny 1. Na rysunku 8 i 11 przedstawiono zależności grubości okładzin ciernych hamulca tarczowego od wartości miary punktowej przyspieszeń drgań A (..). Dla tarczy hamulcowej o średnicy zewnętrznej wynoszącej 590 dokonano aproksymacji funkcją liniową (dla prędkości v=50, 80 i 10km/h) lub potęgową (dla prędkości v=160 i 00km/h) zależności grubości okładziny od wartości skutecznej i średniej przyspieszeń drgań. Rys. 8 - Zależność grubości okładzin ciernych w funkcji A RMS przyspieszeń drgań dla tarczy typu dla prędkości początku hamowania v=50, 80 i 10km/h

11 Rys. 9 - Zależność grubości okładzin ciernych w funkcji A RMS przyspieszeń drgań dla tarczy typu dla prędkości początku hamowania v=160 i 00km/h Rys Zależność grubości okładzin ciernych w funkcji A AVERAE przyspieszeń drgań dla tarczy typu dla prędkości początku hamowania v=50, 80 i 10km/h

12 Rys Zależność grubości okładzin ciernych w funkcji A AVERAE przyspieszeń drgań dla tarczy typu dla prędkości początku hamowania v=160 i 00km/h Ze względu na współczynnik korelacji aproksymacji zużycia okładzin ciernych względem wartości skutecznej oraz średniej przyspieszeń drgań, wyprowadzono zależności liniowe (6-8 i 11-13) oraz nieliniowe (9, 10, 14, 15) dla oceny zużycia okładzin ciernych na podstawie pomiaru drgań generowanych przez obsadę hamulcową. W czasie badań stanowiskowych symulowanych hamowań ze stałą mocą, najwyższe wartości współczynnika korelacji dla kierunku Y 1 uzyskano dla tarczy hamulcowej typu v 50 5,1563 ARMS v50 71,198 R 0, 97 (6) v 80,4859 ARMS v80 53,846 R 0, 96 (7) v 10,1933 ARMS v10 54,453 R 0, 99 (8) 0,617 v ,87 ARMS v160 R 0, 98 (9) 0,34 v 00 64,86 ARMS v00 R 0, 91 (10) v 50 6,7505 AAVERAE v50 70,583 R 0, 98 (11)

13 v 80 3,77 AAVERAE v80 53,854 R 0, 97 (1) v 10,841 AAVERAE v10 54,03 R 0, 99 (13) 0,94 v ,7 AAVERAE v160 R 0, 99 (14) 0,46 v 00 79,597 AAVERAE v00 R 0, 93 (15) gdzie: ( ) grubość okładziny, A ( ) wartość danej miary punktowej przyspieszeń drgań w m/s. Niedokładność odwzorowania liniowych modeli regresyjnych opisanych zależnościami (6-15) przedstawia tabela. Tabela 1 Błąd w % odwzorowania regresyjnych modeli liniowych i nieliniowych w oszacowaniu rzeczywistej grubości okładzin Prędkość początku hamowania [km/h] Wartość skuteczna przyspieszeń drgań A RMS [m/s ] Dla okładziny Dla okła- Dla okła- o gr. dziny o gr. dziny o gr. 35mm 5mm 15mm Wartość skuteczna przyspieszeń drgań A AVERAE [m/s ] Dla okładziny Dla okła- Dla okła- o gr. dziny o gr. dziny o gr. 35mm 5mm 15mm v=50 1,96 8,99 8,3 3,44 4,60 10,17 v=80,01 9,46 8,79 1,89 8,6 7,60 v=10 1,33 4,79 4,7 1,18 4,08 3,6 v=160 5,8 6,9 1,75 0,70 0,96 0,47 v=00 1,59 1,47 1,59 10,40 11,13 1,79 Analiza wyników badań w dziedzinie amplitud wykazała, że wybrane miary punktowe umożliwiają diagnozowanie zużycia okładzin ciernych hamulca tarczowego. Dynamika zmian wartości analizowanych miar przyspieszeń drgań dla okładzin 1, i 3 mieści się, w przedziale 6-0 db dla okładzin nowych względem zużytych do grubości 15mm oraz -5 db dla okładzin nowych względem zużytych do grubości 5mm. 4 PODSUMOWANIE Stanowiskowe badania diagnostyczne wykazały, że możliwe jest diagnozowanie zużycia okładzin ciernych hamulca tarczowego dokonując analizy wartości chwilowych przyspieszeń drgań obsad z okładzinami w dziedzinie amplitud. Do celów diagnostyki zużycia okładzin, należy zastosować wartość skuteczną A RMS, wartość średnią A AVERAE, wartość pierwiastkową

14 A SQUARE lub wartość szczytową A PEAK. Analiza sygnałów przyspieszeń drgań wykazała, że największą dynamikę zmian rozpatrywanego parametru diagnostycznego wynikającą ze zmiany stanu uzyskuje się dla hamowań zatrzymujących z prędkości 160 i 00km/h. Dla tych prędkości dynamiki zmian mieszczą się w przedziale 8-0 db. Zadowalające wyniki również uzyskano z hamowań z prędkości 80 i 10km/h wówczas wspomniana dynamika zmian przekracza 6dB z wyjątkiem wartości szczytowej przyspieszeń drgań A PEAK. Badania stanowiskowe wykazały, że z prędkości hamowania wynoszącej 50km/h dla okładziny nowej i zużytej do grubości 5 i 15mm nie jest możliwe uzyskanie zmian powyżej 6 db. Wykorzystując rozpatrywane wartości miar punktowych przyspieszeń drgań, możliwe jest wykorzystanie modeli diagnostycznych do wyznaczenia zużycia okładzin ciernych. Maksymalny błąd w szacowania grubości okładziny ciernej dla rozpatrywanych trzech grubości okładzin nie przekracza 10% dla hamowań zatrzymujących z prędkości do 160km/h i nieznacznie przekracza 10% dla hamowań z prędkości 00km/h. Bibliografia [1] B r ü e l & K j æ r : Piezoelectric Accelerometer Miniature Triaxial Delta Tron Accelerometer Type 4504A, oferta firmy Brüel & Kjær, s.. [] B r ü e l & K j æ r : Measuring Vibration. Revision September 198, s. 16. [3] r u s z e w s k i M.: Wybrane zagadnienia eksploatacji hamulca tarczowego, Technika transportu Szynowego 6-7/1995, s [4] r y b o ś R.: Drgania maszyn, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, liwice 009, s. 14. [5] K o d e k s U I C , Hamulec-Hamulec tarczowy I jego zastosowanie. Warunki dopuszczenia okładzin hamulcowych, Wyd. 6, listopad 006, s. 3. [6] S a w c z u k W., T o m a s z e w s k i 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