Zastosowanie testów impulsowych do oszacowania częstotliwości rezonansowych wybranych elementów kolejowego układu hamulcowego

Transkrypt

1 SAWCZUK Wojciech 1 SZYMAŃSKI Grzegorz 2 Zastosowanie testów impulsowych do oszacowania częstotliwości rezonansowych wybranych elementów kolejowego układu hamulcowego WSTĘP Niezawodność działania układu hamulcowego danego pojazdu uzależniona jest w dużej mierze od współpracy elementów hamulcowych stanowiących parę cierną np. tarcza hamulcowa-okładzina cierna [2, 3, 6]. Niestabilność pracy wynika między innymi z występowania drgań na styku elementów ciernych, co wpływa na obniżenie sprawności procesu hamowania. W praktyce oznacza to, że podczas hamowania pojazdów występujący zmienny w czasie opór tarcia może być powodem nierównomiernego przebiegu procesu hamowania. Skutki tych zmian zgodnie z pracą [7] mogą objawić się w postaci drgań samowzbudnych. Drgania generowane przez układ hamulcowy przenoszone są na pojazd, co również niekorzystnie wpływa na pogorszenie komfortu jazdy. Badania eksploatacyjne pojazdów szynowych wykazały, że trudno jest ustalić przyczynę występujących w danej chwili drgań, gdyż hamulce nie są mechanicznie odizolowane od innych źródeł drgań. Efekty akustyczne oraz związane z nimi drgania mogą pochodzić z układu ciernego, elementów zasilających i sterujących pracą hamulca ale również mogą być związane z innymi układami pojazdu takimi jak np. układ biegowy, łożyskowanie osi czy stanu układu zawieszenia pojazdu. Celem artykułu jest wyznaczenie częstotliwości rezonansowych wybranych elementów tarczowego układu hamulcowego pojazdu szynowego. 1 METODYKA BADAŃ Badania dotyczące wyznaczenia częstotliwości drgań własnych elementów tarczowego kolejowego układu hamulcowego przeprowadzono w oparciu o założenia eksperymentu czynnego [4, 5]. Eksperyment czynny polega na celowej zmianie parametrów wejściowych lub zakłócających i obserwacji wpływu tych zmian na parametry wyjściowe. Za parametr wejściowy przyjęto siłę wymuszającą w testach impulsowych, natomiast za parametry wyjściowe przyspieszenia drgań wybranych elementów mechanizmu dźwigniowego hamulca tarczowego. Do badań zastosowano trójosiowe przetworniki drgań typu 4504A firmy Brüel&Kjær, liniowe pasmo przenoszenia wybranych przetworników wynosiło do 18 khz [1]. W czasie badań rejestrowano sygnały w paśmie 0,1 Hz - 18 khz. Częstotliwość próbkowania ustawiono na Hz. Oznacza to, że pasmo poddane analizie zgodnie z zależnością Nyquista może wynosić do 18 khz. Przetworniki drgań zamocowano do elementów tarczowego układu hamulcowego za pomocą wosku pszczelego. Taki sposób mocowania przetworników nie zawęża pasma analizy wynikającej z charakterystyki przetwornika. Kierunki pomiaru drgań zorientowano następująco: Kierunek X równoległy do płaszczyzny badanego elementu (w kierunku do osi obrotu), kierunek Z równoległy do płaszczyzny (w kierunku obrotu) oraz kierunek Y prostopadły do powierzchni badanego elementu. Wymuszenia impulsowego dokonywano za pomocą młotka modalnego typu firmy Brüel&Kjær pokazanego na rysunku 1. 1 Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, Poznań. Tel , Fax: , wojciech.sawczuk@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, Poznań. Tel , Fax: , grzegorz.m.szymanski@put.poznan.pl 9398

2 Rys. 1. Test impulsowy: a) realizacja eksperymentu, b) widok młotka modalnego typu Do rejestracji sygnałów drgań oraz wymuszeń zastosowano Multianalizator PULSE firmy Brüel&Kjær. Urządzenie pozwala rejestrować przebiegi szybkozmienne równolegle na 17 kanałach z dynamiką do 160 db. Widok multianalizatora PULSE na stanowisku badawczym w Laboratorium Budowy i Diagnostyki Pojazdów Politechniki Poznańskiej przedstawiono na rysunku 2. Badania przeprowadzono dla następujących elementów i zespołów tarczowego kolejowego hamulca tarczowego: tarcza hamulcowa typu , z wentylującymi łopatkami i prętami, mechanizm dźwigniowy hamulca tarczowego, okładzin hamulcowych zużytych w różnym stopniu oraz obsady hamulcowej z okładzinami. Rys. 2. Widok multianalizatora PULSE na stanowisku badawczym w Laboratorium Budowy i Diagnostyki Pojazdów Politechniki Poznańskiej Tarcze hamulcowe zostały podwieszone za pomocą zawiesia liniowego do wyciągarki łańcuchowej w otworze podpiaścia. Siłę wymuszającą przyłożono do pierścienia ciernego na jego grubości od strony zamocowanego przetwornika drgań oraz na pierścieniu ciernym za częścią wentylowaną. Widok tarcz hamulcowych z zamocowanymi przetwornikami drgań podczas testów impulsowych przedstawiono na rysunku

3 Rys. 3. Widok tarczy hamulcowych w czasie testu impulsowego: a) tarcza typu z wentylującymi łopatkami, b) tarcza typu z wentylującymi łopatkami, c) tarcza typu z wentylującymi prętami. Rys. 4. Widok zacisku hamulca tarczowego bez okładzin: a) od strony tłoczyska, b) od strony obudowy cylindra hamulcowego. 9400

4 Rys. 5. Widok okładzin ciernych w czasie testu impulsowego: a) okładzina nowa o grubości 35mm, b) okładzina zużyta do grubości 25mm, c) okładzina zużyta do grubości 20mm. Rys. 6. Widok mechanizmu dźwigniowego hamulca tarczowego: a) z okładzinami nowymi o grubości 35mm, b) z okładzinami zużytymi do grubości 15mm. Zacisk hamulcowy (układ dźwigniowy hamulca tarczowego) bez okładzin zamocowany był do zawiesia linowego zakończonego hakami. Aby wyeliminować wpływ udziału zawiesia w wyznaczeniu częstotliwości drgań własnych zacisku, zastosowano cienką rurkę włożoną w środkowy zaczep znajdujący się na dźwigni środkowej. Na rysunku 4 przedstawiono widok mechanizmu zaciskowego hamulca tarczowego w czasie testu impulsowego. Przetworniki drgań zamocowane były w części środkowej obsad hamulcowych jak w 9401

5 czasie badań stanowiskowych i weryfikacyjnych. Przy wyborze miejsc pomiarowych przyjęto zasadę, że przetwornik powinien znajdować się jak najbliżej miejsca generacji sygnału drgań oraz w miejscu dostępnym. W pierwszy przypadku uderzano w obsadę hamulcową w miejscu montażu prowadników równoległości, w drugim przypadku na miejscu środkowym (miejsce montażu przetworników drgań) natomiast w trzecim przypadku w miejscu blokady okładzin ciernych (spód obsady hamulcowej). Kolejnym etapem badań były pomiary okładzin ciernych w różnym stopniu zużycia. Na rysunku 5 przedstawiono widok okładzin ciernych kolejowego hamulca tarczowego w czasie testu impulsowego. Natomiast na rysunku 6 przedstawiono widok zacisku hamulca tarczowego z okładzinami ciernymi. 2 WYNIKI BADAŃ W celu oszacowania częstotliwości drgań rezonansowych wybranych elementów i zespołu kolejowego hamulca tarczowego przeprowadzono testy impulsowe. Zarejestrowane sygnały przyspieszeń drgań poddano analizie w dziedzinie częstotliwości. Analiza taka polega na wyznaczeniu szeregu charakterystyk, które przedstawiają zależności różnych wielkości (np. amplitudy, mocy, fazy) od częstotliwości. W trakcie analiz wykonano uśrednianie i normowanie widm amplitudowych. Normowanie umożliwiło porównywanie widm wyznaczonych dla różnych sił wymuszających, natomiast uśrednianie miało na celu zminimalizowanie wpływu szumów na wyniki analiz sygnałów. Przykładowy przebieg czasowy odpowiedzi impulsowej oraz siły wymuszającej drgania tarczy hamulcowej typu przedstawiono na rysunku 7. Rys.7. Przebieg czasowy odpowiedzi impulsowej oraz siły wymuszającej drgania tarczy hamulcowej. Z rysunku 7 wynika, że czas trwania impulsu siły wymuszającej drgania jest wielokrotnie krótszy od czasu wygaszania drgań w elementach układu hamulcowego. Tarcza hamulca kolejowego jest wykonana jako dwuczęściowy zespół składający się z odlewu żeliwnego wciśniętego na piastę hamulcową i dodatkowo zabezpieczonego kołkami rozprężnymi w celu umożliwienia osiowego rozszerzania się w wyniku nagrzewania. Tarcza hamulcowa jako skomplikowany odlew wynikający z możliwości samoistnej wentylacji w czasie obrotu cechuje się dużą wytrzymałości na rozciąganie, ściskanie i zginanie w wyniku procesu hamowania. Na rysunku 8 przedstawiono przykładowe uśrednione FRF sygnałów przyspieszeń drgań (w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach) zarejestrowanych na tarczy hamulcowej oraz na pozostałych elementach układu hamulcowego. Na podstawie analizy sygnałów przyspieszeń drgań oszacowano częstotliwości, które można podejrzewać, że są częstotliwościami drgań rezonansowych tarczy hamulcowej. 9402

6 Rys. 8. Uśrednione FRF sygnałów przyspieszeń drgań zarejestrowanych na: a) tarczy hamulcowej, b) zacisku hamulcowym bez okładzin, c) okładzinach ciernych. Na podstawie przeprowadzonych analiz oszacowano częstotliwości, które mogą być częstotliwościami drgań rezonansowych elementów kolejowego układu hamulca tarczowego. Wartości oszacowanych częstotliwości zamieszczono w Tab. 1. Tab. 1. Szacowane wartości częstotliwości drgań rezonansowych elementów/zespołów kolejowego hamulca tarczowego Element/zespół Częstotliwość [khz] Tarcza 2,8 3,0 4,0 4,2 4,4 4,7 4,8 5,8 6,2 6,9 Zacisk bez okładzin 4,1 4,4 5,9 6,3 7,7 Okładzina hamulca 4,5 4,7 5,1 5,7 Zacisk z okładzinami 3,9 4,4 6,5 9403

7 WNIOSKI Na podstawie wyników badań dotyczących oszacowania częstotliwości drgań rezonansowych wybranych elementów kolejowego tarczowego układu hamulcowego stwierdzono, że charakteryzują się one różnymi wartościami oraz liczbą częstotliwości drgań własnych. Najwięcej częstotliwości ze względu m. in. na masę i skomplikowany kształt zaobserwowano dla tarczy hamulcowej. Na podstawie testów impulsowych zostaną wyznaczone zastępcze parametry dynamiczne okładzin ciernych z uwzględnieniem zmiany masy, co będzie umożliwiało opracowanie modelu dynamicznego tego elementu w dalszych etapach badań. Streszczenie W pojazdach szynowych ze względu na coraz to większe prędkości jazdy konieczne jest stosowanie większych mocy hamowania i rozbudowanych systemów hamulcowych w celu przejęcia i rozproszenia zgromadzonej w czasie hamowania energii cieplnej. Niestabilność pracy wynika między innymi z występowania drgań na styku elementów ciernych, co wpływa na obniżenie sprawności procesu hamowania. W praktyce oznacza to, że podczas hamowania pojazdów występujący zmienny w czasie opór tarcia może być powodem nierównomiernego przebiegu procesu hamowania. Skutki tych zmian mogą objawić się w postaci drgań samowzbudnych. Celem artykułu jest wyznaczenie częstotliwości rezonansowych wybranych elementów tarczowego układu hamulcowego pojazdu szynowego. Application of impact tests to estimate the resonance frequencies of selected elements of the railway disc brake Abstract Attempt to raise train speed involves application of greater braking power i.e. braking systems rapidly absorbing and dispersing stored heat energy. Work instability arises from the occurrence of vibrations on friction element, which affects the lower efficiency of the braking process. In practice, this means that, during braking the vehicles currently alternative at a time of friction resistance may cause uneven braking process. The effects of these changes can manifest in the form of vibrations the high amplitude of the input. The vibrations generated by the assemblies are moved per vehicle, which also adversely affects ride comfort. The purpose of this article is to determine the resonant frequencies of the selected elements of the railway disk brake. BIBLIOGRAFIA 1. Brüel & Kjær, Measuring Vibration, Revision September Gruszewski M., Wybrane zagadnienia eksploatacji hamulca tarczowego. Technika Transportu Szynowego 6-7/ Gruszewski M., Wybrane zagadnienia eksploatacji hamulca tarczowego wagonu Bdhpumn. Technika Transportu Szynowego 6/ Leszek W., Badania empiryczne, Studia i rozprawy Instytut Technologii Eksploatacji, Radom Lotko W., Laboratorium diagnostyki pojazdów samochodowych, WKŁ, Warszawa Rail Consult Gesellschaft für Verkehrsberatung mbh. Wagon osobowy Z1 02, układ jezdny-tom 2. Dokumentacja Techniczno-Ruchowa. 7. Ścieszka S.F., Hamulce cierne. Zagadnienia materiałowe, konstrukcyjne i tribologiczne, Wydawnictwo Gliwice-Radom