Analiza przebiegów czasowych i amplitudowych sygnałów drganiowych tarczowego układu hamulcowego pojazdu szynowego

Transkrypt

1 TOMASZEWSKI Franciszek 1 SAWCZUK Wojciech 2 WESOŁEK Maciej 3 Analiza przebiegów czasowych i amplitudowych sygnałów drganiowych tarczowego układu hamulcowego pojazdu szynowego WSTĘP W pojazdach szynowych ze względu na coraz to większe prędkości jazdy prowadzi się prace nad udoskonalaniem układów hamulcowych tak, aby zatrzymanie pojazdu odbyło się na możliwie najkrótszej drodze hamowania. 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, 7]. 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 [9] mogą objawić się w postaci drgań samowzbudnych. Drgania generowane przez układ hamulcowych przenoszone są na pojazd, co również niekorzystnie wpływa na pogorszenie komfortu jazdy. Również szereg zalet tego rodzaju hamulca, jak np. stały przebieg współczynnika tarcia w funkcji prędkości w stosunku do tradycyjnego hamulca klockowego, uzasadnia jego stosowanie i to zarówno w pojazdach kolejowych, jak i w pojazdach szynowych komunikacji miejskiej. Mimo wielu zalet układu hamulcowego, zamocowanie tarcz hamulcowych na osi pomiędzy kołami zestawu kołowego znacznie utrudnia kontrolę zużycia pary ciernej tarcza-okładzina. Wymusza ono na obsłudze i pracownikach zakładów naprawczych wchodzenie pod wagon w celu zdiagnozowania układu hamulcowego, sprawdzenia poprawności jego działania, kontroli zużycia oraz przeprowadzenia niektórych napraw bieżących. Celem artykułu jest ocena drgań generowanych przez włączony hamulec tarczowy wagonu pasażerskiego w czasie przejazdu tam i z powrotem pociągu testowego. 1 METODYKA BADAŃ Badania eksploatacyjne zostały przeprowadzone w oparciu o założenia eksperymentu czynnego zgodnie z [4, 5] i wykonane na rzeczywistym obiekcie w czasie jego eksploatacji. Parametrami wejściowym były w szczególności grubość okładzin ciernych, prędkość początku hamowania oraz niezmienna w czasie badań masa wagonu, natomiast parametrem wyjściowym były chwilowe przyspieszenia drgań obsad (imaków) z okładzinami. Badaniami został objęty układ hamulca tarczowego z tarczami hamulcowymi o wymiarach oraz dwa komplety okładzin ciernych typu 175 FR20H.2, znajdujący się na wózku kolejowym GP200 wagonu pasażerskiego typu Z2AMg. Widok wagonu oraz wózka kolejowego wykorzystanego do badań eksploatacyjnych przedstawia rysunek 1. Badania eksploatacyjne zostały przeprowadzone na wagonie dołączonym do składu pociągu składającego się z 11 wagonów. Jeden z wagonów pomiarowych był wyposażony w przetworniki drgań zamocowane do obsad okładzin ciernych. Pociąg wykonał jazdę testową na trasie przejazdu Poznań-Rzepin-Poznań. Początek badania - godzina 23 30, zakończenie - godzina W czasie badań realizowano hamowania służbowe, pełne oraz nagłe z prędkości początku hamowania wynoszących 60, 100, 120 i 160 km/h. Dodatkowo podczas badań rejestrowano ciśnienie w cylindrze hamulcowym 1 Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, Poznań. Tel , Fax: , franciszek.tomaszewski@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, Poznań. Tel , Fax: , wojciech.sawczuk@put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, Poznań. Tel , Fax: , maciej_wesolek@wp.pl 10651

2 oraz w przewodzie głównym za pomocą rejestratora ciśnień systemu PWBlogg, znajdującego się na wagonie. Rys. 1. Widok obiektu badań: a) wózek kolejowy GP 200, b) wagon pasażerski typu 2ZA Mg, c) zacisk hamulca tarczowego z okładzinami typu 175. Badania eksploatacyjne przeprowadzono wykorzystując obsady okładzin ciernych, do których na zewnętrznej stronie w środkowej części zamocowano przetworniki drgań. Na podstawie wyników wcześniejszych badań, gdzie przetworniki zamocowane były na dwóch obsadach stwierdzono, że największą dynamikę zmian parametrów sygnału drganiowego, w zależności od zużycia okładzin, uzyskuje się z przetworników zamocowanych do obsady od strony obudowy cylindra hamulcowego. Podczas badań eksploatacyjnych na każdym układzie dźwigniowym założono po jednym przetworniku drgań na obsadzie od strony obudowy cylindra hamulcowego. Pomiaru drgań dokonano tylko w jednym kierunku (Y) prostopadłym do powierzchni ciernej tarczy. Wyboru kierunku dokonano na podstawie wniosków z badań stanowiskowych, gdzie również największą dynamikę zmian parametru drganiowego zarejestrowano w kierunku prostopadłym do tarczy. Do akwizycji sygnałów drgań zastosowano zestaw pomiarowy, składający się z: piezoelektrycznych przetworników drgań B&K typ 4504A, 2szt., kasety pomiarowej typu B&K 3560 C i 3050-A-060, oprogramowania systemu PULSE 12.5 i Tor pomiarowy drgań na wózku GP200 wagonu Z2AMg przedstawia rysunek 2. Do badań eksploatacyjnych, wykorzystano przetworniki drgań typu 4504 firmy Brüel&Kjær. Liniowe pasmo przenoszenia przetworników wyniosło 13 khz. Podczas badań diagnostycznych rejestrowano sygnały w paśmie od 0,1 Hz do 9 khz [1]. Do analizy wyników drgań istotne zmiany sygnału występuje do 6 khz. Częstotliwość próbkowania wynosiła 32 khz, co oznacza, że pasmo poddane analizie zgodnie z zależnością Nyquista wyniosło 16 khz

3 Rys. 2. Tor pomiarowy drgań okładzin ciernych na wózku GP200 wagonu Z2AMg. 2 WYNIKI BADAŃ Po badaniach eksploatacyjnych, najpierw dokonano analizy sygnałów przyspieszeń drgań w dziedzinie czasu aby zaobserwować zmiany w amplitudzie chwilowych przyspieszeń drgań hamowanych dwóch osi zestawu kołowego z tymi samymi parametrami wejściowymi. Na rysunkach 3-6 przedstawiono przebiegi czasowe przyspieszeń drgań w różnych fazach hamowania wagonu Z2AMg. Rys. 3. Wartości chwilowe przyspieszeń drgań dla hamowania z prędkości 60 km/h do zatrzymania, kolor czerwony-pierwsza oś hamowana, kolor niebieski-druga oś hamowana

4 Rys. 4. Wartości chwilowe przyspieszeń drgań z przyhamowania z prędkości130 do 100 km/h do zatrzymania, kolor czerwony-pierwsza oś hamowana, kolor niebieski-druga oś hamowana. Rys. 5. Wartości chwilowe przyspieszeń drgań z przyhamowania z prędkości100 do 60 km/h do zatrzymania, kolor czerwony-pierwsza oś hamowana, kolor niebieski-druga oś hamowana Rys. 6. Wartości chwilowe przyspieszeń drgań z ostatniej fazy hamowania do zatrzymania, kolor czerwonypierwsza oś hamowana, kolor niebieski-druga oś hamowana 10654

5 Rys. 7. Wartości skuteczne przyspieszeń drgań uzyskana w czasie hamowania z prędkości 160km/h do zatrzymania, na dwóch osiach zestawów kołowych, strzałką przedstawiono kierunek jazdy wagonu Rys. 8. Wartości średnie przyspieszeń drgań uzyskana w czasie hamowania z prędkości 160km/h do zatrzymania, na dwóch osiach zestawów kołowych, strzałką przedstawiono kierunek jazdy wagonu Rys. 9. Wartości pierwiastkowe przyspieszeń drgań uzyskana w czasie hamowania z prędkości 160km/h do zatrzymania, na dwóch osiach zestawów kołowych, strzałką przedstawiono kierunek jazdy wagonu 10655

6 Analiza sygnałów przyspieszeń drgań w dziedzinie amplitud pozwala określić różnice w wartości amplitudy przyspieszeń drgań w zależności od rodzaju hamowanej osi. Dokonując uśredniania przebiegów czasowych, wykorzystano następujące miary punktowe opisane zależnościami w pracy [8] tj. wartość skuteczną A RMS, wartość średnią A AVERAGE i wartość pierwiastkową A SQUARE. Na rysunkach 7-9 ograniczono się do przedstawienia zmian wartości miar punktowych w zależności od hamowanej osi tylko z prędkości 160km/h do zatrzymania. W pozostałych przypadkach hamowań i przyhamowań uzyskano podobną tendencję. Analizując wykresy na rysunkach 7-9, stwierdza się, że kierunek jazdy wagonu w następstwie późniejszego hamowania ma wpływ na zmiany wartości danych miar punktowych. Uzyskane niższe wartości amplitud przyspieszeń drgań na pierwszej hamowanej osi względem kolejnej osi może mieć wpływ z bezwładnością wagonu, w szczególności pudła i ramy wózka wagonu. W procesie hamowania wagonu (również w czasie ruszania) powstają momenty powodujące zmianę obciążenia poszczególnych osi a tym samym różne wartości nacisków na tor, co przedstawia rysunek 10. Rys Schemat wagonu z oznaczeniem sił i momentów działających w czasie hamowania W wyniku hamowania moment działający na pudło wagonu można opisać zależnością: gdzie: n liczba osi wózka, n=2, F siła bezwładności wagonu. M1 2nF H h (1) Natomiast moment działający na wózek wagonu przedstawia zależność: M nfh 2 (2) Na skutek działania momentu M 1, poprzez oparcie pudła na wózkach nastąpi zmiana ich obciążeń Δqo, które określa zależność: n F( H h) q o (3) A Każda oś wózka przedniego jest dociążona o wartość Δqo zaś wózka tylnego odciążona. Ponadto w wyniku działania momentu M 2, wystąpi zmiana obciążeń każdej osi o wartość δqo, dociążone zostaną przednie zestawy kołowe a odciążone tylne zestawy kołowe wg zależności: 10656

7 M 2 nfh qoa (4) nfh q o (5) a Na podstawie zależności 1-5 stwierdza się, że zmienność nacisków poszczególnych osi zestawów kołowych wagonu pasażerskiego w czasie hamowania może przekładać się na zmianę w amplitudach chwilowych przyspieszeń drgań okładzin ciernych względem tarczy hamulcowej. WNIOSKI Analizując wartości miar punktowych po badaniach poligonowych stwierdza się, że na podstawie analiz w dziedzinie amplitud nie powinno się budować prostych modeli regresyjnych zarówno oceny procesu hamowania jak i oceny stanu okładzin ciernych. Badania stanowiskowe przeprowadzone w Instytucie Pojazdów Szynowych TABOR w Poznaniu dowiodły o takiej możliwości. Jednak charakter badań (stacjonarne) nie odzwierciedla dodatkowych warunków jakie występują w czasie hamowanego wagonu. Na wyniki analiz w dziedzinie amplitud, co dowiodły przeprowadzone badania, również poza takimi parametrami jak prędkość początku hamowania, docisk i masa do wyhamowania, również ma wpływ rodzaj hamowanej osi. Analizując wykresy na rysunkach 7-9 stwierdza się, że w czasie jazdy powrotnej również pierwsza oś wagonu wykazywała w każdym przypadku niższe wartości przyspieszeń drgań względem kolejnej osi, jednak wartości w każdym rozpatrywanym przypadku były wyższe względem jazdy w kierunku do Rzepina. Jedną z przyczyn wymagającej dodatkowych badań może być to, że w czasie pierwszej jazdy w kierunku do Rzepina, badany wagon był pierwszym wagonem za lokomotywą, natomiast w czasie jazdy z powrotem był to ostatni wagon. W obu przypadkach wagony miały tą samą masę. Można przypuszczać, że niższe wartości przyspieszeń drgań w czasie jazdy do stacji Rzepin były następstwem zwiększonego nacisku na tor ze względu na efekt nabiegania pozostałych wagonów na pierwszy w czasie hamowania. W drugim przypadku tj. w czasie jazdy powrotnej sytuacja była odwrotna, na wagon nie działały żadne inne siły zewnętrzne oprócz sił bezwładności wagonu wynikających z jego masy i prędkości przed hamowaniem. Streszczenie W pojazdach szynowych ze względu na coraz to większe prędkości jazdy prowadzi się prace nad udoskonalaniem układów hamulcowych tak, aby zatrzymanie pojazdu odbyło się na możliwie najkrótszej drodze hamowania. Również szereg zalet tego rodzaju hamulca, jak np. stały przebieg współczynnika tarcia w funkcji prędkości w stosunku do tradycyjnego hamulca klockowego, uzasadnia jego stosowanie i to zarówno w pojazdach kolejowych, jak i w pojazdach szynowych komunikacji miejskiej. Mimo wielu zalet układu hamulcowego, zamocowanie tarcz hamulcowych na osi pomiędzy kołami zestawu kołowego znacznie utrudnia kontrolę zużycia pary ciernej tarcza-okładzina. Wymusza ono na obsłudze i pracownikach zakładów naprawczych wchodzenie pod wagon w celu zdiagnozowania układu hamulcowego, sprawdzenia poprawności jego działania, kontroli zużycia oraz przeprowadzenia niektórych napraw bieżących. Celem artykułu jest ocena drgań generowanych przez włączony hamulec tarczowy wagonu pasażerskiego w czasie przejazdu tam i z powrotem pociągu testowego. The analysis of time and amplitude vibration signal generated by the disc brake of the rail vehicle Abstract Attempt to raise train speed involves application of greater braking power i.e. braking systems rapidly absorbing and dispersing stored heat energy. To maintain high efficiency of braking system in the whole operational process, it is necessary to control the friction set: brake and pad before reaching limit wear particularly of friction pads. Few disadvantages of disc brake include a lack of possibility of controlling the condition of the friction set: brake and pad in the whole operation time. It is particularly observable in rail cars, where disc brakes are mounted on the axle of the axle set between the wheels. To check the wear of 10657

8 friction pads and brake discs it is necessary to apply inspection channel to carry out inspections, and to carry out replacement of friction parts in case they reach their terminal wear. The purpose of this research is presented vibrations by the disc brake passenger car during the traver there and back, train test. 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 Paul Wegener Messtechnik Seit 1921 GmbH, System pomiaru i rejestracji danych PWBlogg instrukcja obsługi. 7. Rail Consult Gesellschaft für Verkehrsberatung mbh. Wagon osobowy Z1 02, układ jezdny-tom 2. Dokumentacja Techniczno-Ruchowa. 8. Szymański G., M., Analiza możliwości zastosowania wybranych charakterystyk sygnału drganiowego do diagnostyki silnika spalinowego. Rozprawa doktorska Politechnika Poznańska, Poznań Ścieszka S.F., Hamulce cierne. Zagadnienia materiałowe, konstrukcyjne i tribologiczne, Wydawnictwo Gliwice-Radom