ANALIZA OBRAZÓW TERMOWIZYJNYCH KOLEJOWEGO HAMULCA TARCZOWEGO W OCENIE ZU YCIA ELEMENTÓW CIERNYCH WOJCIECH SAWCZUK, MARTA PACHOŁEK

Transkrypt

1 ANALIZA OBRAZÓW ERMOWIZYJNYCH KOLEJOWEGO HAMULCA ARCZOWEGO W OCENIE ZU YCIA ELEMENÓW CIERNYCH WOJCIECH SAWCZUK, MARA PACHOŁEK Streszczenie Celem artykułu jest wyznaczenie rozkładu średniej temperatury w kolejowym hamulcu tarczowym z wykorzystaniem kamery termowizyjnej. W artykule przedstawiono rozkład średniej temperatury na takich elementach pary ciernej jak tarcza hamulcowa, okładzina cierna oraz obsada hamulcowa kolejowego hamulca tarczowego. Obserwacja temperatury na tych elementach za pomocą kamery termowizyjnej pozwoliła określić rozkład temperatury dla hamowań zatrzymujących z okładzinami w parze ciernej zużytymi w różnym stopniu. Następnie na podstawie zarejestrowanych obrazów i analizie termogramów opracowano modele termomechaniczne pozwalające określić temperaturę elementów pary ciernej hamulca w zależności od zużycia hamulca oraz parametrów hamowania. Słowa kluczowe: kolejowy hamulec tarczowy, okładzina cierna, obsada hamulcowa, rozkład redniej temperatury, badania termowizyjne 1. Wprowadzenie Badania o charakterze trybologicznym kolejowych hamulców przeprowadza si na stanowisku hamulcowym bezwładno ciowym (rys. 1). Stanowisko umo liwia prowadzenie bada kolejowego hamulca klockowego oraz hamulca tarczowego, odzwierciedlaj cych rzeczywiste warunki, jakie wyst puj podczas hamowania wagonu. Badania stanowiskowe na tarczowych hamulcach kolejowych, którego dotyczy artykuł, prowadzi si zgodnie z programami zawartymi w karcie UIC Ka dy program bada odnosi si do specyficznych warunków pracy hamulca w czasie eksploatacji pojazdu. W celu odzwierciedlenia rzeczywistych warunków, jakie wyst puj w czasie hamowania wagonów oraz bior c pod uwag, e tylko poci gi pospieszne w ruchu krajowym typu Intercity i cz poci gów LK oraz wszystkie poci gi w ruchu mi dzynarodowym typu Eurocity s wyposa one w wagony z tarczowym układem hamulcowym, wybrano program badawczy B dla poci gów osobowych kursuj cych z pr dko ci maksymaln v=00km/h. W czasie stanowiskowych bada kolejowego hamulca tarczowego rejestruje si m.in. zmiany chwilowego współczynnika tarcia, na jego podstawie wyznacza si redni współczynnik tarcia poprzez całkowanie chwilowego współczynnika tarcia po drodze hamowania, ponadto przebiegi maksymalnej i redniej temperatury tarczy w funkcji czasu hamowania zarejestrowanej na podstawie 6-ciu termopar zamocowanych na pier cieniu ciernym tarczy oraz drog hamowania i zu ycie okładzin ciernych [1].

2 00 Wojciech Sawczuk, Marta Pachołek Analiza obrazów termowizyjnych kolejowego hamulca tarczowego w ocenie zużycia elementów ciernych Rys. 1. Stanowisko do badań kolejowego hamulca tarczowego: a) widok tarczy hamulcowej i układu dźwigniowego hamulca, b) widok na napęd stanowiska i masy wirujące: 1-cylinder hamulcowy 8, -obsada z okładziną cierną, 3-tarcza hamulcowa, 4-silnik do napędu stanowiska, 5-masy wirujące Wszystkie próby prowadzi si na nowej parze ciernej w szczególno ci dla okładzin ciernych, nie wyznacza si charakterystyk tarciowych dla zu ytych okładzin. W zale no ci od rodzaju trasy na której kursuje dany skład poci gu zwi zany z liczb hamowa oraz energi pojazdu do wyhamowania, w niektórych przypadkach osi gni cie granicznego dopuszczalnego zu ycia okładziny wynosz ce 5mm zmuszaj ce do wymiany okładziny na now osi ga si w ci gu 0 dni przy przebiegu poci gu nie przekraczaj cego 3500 km (na podstawie bada autora).. Metodyka bada stanowiskowych i termowizyjnych Celem badania było wyznaczenie rozkładu redniej temperatury tarczy hamulcowej, okładziny ciernej i obsady hamulcowej z wykorzystaniem kamery termowizyjnej. Badaniem został obj ty układ hamulca tarczowego, który obejmował wentylowan tarcz hamulcow o wymiarach oraz okładziny cierne typu 175 FR0.H o grubo ci odpowiednio 35, 5 i 15 mm, zamocowane do obsady hamulca tarczowego przedstawione na rys.. Badania zostały przeprowadzone na bezwładno ciowym stanowisku hamulcowym w Instytucie Pojazdów Szynowych ABOR w Poznaniu. Zostały odzwierciedlone rzeczywiste warunki panuj ce podczas hamowania poci gu. Program bada był zgodny z kart UIC i programem B1 (I). Przeprowadzono hamowanie zatrzymuj ce z zadanych pr dko ci, które odpowiednio wynosiły 50, 80,10, 160 i 00 km/h. Do analizy wykorzystano termogramy przedstawiaj ce temperatur w chwili zatrzymania. Po ka dym hamowaniu tarcz chłodzono do temperatury 50 C poprzez swobodny obrót na wolnym powietrzu. Kontrolowanie tej temperatury było mo liwe dzi ki zainstalowanym na tarczy termoparom, które jednocze nie mierzyły temperatur na tarczy hamulcowej w czasie przeprowadzania prób. Docisk okładziny do tarczy wynosił N=5 kn i N=35 kn natomiast masa do wyhamowania przypadaj ca na jedn tarcze wyniosła M=5,7 t. Zarejestrowane obrazy termowizyjne analizowano w programie FLIR ools.

3 01 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, 014 Rys.. Widok okładzin ciernych wykorzystanych w badaniach stanowiskowych hamulca tarczowego z wykorzystaniem kamery IR ħródło: opracowanie własne. Rozkład Ğredniej temperatury wyznaczono poprzez naniesienie na obraz dowolnej liczby punktów pomiarowych Sp, które nastċpnie uğredniono, lub za pomocą naniesienia na obraz obszarów w postaci podstawowych figur geometrycznych jak okrąg, kwadrat, prostokąt czy trójkąt [3]. W przypadku pomiaru rozkładu temperatury na gruboğci tarczy hamulcowej na kaīdy termogram naniesiono trzy punkty (Sp) w trzech róīnych miejscach a nastċpnie uğredniono je. Rozkład temperatury na okładzinie ciernej zrealizowany został poprzez naniesienie na jej gruboğü linii prostej (Li). Zastosowanie takiej metody [4], poza Ğrednią arytmetyczną temperatury pozwala wyznaczyü takīe temperaturċ maksymalną i minimalną. Na obsadzie hamulcowej temperaturċ zmierzono z wykorzystaniem, naniesionego w badanym miejscu termogramu, obszaru prostokątnego. NastĊpnie przy pomocy programu wyznaczono Ğrednią temperaturċ ze wszystkich punktów znajdujących siċ w obszarze prostokątnym (Ar) oraz temperaturċ minimalną i maksymalną. Rys. 3. Obraz termograficzny z kamery FLIR E60 układu hamulca tarczowego wygenerowany w programie FLIR ools: 1 pomiar punktowy temperatury Sp, rozklad temperatury z obszaru kołowego El, 3 rozkład temperatury z obszaru prąstokątnego lub kwadratowego Av, 4 poziom (level), 5 rozpiętość (span) ħródło: opracowanie własne.

4 0 Wojciech Sawczuk, Marta Pachołek Analiza obrazów termowizyjnych kolejowego hamulca tarczowego w ocenie zużycia elementów ciernych Na rysunku 3 przedstawiono rozpi to temperatury span jest to zakres od 0 do 150 C, level (poziom tj. rodkowy punkt rozpi to ci) oraz wykorzystane w pomiarach obszary figur geometrycznych. Rys. 4. Pomiar temperatury tarczowego układu hamulcowego: a) obraz termowizyjny zarejestrowany kamerą FLIR E60 i wygenerowany w programie FLIR ools; b) widok stanowiska badawczego kolejowego hamulca tarczowego Rysunek 4 przedstawia przykładowy obraz termograficzny na postawie którego wyznaczono rozkład temperatury w podanych w miejscach: okładzina cierna, grubo tarczy hamulcowej i obsada hamulcowa oraz widok tarczy hamulcowej. Przeprowadzenie dokładnego pomiaru temperatury na kolejowym hamulcu tarczowym z wykorzystaniem kamery termowizyjnej wymaga kompensacji wpływu ró nych ródeł promieniowania [5]. Nale ało zatem ujednolici wszystkie parametry kamery termowizyjnej dla ka dego pomiaru temperatury. Najwa niejszym parametrem obiektu, który nale ało poprawnie skonfigurowa była emisyjno. Aby zredukowa bł dy pomiarowe do minimum nale ało uzyska jednolit emisyjno całego układu. Dlatego na grubo ci tarczy hamulcowej (wraz z kanałami wentylacyjnymi) oraz na obsadzie nało ono czarn farb aroodporn. Natomiast na grubo ci okładziny ciernej naklejono czarn ta m izolacyjn 3M. Pozwoliło to skonfigurowa jednolity współczynnik emisyjno ci na poziomie 97%. Kolejnym parametrem była odbita temperatura pozorna. Wyznaczono j metod z zastosowaniem nisko emisyjnego obiektu. Polegała ona na umieszczeniu tektury z folia aluminiow przed obiektem bada, ze skierowan foli aluminiow w stron kamery. Kolejno ustawiono emisyjno o warto ci 1,0 a odległo 0 m i zmierzono temperatur pozorn folii aluminiowej. Wyniosła ona 18 C. Odległo czyli dystans dziel cy obiekt i czoło obiektywu kamery, wynosiła m. Wilgotno wzgl dna z uwagi na mał odległo pozostawiono jako warto domy ln wynosz c 50%. emperatura powietrza podczas bada wynosiła 18 C. Zestawienie warto ci parametrów kamery termowizyjnej przedstawia tabela 1.

5 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, ab. 1. Wartości parametrów kamery termowizyjnej skonfigurowanej na potrzeby badań stanowiskowych hamulca tarczowego 3. Wyniki bada Emisyjno 0,97 Odbita temperatura pozorna 18 C Odległo m Wilgotno wzgl dna 50% emperatura powietrza 18 C emperatura zewn trznego układu optycznego 0 C ransmisja zewn trznego układu optycznego 1,0 Na rysunku 5 przedstawiono rozkład redniej temperatury dla tarczy hamulcowej, okładziny ciernej o grubo ci G1=35mm i dla obsady hamulcowej w czasie hamowania zatrzymuj cego z zadanych 5-ciu pr dko ci pocz tku hamowania przy nacisku okładziny do tarczy N=5kN. Rys. 5. Rozkłady średniej temperatury tarczy hamulcowej, okładziny ciernej G1=35mm oraz obsady hamulcowej w zależności od rozpatrywanych prędkości początku hamowania Na rysunku 6 przedstawiono rozkłady redniej temperatury tarczy hamulcowej w zale no ci od grubo ci okładzin ciernych. Na tej podstawie stwierdza si, e zmiana grubo ci okładzin wynikaj ca z ich zu ycia wpływa na zmian temperatury tarczy w czasie hamowania z analizowanych pr dko ci pocz tku hamowania. Ró nice w temperaturze tarczy hamowanej z u yciem okładzin zu ytych wzgl dem nowych dotartych wynosz od 3 do 35 C (mniejsz ró nice uzyskuje sie przy hamowaniu z pr dko ci 50km/h, natomiast wi ksz przy pr dko ciach hamowania v=160 i 00km/h). Na rysunku 7 przedstawiono rozkład redniej temperatura okładzin ciernych w zale no ci od ich stanu (zu ycia) oraz od pr dko ci pocz tku hamowania i nacisku. Przy mniejszym nacisku N=5kN nie obserwuje si istotnej zmiany w warto ci temperatur dla trzech rozpatrywanych grubo ci okładzin (rys. 7a)). Natomiast wi kszy docisk okładziny do tarczy N=35kN powoduje przyrost temperatury

6 04 Wojciech Sawczuk, Marta Pachołek Analiza obrazów termowizyjnych kolejowego hamulca tarczowego w ocenie zużycia elementów ciernych okładzin zu ytych dla grubo ci 15mm. Jednak warunek ten spełniony jest tylko przy hamowaniach z wy szych pr dko ci tj. 160 i 00km/h w pozostałych przypadkach hamowa warto ci temperatur okładzin mieszcz si bł dzie pomiarowym kamery termowizyjnej (-3% warto ci mierzonej temperatury). W przypadku rozkładu temperatury na obsadach hamulcowych (rys. 8), trudno jest okre li trend wzrostu temperatury obsady w zale no ci od zu ycia okładzin ciernych. ylko w przypadku hamowania z naciskiem okładzin do tarczy N=5kN dla wy szych pr dko ci pocz tku hamowania obserwuje sie wzrost temperatury obsady od zu ycia okładzin ciernych (hamowanie z v=160 i 00km/h rys. 8a)). W pozostałych przypadkach hamowania wyst puje rozrzut warto ci temperatur oscyluj cy wokół jednej warto ci, dla N=5kN uzyskano rednie warto ci temperatur obsady niezale nie od pr dko ci hamowania wynosz ce 3, 7,7 i 9,3 C poł czonych z okładzinami o grubo ciach kolejno 35, 5 i 15mm. Dla nacisku okładziny do tarczy N=35kN temperatury obsad hamulcowych wyniosły 5,6 (poł czonej z okładzin G1=35mm), 0,8 (dla okładziny G=35mm) i 7,9 C dla okładziny (G3=15mm). Jednak nale y zwróci uwag, e na warto maksymalnej temperatury obsady hamulcowej ma wpływ temperatura pocz tku hamowania elementu oraz temperatura samej okładziny ciernej. Zgodnie z wytycznymi zawartymi w [] temperatura tarczy przed kolejnym hamowaniem powinna wynie 50 C. Warunki pocz tkowe dla tarczy hamulcowej s kontrolowane prze termopary zamocowane na pier cieniu ciernym tarczy hamulcowej, natomiast ze wzgl du na charakterystyk materiału ciernego (tworzywo organiczne) studzenie przebiega wolniej ni wzgl dem tarczy chłodzonej przy stałej pr dko ci obrotowej. Rys. 6. Rozkłady średniej temperatury tarczy hamulcowej w zależności od rozpatrywanych prędkości początku hamowania i grubości okładzin ciernych

7 05 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, 014 Rys. 7. Rozkłady średniej temperatury okładziny ciernych w zależności od rozpatrywanych prędkości początku hamowania i ich grubości (zużycia) ħródło: opracowanie własne. Na tej podstawie moīna stwierdziü, Īe stałe warunki początku hamowania dla tarczy hamulcowej nie przekładają siċ na stały stan cieplny związany z okładzinami jak i obsadą hamulcową co moīe mieü wpływ na zmiany współczynnika tarcia miedzy tarczą a okładziną cierną. Na podstawie uzyskanych danych wyznaczono modele termomechaniczne opisujące temperaturċ tarczy hamulcowej oraz okładziny ciernej dla dwóch nacisków okładziny na tarczċ hamulcową wynoszących odpowiednio N=5 kn i N=35 kn oraz ze wzglċdu na gruboğü okładziny ciernej.

8 06 Wojciech Sawczuk, Marta Pachołek Analiza obrazów termowizyjnych kolejowego hamulca tarczowego w ocenie zużycia elementów ciernych Rys. 8. Rozkłady średniej temperatury obsady hamulcowej w zależności od rozpatrywanych prędkości początku hamowania i grubości okładzin ciernych Źródło:

9 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, emperatur pary ciernej tarcza hamulcowa-okładzina opisano regresyjnym modelem liniowym lub nieliniowym co przedstawiaj zale no ci (1 1): = 31,783 v + 3,863 0,99 tarczy _ N = 5kN _ G1= 35mm R = (1) tarczy _ N = 5kN _ G= 5mm = 5,0386 v 0,1754 v + 68,536 R = 0,99 () tarczy _ N= 5kN _ G3= 15mm = 3,1636 v + 5,5016 v + 54,58 R = 0,99 (3) tarczy _ N= 35kN _ G1= 35mm = 30,991 v + 4,177 R = 0,99 (4) tarczy _ N = 35kN _ G= 5mm = 35,105 v + 10,945 R = 0,98 (5) tarczy _ N = 35kN _ G3= 15mm =,83 v + 15,486 v + 38,96 R = 0,99 (6) okladziny _ N = 5kN _ G1= 35mm = 0,95 v + 17,096 R = 0,99 (7) okladziny _ N = 5kN _ G= 5mm = 0,314 v + 4,1 R = 0,97 (8) okladziny _ N = 5kN _ G3= 15mm =,6936 v + 3,1696 v + 41,396 R = 0,99 (9) okladziny _ N= 35kN _ G1= 35mm = 18,649 v + 5,893 R = 0,96 (10) okladziny _ N= 35kN _ G= 5mm = 7,606 v 1,588 R = 0,99 (11) okladziny _ N= 35kN _ G3= 15mm = 4,61 v 0,94 v + 4,6 R = 0,99 (1) gdzie: tarczy_ N( )_G( ) temperatura tarczy w [ C] przy hamowaniu z naciskiem N w [kn] okładziny do tarczy z okładzin G o grubo ci w [mm], okładziny_ N( )_G( ) temperatura okładziny w [ C] przy hamowaniu z naciskiem N w [kn], okładziny do tarczy z okładzin G o grubo ci w [mm], v pr dko pocz tku hamowania w [km/h]. Na rysunku 9 przedstawiono zestawienie obrazów termograficznych rozkładu redniej temperatury pary ciernej kolejowego hamulca tarczowego dla okładziny G1 o grubo ci 35 mm i pr dko ci pocz tku hamowania wynosz cych kolejno: 50, 80, 10, 160, 00 km/h. Przyj to jednakow rozpi to temperatury (span) dla wszystkich termogramów tj. 10 i 175 C.

10 08 Wojciech Sawczuk, Marta Pachołek Analiza obrazów termowizyjnych kolejowego hamulca tarczowego w ocenie zużycia elementów ciernych Rys. 9. Obraz termograficzny rozkładu średniej temperatury elementów pary ciernej hamulca tarczowego w chwili zatrzymania po hamowaniu z prędkości: a) v=50km/h, b) v=80km/h, c) v=10km/h, d) v=160km/h, e) v=00km/h ħródło: opracowanie własne.

11 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, Na rysunkach 10 i 11 przedstawiono przebieg redniego współczynnika tarcia uzyskanego z hamowania zatrzymuj cego realizuj cego dwa naciski okładziny do tarczy oraz dla trzech grubo ci okładzin. Rys. 10. Zależność średniego współczynnika tarcia w zależności od prędkości początku hamowania i grubości okładziny przy hamowaniu z naciskiem okładziny N=5kN do tarczy hamulcowej Rys. 11. Zależność średniego współczynnika tarcia w zależności od prędkości początku hamowania i grubości okładziny przy hamowaniu z naciskiem okładziny N=35kN do tarczy hamulcowej

12 10 Wojciech Sawczuk, Marta Pachołek Analiza obrazów termowizyjnych kolejowego hamulca tarczowego w ocenie zużycia elementów ciernych Zmiana temperatury okładziny ciernej uzyskanej w czasie hamowa z naciskiem N=35kN oraz oraz obsady w odró nieniu do hamowa z naciskiem N=5kN wpłyn ła na zmiany w przebiegu redniego współczynnika tarcia. W czasie hamowania z mniejszym naciskiem uzyskano zbli one wyniki warto ci temperatury okładziny w zale no ci od grubo ci mieszcz ce si w granicach bł du pomiarowego kamery termowizyjnej a jedyne zale ne od pr dko ci pocz tku hamowania. Przy takim obci eniu cieplnym pary ciernej najwy sze warto ci redniego uzyskano w czasie hamowa przy nowych okładzinach (wcze niej dotartych) natomiast mniejsze warto ci redniego współczynnika tarcia uzyskano w czasie hamowania na zu ytych okładzinach. 4. Podsumowanie Przeprowadzone badania stanowiskowe w poł czeniu z badaniami termowizyjnymi na stanowisku hamulcowym kolejowego hamulca tarczowego wykazały, e u ycie kamery zwi ksza zakres mo liwych pomiarów temperaturowych hamulca. Po przeprowadzeniu bada termowizyjnych sformułowano dodatkowe nast puj ce wnioski: 1. Zmiana grubo ci okładzin zwi zana z ich zu yciem wpływa na zwi kszenie intensywno ci strumienia ciepła rozchodz cego si na dalsze elementy znajduj ce si za okładzin. ym samym wpływa na podwy szenie temperatury samych okładzin, obsad hamulcowych i obni enie temperatury tarczy hamulcowej.. Zało enie stałej temperatury tarczy przed ka dym hamowaniem zgodnie z [] nie zawsze wpływa na stałe warunki temperaturowe okładzin, gdzie w zale no ci od grubo ci okładziny zmienia si czas ich chłodzenie przed kolejnym hamowaniem a tym samym mo e mie wpływ na zmiany chwilowego i redniego współczynnika tarcia mi dzy tarcz a okładzin ciern. Bibliografia 1. Polska Norma PN-EN , Kolejnictwo tarcze hamulcowe kolejowych pojazdów szynowych Część 1: arcze hamulcowe wtłaczane lub mocowane skurczowo na osiach zestawów tocznych lub napędnych, wymiary i wymagania dotyczące jakości, Warszawa.. Karta UIC 541-3, Hamulec: hamulec tarczowy i okładziny hamulcowe, warunki ogólne dla prób na stanowisku badawczym. Wydanie 6-te listopad FLIR Exx series, Instrukcja obsługi, November 7, 011, Corporate Headquarters Flir System. 4. Rafajłowicz E.: Optymalizacja Eksperymentu z Zastosowaniami w Monitorowaniu Jakością Produkcji. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wi cek B., De Mey G.: ermowizja w podczerwieni podstawy i zastosowania. Wydawnictwo PAK, Warszawa 011.

13 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, HERMOGRAPHY IMAGINE ANALYSIS DISC BRAKES SYSEM DIRING SAIONARY ES IN HE ASSESSMEN OF HE WEAR OF HE BRAKE PADS Summary he purpose of this article is to analyse results of research on behaviour of average temperature obtained from the measurement of railway brake disc using thermographic camera. he article presentes the distribution of average temperature on elements such as brake discs, braking pad and caliper railway disc brake. Observation of temperature on these elements, by the thermographic camera has allowed to determine the temperature distribution for braking stop with new pad and wear friction pad. hen on the basis of recorded images and thermography analysis developed model thermomechanic to determine the temperature of three elements of the railway disc brake, depending on the wear of friction pads. Keywords: railway disc brake, brake pap, caliper,, thermographic research Wojciech Sawczuk Marta Pachołek Zakład Pojazdów Szynowych Instytut Silników Spalinowych i ransportu Wydział Maszyn Roboczych i ransportu Politechnika Pozna ska ul. Piotrowo 3, Pozna wojciech.sawczuk@put.poznan.pl, marta.pacholek@o.pl