OCENA ROZKŁADU ŚREDNIEJ TEMPERATURY TARCZOWEGO UKŁADU HAMULCOWEGO PRZY UśYCIU KAMERY TERMOWIZYJNEJ

Transkrypt

1 Wojciech SAWCZUK OCENA ROZKŁADU ŚREDNIEJ TEMPERATURY TARCZOWEGO UKŁADU HAMULCOWEGO PRZY UśYCIU KAMERY TERMOWIZYJNEJ Streszczenie Jednym z badań prowadzonych na bezwładnościowym stanowisku hamulcowym jest pomiar temperatury tarczy dla hamulca tarczowego lub temperatury obręczy dla hamulca klockowego przy róŝnych symulacjach hamowań pociągu. Dla badań temperaturowych kolejowego hamulca tarczowego, zgodnie z wytycznymi zawartymi w [5] uŝywa się termopar zainstalowane na powierzchni ciernej tarczy hamulcowej. Rozkład średniej temperatury tarczy wyznaczony jest na podstawie sześciu termopar zainstalowanych po trzy na kaŝdą stronę pierścienia ciernego. Termopary na kaŝdej stronie tarczy rozstawione są co 0 na trzech róŝnych promieniach tarczy. Podczas symulowanych badań hamulcowych zgodnie z programem badań przewidzianym dla kolejowego hamulca tarczowego [4], rejestruje się przebiegi średniej temperatury tarczy w funkcji czasu hamowania. Szczególnie jest to istotne podczas prób hamowań z duŝych prędkości 00 i 300km/h przy duŝych dociskach okładzin do tarczy oraz duŝych masach do wyhamowania w przypadku hamowań pociągów z wagonami towarowymi. Wówczas sprawdza się graniczne obciąŝenie cieplne hamulca. Celem artykułu jest ocena wyników badań rozkładu średniej temperatury tarczowego układu hamulcowego uzyskanych z pomiaru przy uŝyciu kamery termowizyjnej oraz przy uŝyciu termopar zainstalowanych na pierścieniu ciernym tarczy hamulcowej w warunkach stanowiskowych.. METODYKA BADAŃ STANOWISKOWYCH Badania rozkładu średniej temperatury tarczy hamulcowej zostały przeprowadzone na stanowisku hamulcowym bezwładnościowym w Instytucie Pojazdów Szynowych TABOR w Poznaniu. Stanowisko umoŝliwia prowadzenie badań kolejowego hamulca klockowego oraz hamulca tarczowego, odzwierciedlających rzeczywiste warunki, jakie występują podczas hamowania wagonu. Badaniami został objęty układ hamulca tarczowego składający się z tarczy hamulcowej o wymiarach z wentylującymi łopatkami oraz komplet okładzin ciernych typu 75 FR0.H. o grubości 35mm. Badania stanowiskowe wyznaczenia rozkładu średniej temperatury tarczy hamulcowej przeprowadzono przy wykorzystaniu sześciu termopar oraz kamery termowizyjnej. Termopary zainstalowane były na tarczy hamulcowej, po trzy na kaŝdą stronę tarczy. Otwory pod termopary (,5mm) były wiercone co 0 na trzech promieniach tarczy, r =¼ r w, r =½ r w i r =¾ r w (r w - promień wewnętrzny tarczy), zgodnie z [5]. W otworach najbliŝej średnicy zewnętrznej tarczy zainstalowano termopary o najdłuŝszej części roboczej (termopary TP-3K-a ), na pozostałych promieniach - termopary TP-3K-a-00- AUTOBUSY 407

2 00. Na drugiej stronie tarczy wykonano otwory przesunięte przesuni o 60 względem wzgl pierwszej strony w celu nie pokrywania się si termopar [4]. Do badań termowizyjnych wykorzystano kamerę termowizyjną firmy FLIR E60. Badania stanowiskowe na hamulcach kolejowych, prowadzono zgodnie z jednym z programów zawartymi w karcie UIC KaŜdy program badań zawarty w we wspomnianej karcie odnosi się do specyficznych warunków pracy hamulca w czasie eksploatacji pojazdu. Parametry dla programu B badań bada były następujące: docisk okładziny do tarczy: p= 5kN, prędkość początku tku hamowania: v= 0km/h, masa do wyhamowania przypadająca prz na jedną tarczę: M= 5,7t. temperatura tarczy na początku począ hamowania T=00 C. Widok tarczy hamulcowej z zamocowanymi termoparami oraz wykorzystana kamera termowizyjna do badań rozk rozkładu średniej redniej temperatury hamulca tarczowego, tarczowego przedstawia rysunek. a) b) c) Rys.. Pomiar temperatury tarczowego tarcz układu hamulcowego:: a) termopary zainstalowane na pierścieniu cieniu ciernym tarczy, b) obraz termowizyjny układu hamulca tarczowego, c) kamera termowizyjna FLIR E60 Źródło: [] Zarejestrowane obrazy termowizyjne przy uŝyciu u yciu kamery FLIR E60 były analizowane w programie FLIR Tools.. Na rysunku przestawiono przykładowy obraz termograficzny z którego moŝliwe liwe jest wyznaczenie średniego redniego rozkładu temperatury tarczy. Rozkład moŝna mo wyznaczyć poprzez naniesienie na obraz dowolnej liczby punktów pomiarowych Sp, które następnie są uśredniane, redniane, lub za pomocą pomoc naniesienia na obraz obszarów w postaci podstawowych figur geometrycznych jak okrąg, okr kwadrat, prostokątt czy trójkąt trójk z których wyznaczone są rozkłady temperatury z zaznaczeniem temperatury maksymalnej, minimalnej oraz średniej. Ponadto na przykładowym termogramie przedstawiono rozpiętość rozpi rozpię oraz poziom. Rozpiętość (inaczej nazywana span) jest to aktualnie uŝywanyy zakres temperatury, dla obrazu z rysunku jest to zakres od 0 do 50 C. Natomiast poziom (level) to środkowy punkt rozpiętości. 408 AUTOBUSY

3 50 C Rys.. Obraz termograficzny z kamery FLIR E60 układu hamulca tarczowego wygenerowany w programie FLIR Tools: - pomiar punktowy temperatury Sp, - rozklad temperatury z obszaru kołowego El, 3- rozkład temperatury z obszaru prąstokątnego lub kwadratowego Av, 4 - poziom (level), 5 - rozpiętoś (span). WYZNACZENIE ROZKŁADU ŚREDNIEJ TEMPERATURY TARCZY ORAZ MINIMALNEJ ILOŚCI HAMOWAŃ DO OCENY STATYTYSTYCZNEJ Podczas badań rozkładu średniej temperatury tarczy hamulcowej, wykonano serię 35 hamowań do oceny statystycznej. Badanie równieŝ miało na celu wyznaczenie minimalnej ilości powtórzeń, zapewniających otrzymanie wyników w zadowalającym przedziale ufności, wynoszącym 95%, przy przyjętym poziomie istotności, α=0,05, przy którym obserwuje się najmniejszy współczynnik zmienności. Analizie statystycznej poddano wartość temperatury tarczy w chwili zatrzymania przy niezmiennej prędkości początku hamowania wynoszącej v=0km/h, nacisku na tarczę N=5kN i masie hamującej M=5,7t. KaŜde kolejne hamowanie było poprzedzone chłodzeniem tarczy na wolnym powietrzu poprzez jej swobodny obrót, przez co symulowano jazdę wagonu z prędkością 00km/h. Po obniŝeniu temperatury tarczy do wartości T=00 C przerywano jej chłodzenie i rozpoczynano kolejne hamowanie. W celu wyznaczenie minimalnej liczby hamowań, wykorzystano zaleŝności na następujące wzory statystyczne [, 3]:. Wartość średnia: n x = x i () n i= 0 C gdzie: x i n i-ta wartość zmiennej, x=,,, n,, liczba hamowań.. Odchylenie standardowe: AUTOBUSY 409

4 S = n n ( x i x) i= () gdzie: x wartość średnia. 3. Przedział ufności: L α = t( n ; α ) S n (3) gdzie: t współczynnik testu t-studenta. 4. Górna i dolna granica przedziału ufności: x x ( + ) ( ) = x + = x L L α α (4) gdzie: L α przedział ufności dla α=0, Współczynnik zmienności: S W = 00% (5) x W czasie badań przy uŝyciu kamery E60 nie dokonywano pomiaru temperatury z powierzchni ciernej tarczy hamulcowej, ze względu na jej wyszlifowaną powierzchnię przez okładziny cierne. Tego rodzaju powierzchnie (wyszlifowane i wypolerowane) charakteryzują się duŝą refleksyjnością (współczynnikiem odbicia) zarówno światła widzialnego, jak i promieniowania podczerwonego. Metale wypolerowane odbijają ok. 98% promieniowania pochodzącego z zewnątrz, co zostało juŝ opisane w []. Z zasad pomiarów termowizyjnych jak i pirometrycznych wynika, Ŝe temperatura mierzona określana jest na podstawie natęŝenia promieniowania podczerwonego wyemitowanego przez obiekt mierzony. Promieniowanie to (określone prawem Plancka) jest skupione za pomocą układu optycznego na powierzchni detektora, którego sygnał jest przetwarzany na wielkość temperatury w stopniach np. Celsjusza. Obiekty fizyczne za wyjątkiem "ciała doskonale czarnego", nie wysyłają 00% energii charakterystycznej dla danej temperatury. Wielkość wysyłanej energii określona jest tzw. współczynnikiem emisyjności []. Dlatego ze względu na niejednoznaczność otrzymanych wyników temperaturowych, rozkładu średniej temperatury tarczy hamulcowej dla pomiarów termowizyjnych nie wyznaczono dla powierzchni ciernej tarczy. Dla pomiaru przy uŝyciu kamery termowizyjnej, rozkład średniej temperatury wyznaczono z pomiaru temperatury na grubości pierścienia ciernego w kilku punktach pomiarowych oraz z obszaru gdzie znajdują się łopatki wentylacyjne. Na rysunku 3 przedstawiono rozkłady średniej temperatury tarczy hamulcowej w chwili zatrzymania dla 35 hamowań w niezmiennych warunkach tj. przy tej samej prędkości początku hamowania, docisku okładziny do tarczy oraz masie do wyhamowania. 40 AUTOBUSY

5 Rys. 3. Rozkłady średniej temperatury tarczy hamulcowej wyznaczone z pomiarów temperatury przy zastosowaniu termopar oraz kamery termowizyjnej Po zastosowaniu zaleŝności (-5), otrzymano wyniki z obliczeń statystycznych z pomiaru średniej temperatury tarczy w chwili zatrzymania T k. W tabeli przedstawiono wartość średnią temperatury z 35-ciu rozkładów oraz odchylenie standardowe dla trzech rozpatrywanych sposobów pomiaru temperatury tarczy. Tab.. Zestawienie wartości średniej temp. tarczy oraz odchylenia standardowego dla trzech miejsc pomiarowych Lp. Miejsce pomiaru - przyrząd Wartość średnia [ C] Odchylenie standardowe Powierzchnia cierna - termopary 76,9 6,3 Grubość tarczy - kamera 45,8 9,99 3 Przestrzeń wentylacyjnaa - kamera 3, 5,93 Analizując wyniki rozkładu średniej temperatury tarczy hamulcowej stwierdza się, Ŝe przy uŝyciu kamery termowizyjnej nie jest moŝliwe otrzymanie wartości maksymalnej temperatury tarczy jak dla pomiaru przy uŝyciu termopar zamocowanych w pierścieniu ciernym tarczy. Główną przyczyną jest pomiar w innym miejsce pomiarowym (chropowate powierzchnie tarczy hamulcowej). Głównym ograniczeniem dla kamery termowizyjnej jest pomiar temperatury z powierzchni polerowanych i szlifowanych, które cechują się duŝym współczynnikiem odbicia (refleksyjnością). W innym przypadku tego typu powierzchnie maluje się czarną farbą Ŝaroodporną lub nakleja się czarną taśmę izolacyjną, wówczas moŝliwe jest ustawienie współczynnika emisyjności na poziomie 0,95 0,98 (w zaleŝności od temperatury) []. Dla tarczy hamulcowej nie jest to moŝliwe ze względu na tarcie okładziny o tarczę w procesie hamowania. Natomiast ze względu na pomiar pośredni temperatury tarczy za pomocą kamery termowizyjnej moŝna stwierdzić, Ŝe pomiary termowizyjne cechują się duŝą wraŝliwością na zmianę ę warunków pomiarowych. Spośród 35 pomiarów w ustalonych AUTOBUSY 4

6 warunkach, 6-te hamowanie przeprowadzono przy niŝszej temperaturze początku hamowania, wynoszącej 55 C niŝ zalecane zgodnie z kartą UIC C. NiezaleŜnie od przyrządu pomiarowego (termopary lub kamera) oraz niezaleŝnie od punktu pomiarowego (dla kamery grubość pierścienia ciernego lub przestrzeń łopatek wentylacyjnych) zaobserwowano spadek mierzonej temperatury w chwili zatrzymania tarczy hamulcowej. Analizując odchylenie standardowe stwierdza się, Ŝe e najmniejsze odchylenia wartości temperatury od wartości średniej dla kamery uzyskano z pomiaru na przestrzeni łopatkowej (wentylacyjnej) tarczy. Na rys. 4 jest przedstawiony procentowy przebieg współczynnika zmienności W wyznaczonego z rozkładu śr redniej temperatury tarczy hamulcowej, na podstawie którego moŝliwe było określenie liczby pomiarów do oceny statystycznej. Rys. 4. Przebieg współczynnika zmienności dla 35 rozkładów średniej temperatury tarczy hamulcowej wyznaczonych z pomiarów temperatury przy zastosowaniu termopar oraz kamery termowizyjnej Analizując otrzymane wartości współczynnika zmienności stwierdzono, Ŝe dla rozkładów średniej temperatury tarczy, minimalna liczba powtórzeń hamowań zapewniających otrzymanie wyników w oczekiwanym przedziale ufności wynosi 4 hamowań przy pomiarach temperatury za pomocą termopar oraz 7 pomiarów z zastosowaniem kamery termowizyjnej. Następną najniŝszą zbliŝoną wartość współczynnika zmienności dla pomiarów z zastosowaniem termopar otrzymuje się przy 4 hamowaniach. Ze względu na wartości liczbowe współczynnika zmienności (dla pomiarów średniej temperatury tarczy) nie przekraczającego cego 0%, zgodnie z [], stwierdzono nieistotne zróŝnicowanie statystyczne analizowanych wielkości. Po wyznaczeniu liczby powtórzeń pomiarów do otrzymania wyników rozkładu średniej temperatury w zadowalającym przedziale ufności, przeprowadzono badania zasadnicze rozkładu temperatury na głównych elementach tarczowego układu hamulcowego. Badania przeprowadzono dla hamowańń zatrzymujących oraz hamowań ze stałą ą mocą. Na rysunku 5 przedstawiono obraz termograficzny pary ciernej wraz z obsadą hamulcową po hamowaniu 4 AUTOBUSY

7 zatrzymującym trwającego minutę (rys. 5a)) oraz po pierwszej (rys. 5b)) i po 0-ej minucie (rys. 5c)) hamowania ze stałą mocą. Rys. 5. Termogramy tarczowego układu hamulcowego uzyskane w procesie hamowania na tarczy hamulcowej typu 640 przy nacisku okładziny na tarczę N=8 kn i masie do wyhamowania M=6,7 t: a) dla hamowania zatrzymującego trwającego minutę, b) dla hamowania ze stałą mocą w pierwszej minucie hamowania, c) dla hamowania zatrzymującego po 0 minucie hamowania Rys. 6. Rozkłady średniej temperatury tarczy hamulcowej, okładziny ciernej oraz obsady hamulcowej w zaleŝności od prędkości początku hamowania dla hamowania na tarczy hamulcowej typu 640 przy nacisku okładziny na tarczę N=8 kn i masie do wyhamowania M=6,7 t podczas pomiarów termowizyjnych W pierwszym przypadku były to hamowania z naciskiem do tarczy hamulcowej wynoszącym N=8kN, masie do wyhamowania M=6,7t z prędkości początku hamowania v=50, 80, 0, 60 i 00km/h, co przedstawia rysunek 6. Analizując wyniki rozkładu średniej temperatury tarczy i okładziny hamulcowej uzyskane podczas pomiarów termowizyjnych AUTOBUSY 43

8 stwierdza się, Ŝe dla pary ciernej Ŝeliwna tarcza hamulcowa i organiczna okładzina cierna, średnia temperatura okładziny wyznaczona z obszaru na jej grubości stanowi połowę temperatury tarczy uzyskanej w ten sam sposób rejestrując temperaturę na grubości tarczy hamulcowej. Większe prędkości początku hamowania powodują przyrost temperatury pary ciernej z wyjątkiem obsady hamulcowej do której zamocowana jest okładzina cierna. Większe prędkości hamowania wpływają na bardziej intensywne chłodzenie obsady powietrzem na podwoziu wagonu w fazie rozpędzania do wymaganej prędkości hamowania. NaleŜy spodziewać, Ŝe jazda wagonu z ustaloną prędkością jeszcze bardziej korzystnie wpłynie na obniŝenie temperatury obsady w zaleŝności od czasu jazdy wagonu z wyłączonym hamulcem. Zarejestrowany spadek temperatury obsady hamulcowej wyniósł 0 C względem fazy rozpędzania z prędkości 00 i 50km/h. DuŜo niŝsze wartości temperatury obsady hamulcowej względem elementów pary cierny hamulca świadczą, Ŝe moŝe być wykorzystana jako element przyspieszający chłodzenie okładziny ciernej, w szczególności przy częstych hamowaniach zatrzymujących. Rys. 7. Rozkłady średniej temperatury tarczy hamulcowej, okładziny ciernej oraz obsady hamulcowej w zaleŝności od prędkości początku hamowania dla hamowania na tarczy hamulcowej typu 640 przy nacisku okładziny na tarczę N=8kN i masie do wyhamowania M=6,7t podczas pomiarów termowizyjnych Badania symulujące hamowania długotrwałego wykonano realizując moc hamowania P=45kW przy prędkości zjazdu v=80km/h i nacisku N=5kN. Na rysunku 7 przedstawiono rozkład średniej temperatury pary ciernej z uwzględnieniem temperatury obsady hamulcowej. Pomimo dość duŝej prędkości zjazdu pociągu, strumień powietrza opływający parę cierną jest niewystarczający aby szybko odbierać ciepło z okładziny ciernej. Do pięciu minut czasu symulowanego hamowania nie obserwuje się znaczącego przyrostu temperatury obsady hamulcowej. Dalsze hamowania, ze względu na przyrost temperatury na tarczy i okładzinie wpływa na rozchodzenie się strumienia ciepła na obsadę hamulcową, co równieŝ wynika z faktu, Ŝe proces przewodzenia cieplnego przebiega wolno dla złoŝonych struktur materiałów jak w tym przypadku staliwna obsada do której zamocowana jest okładzina z tworzywa sztucznego. Wówczas jej temperatura wzrasta o 30 C. Obrazy termograficzne co przedstawia 44 AUTOBUSY

9 rysunek 5a) i 5b) nie róŝnią się istotnie dla czasu hamowania wynoszącego około jednej minuty dla hamowania zatrzymującego jak po pierwszej minucie hamowania ze stałą mocą. Mimo róŝnych wartości temperatur tarcz hamulcowych, obsady hamulcowe nie wykazują przyrostu temperatury. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania wyznaczenia rozkładów średniej temperatury tarczy hamulcowej uzyskanych z pomiarów z zastosowanie kamery termowizyjnej a następnie odniesione do wyników uzyskanych z zastosowanie termopar - wykazały, Ŝe kamerę termowizyjną moŝna zastosować do badan na bezwładnościowym stanowisku hamulcowym. Ze względu na charakter pomiaru przy zastosowaniu kamery termowizyjnej (pomiar pośredni temperatury) a pomiar z zastosowanie termopar zainstalowanych na pierścieniu ciernym tarczy (pomiar bezpośredni) nie jest moŝliwe uzyskanie tych samych wartości temperatur na tarczy hamulcowej. RównieŜ ma na to wpływ inne ograniczenie po stronie kamery jakim jest w przypadku tarczy hamulcowej trudność pomiaru temperatury z powierzchni ciernej tj. z powierzchni wyszlifowanej cechującej się duŝą refleksyjnością. Stąd konieczność pomiaru w innych miejscach tarczy jak np. pomiar temperatury z grubości tarczy hamulcowej czy z wewnętrznych kanałów wentylacyjnych. W celu dokładnego określenia temperatury tarczy np. w chwili zatrzymania z powierzchni tarcia, konieczne jest wyznaczenie współczynników korekcyjnych które dodawane byłyby do wartości temperatur uzyskanych z innych powierzchni tarczy. Po przeprowadzeniu badań termowizyjnych sformułowano dodatkowe następujące wnioski:. Na podstawie analizy statystycznej wyników temperatury tarczy przyjęto, Ŝe do badań zasadniczych na stanowisku hamulcowym naleŝy wykonać 4 powtórzenia hamowania przy pomiarach z uŝyciem termopar lub 7 pomiarów przy uŝyciu kamery termowizyjnej.. Dla tej liczby hamowań otrzymano zadowalający współczynnik zmienności w oczekiwanym przedziale ufności i przy załoŝonym poziomie istotności, dla pomiaru przy uŝyciu termopar współczynnik zmienności nie przekracza % natomiast dla kamery termowizyjnej nie przekracza 4%. 3. Z praktycznych zastosowań kamery termowizyjnej w czasie badań stanowiskowych kolejowego hamulca tarczowego naleŝy podkreślić, Ŝe kamera daje moŝliwość pomiaru temperatury w całym otoczenia hamulca. Rozkłady temperatury moŝna wyznaczy nie tylko dla wybranych powierzchni tarczy ale równieŝ dla okładzin ciernych jak równieŝ elementów układu dźwigniowego hamulca. Projekt jest finansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki, nr N N BIBLIOGRAFIA. Gajek L., Kałuszka M., Wnioskowanie statystyczne modele i metody. WNT, Warszawa FLIR Exx series, Instrukcja obsługi, November 7, 0, Corporate Headquarters Flir System. 3. Kadziński A., Niezawodność pojazdów szynowych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań Karta UIC 54-3, Hamulec: hamulec tarczowy i okładziny hamulcowe, warunki ogólne dla prób na stanowisku badawczym. Wydanie 6-te listopad Polska Norma PN-EN 4535-, Kolejnictwo tarcze hamulcowe kolejowych pojazdów szynowych Część : Tarcze hamulcowe wtłaczane lub mocowane skurczowo na osiach AUTOBUSY 45

10 zestawów tocznych lub napędnych, wymiary i wymagania dotyczące jakości, Warszawa 006. ANALYSYS OF RESULTS OF RESEARCH ON BEHAVIOUR OF AVERAGE TEMPERATURE OF DISC BARAKE SYSTEM USING THERMOGRAPHIC CAMERA Abstract Measurement of disc temperature of disc brake or temperature of the rim of block brake at various simulated train brakings is one of tests carried out at inertia brake station. For the temperature tests of railway disc brake, in accordance with the guidelines presented in [5] thermocouples installed on friction surface of brake disc are used. Behaviour of average temperature is defined on the basis of six thermocouples mounted in threes on each side of the friction collar. Thermocouples on each side of the disc are placed every 0 on three different radii of the disc. During simulated braking tests of the disc in accordance with a test programme provided for a railway disc brake [4], waveforms of average temperature of the disc in the function of braking time are registered. This is especially important during trials of brakings from high speeds: 00 and 300km/h with high pressures of pads to the disc and large braking masses in case of brakings of trains with goods wagons. Then heat load limit of brake is checked. The purpose of this article is to analyse results of research on behaviour of average temperature obtained from the measurement of railway disc brake system using thermographic camera and using thermocouples installed on friction ring of the brake in station tests. Autorzy: Dr inŝ. Wojciech Sawczuk Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Silników Spalinowych i Transportu, wojciech.sawczuk@put.poznan.pl 46 AUTOBUSY