PRZEGLĄD OBECNIE STOSOWANYCH OKŁADZIN CIERNYCH HAMULCA TARCZOWEGO POJAZDÓW SZYNOWYCH

Transkrypt

1 Mateusz JÜNGST, Wojciech SAWCZUK PRZEGLĄD OBECNIE STOSOWANYCH OKŁADZIN CIERNYCH HAMULCA TARCZOWEGO POJAZDÓW SZYNOWYCH Streszczenie Hamulec tarczowy jest obecnie powszechnie stosowany w pojazdach kolejowych przeznaczonych do ruchu pasażerskiego, a ostatnio także coraz częściej w wagonach towarowych. Szeroki zakres zastosowań wymusił przez lata opracowanie materiałów spełniających różnorodne wymagania, mogących zapewnić bezpieczne zatrzymaniu rozpędzonego pojazdu niezależnie od panujących warunków atmosferycznych. Celem artykułu jest przedstawienie obecnie stosowanych okładzin hamulcowych stosowanych w układach hamulca tarczowego w pojazdach szynowych oraz podstawowych problemów związanych z ich eksploatacją. WSTĘP Dzisiejsze realia transportu kolejowego, w którym dąży się do ciągłego uatrakcyjniania przewozu ludzi i towarów pociągiem względem innych środków transportu czy to prywatnego, czy masowego wymagają podnoszenia prędkości operacyjnych. Ten trend wymaga równoległych prac nad układami, które rozpędzoną, kilkuset lub nawet kilkutysięczno tonową masę pojazdu będą w stanie skutecznie zatrzymać. Przy stopniowo upowszechniających się systemach tzw. blendingu, czyli współdziałania kilku układów hamulca zabudowanego na pojeździe (ciernego, elektrodynamicznego, elektromagnetycznego), podstawą zatrzymania pojazdu kolejowego wciąż pozostają hamulce cierne. We współczesnych, obecnie produkowanych pojazdach pasażerskich przede wszystkim ich funkcję spełniają hamulce tarczowe (czasem jedynie współpracujące z dodatkowym hamulcem klockowym ze wstawkami kompozytowymi) ale i zaczynają coraz częściej być stosowane w wagonach towarowych, skąd powoli wypierają stosowany w zasadzie od początków kolejnictwa hamulec klockowy. Wytwarzanie siły tarcia w hamulcu tarczowym zachodzi poprzez docisk okładzin ciernych umieszczonych w obsadach hamulca do pierścienia ciernego tarczy hamulcowej. Siła dociskająca pochodzi z cylindra hamulcowego, która jest przekazywana na obsady (szczęki) poprzez układ dźwigniowy. Zależnie od konstrukcji pojazdu i dostępnego miejsca przy zestawach kołowych, hamulec może być różnie zabudowany (rys. 1.). Zważywszy na bardzo szerokie zastosowanie hamulców tarczowych od stosunkowo wolnobieżnych pojazdów szynowej komunikacji miejskiej i metra po najszybsze pociągi dużych prędkości takie jak niemieckie ICE, francuskie TGV czy włoskie Pendolino. Obecnie stosuje się szeroki wachlarz rozwiązań technicznych dopasowanych do konkretnej charakterystyki eksploatacji pojazdu. 1. REGULACJE DOTYCZĄCE OKŁADZIN CIERNYCH Europejskie przepisy dotyczące hamulca tarczowego, zawarte w karcie UIC 541-3, przewidują do stosowania w pojazdach kolejowych okładziny do hamulców tarczowych wykonane z materiałów organicznych lub ze spieków Wymagania stawiane materiałom na okładziny cierne Skład materiału okładziny musi być dobrany tak, by zapewniał kompromis między własnościami ciernymi, żywotnością okładziny i agresywnością wobec tarczy hamulcowej. Niedopuszczalne jest stosowanie azbestu oraz niezalecane jest stosowanie składowych ołowiu i cynku w stanie metalicznym lub związanym ze względu na szkodliwość powstających z nich pyłów lub gazów. Własności materiału powinny spełniać wymagania co do jego parametrów w całym zakresie grubości okładzin dopuszczalnych w eksploatacji. Współczynnik tarcia powinien być jak najmniej zależny od stopnia dotarcia okładziny, nacisku jednostkowego, temperatury i warunków atmosferycznych, w jakich odbywa się hamowanie [5]. Ponadto wymaga się w przybliżeniu stałego przebiegu średniego współczynnika tarcia w funkcji prędkości, mieszczącego się w podanych tolerancjach przykładowe przebiegi pokazano na rysunkach 2-3. Chwilowy współczynnik tarcia musi się mieścić w określonych granicach. [5] Rys. 1. Przykładowe konfiguracje zabudowy hamulca tarczowego [8] Rys. 2. Przebieg średniego współczynnika tarcia w funkcji prędkości dla okładzin hamulcowych organicznych wagonów osobowych o prędkościach maksymalnych do 200 km/h wg UIC [5] 12/

2 Rys. 3. Przebieg średniego współczynnika tarcia w funkcji prędkości dla okładzin hamulcowych organicznych oraz ze spieków wagonów osobowych o prędkościach maksymalnych 300 km/h wg UIC ] Współczynnik tarcia zmierzony pod wpływem wilgoci, śniegu czy lodu nie może się różnić od zmierzonego w stanie suchym o więcej niż 15%. Taka sama odchyłka jest dopuszczalna w procesie docierania okładzin hamulcowych oraz porównując wartości zmierzone przy temperaturach pary ciernej powyżej 140 C z wartościami przy temperaturach do 60 C. [5] Przy hamowaniach ciągłych symulujących hamowanie podczas zjazdu ze spadku z mocą maksymalną do 43 kw na parę cierną, średni współczynnik tarcia z całego hamowania powinien zawierać się w przedziale od 0,25 do 0,50, a amplituda wartości chwilowego współczynnika tarcia nie może przekraczać 0,15. [5] W żadnym wypadku okładziny nie mogą ulegać odkształceniom pod wpływem ciepła lub wilgoci. Materiał przy prawidłowej eksploatacji nie powinien wykazywać wad pod postacią wykruszeń, pęcherzy i pęknięć, które mogłyby doprowadzić do przełamania okładziny. Niedopuszczalne jest także wywoływanie miejscowych przegrzań tarczy hamulcowej grożących pęknięciem pierścienia ciernego oraz tworzenie metalicznych wtrąceń. [5] Temperatury na jakie materiał cierny musi być wytrzymały (tzn. nie ulegną zmianie jego własności cierne) wynoszą: 400 C dla okładziny z tworzywa organicznego; 550 C dla okładziny ze spieków Wymagania geometryczne dla okładzin ciernych Zależnie od rozmiarów tarczy hamulcowej, stosuje się okładziny cierne o różnej powierzchni roboczej: 200 cm 2 stosowane parami (400 cm 2 dla okładzin monoblokowych) dla tarcz o średnicach od 610 do 640 mm (rys. 4); 175 cm 2 stosowane parami (350 cm 2 dla okładzin monoblokowych) dla tarcz o średnicach od 510 do 610 mm (rys. 5); 140 cm 2 dla tarcz o średnicach od 330 do 440 mm, mocowanych do powierzchni bocznych kół (rys. 6). W przypadku okładzin ciernych ze spieków, w których powierzchnię cierną stanowią powierzchnie czołowe spiekanych okrągłych lub wielokątnych elementów, łączna powierzchnia przylegania do tarczy musi być równa ekwiwalentnej okładzinie organicznej. Grubości nowych okładzin organicznych wynoszą 24 lub 35 mm, zaś okładzin ze spieków 35 mm. Minimalna grubość do jakiej okładziny mogą zostać zużyte to 5 mm. [5] Rys. 4. Wymiary okładziny organicznej 200 cm 2 wg UIC [5] Rys. 5. Wymiary okładziny organicznej 175 cm 2 wg UIC [5] /2016

3 2.1. Okładziny cierne z tworzyw organicznych Okładziny z tworzyw organicznych są obecnie najbardziej rozpowszechnione cechują się wysokim i zbliżonym do stałego przebiegiem współczynnika tarcia w funkcji prędkości, lecz nienajlepszą przewodnością cieplną. [8] W tworzywach organicznych stosowanych w okładzinach kolejowych hamulców tarczowych osnowę materiału stanowią żywice: fenolowe, formaldehydowe lub ich mieszaniny, zaś wypełniacze stanowią włókna tworzyw sztucznych: tworzywa silikonowe, elastomery syntetyczne. Dodatkowo stosowane są włókna metalowe lub organiczne jako składniki wzmacniające strukturę, baryt jako składnik obniżający współczynnik tarcia i skłonność do zacierania się powierzchni trących oraz kwarc i ziemia okrzemkowa podwyższające i stabilizujące wartość współczynnika tarcia. Niekiedy stosuje się także wypełniacze metalowe w formie opiłków lub siatki, polepszające przewodność cieplną tworzywa i umożliwiające tym samym przejmowanie większej energii. Przykładem tworzywa organicznego stosowanego w okładzinach hamulcowych jest kompozyt FR20H.2 polskiej firmy Frenoplast, homologowany przez UIC do prędkości 200 km/h. Jest to bezazbestowy, prasowany materiał cierny, zawierający termoutwardzalne żywice, elastomery syntetyczne, modyfikatory tarcia oraz włókna metalowe i organiczne wzmacniające strukturę. Cechuje się dobrą współpracą z tarczą nie zużywa jej nadmiernie, zapewnia cichobieżność hamowania bez iskrzenia oraz ma stabilny poziom współczynnika tarcia w zmiennych warunkach atmosferycznych (rys. 7). Dopuszczalna ciągła temperatura pracy wynosi 375 C, a maksymalna chwilowa 450 C przy nacisku do 70 N/cm 2. [2] Producent oferuje okładziny wykonane z tego materiału o rozmiarach 175 cm 2 i 200 cm 2 (rys. 8). [3] Rys. 6. Wymiary okładziny organicznej 140 cm 2 wg UIC [5] 1.3. Proces homologacji dla okładzin hamulcowych Okładziny wprowadzane do eksploatacji międzynarodowej muszą spełnić wszystkie powyższe wymogi, co sprawdza się w badaniach stanowiskowych, a następnie w co najmniej rocznej eksploatacji nadzorowanej. [5] W przypadku dopuszczania okładzin do eksploatacji tylko na terenie kraju, należy spełnić wymagania lokalnych norm i uzyskać homologację od właściwej państwowej jednostki organizacyjnej, jak np. polski Urząd Transportu Kolejowego. Karta UIC zawiera szereg programów badawczych symulujących rzeczywiste warunki eksploatacyjne z różnymi obciążeniami, prędkościami i warunkami atmosferycznymi. Badania danej okładziny muszą być wykonane wg programu przewidzianego dla badań pojazdów do których okładzina jest przeznaczona, a następnie złożone musi zostać sprawozdanie z tych badań, na podstawie którego wydaje się dopuszczenie okładziny do ruchu międzynarodowego. [5] Dopuszczenie zostaje wydane na 10 lat, o ile w tym czasie nie wprowadzone zostaną żadne istotne zmiany w regulacjach, które spowodowałyby pojawienie się wątpliwości co do bezpieczeństwa stosowania wcześniej dopuszczonej okładziny. [5] 2. PRZEGLĄD STOSOWANYCH OKŁADZIN CIERNYCH HAMULCÓW TARCZOWYCH Rys. 7. Przebieg współczynnika tarcia w funkcji prędkości dla materiału FR20H.2 [2] a) b) Rys. 8. Okładziny cierne organiczne firmy Frenoplast: a) okładziny 175 cm2, b) okładziny 200 cm2 [2] Producenci okładzin ciernych oferują zwykle różnorodne rodzaje materiałów organicznych o różnych charakterystykach, zdolnych zaspokoić potrzeby wymagających klientów. Przykładowo, niemiecka firma Becorit oferuje okładziny z materiałów: [10] 922-1U przeznaczony do średnich i dużych obciążeń termicznych, o stabilnych własnościach ciernych w różnorodnych warunkach atmosferycznych dla wagonów pasażerskich oraz zespołów trakcyjnych; oraz 950-1M przeznaczone do dużych obciążeń termicznych, o stabilnym współczynniku tarcia przy wysokich temperaturach i dużych prędkościach dla lokomotyw i zespołów trakcyjnych kursujących w ruchu intercity; 984 przeznaczony do średnich i dużych obciążeń termicznych o dużej trwałości dla wagonów pasażerskich i zespołów trakcyjnych dużych prędkości; 990 przeznaczony do dużych obciążeń termicznych o stabilnym współczynniku tarcia przy wysokich temperaturach i dużych prędkościach dla lokomotyw i zespołów trakcyjnych kursujących w ruchu intercity; T 550 i V 30 homologowane przez UIC o dobrych własnościach w złych warunkach atmosferycznych dla wagonów pasażerskich, zespołów trakcyjnych i lokomotyw. 12/

4 Także sam sposób zaprojektowania rowków i nacięć w materiale ciernym jest kwestią indywidualnego know-how producenta. Ciekawym przykładem tutaj może być okładzina KRS firmy Knorr- Bremse, przystosowana do przejmowania większej energii, niż standardowa okładzina wg standardu UIC, lecz kompatybilna ze standardowymi obsadami (rys. 9). a) b) Rys. 11. Okładzina cierna typu Flexpad [11] Rys. 9. Porównanie wyglądu okładzin hamulcowych organicznych; a) okładzina standardowa UIC, b) okładzina typu KRS firmy Knorr- Bremse [7] 2.2. Okładziny cierne ze spieków W przypadku większych prędkości maksymalnych pojazdu, okładziny cierne muszą wykazywać się większą odpornością na wysokie temperatury, wobec czego zamiast tych wykonanych z tworzyw, stosuje się okładziny ze spieków metali i spieków ceramicznych. Warto zaznaczyć, że okładziny ze spieków znajdują także zastosowanie w pojazdach przeznaczonych do szybkiej komunikacji miejskiej, jak np. metro, gdzie wymagane jest zachowanie wysokiej skuteczności hamowania przy cyklicznych zatrzymaniach z prędkości rozkładowej. Spiekane materiały cierne są kompozytami zawierającymi szereg składników metalicznych i niemetalicznych o osnowie opartej zwykle na bazie żelaza, miedzi i ich stopów (brązu, mosiądzu). Stosuje się je, gdy przewidywana moc hamowania zniszczyłaby okładziny z tworzyw. Przykładowo, okładziny ze spieków metali przeznaczone do współpracy z tarczami stalowymi są odporne na temperatury do 900 C. Spieki ceramiczne, odporne na jeszcze wyższe temperatury, ze względu na swoją twardość wymagają specjalnie zaprojektowanych tarcz hamulcowych. [8] Okładziny ze spieków wykonuje się zwykle z małych, okrągłych lub wielokątnych segmentów, lutowanych na twardo lub mocowanych śrubą do tarczki bazowej (rys. 10). Wolna przestrzeń między segmentami umożliwia lepsze rozłożenie nacisku oraz wentylację okładziny, co pozostaje nie bez znaczenia w kwestii usuwania produktów tarcia i ewentualnego zjawiska akwaplanacji. Pod koniec lat 90. do eksploatacji w pociągach dużych prędkości wprowadzono następne rozwinięcie okładziny ISOBAR, mocowane w dedykowanych do nich obsadach i współpracujące z tarczami stalowymi, zdolne do przejęcia dwukrotnie większej energii niż wcześniejsze okładziny współpracujące ze standardowymi obsadami UIC (rys. 12). Rys. 12. Zestawienie zdolności do przejmowania energii hamowania przez różne okładziny cierne [6] 3. PROBLEMY EKSPLOATACYJNE OKŁADZIN HAMULCOWYCH W dobrze zaprojektowanym i utrzymanym układzie hamulcowym okładzina powinna być dociskana do pierścienia ciernego tarczy równomiernie, co maksymalizuje jej żywotność. W praktyce jednak często dochodzi do nierównego zużycia materiału, którego większy ubytek obserwuje się na promieniu zewnętrznym (rys. 13 b). Rys. 10. Okładzina cierna CoFren T30S do tarcz stalowych [1] Najnowsze rozwiązania konstrukcyjne okładzin ciernych wykonanych ze spieków rozszerzono ponadto o sprężyste mocowanie segmentów do płytki bazowej, jak np. okładziny Flexpad firmy Knorr-Bremse (rys. 11), dzięki czemu uzyskuje się równomierne rozłożenie nacisku na całej powierzchni okładziny, co niesie za sobą wydatne korzyści: 8] umożliwia wyrównanie temperatury tarczy i eliminację gorących miejsc (tzw. hot-spotów), ogranicza szybkość zużycia okładzin o około 40%, zwiększa efektywność hamowania o około 50% i umożliwia przejęcie większej energii przez układ. Rys. 13. Okładzina cierna organiczna: a) zużyta równomiernie, b) zużyta intensywniej na promieniu zewnętrznym [9] Przyczyną nierównomiernego zużycia mogą być uszkodzenia regulatora skoku tłoka, nadmierne luzy na sworzniach mechanizmu dźwigniowego lub konstrukcja prowadnika równoległości. [9] Uszkodzenie takie znacznie przyspiesza wymianę okładzin, gdyż przy skrajnym użyciu możliwe jest wręcz uszkodzenie obsady hamulcowej. Nierównomierne naciski okładziny na tarczę hamulcową prowadzą natomiast do miejscowych przegrzań materiału okładziny /2016

5 Przegrzany materiał zmienia swoją twardość i moduł elastyczności, przez co dochodzi do jego szybszego ścierania, a także wykruszeń na krawędziach nacięć. [9] Ścierany i wykruszający się materiał okładziny przy intensywnych hamowaniach nagrzewających parę cierną do wysokich temperatur zostaje przygrzany wraz z produktami zużycia tarczy, tworząc tzw. warstwę trzecią. Jej powstanie powoduje, że z biegiem czasu przy postępującym ubytku grubości okładziny ciernej dochodzi do obniżania średniego współczynnika tarcia oraz zwiększenia wahań jego chwilowej wartości, a to z kolei prowadzi do wydłużenia drogi hamowania zwłaszcza przy jeździe z większymi prędkościami, co wykazano w pomiarach stanowiskowych z wykorzystaniem okładzin z opisanego wcześniej materiału FR20H.2 (rys ). [4] Rys. 14. Zależność średniego współczynnika tarcia od prędkości początku hamowania dla masy hamującej M=7,5 t, nacisku okładziny N=28 kn i trzech grubości okładzin: G1 = 35 mm, G2 = 25 mm i G3 = 15 mm [4] Przez 50 lat eksploatacji układów kolejowych hamulców tarczowych, liczne rozwiązania dowiodły swojej wyższości nad stosowanym aż do dziś hamulcem klockowym, wskutek czego ten drugi w nowobudowanych pojazdach szynowych jest dziś spotykany jedynie jako układ asystujący hamulcowi tarczowemu. Różnorodność zastosowań hamulca tarczowego pozwoliła na utworzenie szerokiej gamy rozwiązań technicznych możliwych do zastosowania w różnorodnych pojazdach. Okładziny cierne, jako elementy kluczowe w procesie hamowania, muszą spełniać wyrafinowane wymagania dotyczące współczynnika tarcia. Pomimo wielu lat rozwoju, wciąż występują problemy związane z uszkodzeniami materiału ciernego, a dodatkowo, jak wskazały niedawne badania, materiał cierny okładzin homologowanych przez UIC podczas intensywnej eksploatacji może na tyle zmienić swoje własności, że w pewnych przypadkach przestaje spełniać wymagania zawarte w kodeksach. Obecne plany Unii Europejskiej nakierunkowane na ograniczenie hałasu pochodzącego od transportu, w tym transportu kolejowego, prawdopodobnie spowodują, że hamulce tarczowe zaczną się popularyzować także w wagonach przeznaczonych do ruchu towarowego. Daje to impuls do prowadzenia dalszych prac mających na celu doskonalenie układów hamulca tarczowego i rozwiązywania problemów związanych z jego eksploatacją. BIBLIOGRAFIA 1. CoFren S.r.l.: Sintered Pads CoFren T30S broszura informacyjna. 2. Frenoplast S.A.: Karta materiału FR20H.2. Wyd. 3, Frenoplast S.A.: Tarczowe okładziny hamulcowe karta produktu. 4. Jüngst M.: Ocena zmian głównych parametrów hamowania kolejowego hamulca tarczowego. Praca dyplomowa magisterska, materiały niepublikowane Politechniki Poznańskiej, Poznań Karta UIC 541-3: Hamulec Hamulec tarczowy i jego zastosowanie Warunki dopuszczania okładzin ciernych. Wydanie 7, czerwiec Knorr-Bremse Systeme für Schienenfahrzeuge GmbH: Brake Discs and Pads broszura informacyjna, 2014 r. 7. Knorr-Bremse Systeme für Schienenfahrzeuge GmbH: Friction Material broszura informacyjna, 2014 r. 8. Piechowiak T.: Hamulce pojazdów szynowych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań Sawczuk W.: Wybrane zagadnienia eksploatacyjne układów hamulcowych współczesnych pojazdów szynowych. Czasopismo Logistyka 4/ Strona internetowa: [dostęp: ] 11. Strona internetowa: new sletters/press_detail_1792.jsp [dostęp: ] OVERVIEW OF CURRENTLY USED DISC BRAKE PADS OF RAIL VEHICLES Rys. 15. Zależność drogi hamowania od czasu hamowania dla masy hamującej M=7,5 t, nacisku okładziny N=28 kn, trzech grubości okładzin: G1 = 35 mm, G2 = 25 mm i G3 = 15 mm i pięciu prędkości początku hamowania: 1 50 km/h, 2 80 km/h, km/h, km/h, km/h [4] PODSUMOWANIE Abstract The disc brake is now widely used in rail vehicles dedicated for passenger traffic, and recently also becomes more common on freight wagons. A wide range of applications over the years has forced to develop materials that meet various requirements, which provide a safe stopping of a speeding mass regardless of the weather conditions. The aim of the article is to present the currently used types of brake pads used in disc brake systems of rail vehicles and the fundamental problems associated with their exploitation. Autorzy: mgr inż. Mateusz Jüngst Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Silników Spalinowych i Transportu, Zakład Pojazdów Szynowych, Poznań, ul. Piotrowo 3, Tel , Fax , mateusz.m.jungst@doctorate.put.poznan.pl. dr inż. Wojciech Sawczuk Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Silników Spalinowych i Transportu, Zakład Pojazdów Szynowych, Poznań, ul. Piotrowo 3, Tel , Fax , wojciech.sawczuk@put.poznan.pl. 12/