Wprowadzenie do zjawisk nieliniowych występujących w strefie kontaktu okładziny ciernej z tarczą hamulcową pojazdów szynowych

Transkrypt

1 SAWCZUK Wojciech 1 Wprowadzenie do zjawisk nieliniowych występujących w strefie kontaktu okładziny ciernej z tarczą hamulcową pojazdów szynowych WSTĘP Ze względu na coraz większe prędkości jazdy pociągów pasażerskich i towarowych hamulec tarczowy jest zasadniczym urządzeniem hamulcowym odpowiedzialnym za zatrzymanie pojazdu na możliwie najkrótszej drodze hamowania. Również szereg zalet tego rodzaju hamulca, jak np. stały przebieg średniego współczynnika tarcia w funkcji prędkości hamowania w stosunku do tradycyjnego hamulca klockowego, uzasadnia jego stosowanie i to zarówno w pojazdach kolejowych, jak i w pojazdach szynowych komunikacji miejskiej. Niestety wartości chwilowe współczynnika tarcia mogą zmieniać się istotnie w całym procesie hamowania, co wynika ze zjawisk jakie występują w kontakcie okładziny z tarczą hamulcową. Na obniżenie współczynnika tarcia, szczególnie przy hamowaniach z dużych prędkości (powyżej 160km/h) mogą mieć wpływ zarówno procesy termiczne oraz zjawisko powstawania warstwy trzeciej w styku okładziny z tarczą otrzymanej z produktów zużycia pary ciernej, opisane w pracach [4, 5, 6]. Dłuższe czasy hamowania powodują, że ze względu na trudności w odprowadzeniu zużytego materiału ciernego, na styku tarczy i okładziny powstaje dodatkowa warstwa zwiększająca poślizg okładziny względem tarczy hamulcowej, co zostało przedstawione w pracach [9, 14]. Celem artykułu jest wprowadzenie do zagadnień zjawisk nieliniowością występujących w styku okładziny ciernej z tarczą hamulcową w czasie hamowania pojazdu szynowego. 1. WSPÓŁPRACA OKŁADZINY CIERNEJ Z TARCZĄ HAMULCOWĄ Ze strony producentów okładzin ciernych problem jest rozwiązywany, poprzez dobór mieszaniny składników do produkcji okładzin co następnie skutkuje długotrwałymi próbami na stanowiskach hamulcowych symulującymi różne warunki pracy hamulca zgodnie z programami badawczymi zawartymi w UIC w celu określenia głównych charakterystyk ciernych badanego materiału. Para cierna powinna być tak dobrana, aby uzyskać w miarę możliwości stały przebieg współczynnika tarcia w funkcji prędkości o wartości średniej 0,35 [7, 10]. Jednak w niekorzystnych warunkach atmosferycznych (duża wilgotność i niskie temperatury) wartość współczynnika tarcia może obniżyć się nawet o około 20-30% [15, 16]. Rys. 1. Okładzina cierna ISOBAR: a) widok, b) schemat z widocznym sposobem zamocowania elementów ciernych do płytki wzmacniającej [13, 18], Okładzina hamulcowa ma za zadanie wyrównanie rozkładu rzeczywistych nacisków jednostkowych na powierzchni styku z tarczą hamulcową oraz polepszenie warunków odprowadzenia 1 Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, Poznań. Tel , Fax: , wojciech.sawczuk@put.poznan.pl 4310

2 ciepła a tym samym obniżenie temperatury. Pracy pary ciernej towarzyszą bardzo wysokie (średnie) temperatury dochodzące nawet do C a jednocześnie znaczne obciążenia cieplne elementów pary ciernej. Przyczynia się to do zakłócenia prawidłowego przebiegu procesu hamowania pociągu powodując takie ujemne skutki jak odkształcanie tarczy i rozkład tworzywa okładziny ciernej. Pierwszy sposobem obniżenia temperatury jest stosowanie okładzin ze specjalnie ukształtowanymi rowkami dylatacyjnymi lub otworami, przez które następuje przepływ powietrza "odprowadzający" część ciepła powstałego podczas hamowania. Rowki te umożliwiają dodatkowo lepszy rozkład nacisków okładziny na tarczę hamulcową oraz pomagają w odprowadzeniu produktów zużycia [11]. Rys. 2. Rozkład temperatury na tarczy lokomotywy klasy 101 wyposażonej w: a) standardowe okładziny cierne, b) w okładziny ISOBAR, przy hamowaniu zatrzymującym z prędkości 220km/h, Wybrani producenci okładzin ciernych do hamulca tarczowego pojazdów szynowych również w swojej ofercie posiadają okładziny dzielone, które zapewniają lepszą współpracę z tarczą hamulcową. Wynikało to z doświadczenia zdobytego podczas eksploatacji standardowych okładzin ze spieku metalicznego, co przyczyniło się do opracowania przez firmę Knorr-Bremse nowego rozwiązania okładziny, całkowicie pozbawionej wad już istniejących rozwiązań wstawek ciernych [17]. Nowa okładzina hamulcowa znana jako ISOBAR, co przedstawia rysunek 1, również wykonana jest ze spieku metalicznego jednak różni się tym od wcześniejszych rozwiązań, że każda powierzchnia tarcia wstawki stanowi osobny element mocowany w specjalnie ukształtowanej "elastycznej" szczęce hamulcowej. Takie rozwiązanie zapewnia równomierne rozłożenie nacisków wszystkich elementów ciernych na tarczy przez cały okres eksploatacji okładziny. Zalety okładziny ISOBAR to m.in. poprawa skuteczności hamulca tarczowego, ze względu na stały i równomierny rozkład nacisków wszystkich elementów ciernych na tarczy hamulcowej, przez cały okres eksploatacji, obniżenie temperatury tarczy hamulcowej o 25 30%, co wyeliminowało powstawanie "gorących" obszarów (hot spots) i formowaniem się wybrzuszeń materiału tarczy [8], co przedstawia rysunek 2 [17]. Zastosowanie podkładek z osobnymi elementami ciernymi zmniejszyło temperaturę maksymalną tarczy z 790 C przy okładzinie standardowej do 600 C, podczas hamowania zatrzymującego z prędkości 220km/h. Ponadto stosunek pomiędzy maksymalnymi oraz minimalnymi temperaturami, został zredukowany z 7,9 do 2,2, na korzyść okładziny ISOBAR. Inne zalety stosowania okładzin dzielonych to redukcja hałasu powodowanego przez hamulec tarczowy oraz możliwość obniżenia kosztów eksploatacji, przez wymianę tylko zużytych (indywidualnych) elementów ciernych okładziny. Ze względu na znaczący koszt oraz złożoność, okładzina typu ISOBAR jest rzadko stosowana, zagraniczni przewoźnicy najczęściej wykorzystują ją jedynie do lokomotyw pasażerskich kursujących z prędkościami powyżej 200km/h. 2. BADANIA HAMULCA TARCZOWEGO W ASPEKCIE OCENY WSPÓŁPRACY OKŁADZINY Z TARCZĄ HAMULCOWĄ W hamulcu tarczowym stosuje się dwa rodzaje materiałów na okładziny cierne, są to szeroko rozumiane tworzywa sztuczne oraz spieki metaliczne. Tworzywa organiczne stosowane na okładziny cierne cechują się takimi zaletami jak [3] stabilnym przebiegiem współczynnika tarcia w funkcji 4311

3 prędkości jazdy, co gwarantuje równą wartość opóźnienia podczas całego przebiegu hamowania. Jednakże, okładziny tego typu wykazują pewne wady, w czasie hamowania utrzymują stały rozkład nacisków na tarczy hamulcowej tak długo jak ich wartość twardości oraz moduły elastyczności (ściskania) będą utrzymane poniżej pewnej wartości dopuszczalnej. Okładzina z tworzywa organicznego zachowuje swoje własności mechaniczne, fizykalne oraz cierno-techniczne, do średniej temperatury 400 C. Po przekroczeniu tej wartości następuje przyspieszone zużycie, a na powierzchni okładziny pojawiają się wykruszenia, których cześć jest usuwana a cześć przyklejana jest do powierzchni okładziny jako mieszanina z produktami zużycia materiału tarczy hamulcowej. Rys. 3. Widok okładzin ciernych przypadających na jedną tarczę hamulcową z widoczną warstwą trzecią po hamowaniu na stanowisku hamulcowym IPS TABOR w Poznaniu: a) z naciskiem okładziny do tarczy N=28kN i symulowaną masą do wyhamowania M=7,5t na jedną tarczę, b) z naciskiem okładziny do tarczy N=44kN i symulowaną masą do wyhamowania M=7,5t na jedną tarczę, Rys. 4. Przebieg chwilowego współczynnika tarcia zbadany na stanowisku hamulcowym IPS TABOR w Poznaniu, przy hamowaniu z : a) naciskiem okładziny do tarczy N=36kN, symulowaną masą do wyhamowania M=5,7t na jedną tarczę i prędkości hamowania v=200km/h, b) naciskiem okładziny do tarczy N=25kN symulowaną masą do wyhamowania M=5,7t na jedną tarczę i prędkości hamowania v=160km/h, Obecność warstwy trzeciej na powierzchni okładziny ciernej dowodzą zdjęcia przedstawione na rysunki 3, zrobione w czasie badań stanowiskowych kolejowego hamulca tarczowego w Instytucie Pojazdów Szynowych TABOR w Poznaniu. Nierównomierny docisk okładziny do tarczy spowodowany występowaniem w różnych obszarach okładziny przyklejonej warstwy produktów zużycia okładziny i tarczy, może mieć również wpływ na zmienną wartość chwilowego współczynnika tarcia między tarczą a okładzina cierną w czasie hamowania. Wówczas na przebiegach czasowych chwilowego współczynnika tarcia obserwuje się lokalne obniżenie jego wartości, co przedstawia rysunek

4 Rys. 5. Termogramy z badań stanowiskowych: a) rozkład temperatury na tarczy na początku hamowania, b) temperatury na tarczy po 20 s hamowania, c) temperatura na tarczy w chwili zatrzymania, d) rozkład temperatury na okładzinach ciernych Wykresy przedstawione na rysunku 4 dotyczą tylko jednego przypadku hamowania z zadanej prędkości początku hamowania z zadanym naciskiem okładziny do tarczy oraz symulowanej masie do wyhamowania. Nie można zatem na ich podstawie wnioskować o całości zjawisk między okładziną a tarczą hamulcową. Z wstępnych badań, przeprowadzonych przez autora oraz na podstawie [2, 15] wynika, że zjawisko powstawania dodatkowej warstwy pod okładziną nie jest ciągłe w czasie. Po przekroczeniu wytrzymałości nagromadzonego materiału w czasie hamowania dochodzi do zerwania wspomnianej warstwy materiału trzeciego. Następnie zjawisko cyklicznie jest powtarzane. W wyniku samooczyszczenia powierzchni pary ciernej tarcza-okładzina, dochodzi do przyrostu współczynnika tarcia. Nierównomierność rozkładu nacisków okładziny do tarczy hamulcowej, dodatkowo dowodzą przeprowadzone równolegle z badaniami ciernymi na stanowisku hamulcowym badania termowizyjne. Na rysunku 5 przedstawiono rozkład średniej temperatury na 4-ech okładzinach ciernych przypadających na jedną tarcze hamulcową (rys.5d)) oraz obrazy termowizyjny tarczy w różnych momentach hamowania (rys. 5a), b) i c)). Można zaobserwować, że w miejscu występowania warstwy trzeciej na okładzinie występują obszary o wyższej temperaturze względem pozostałych obszarów okładziny. Dlatego istotne jest utrzymanie równomiernego rozkładu nacisków okładziny na powierzchni tarczy. Wtedy cała energia powstała w wyniku tarcia okładziny o tarczę, w postaci ciepła jest jednakowo rozpraszana w całej masie tarczy hamulcowej. W przeciwnym wypadku na powierzchni tarcia powstaną naprężenia, które dodatkowo przyczyniają się do powstawania pęknięć termicznych [1]. 4313

5 Rys. 6. Widok elementów hamulca tarczowego z pociągu TGV Duplex: a) okładzina ze spieku metalicznego, b) zestaw kołowy wózka Y237b [12] Bardziej odporne na działanie wysokich temperatur są okładziny wykonane ze spieków metalicznych, o większej twardości niż okładziny organiczne [12]. Duża twardość okładzin ze spieków metalicznych w stosunku do okładzin organicznych, pozwala na ukształtowanie oddzielnych powierzchni tarcia. Liczba oraz kształt tych powierzchni zależy od producenta okładzin hamulcowych a poprzedzona była wcześniejszymi badaniami. Głównie na liczbę indywidualnych powierzchni ciernych mają wpływ własności wytrzymałościowe spieku metalicznego oraz własności samooczyszczenia spieku. Dodatkową zaletą okładziny z odrębnymi powierzchniami tarcia jest równomierny i rozkład nacisków między tarczą hamulcową a okładziną. Jednak eksploatacja okładzin ciernych ze spieków metalicznych na przykładzie kolei francuskich SNCF na pociągach TGV, co przedstawia rysunek 6, wykazała, że problem występowania warstwy trzeciej na powierzchni okładziny również występuje [12]. WNIOSKI Tematyka dotycząca identyfikacji zjawisk nieliniowych w strefie kontaktu pary ciernej hamulca tarczowego jest zjawiskiem bardzo szerokim i wymuszą przeprowadzenie wieloetapowych prac nad próbą poznania przyczyn powstawania tych zjawisk i późniejszego ich modelowania. W wielu pojazdach szynowych, hamulec tarczowy jest zasadniczym hamulcem ciernym, a niestabilna praca pary ciernej związana z pojawieniem się produktów zużycia jako tzw. nalepów na okładzinie w konsekwencji powoduje nierównomierny rozkład nacisków co wpływa na nierównomierność rozkładu temperatury na tarczy hamulcowej. W takich warunkach hamowania, w szczególności przy długotrwałych hamowaniach może dochodzi do odkształcenia tarczy hamulcowej i utraty siły hamowania. Zjawisko to szczególności w pojazdach samochodowych jest nazywane fadingiem. W szerszym sensie niestabilność pracy pary ciernej hamulca również wpływa na zmienność opóźnienia hamowania co przekłada się na pogorszenie komfortu odczuwalnego przez pasażera przy włączonych hamulcach pociągu. Projekt jest finansowany ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, program LIDER V, umowa nr LIDER/022/359/L-5/13/NCBR/2014 Streszczenie Niezawodność działania układu hamulcowego danego pojazdu uzależniona jest w dużej mierze od współpracy elementów hamulcowych stanowiących parę cierną np. tarcza hamulcowa-okładzina cierna. Niestabilność pracy wynika między innymi z wahania chwilowego współczynnika tarcia, 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 4314

6 hamowania. Skutki tych zmian zgodnie z pracą [10] mogą objawić się w postaci zmiennego opóźnienia od momentu rozpoczęcia aż do zatrzymania pociągu oraz drganiami przenoszonymi na pojazd. W konsekwencji wpływa to również na pogorszenie komfortu jazdy. Celem artykułu jest wprowadzenie do zagadnień zjawisk nieliniowością występujących w styku okładziny ciernej z tarczą hamulcową w czasie hamowania pojazdów szynowych. Słowa kluczowe: tarcza hamulcowa, okładzina cierna, chwilowy współczynnik tarcia, zjawiska nieliniowe, hot spots, warstwa trzecia As introduction to the issues of nonlinear phenomena of the contact friction pads with disc during braking of the rail vehicles Abstract The reliability of the operation of the braking system of the vehicle depends to a large extent on the cooperation of the brake components forming a pair of friction e.g. brake disc-friction pad. Work instability arises by the occurrence of instantaneous changes to the coefficient of friction, 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 in accordance with the work [10] may be revealed in the form of no linear braking delay and vehicle vibrations. As a consequence, it also to the adversely affects on ride comfort. The purpose of the article is an introduction to the issues of nonlinear phenomena of the contact friction pads with disc during braking of the rail vehicles. Keywords: brake disc, friction pad, coefficient of friction, nonlinear phenomena, hot spots, sediment friction material BIBLIOGRAFIA 1. Bagnoli F., Dolce F., Bernabei M., Thermal fatigue cracks of fire fighting vehicles gray iron brake discs. Engineering Failure Analysis 16 (2009) Belhocine A., Bouchetara M., Thermomechanical modelling of dry contacts in automotive disc brake. International Journal of Thermal Sciences 60 (2012) Belhocine A., Bouchetara M., Thermal analysis of a solid brake disc. Applied Thermal Engineering 32 (2012) Dżuła S, Urbańczyk P., Wpływ zużycia elementów pary ciernej klocek hamulcowy koło zestawu kołowego na siłę hamowania, XIV Konferencja Naukowa POJAZDY SZYNOWE 2000, Kraków, Arkanów, 9-13 październik 2000, t. 2, s Gąsowski W., Kaluba M., Trybologiczne badanie okładzin ciernych hamulca tarczowego pojazdów szynowych. Pojazdy Szynowe 1999 nr 1, s Kaluba M., Zużycie okładzin ciernych hamulca tarczowego pojazdów szynowych. Pojazdy Szynowe 1999 nr 4, s Karta UIC 541-3, Hamulec-Hamulec tarczowy i jego zastosowanie. Warunki dopuszczenia okładzin hamulcowych. Wyd. 6, listopad Panier S., Dufrénoy Ph., Brémond B., Infrared characterization on thermal gradients on disc brakes. 13th International Conference on Thermal Engineering and Thermogrammetry (THERMO) June, 2003, Budapest, Hungary. 9. Piec P., Analiza zjawisk kontaktowych typu sick-slip w miejscu styku koła z klockiem hamulcowym. Monografia, Kraków Sawczuk W., Badanie współczynnika tarcia hamulca tarczowego. Czasopismo Pojazdy Szynowe 2/2012, s Sorochtej M., Hamulec tarczowy pojazdów szynowych. Przegląd kolejowy 6/ Strona internetowa: ( ). 13. Strona internetowa: ( ). 4315

7 14. Ścieszka S.F., Hamulce cierne. Zagadnienia materiałowe, konstrukcyjne i tribologiczne. Wydawnictwo Gliwice-Radom 1998, s Trichês M., Gerges S., Jordan R., Analysis of brake squeal noise using the finite element method: A parametric study. Applied Acoustics 69 (2008) Wirth X., Disc brakes to stop the world's fastest trains. Railway Gazette February Wirth X., Improving the Performance of Disc Brakes on High-speed Rail Vehicles with a Novel Types of Brake Pad: Isobar. RTR Wirth X., Braking lining for the disc brake of a vehicle. US B