ANALIZA DRGA KOLEJOWEGO HAMULCA TARCZOWEGO, JAKO NO NIKA INFORMACJI O STANIE HAMULCA TARCZOWEGO

Transkrypt

1 ANALIZA DRGA KOLEJOWEGO HAMULCA TARCZOWEGO, JAKO NO NIKA INFORMACJI O STANIE HAMULCA TARCZOWEGO FRANCISZEK TOMASZEWSKI, WOJCIECH SAWCZUK MACIEJ WESOŁEK Streszczenie W pojazdach szynowych ze wzgl du na coraz to wi ksze pr dko ci jazdy prowadzi si prace nad udoskonalaniem układów hamulcowych tak, aby zatrzymanie pojazdu odbyło si na mo liwie najkrótszej drodze hamowania. Równie szereg zalet tego rodzaju hamulca, jak np. stały przebieg współczynnika tarcia w funkcji pr dko ci 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 pomi dzy kołami zestawu kołowego znacznie utrudnia kontrol zu ycia pary ciernej tarcza-okładzina. Wymusza ono na obsłudze i pracownikach zakładów naprawczych wchodzenie pod wagon w celu zdiagnozowania układu hamulcowego, sprawdzenia poprawno ci jego działania, kontroli zu ycia oraz przeprowadzenia niektórych napraw bie cych. Celem artykułu jest przedstawienie mo liwo ci diagnozowania pary ciernej hamulca tarczowego wykorzystuj c wybrane charakterystyki widmowe sygnału drganiowe generowanego przez obsad hamulcow z okładzinami ciernymi. Słowa kluczowe: diagnostyka, hamulec tarczowy, zu ycie okładzin ciernych, badania eksploatacyjne, charakterystyki widmowe 1. Metodyka bada poligonowych Badania poligonowe zostały przeprowadzone w oparciu o zało enia eksperymentu czynnego zgodnie z [2, 3] i wykonane na rzeczywistym obiekcie w czasie jego eksploatacji. W czasie bada celowo zmieniano parametry wej ciowe stanu okładzin ciernych i obserwowano ich wpływ na zmiany parametrów wyj ciowych drganiowych. Parametrami wej ciowym były w szczególno ci grubo zu ytych do danej warto ci okładzin ciernych oraz pr dko pocz tku hamowania, natomiast parametrem wyj ciowym były chwilowe przyspieszenia drga obsad (imaków) z okładzinami. Badaniami zostały obj te układy hamulca tarczowego z tarczami hamulcowymi o wymiarach oraz trzy komplety okładzin ciernych typu 200 FR20H.2, znajduj cych si w wózku kolejowym GP200 (badanie rozpoznawcze) oraz Minden-Deutz MD 523 (badanie zasadnicze) wagonu pasa erskiego typu 136AMg. Okładziny cierne zostały wcze niej przygotowane do bada. Dwa komplety zostały sfrezowane do grubo ci 15 i 25mm, trzeci komplet składał si z nowych okładzin o grubo ci 35mm. Widok wagonu oraz wózka kolejowego wykorzystanego do bada eksploatacyjnych przedstawia rys. 1. Badania poligonowe zostały przeprowadzone dwu etapowo, pierwsze

2 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, badania zostały przeprowadzone na okładzinach o tej samej grubo ci w celu wyznaczenie pasm cz stotliwo ci drga wspólnych dla obu układów d wigniowych hamulca tarczowego pierwszej jak i drugiej osi. Drugie badanie poligonowe przeprowadzone było ju na okładzinach o ró nej grubo ci. Rys. 1 Widok obiektu bada a) wózek kolejowy Minden-Deutz MD 523, b) wagon pasa erski typu 136AMg Badania poligonowe o charakterze diagnostycznym zostały przeprowadzone na wagonie doł czonym do składu poci gu składaj cego si z 11 wagonów. Ostatni wagon pomiarowy był wyposa ony w przetworniki drga zamocowane do obsad okładzin ciernych. Poci g wykonał jazd próbn na trasie przejazdu Pozna -Rzepin-Pozna. W czasie bada realizowano hamowania słu bowe, pełne oraz nagłe z pr dko ci pocz tku hamowania wynosz cych 50, 60, 100, 120 i 160 km/h. Dodatkowo podczas bada rejestrowano ci nienie w cylindrze hamulcowym oraz w przewodzie głównym za pomoc rejestratora ci nie systemu PWBlogg, znajduj cego si na wagonie [4]. Na podstawie zarejestrowanych ci nie obliczono nacisk okładziny na tarcz hamulcow. Podczas hamowania nagłego ci nienie w cylindrze wynosiło 3,7 bara, natomiast w czasie hamowania słu bowego 2,4 bara. Wykorzystuj c zale no (1) obliczono naciski okładzin do tarczy [5]: [( P A) F ] i N = η (1) gdzie: P c ci nienie w cylindrze hamulcowym, bar, A powierzchnia tłoka, A=0,05m 2, F s siła w spr ynie powrotnej tłoka, Fs=980N, sprawno układu d wigniowego, =0,94, i przeło enie układu d wigniowego, i=2,35. Przy hamowaniu nagłym uzyskano nacisk N N=40kN, natomiast podczas hamowania słu bowego N S=25kN. Masa hamuj ca przypadaj ca na jedn tarcz wyniosła podczas bada M=5t. Badania poligonowe przeprowadzono wykorzystuj c obsady okładzin ciernych, do których na zewn trznej stronie w rodkowej cz ci zamocowano przetworniki drga. Na podstawie wyników z bada stanowiskowych, gdzie przetworniki zamocowane były na dwóch obsadach stwierdzono, C S

3 114 Franciszek Tomaszewski, Wojciech Sawczuk, Maciej Wesołek Analiza drga kolejowego hamulca tarczowego, jako no nika informacji o stanie hamulca tarczowego e najwi ksz dynamik zmian parametrów sygnału drganiowego, w zale no ci od zu ycia okładzin, uzyskuje si z przetworników zamocowanych do obsady od strony obudowy cylindra hamulcowego. Podczas bada eksploatacyjnych na ka dym układzie d wigniowym zało ono po jednym przetworniku drga na obsadzie od strony obudowy cylindra hamulcowego. Pomiaru drga dokonano tylko w jednym kierunku (Y) prostopadłym do powierzchni ciernej tarczy. Rys. 2. Schemat toru pomiarowego drga okładzin ciernych na wagonie kolejowym w czasie bada poligonowych: a) rozpoznawczych na wózku GP200, b) zasadniczych na wózku MD523 Do akwizycji sygnałów drga zastosowano zestaw pomiarowy, składaj cy si z: piezoelektrycznych przetworników drga B&K typ 4504A, 3szt., kasety pomiarowej typu B&K 3050-A-060, oprogramowania systemu PULSE Schemat toru pomiarowego drga na wózku GP200 w czasie bada wst pnych i MD 523 w czasie bada zasadniczych wagonu 136AMg, przedstawia rys. 2. Do bada poligonowych, tak samo jak podczas stanowiskowych bada diagnostycznych, wykorzystano przetworniki drga typu 4504 firmy Brüel&Kjær. Liniowe pasmo przenoszenia przetworników wyniosło 13 khz. Podczas bada diagnostycznych rejestrowano sygnały w pa mie od 0,1 Hz do 9 khz [1]. Do analizy wyników drga istotne zmiany sygnału wyst puje do 6 khz. Cz stotliwo próbkowania wynosiła 32 khz, co oznacza, e pasmo poddane analizie zgodnie z zale no ci Nyquista wyniosło 16 khz. Widok wózka MD 523 z zamocowanymi przetwornikami drga do trzech układów d wigniowych hamulca tarczowego przedstawia rys. 3. W przypadku bada wst pnych przetwornki zamocowane były tylko do dwóch obsad hamulcowych układu d wigniowego pierwszej i drugiej osi zestawu kołowego.

4 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, Rys. 3 Widok miejsc zamocowania trzech przetworników drgaĕ do układów dĩwigniowych hamulca tarczowego wózka Minden-Deutz MD 523 wagonu 136Amg: a) przetwornik zamocowany do obsady z okładziną o gruboğci 35mm, b) przetwornik zamocowany do obsady z okładziną o gruboğci 25mm, c) przetwornik zamocowany do obsady z okładziną o gruboğci 15mm; 1 układ dĩwigniowy hamulca tarczowego, 2 przetwornik drgaĕ, 3 obsada okładziny (imak), 4 tarcza hamulcowa, 5 okładzina cierna ħródło: opracowanie własne. 2. Analiza widmowa sygnałów drganiowych Celem analizy widmowej sygnałów drgaĕ zarejestrowanych podczas badaĕ poligonowych było wyznaczenie pasm czċstotliwoğci związanych ze zmianą gruboğci okładziny w procesie hamowania. Na rysunku 4 przedstawiono przebieg chwilowych przyspieszeĕ drgaĕ generowanych przez obsadċ hamulcową z okładziną cierną w czasie hamowania poddanych nastċpnie analizie widmowej. Na wspomnianym rysunku widoczny jest przyrost przyspieszeĕ drgaĕ w pierwszej fazie hamowania, związany z przyrostem ciğnienia w cylindrze hamulcowym. Natomiast na rysunku 5 i 6 przedstawiono zaleīnoğü arms w funkcji czċstotliwoğci w czasie badaĕ rozpoznawczych, gdzie na wózku GP200 po zamocowaniu okładzin o tej samej gruboğci do układu dĩwigniowego pierwszej i drugiej osi w czasie hamowania szukano wspólnych pasm czċstotliwoğci. Natomiast na rysunku 7

5 116 Franciszek Tomaszewski, Wojciech Sawczuk, Maciej Wesołek Analiza drga kolejowego hamulca tarczowego, jako no nika informacji o stanie hamulca tarczowego i 8 przedstawiono zale no widma amplitudowego przyspiesze drga dla ró nych grubo ci okładzin i dla przykładowych pr dko ci pocz tku hamowania. Analizy widmowej dokonano w kierunku Y (prostopadłym do pier cienia ciernego tarczy) dla wszystkich pr dko ci pocz tku hamowania zarejestrowanych podczas bada, jak równie dla hamowania nagłego, pełnego i słu bowego. Rys. 4. Sygnał warto ci przyspiesze drga zarejestrowany na obsadzie okładziny w kierunku Y: t i czas jazdy z pr dko ci v, t 1 czas wzrostu docisku okładziny, t 2 czas hamowania Rys. 5. Zale no amplitudy przyspiesze drga od cz stotliwo ci dla hamowania z pr dko ci 50 km/h do całkowitego zatrzymania: P 1-pasmo Hz, P 2-pasmo Hz, P 3-pasmo Hz, P 4- pasmo Hz, P 5-pasmo Hz, P 6-pasmo Hz, P 7-pasmo Hz: a) o pierwsza, b) o druga

6 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, Rys. 6. Zale no amplitudy przyspiesze drga od cz stotliwo ci dla hamowania z pr dko ci 160 km/h do całkowitego zatrzymania: P1-pasmo Hz, P2-pasmo Hz, P3-pasmo Hz, P4- pasmo Hz: a) o pierwsza, b) o druga Rys. 7. Posta widma amplitudowego przyspiesze drga obsad okładzin dla ró nych grubo ci okładzin przy pr dko ci pocz tku hamowania v=60km/h, dla kierunku Y: P 1 pasmo Hz, P 2 pasmo Hz: a) okładzina o grubo ci G1=35mm, b) okładzina o grubo ci G2=25mm, c) okładzina o grubo ci G3=15mm

7 118 Franciszek Tomaszewski, Wojciech Sawczuk, Maciej Wesołek Analiza drga kolejowego hamulca tarczowego, jako no nika informacji o stanie hamulca tarczowego Rys. 8. Posta widma amplitudowego przyspiesze drga obsad okładzin dla ró nych grubo ci okładzin przy pr dko ci pocz tku hamowania v=160km/h, dla kierunku Y: P 1 pasmo Hz, P 2 pasmo Hz: a) okładzina o grubo ci G1=35mm, b) okładzina o grubo ci G2=25mm, c) okładzina o grubo ci G3=15mm Badania pomiaru przyspiesze drga obsad okładzin hamulcowych w dziedzinie cz stotliwo ci wykazały, tak jak po badaniach stanowiskowych [6], e mo liwe jest znalezienie pasm cz stotliwo- ci, w których obserwuje si zale no amplitudy przyspiesze drga przy ró nych grubo ciach okładzin w całym zakresie pr dko ci pocz tku hamowania. Ponadto, badania eksploatacyjne wskazały na mo liwo diagnozowania zu ycia okładzin ciernych, niezale nie od rodzaju hamowania, tj. hamowanie nagłe, pełne oraz słu bowe. Wyznaczone pasma cz stotliwo ci s niezale ne od dwóch zastosowanych nacisków okładziny na tarcz hamulcow (N N=40kN i N S=25kN). Analiza widmowa sygnałów przyspiesze drga obsad z okładzinami pokazała, e do celów diagnostyki zu ycia okładzin mo liwe jest wykorzystanie dwóch pasma: pierwsze w zakresie Hz oraz drugie w zakresie Hz. Na rys. 9 i 10 przedstawiono zbiorcze zestawienie zale no ci warto ci skutecznej przyspiesze drga w funkcji pr dko ci pocz tku hamowania oraz zu ycia okładzin dla dwóch pasm cz stotliwo ci. W tab. 1 przedstawiono dynamik zmian potencjalnego parametru diagnostycznego, którym mo e by warto skuteczna przyspiesze drga w wyznaczonych pasmach cz stotliwo ci dla

8 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, wszystkich analizowanych prċdkoğci początku hamowania oraz zamieszczono wartoğci współczynnika korelacji dla liniowej zaleīnoğci wartoğci amplitudy przyspieszeĕ drgaĕ od badanych gruboğci okładzin ciernych. Rys. 9. ZaleĪnoĞü wartoğci skutecznej przyspieszeĕ drgaĕ obsady okładziny od prċdkoğci początku hamowania oraz zuīycia okładziny w pağmie czċstotliwoğci Hz ħródło: opracowanie własne. Rys. 10. ZaleĪnoĞü wartoğci skutecznej przyspieszeĕ drgaĕ obsady okładziny od prċdkoğci początku hamowania oraz zuīycia okładziny w pağmie czċstotliwoğci Hz ħródło: opracowanie własne.

9 120 Franciszek Tomaszewski, Wojciech Sawczuk, Maciej Wesołek Analiza drga kolejowego hamulca tarczowego, jako no nika informacji o stanie hamulca tarczowego Tab. 1. Dynamika zmian przyspiesze drga oraz współczynnik korelacji dla wyznaczonych pasm cz stotliwo ci przy zało eniu liniowej zale no ci warto ci skutecznej przyspiesze drga od grubo ci okładzin Lp. Zakres Współczynnik Dynamika zmian w db cz stotliwo ci w widmie w Hz korelacji ,5-5,6 0, ,7 12 0,95 Ze wzgl du na najwy sze warto ci współczynnika dynamiki, powy ej 6dB oraz współczynnik korelacji 0,95 i wi cej, do diagnozowania zu ycia okładzin ciernych mogłoby by przydatne widmo amplitudowe w pa mie cz stotliwo ci Hz. Pasmo cz stotliwo ci Hz równie mo e by wykorzystane do oceny zu ycia okładzin, szczególnie w przypadku aparatury diagnostycznej rejestruj cej sygnały o ni szych zakresach cz stotliwo ci, np. do 2kHz. Dla ka dego rodzaju hamowania i pr dko ci pocz tku hamowania, mo liwa jest aproksymacja zamian skutecznej warto ci przyspiesze drga w zale no ci od zu ycia okładzin ciernych. Ze wzgl du na wysok dynamik zmian skutecznej warto ci przyspiesze drga wynosz c od 6,7 do 12dB (w zale no ci od pr dko ci pocz tku hamowania), wykorzystano wyznaczone zale no- ci do działania odwrotnego, okre laj cego zu ycie okładzin ciernych na podstawie parametrów sygnału drga w pa mie cz stotliwo ci Hz. Wyznaczono funkcje aproksymuj ce, w których zmienn obja niaj c była warto skuteczna przyspiesze drga a zmienn obja nian warto zu ycia okładziny (tj. grubo ci okładziny w chwili pomiaru). Dla warto ci skutecznej przyspiesze drga wyprowadzono zale no ci liniowe (2 i 3) oraz pot gowe (4 5) dla czterech pr dko ci pocz tku hamowania, umo liwiaj ce okre lenie aktualnej grubo ci okładziny ciernej: 2 G( = 50 ) = 33,582 arms, ( v= 50) + 42,799; ( R = 0,906) 2 ( = 100 ) = 31,743 arms,( v= 100) + 62,986; ( R = 0,998) 0, G( = 120 ) = 47,796 arms,( v= 120) ; ( R = 0,984) 1, G( = 160 ) = 146,8 arms,( v= 160) ; ( R = 0,992) v (2) G v (3) v (4) v (5) gdzie: G ( ) grubo okładziny w chwili pomiaru przyspiesze drga. Ró nica pomi dzy wynikami pomiaru grubo ci okładziny przyrz dem pomiarowym w chwili pomiaru, a warto ci grubo ci uzyskan podczas oblicze wykorzystuj c zale no ci regresyjne (2-5) tylko dla hamowania z pr dko ci 50km/h wyniosła 10% w przypadku liniowej zale no ci regresyjnej warto ci skutecznej przyspiesze drga od grubo ci okładziny. W pozostałych przypadkach pr dko ci pocz tku hamowania od 100km/h, ró nica ta nie przekroczyła 2% dla pot gowej zale no ci warto ci skutecznej od grubo ci okładziny ciernej. Na tej podstawie mo na stwierdzi dobre odwzorowanie rzeczywistych grubo ci okładziny ciernej wyznaczonym diagnostycznym modelem regresyjnym, opisuj cym zmiany grubo ci okładzin w funkcji warto ci skutecznej przyspiesze drga, uzyskanej z analizy widmowej w pa mie cz stotliwo ci Hz, co przedstawiono na rys. 11.

10 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, Rys. 11. Zale no grubo ci okładzin ciernych w funkcji warto ci skutecznej przyspiesze drga w pa mie cz stotliwo ci Hz Analiza wyników bada poligonowych drga obsad okładzin ciernych hamulca tarczowego w dziedzinie cz stotliwo ci wykazała, e dla poszczególnych pasm cz stotliwo ci mo liwe jest diagnozowanie zu ycia okładzin ciernych w kierunku prostopadłym do pier cienia ciernego. Pomiaru przyspiesze drga mo na dokona instaluj c tylko jeden przetwornik drga zamocowany do obsady okładziny od strony obudowy cylindra hamulcowego. Analiza widmowa drga obsad okładzin ciernych dowiodła, e diagnostyk zu ycia okładzin ciernych mo na przeprowadzi nie tylko przy zarejestrowanym całym procesie hamowania (od pocz tku hamowania a do zatrzymania hamowania pełne lub nagłe), ale równie rejestruj c fragment hamowania przy hamowaniu słu bowym. Warunkiem uzyskania zale no ci warto ci skutecznej przyspiesze drga obsad okładzin od zu ycia okładziny jest wykonanie hamowania z pr dko ci powy ej 50km/h.

11 122 Franciszek Tomaszewski, Wojciech Sawczuk, Maciej Wesołek Analiza drga kolejowego hamulca tarczowego, jako no nika informacji o stanie hamulca tarczowego 3. Podsumowanie Badania poligonowe potwierdziły, e mo liwe jest diagnozowanie zu ycia okładzin ciernych hamulca tarczowego, dokonuj c analizy przyspiesze drga obsad z okładzinami. Do celów diagnostyki okładzin na konkretnym wagonie w warunkach poligonowych mo liwe jest przeprowadzenie głównie analizy widmowej drga obsad okładzin. Analiza drga obsad okładzin ciernych w dziedzinie cz stotliwo ci umo liwia, poprzez wyznaczenie pasm cz stotliwo ci przydatnych w diagnozowaniu, ocen zu ycia okładzin ciernych, niezale nie od rodzaju hamowania. W warunkach poligonowych, w ka dym przypadku hamowania (hamowanie słu bowe, pełne oraz nagłe) oraz przy docisku okładziny ciernej do tarczy wynosz cym N N=40kN i N S=25kN, narastaj cym od zera, mo liwe jest diagnozowanie zu ycia w dwóch pasmach cz stotliwo ci, tj Hz oraz Hz. Zmiany postaci widma amplitudowego przyspiesze drga w zale no ci od zu ycia okładzin ciernych hamulca, s widoczne niezale nie od pr dko ci pocz tku hamowania w zakresie km/h. Dla analizy drga w dziedzinie cz stotliwo ci, dynamika zmian wyniosła 6 12dB dla pasma cz stotliwo ci Hz i 3 5dB dla pasma Hz. Wykorzystuj c warto skuteczn przyspiesze drga, mo liwe jest u ycie diagnostycznych modeli regresyjnych, opisanych zale no ciami (2 5), do wyznaczenia zu ycia nakładki ciernej przy dowolnej pr dko ci pocz tku hamowania. Bibliografia 1. Brüel & Kjær, Measuring Vibration, Revision September 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. 5. Rail Consult Gesellschaft für Verkehrsberatung mbh. Wagon osobowy Z1 02, układ jezdnytom 2. Dokumentacja Techniczno-Ruchowa. 6. Sawczuk W., Szyma ski G., Zastosowanie wybranych charakterystyk widmowych sygnału drganiowego do diagnozowania kolejowego hamulca tarczowego. Czasopismo Techniczne Mechanika, 2-M/2011 zeszyt nr 4, s

12 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, VIBRATION ANALYSIS RAILWAY DISC BRAKES SWITCH AS A CARRIER OF INFORMATION ABOUT WEAR OF THE DISK BRAKE Summary 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 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 to apply frequency analysis to evaluatnion of the wear of friction pads on the base vibration signal generated by caliper with pads disc brake lever set. Keywords: diagnostic, disc brake, wear of friction pad, frequency characteristics, research carried out Franciszek Tomaszewski Wojciech Sawczuk Maciej Wesołek Instytut Silników Spalinowych i Transportu, Zakład Pojazdów Szynowych Wydział Maszyn Roboczych i Transportu Politechnika Pozna ska ul. Piotrowo 3, Pozna, francieszek.tomaszewski@put.poznan.pl, wojciech.sawczuk@put.poznan.pl, maciej_wesolek@wp.pl