DYNAMICZNA WSPÓ PRACA WSTAWKI HAMULCOWEJ OCZYSZCZAJ CEJ W POCI GACH DU EJ PR DKO CI BADANIA EKSPERYMENTALNE

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 98 Transport 2013 Robert Konowrocki, Jacek Kukulski, S awomir Walczak, Witold Groll Instytut Kolejnictwa DYNAMICZNA WSPÓ PRACA WSTAWKI HAMULCOWEJ OCZYSZCZAJ CEJ W POCI GACH DU EJ PR DKO CI BADANIA EKSPERYMENTALNE R kopis dostarczono, kwiecie 2013 Streszczenie: Artyku po wi cony jest badaniom eksperymentalnym wspó pracy wstawki oczyszczaj cej z powierzchni toczn ko a kolejowego, stosowanego w pojazdach kolejowych du ych pr dko ci. W takich uk adach stosuje si pojedyncz wstawk hamulcow, która przez kontakt z powierzchnia toczn ko a kolejowego zapewnia usuwanie wszelkich elementów, które mog w czasie eksploatacji w wyniku adhezji przyklei si do ko a. Elementy pozostaj c w kontakcie z powierzchni toczn ko a wp yn yby na przyspieszone zu ycie zestawów ko owych oraz wzrost nadwy ek dynamicznych w strefie kontaktu ko o szyna, skutkuj ce degradowaniem powierzchni tocznej kó i szyn. W pracy zaprezentowane zosta y badania eksperymentalne przeprowadzone na rzeczywistym uk adzie hamulcowym z zastosowaniem wstawki oczyszczaj cej z jednostronnym naciskiem przy hamowaniu z du ej pr dko ci. Na postawie bada okre lono parametry jakie wyst puj w takich uk adach. S owa kluczowe: tarcie, drgania wzbudzane tarciem, uk ad hamulcowy du ych pr dko ci 1. WST P Uk ady hamulcowe s jednym z dominuj cych rozwi za, które wp ywaj na niezawodno eksploatacyjn pojazdów szynowych. S stosowane we wszystkich typach pojazdów kolejowych i stanowi jeden z najwa niejszych systemów bezpiecze stwa tych pojazdów. Eksploatacja uk adów hamulcowych w warunkach zwi kszonych wymaga u ytkowych, zwi zanych ze wzrostem obci enia oraz cz stotliwo ci dzia ania zmusza do uwzgl dnienia w projektowaniu efektów zwi zanych z dynamik konstrukcji. Wzrost pr dko ci jazdy, masy pojazdów oraz u ycie nowych materia ów na elementy cierne wywo uje nowe problemy wyst puj ce w uk adach hamulcowych, dotychczas zbadane w niewielkim zakresie. W przypadku gdy parametry takich uk adów s nieodpowiednio dobrane i le zaprojektowane, pojawi si mog podczas hamowania efekty generowania

2 280 Robert Konowrocki, Jacek Kukulski, S awomir Walczak, Witold Groll drga, skutkuj ce pogorszeniem efektywno ci ich dzia ania. Powstaje to w wyniku utraty stabilno ci elementów ciernych rozpatrywanych uk adów w wyniku zjawiska tarcia. Zastosowanie niektórych materia ów na elementy cierne systemów hamulcowych polepsza w asno ci zwi zane np. z drganiami akustycznymi, pogarszaj c w asno ci przewodno ci elektrycznej wykorzystywanej w bocznikowaniu obwodów torowych. Zastosowanie uk adu wstawkowego oczyszczaj cego w pojazdach du ych pr dko ci pozwala po rednio przeciwdzia a wy ej opisanym zjawiskom. System taki usuwa po rednio tak e zanieczyszczenia znajduj ce si na powierzchniach tocznych szyn torów kolejowych, a tak e w pewien sposób,,reprofiluje powierzchni toczn ko a. Rozwi zanie to jest coraz cz ciej stosowane w zespolonych poci gach du ych pr dko ci na zestawach nap dnych. Rozwi zania takie funkcjonuj m.in. w pojazdach produkowanych przez firm Alstom (np. ETR 610) jak i Siemens (np. Desiro City Thameslink). Zasady wdra ania hamowania z wykorzystaniem tego systemu reguluj wewn trzne przepisy przewo ników (DTR). Szczegó owe wymagania dot. wstawek oczyszczaj cych regulowa b dzie norma [7]. Nie ma w literaturze prac w których analizowano by uk ady wstawek jednostronnych. Wielu badaczy zajmowa o si analiz uk adów hamulcowych. Autor pracy [1] zajmowa si badaniem uk adu hamulcowego z uwzgl dnieniem wp ywu zmian struktury par ciernych w wyniku reakcji cieplno-chemicznych w strefie kontaktu. Wskazywa on na przyspieszone zu ywanie si okre lonych sektorów materia u pary ciernej i w dalszej konsekwencji przez ograniczenie powierzchni kontaktu pary ciernej lokalne zwi kszenie temperatur w tych obszarach strefy kontaktu. Takie zjawisko obni a skuteczno hamowania oraz wywo uje zmiany chemiczne w strukturze elementów hamulcowych wykonanych z materia ów organicznych. Autorzy [3], [4] przedstawili opis bada eksperymentalnych i teoretycznych klockowego uk adu hamulcowego z segmentacj powierzchni ciernej. Wykazano w nich wp yw drga s siednich elementów pary ciernej na zmniejszenie niekorzystnych drga zwi kszaj cych skuteczno hamowania. W pracach [2], [5] autor przedstawi badania eksperymentalne wstawek kompozytowych na stanowisku badawczym przy hamowaniu od maksymalnej pr dko ci pocz tkowej 270 km/h do zatrzymania. Praca dotyczy a analizy cz stotliwo ciowej drga osi hamowanego ko a. Autor nie opisa matematycznie badanego przypadku. Z kolei w pracy [6] autor zaprezentowa badania stanowiskowe spiekanych ok adzin hamulcowych z pr dko ci pocz tkowej 300 km/h, W pracy tej przedstawione zosta y równie wyniki bada w asno ci tribologicznych materia u ciernego. W dost pnej literaturze nie mo na znale prac dotycz cych bada wstawek czyszcz cych. Na tej podstawie przeprowadzono poni ej prezentowane badania i analizy wstawki czyszcz cej przy hamowaniu z du ej pr dko ci. 2. OPIS BADA EKSPERYMENTALNYCH. Badania eksperymentalne maj na celu okre lenie dynamiki wstawki hamulcowej czyszcz cej podczas jej pracy. Ze wzgl du na fakt, e taka wstawka wykorzystywana jest

3 Dynamiczna wspó praca wstawki hamulcowej oczyszczaj cej w poci gach du ej pr dko ci 281 do monta u w uk adach czyszcz cych powierzchnie toczne kó nap dowych pojazdów du ej pr dko ci, zaproponowano przeprowadzenie kilku testowych hamowa z jej u yciem z du ych pr dko ci pocz tkowych kó kolejowych. Badania przeprowadzono na przygotowanym do tego celu stanowisku eksperymentalnym (Rys. 1). Rys. 1. Schemat stanowiska wykorzystanego podczas bada par ciernych Stanowiskowe badania do wiadczalne wykonane zosta y na specjalnym bezw adno ciowym stanowisku hamulcowym do badania par ciernych hamulców pojazdów szynowych zlokalizowanego w Instytucie Kolejnictwa. Stanowisko ma homologacj UIC (Mi dzynarodowego Zwi zku Kolei) dla uniwersalnych stanowisk hamulcowych kategorii D do pr dko ci maksymalnej 350 km/h. Wykorzystywane jest ono do testów homologacyjnych wg kart UIC 510-5, UIC i UIC 541-4, które dotycz bada par ciernych uk adów hamulców pojazdów szynowych. Konstrukcja stanowiska umo liwia badanie par ciernych hamulców pneumatycznych kolejowych pojazdów szynowych do wagonów pasa erskich, towarowych, poci gów zespolonych du ych pr dko ci, zespo ów trakcyjnych, lokomotyw i autobusów szynowych w naturalnej wielko ci odpowiadaj cej warunkom rzeczywistym. Na tym stanowisku mo na przeprowadzi symulacj pr dko ci jazdy pojazdu szynowego do 420 km/h przy kole o rednicy 890 mm. Zmieniaj c rednic ko a na wy sz od 890 mm, pr dko ci liniowe pojazdu mog by znacznie wy sze. W 2009 roku wykonywano testy hamowania na tym stanowisku z u yciem tarczy hamulcowej montowanej na osi z pr dko ci Vmax=500 km/h. Zakres bada oprócz par ciernych hamulca tarczowego obejmuje badania z wstawkami kompozytowymi typu K, L i LL. Przez specjalnie zmodyfikowany uk ad zamocowania i wywierania si y na wstawk hamulcow mo na by o przeprowadzi badania systemu hamowania jednowstawkowego. Taki system jest u ywany tak e do zastosowa czyszcz cych wstawek hamuj cych. Parametry techniczne bezw adno ciowego stanowiska badawczego przedstawiono w tablicy nr 1.

4 282 Robert Konowrocki, Jacek Kukulski, S awomir Walczak, Witold Groll Rys. 2. Stacjonarne stanowisko badawcze widok ogólny i na mechaniczne masy zamachowe [Fot. J. Kukulski] Rys. 3. Kabina badawcza stanowiska z ró nymi obiektami bada [Fot. J. Kukulski] Parametry techniczne stanowiska badawczego L. P. Parametr Warto 1. zakres pr dko ci pojazdu (dla ko a 890 mm) 3,5 420 km/h 2. maksymalna pr dko obrotowa 2500 obr./min. 3. moc silnika nap dowego przy 1150 obr./min 536 kw 4. moment obrotowy w zakresie do 1150 obr./min Nm 5. maksymalny moment hamowania: - hamowanie do zatrzymania - hamowanie ci g e 3000 Nm 4450 Nm 6. Zakres momentów bezw adno ci mas z elektryczn symulacj kgm 2 7. Maksymalna symulowana masa przypadaj ca na par ciern 15 t 8. Zakres regulacji sumarycznej si y docisku szcz k hamulcowych kn 9. Zakres pomiarowy temperatury tarczy hamulcowej (ko a jezdnego) [ C] Tablica 1

5 Dynamiczna wspó praca wstawki hamulcowej oczyszczaj cej w poci gach du ej pr dko ci WARUNKI WYKONYWANIA BADA Badania przeprowadzono na opisanym powy ej stanowisku badawczym. Parametry techniczne z jakim wykonywano badania do wiadczalne wspó pracy wstawki hamulcowej oczyszczaj cej z ko em przedstawiono w tablicy nr 2. Badania by y wykonywane dla ko a o rednicy 920 mm, ze wstawk zamocowan jednostronnie. Konfiguracja ta oparta by a na rozwi zaniach spotykanych w zespolonych pojazdach kolejowych przeznaczonych do du ych pr dko ci. Przyk adana si a hamowania by a dwustopniowa, podobnie jak symulowana masa hamuj ca przypadaj ca na par ciern. Nr hamowania Parametry przeprowadzonych bada Pr dko pocz tkowa hamowania [km/h] 1 300/200 Si a hamowania [kn] Tablica 2 Masa hamuj ca przypadaj ca na wstawk [t] 2 270/200 8/23 2,5/4, /200 W trakcie bada rejestrowano nast puj ce parametry wymagane w kartach UIC m.in.: - moment uzyskania 95% nominalnej cznej si y nacisku wstawek; - pr dko k tow i obrotow ko a; - pr dko liniow dla zadanej rednicy ko a; - drog hamowania; - czas hamowania; - ci nienie w cylindrze hamulcowym; - czn si nacisku wstawki hamulcowej; - moment hamuj cy; - symulowan mas hamowania; - temperatury w trzech punktach powierzchni tocznej ko a i ich chwilow warto redni ; - chwilowy wspó czynnik tarcia; - pr dko przep ywu powietrza wentyluj cego par ciern. W oparciu o powy sze parametry oraz parametry zadane (tablica 2) (pr dko liniowa, rednica ko a i czna si a nacisku wstawki) obliczone zosta y wielko ci wykorzystane do analizy wyników bada. Ze wzgl du na ograniczone miejsce w artykule zaprezentowano tylko kilka wybranych wyników bada w rozdziale nr 4. W trakcie bada rejestrowano tak e przemieszczenia osiowe piasty i wie ca ko a oraz wstawki hamulcowej (Rys. 4 a). W tym celu u yto laserowych czujników odleg o ci. Mierzono równie warto ci przyspiesze wstawki hamulcowej w 3 kierunkach (Rys. 4 b) oraz przyspieszenia korpusu wa u nap dzaj cego hamowane ko o. W tym celu u yto czujników przyspiesze i laserowych czujników przemieszczenia o wysokiej rozdzielczo ci i du ej cz stotliwo ci próbkowania. Specyfikacj sprz tu pomiarowego zamieszczono w tablicy nr 3.

6 284 Robert Konowrocki, Jacek Kukulski, S awomir Walczak, Witold Groll a) b) Rys. 4. Czujniki pomiarowe zamontowane na stanowisku badawczym i obiekcie badanym Rys. 5. Stykowa metoda pomiaru temperatury powierzchni tocznej ko a kolejowego Parametry czujników pomiarowych u ytych w badaniach Tablica 3 L. P. Typ Opis parametrów 1. 3 piezoelektryczne czujniki przyspiesze A200-02, A200-04, A wzmacniacz pomiarowy ESAM TRAVELLER piezoelektryczny czujnik przyspiesze B&K typu 4371 laserowy czujnik przemieszczenia ILD zakres pomiarowy do 200 g, - czu o : 0.5 mv/g - zakres pomiarowy: 200 g - zakres cz stotliwo ci: 0 10 khz - b d nieliniowo ci i histerezy: 0,5 % - b d funkcji przenoszenia: 0,2 db - zakres: 0.1Hz 8.4kHz, - czu o : 31 pc/g - zakres pomiarowy 0-10 mm - rozdzielczo ci 0.5 μmi -cz stotliwo ci próbkowania 2,5 khz. Dla tak dobranej aparatury pomiarowej niepewno rozszerzona pomiaru przyspiesze wynosi: 4,2 %.

7 Dynamiczna wspó praca wstawki hamulcowej oczyszczaj cej w poci gach du ej pr dko ci WYNIKI BADA W rozdziale 4 zaprezentowano wybrane wyniki pomiarów zarejestrowanych podczas bada wstawki czyszcz cej. Rys. 6 przedstawia przebieg zmiany redniej temperatury powierzchni tocznej ko a podczas hamowania mierzony trzema termoparami lizgowymi (Rys. 5) w funkcji pr dko ci liniowej ko a. Nale y zauwa y, e najwi kszy wzrost temperatury wyst puje po stronie powierzchni tocznej najbardziej oddalonej od obrze a ko a. Wynika to z faktu, e w tym miejscu dyssypacja ciep a ze wzgl du na mniejsz ilo materia u oraz mniejsz powierzchnie boczn wie ca (bez obrze a) jest ograniczona. Rys. 6. Temperatury powierzchni tocznej ko a przy hamowaniu z 270 i 300 km/h Rys. 7. Si a nacisku wstawki i rednia temperatura powierzchni ko a w funkcji pr dko ci przy hamowaniu badawczym z V=270 km/h i V=300 km/h Kolejne wykresy (Rys. 7) przedstawiaj przyrost redniej temperatury powierzchni tocznej ko a i dwustopniowej si y docisku wstawki do powierzchni tocznej ko a przy hamowaniu z dwóch pr dko ci. Si a docisku zmienia swoj warto z 8 na 23 kn w obu przypadkach przy pr dko ci 200 km/h. Hamowanie z wy szej pr dko ci wywo a o wzrost temperatury powierzchni tocznej o 25% przy pr dko ci 200 km/h i o 12% po ca kowitym zatrzymaniu.

8 286 Robert Konowrocki, Jacek Kukulski, S awomir Walczak, Witold Groll Chwilowy wspó czynniki tarcia przedstawiony na rysunku 8 okre lono w ka dej chwili hamowania jako stosunek ca kowitej si a stycznej hamowania F t do ca kowitej si y w kontakcie F b (si a nacisku wstawki) z zale no ci (1) (1) Rys. 8. Przebieg chwilowego wspó czynnika tarcia w funkcji pr dko ci przy hamowaniu z V=300 km/h przy si ach nacisku wstawki F=8/23 kn Widoczne na wykresie wspó czynnika tarcia (Rys. 8) przy sta ej sile docisku 23 kn zaburzenia jego warto ci dla 75 i 150 km/h, wynikaj z drga wstawki oczyszczaj cej. Rysunek 9 ilustruje przyspieszenia w kierunku obwodowym (stycznym do strefy kontaktu) oraz w kierunku bocznym (równoleg ym do osi ko a) zarejestrowane na badanej wstawce. Widoczny jest wzrost drga w kierunku stycznym przy pr dko ciach 20, 75, 150 i 200 km/h. Zwi kszenie warto ci przyspieszenia w kierunku stycznym przy pr dko i 200 km/h wywo ane jest zmian nacisku z 8 na 23 kn. Drgania przy 75 i 150 km/h mog by wywo ane konstrukcj jednostronnego uk adu wywierania si y naciku na wstawk oczyszczaj c. Tego typu przebiegi nie wystepowa y podczas zastosowania uk adu hamulcowego z dwiema wstawkami.

9 Dynamiczna wspó praca wstawki hamulcowej oczyszczaj cej w poci gach du ej pr dko ci 287 Rys. 9. Warto ci przy pieszenia wstawki przy hamowaniu z 300 km/h redni wspó czynnik tarcia m, okre lono przez ca kowanie chwilowego wspó czynnika tarcia od osi gni cia 95% nominalnej si y nacisku F b na drodze hamowania L. Prezentuje to równanie (2). (2) Badana wstawka charakteryzowa a si rednim wspó czynnikiem tarcia o ró nych warto ciach w zale nosci od pr dko ci z jakiej rozpocz to proces hamowania. Warto ci wspó czynnika tarcia oraz maksymalne temperatury powierzchni tocznej ko a zarejestrowane podczas hamowania z trzech pr dko ci pocz tkowych zamieszczono w tablicy 4. Hamowanie z du ych pr dko wywo uje obni enie redniego wspó czynnika tarcia odpowiadaj cego procesowi hamowania do zatrzymania. rednie warto ci wspó czynnika tarcia wstawki oczyszczaj cej L. p. Pr dko pocz tkowa Wspó czynnik Maksymalna hamowania [km/h] tarcia temperatura [ C] Tablica 4 Nale y zaznaczy, e w asno ci tribologiczne nie by y g ównym przedmiotem prowadzonych bada. Tak e w normalnej eksploatacji analizowana wstawka nie pe ni funkcji hamuj cych pojazd kolejowy, a jedynie s u y w celu oczyszczania powierzchni tocznej ko a na zestawach nap dnych z ró nego rodzaju nieczysto ci, które w trakcie

10 288 Robert Konowrocki, Jacek Kukulski, S awomir Walczak, Witold Groll eksploatacji mog przykleja si do kó z toków szynowych. G ównym celem bada by o okre lenie relacji generowania drga we wstawce hamulcowej ze zmian wspó czynnika tarcia przy hamowaniu z du ych pr dko ciach. Otrzymane wyniki pos u w dalszym etapie bada do budowy modelu numerycznego rozpatrywanego uk adu hamulcowego i jego teoretycznych analiz. 5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI W pracy zaprezentowano wyniki bada wspó pracy oczyszczaj cej wstawki hamulcowej, wykonane na stacjonarnym stanowisku eksperymentalnym. Na podstawie przeprowadzonych analiz i bada eksperymentalnych zaobserwowano, e wstawka oczyszczaj ca montowana w pojazdach du ych pr dko ci przy pr dko ci hamowania z ró nych pr dko ci pocz tkowych cechuje si ró nym rednim wspó czynnikiem tarcia. Jego warto zale y od pr dko ci pocz tkowej hamowania. Takie obserwacje potwierdzaj prace innych badaczy [2 i 6]. Wywo ane jest to wzrostem temperatury w strefie kontaktu wstawka-ko o. Zarejestrowano tak e nierównomierny rozk ad temperatur na powierzchni tocznej ko a. Z analizy wyników pomiarowych wida charakterystyczne przedzia y pr dko ci, przy których wzrastaj drga w kierunku stycznym do powierzchni strefy kontaktu wstawki oczyszczaj cej z ko em. Zaburzenie to potwierdzi tak e przebieg wspó czynnika tarcia, wyznaczony niezale n od pomiaru drga metod. Ze wzgl du na pojawienie si dominuj cych drga przy okre lonych pr dko ciach ko a, w dalszym etapie pracy przewidziano budow modelu numerycznego. Model ten pozwoli na teoretyczne okre lenie przyczyn wzrostu drga. Bibliografia 1. Ostermeyer, G. P. Dynamic Friction Laws and their Impact on Friction Induced Vibrations, SAE (2010) Kim L. Dynamometer Tests of Brake Shoes under Wet Conditions for the High Speed Trains. International Journal of Systems Applications, Engineering & Development, Issue 2, Volume 5, Konowrocki R., Bogacz R. Numerical analysis of vibration in a brake system for high speed train. Vibrations In Physical Systems, Editors: Cz. Cempel, M. W. Dobry, Pozna 2012, Vol. XXV: ISBN Konowrocki R., Bogacz R., Jacek Kukulski, S awomir Walczak. Drgania w uk adach hamulcowych kolei du ych pr dko ci badania eksperymentalne i numeryczne. XX Mi dzynarodowa Konferencja Naukowa Pojazdy Szynowe 2012 (mat. konferencyjne na CD). 5. Kim M. Vibration Analysis of Tread Brake Block in the Brake Dynamometer for the High Speed Train. International Journal of Systems Applications, Engineering & Development Issue 1, Volume 5, Kim M. Development of the Braking Performance Evaluation Technology for High-speed Brake Dynamometer. International Journal of Systems Applications, Engineering & Development Issue 1 Issue 1, Volume 6, PrEN Railway applications - Braking - Brake blocks.

11 Dynamiczna wspó praca wstawki hamulcowej oczyszczaj cej w poci gach du ej pr dko ci 289 DYNAMIC INTERACTION OF CLEANSING BRAKE INSERT FOR HIGH SPEED TRAIN - EXPERIMENTAL INVESTIGATION Summary: Paper is devoted experimental studies of the dynamics of cleansing brake insert. The test system is used in high-speed railway vehicles. In this case, the single brake insert during contact with the surface of the wheel tread removes any elements that as a result adhesion stick to the rolling surface of wheels. Foreign objects glued to the wheel tread affected the accelerated wear of wheel sets, as well as be able to damage the rail track. As a result of installing such a system during the braking process, which is a temporary phenomenon, there are variables vibrations induced by friction interaction of brake insert with railway wheel. In the paper presented results of experimental studies carried out on a real high-speed brake system. Keywords: railway high-speed braking, self-excited vibrations, friction