METODA DIAGNOZOWANIA STANU ZDATNO CI UKŁADU HAMULCOWEGO NACZEP I CI GNIKÓW SIODŁOWYCH

Transkrypt

1 METODA DIAGNOZOWANIA STANU ZDATNO CI UKŁADU HAMULCOWEGO NACZEP I CI GNIKÓW SIODŁOWYCH MACIEJ SZEWS, DANIEL PERCZY SKI, SYLWESTER WAWRZYNIAK, KAZIMIERZ PESZY SKI Streszczenie W artykule przedstawiono metod diagnozowania stanu zdatno ci układu hamulcowego naczep i ci gników siodłowych na podstawie pomiaru temperatury wybranego elementu układu hamulcowego. Badania wst pne wykonano z wykorzystaniem kamery termograficznej dla układu klocek hamulcowy tarcza hamulcowa ci gnika siodłowego Iveco Stralis AS440S50 T/P. Na tej podstawie do pomiaru temperatury wybrano cyfrowe czujniki DS18B20 z interfejsem 1-wire. Do rejestracji warto ci temperatury zastosowano czterokanałowy cyfrowy miernik temperatury oparty o mikrokontroler ATmega32 z transmisj danych w standardzie RS232. Analiza uzyskanych wyników bada wykazuje, e istnieje istotna zale no pomi dzy warto ci temperatury blokady a temperatur wydzielon w w le ciernym podczas procesu hamowania, pozwalaj ca na okre lenia stanu zdatno ci układu hamulcowego. Słowa kluczowe: diagnozowanie stanu zdatno ci, układ hamulcowy, ci gnik siodłowy, pomiar temperatury 1. Wprowadzenie Praca układów hamulcowych w pojazdach samochodowych podczas ich eksploatacji wykazuje powstawanie stanów pracy okre lanych jako nieprawidłowe. Nieprawidłowo okre lana jest np. jako blokowanie koła, powstawanie ró nicy siły hamowania na osi wi kszej ni 30%, zbyt małej siły hamowania koła w stosunku do masy przypadaj cej na badany układ a w skrajnych przypadkach braku siły hamowania. Wi ksze pr dko ci jazdy pojazdów oraz zmniejszanie wymiarów pary cieniej hamulca (tarcza-klocek hamulcowy) wymusza stosowanie wi kszych nacisków elementów ciernych na tarcz a tak e wpływa na wzrost obci enia cieplnego układu hamulcowego. Zwi kszone wymagania stawiane układom hamulcowym wymuszaj nie tylko okresowe kontrolowanie stanu pary ciernej, ale równie stałego monitorowania stanu zdatno ci układu hamulcowego wraz z układem steruj cym i elementami wykonawczymi. W celu zdiagnozowania pary cierniej układu hamulcowego przeprowadza si ró norodne pomiary, które w sposób bezpo redni lub po redni dostarczaj informacji o jego stanie. Metody bezpo rednie odnosz si głównie do oceny zu ycia pary ciernej i s to metody wykorzystuj ce sprawdziany i przyrz dy mikrometryczne. Osobn grup metod bezpo rednich stanowi metody

2 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 68, stosowane w badaniach nieniszcz cych [5] (penetracyjne i magnetoproszkowe), u ywane do kontroli i pomiaru długo ci p kni termicznych na powierzchni tarczy hamulcowej. W ka dym przypadku metody bezpo rednie wymuszaj konieczno cz ciowego demonta u układu biegowego w przypadku pojazdów samochodowych. W metodach po rednich oceny stanu technicznego układu hamulcowego dokonuje si pomiaru drogi hamowania lub pomiaru szczelno ci układu, albo ci nienia w układzie hamulcowym [2,14,21]. Tego typu metody dostarczaj informacji o stanie układu bez konieczno ci jego demonta u. Niestety, dokonuj c pomiaru drogi hamowania w pojazdach, nie uzyskuje si pełnych informacji o stanie poszczególnych układów ciernych kół, a jedynie wynik sumaryczny z pracy układu hamulcowego. Do metody po redniej mo na zaliczy badanie układu hamulcowego na stanowisku rolkowym mierz cym wytwarzan przez układ hamulcowy pojazdu na badanej osi siły hamowania okre lan w [N], [kn]. Po zbadaniu sumy sił hamowanie na badanych układach kołach oblicza si warto wytwarzanego opó nienia jako iloraz siły hamowania [N] i masy przypadaj cej na badan o [kg]. Dla pojazdów ci arowych ci gnionych warto bezwzgl dna wytwarzanego opó nienienia układu musi by wi ksza od -4,2 m/s 2 aby układ spełniał wymagania bezpiecze stwa. W procesie hamowania pojazdu energia kinetyczna pojazdu samochodowego zamieniana jest na ciepło, które powstaje w układzie hamulcowym (tarcza hamulcowa klocek lub b ben hamulcowy i okładzina cierna). Wydaje si, e ten sygnał diagnostyczny mo e dostarczy potrzebnych informacji o stanie zdatno ci analizowanego układu. Opracowanie optymalnego miejsca i sposobu pomiaru temperatury pary ciernej mo e by metod pozwalaj c na dynamiczne okre lanie stanów awaryjnych układu hamulcowego. 2. Obiekt i przedmiot bada Obiektem, na którym zrealizowano wst pne badania eksploatacyjne jest ci gnik siodłowy Iveco Stralis AS440S50 T/P. Samochód ten został wyposa ony w hamulce tarczowe firmy KNORR przedstawione na rys. 1. Przedmiotem bada jest diagnozowanie stanu zdatno ci układu hamulcowego na podstawie analizy warto ci temperatury w bezpo rednim otoczeniu w złów ciernych pojazdu samochodowego. Analiza rozkładu temperatury w otoczeniu pary ciernej z teoretycznego punktu widzenia jest trudna ze wzgl du na konieczno uwzgl dnienia czterech zmiennych niezale nych (trójwymiarowa przestrze oraz czas) w skomplikowanych pod wzgl dem konstrukcyjnym kształtach geometrycznych. Obecnie mo liwa jest jedynie analiza numeryczna tego problemu, która równie b dzie uproszczona. Uproszczenia analizy numerycznej wynikaj z konieczno ci przyj cia mi dzy innymi uproszczonych warunków brzegowych, zwi zanych ze współczynnikiem przenikania ciepła mi dzy elementami konstrukcyjnymi i powietrzem, konieczno ci przyj cia równomiernego nagrzewania si tarczy hamulcowej, pomimo, e jak wykazuj badania jest ono nierównomierne w zale no ci od odległo ci od rodka obrotu. Dlatego poszukiwania optymalnego miejsca poło enia czujnika sprowadzone zostało do analizy termografów w zła cieplnego, a nast pnie do wiadczalnym potwierdzeniu przyj tych zało e.

3 204 Maciej Szews, Daniel Perczy ski, Sylwester Wawrzyniak, Kazimierz Peszy ski Metoda diagnozowania stanu zdatno ci układu hamulcowego naczep i ci gników siodłowych Rys. 1. Widok zacisku hamulcowego firmy KNORR, 1 obudowa zacisku, 2 blokada klocków hamulcowych, 3 klocki hamulcowe W celu wykonania projektu układu pomiarowego do rejestracji warto ci temperatury w zła ciernego wykonano wst pne badania eksploatacyjne. Badania polegały na pomiarze temperatury zacisku hamulcowego przedniego, prawego koła osi przedniej ci gnika siodłowego przy wykorzystaniu kamery termowizyjnej marki FLIR model i5. Kamera ta pracuje z rozdzielczo ci 100x100 pikseli. Zakres pracy kamery wynosi od -20 o C do 250 o C z rozdzielczo ci 0,1 stopnia. Cykle hamowania ustalono na wyhamowaniu pojazdu od pr dko ci 60 km/h do 0 z minutow przerw. Ł cznie wykonano 20 hamowa. Wybrane wyniki pomiarów przedstawiono na rys. 2. i rys. 3. Na podstawie analizy uzyskanych warto ci wyników pomiarów ustalono, e temperatura blokady mocowania klocków hamulcowych nie przekroczyła warto ci 120 C. Ponadto mo na zauwa y, e w kolejnych próbach hamowania uzyskuje si mniejsze warto ci przyrostów temperatury tarczy hamulcowej. Na tej podstawie zdecydowano si na budow układu pomiarowego temperatury w oparciu o czujniki DS18B20 firmy Dallas Semiconductor, których maksymalna warto temperatury pomiarowej wynosi 125 C.

4 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 68, Rys. 2. Drugi i trzeci termograf w zła ciernego badanego ci gnika siodłowego Rys. 3. Dziewi tnasty i dwudziesty termograf w zła ciernego badanego ci gnika siodłowego W celu zamocowania czujników w blokadzie mocowania klocków hamulcowych wykonano trzy otwory, w których osadzono analizowane czujniki. Dodatkowo powy ej blokady wyprowadzono dodatkowy czujnik do pomiaru temperatury powietrza omywaj cego blokad, co przedstawiono na rys. 4. Czujniki umieszczono w punktach odpowiadaj cych miejscom styku klocka hamulcowego z tarcz hamulcow oraz rodkowi tarczy hamulcowej. Czujnik otoczenia umieszczono nad blokad mocowania klocków.

5 206 Maciej Szews, Daniel Perczy ski, Sylwester Wawrzyniak, Kazimierz Peszy ski Metoda diagnozowania stanu zdatno ci układu hamulcowego naczep i ci gników siodłowych Rys. 4. Widok blokady zacisku hamulcowego z zamontowanymi czujnikami 3. Układ pomiarowy W pracy, w badaniach wst pnych, do pomiaru i rejestracji warto ci temperatury zastosowano czterokanałowy cyfrowy miernik temperatury oparty o mikrokontroler ATmega 32 z transmisj danych w standardzie RS232. Wyniki pomiarów rejestrowane były na przeno nym komputerze klasy PC. Do pomiaru temperatury zastosowano cyfrowe czujniki z interfejsem 1-wire DS18B20 firmy Dallas Semiconductor. Odczytów temperatury i rejestracji dokonywano w odst pach 1s. Schemat układu oparty o mikrokontroler ATmega 32 przedstawiono na rys. 5. Rys. 5. Schemat układu pomiarowego temperatury

6 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 68, Poni ej przedstawiono fragment programu zapisanego w mikrokontrolerze odpowiedzialnego za odczyt i przesyłanie informacji o warto ci temperatury do terminalu w komputerze PC. Rejestracja wyników w pliku tekstowym dokonywana była na komputerze PC za pomoc aplikacji HyperTerminal umo liwiaj cej poł czenie dwóch ró nych urz dze z wykorzystaniem poł czenia kablowego przez port szeregowy. Do 1wreset 1wwrite &H55 1wverify Dsid1(1) 1wwrite &HBE I1 = 1wread(2) ' wreset 1wwrite &H55 1wverify Dsid2(1) 1wwrite &HBE I2 = 1wread(2) ' wreset 1wwrite &H55 1wverify Dsid3(1) 1wwrite &HBE I3 = 1wread(2) ' wreset 1wwrite &H55 1wverify Dsid4(1) 1wwrite &HBE I4 = 1wread(2) ' wreset 1wwrite &HCC 1wwrite &H44 Wait 1 I1 = I1 * 10 I1 = I1 / 16 Ss1 = Str(i1) Ss1 = Format(ss1, " 0.0") I2 = I2 * 10 I2 = I2 / 16 Ss2 = Str(i2) Ss2 = Format(ss2, " 0.0") I3 = I3 * 10

7 208 Maciej Szews, Daniel Perczy ski, Sylwester Wawrzyniak, Kazimierz Peszy ski Metoda diagnozowania stanu zdatno ci układu hamulcowego naczep i ci gników siodłowych I3 = I3 / 16 Ss3 = Str(i3) Ss3 = Format(ss3, " 0.0") I4 = I4 * 10 I4 = I4 / 16 Ss4 = Str(i4) Ss4 = Format(ss4, " 0.0") Print Ss1; "-"; Ss2; "-"; Ss3; "-" ;Ss4 Loop Układ pomiarowy pozwala na podł czenie wielu czujników za pomoc interfejsu 1-Wire (dwóch przewodów, linia danych i masa), co ułatwia proces podł czenia czujników zamontowanych na poje dzie do układu pomiarowego. Układ DS18B20 jest cyfrowym termometrem o programowalnej rozdzielczo ci. Jego podstawowe cechy to [3]: komunikacja za pomoc interfejsu 1-Wire, ka dy odbiornik posiada unikalny 64 bitowy kod umieszczony w wewn trznej pami ci ROM układu, maksymalnie uproszczony sposób odczytu temperatury, nie potrzebuje adnych zewn trznych komponentów, mo e by zasilany z linii danych, zasilanie od +3V do +5,5V, dokładno 0,5 o C dla zakresu -10 o C 85 o C, mo liwo ustawienia rozdzielczo ci od 9 do 12 bitów, czas konwersji 12 bitowego słowa max. 750ms. 1-Wire jest zarówno interfejsem elektronicznym jak i protokołem komunikacyjnym pomi dzy dwoma (lub wi cej) urz dzeniami. Jego nazwa wywodzi si st d, e do komunikacji u ywana jest tylko jedna linia sygnałowa. Ponadto, odbiornik mo e by zasilany bezpo rednio z linii danych, wykorzystuj c zasilanie paso ytnicze. Układ 1-Wire wyposa ony jest bowiem w kondensator o pojemno ci 800 pf, który jest ładowany bezpo rednio z linii danych nast pnie energia w nim zgromadzona u ywana jest do jego zasilania. Na rysunku 6 przedstawiono schemat blokowy czujnika DS18B20.

8 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 68, ródło: [1]. Rys. 6. Schemat blokowy czujnika pomiarowego 4. Wyniki bada W celu weryfikacji hipotezy o przydatno ci analizowanego sygnału diagnostycznego do diagnozowania stanu zdatno ci układu hamulcowego naczep i ci gników siodłowych wykonano pomiary temperatury blokady w zła ciernego prawego, przedniego koła oraz temperatury otoczenia łacznika. Badania wykonano w rzeczywistych warunkach eksploatacji rodka transportu (bez naczepy) na trasie Bydgoszcz Koronowo Bydgoszcz. Temperatura powietrza wynosiła około 5 o C. Układ pomiarowy zainstalowano na ci gniku siodłowym Iveco Stralis AS440S50 T/P. Wybrany fragment wyników uzyskanych pomiarów przedstawiono na rys. 7. Zmiana warto ci temperatury czujnika 1 i czujnika 2 osadzonych w otworach wykonanych w blokadzie klocków hamulcowych nie ró ni si znacz co. Du ró nic mo na zaobserwowa dokonuj c analizy zmian warto ci temperatury w odniesieniu do czujnika 3. Czujnik ten dokonywał pomiaru temperatury otoczenia (powietrza) powy ej blokady i szybciej reagował na zmiany warto- ci temperatury w zła cieplnego. Ponadto dokonuj c analizy zmian warto ci temperatury mo na stwierdzi, e temperatura ustala si asymptotycznie do warto ci ok. 68 o C. Na rysunku 8 przedstawiono wybrany fragment zarejestrowanego przebiegu zmian temperatury otoczenia wraz z przebiegiem procesu hamowania. Linia czarna ci gła na wykresie przedstawia moment naci ni cia i puszczenia pedału hamulca. Mo na zaobserwowa pewne opó nienie zmiany (wzrostu) temperatury w stosunku do rozpocz cia procesu hamowania. W przeprowadzanych badaniach nie było mo liwo ci okre lenia siły hamowania. Subiektywna ocena kierowcy dotycz ca siły wywieranej na pedał hamulca jest zgodna z uzyskanymi wynikami przedstawionymi na rysunku 8. Hamowanie pierwsze okre lone jako rednie spowodowało wzrost temperatury z warto ci 40,6 o C do 48,6 o C po 15 sekundach od rozpocz cia hamowania. Hamowanie drugie okre lone jako lekkie przyhamowanie trwaj ce 4 sekundy zmieniło temperatur z warto ci 40,6 o C na 40,9 o C po upływie 6 sekund. Ostanie hamowanie z pr dko ci 65km/h do pr dko ci około 15km/h spowodowało du y

9 210 Maciej Szews, Daniel Perczy ski, Sylwester Wawrzyniak, Kazimierz Peszy ski Metoda diagnozowania stanu zdatno ci układu hamulcowego naczep i ci gników siodłowych wzrost temperatury z warto ci 37,9 o C do warto ci 51,1 o C po upływie 8 Sekund od rozpocz cia procesu hamowania. Rys. 7. Zmiany warto ci temperatury otoczenia i blokady klocków hamulcowych w funkcji czasu jazdy Z przeprowadzonych bada wynika, e w opracowywanym modelu własno ci termicznych układu pomiarowego konieczne b dzie uwzgl dnienie czasu opó nienia transportowego energii. Model matematyczny b dzie uwzgl dniał pojemno ciepln w zła ciernego oraz wzmiankowane opó nienie transportowe. Przy powy szym zało eniu mo na napisa równanie: TΘ ( t τ) +Θ= kθs (1) gdzie: T jest stał czasow w zła cieplnego, k jest bezwymiarowym współczynnikiem przenoszenia temperatury w w le, Θ temperatura w miejscu umieszczenia czujnika, Θ s temperatura w zła cieplnego wymuszaj ca przepływ ciepła, τ opó nienie transportowe.

10 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 68, Rys. 8. Zmiany warto ci temperatury otoczenia układu hamulcowego w czasie z zaznaczeniem procesu hamowania 5. Podsumowanie Analiza uzyskanych wyników bada wykazuje, e istnieje istotna zale no pomi dzy warto- ci temperatury blokady a temperatur wydzielon w w le ciernym podczas procesu hamowania, dostarczaj c niezb dnych informacji do okre lenia stanu zdatno ci analizowanego układu hamulcowego. Prezentowane powy ej wyniki s badaniami wst pnymi słu cymi do weryfikacji poprawno ci działania układu pomiarowego. Kolejnym etapem b dzie umieszczenie zaprezentowanego układu pomiarowego na trzech osiach (sze punktów pomiarowych) i przeprowadzenie bada w warunkach długotrwałego ruchu ci głego ci głego na naczepie wykonuj cej przewóz ładunku w relacji mi dzynarodowej. Analiza uzyskanych wyników pozwoli na opracowanie kryterium oceny stanu zdatno ci.

11 212 Maciej Szews, Daniel Perczy ski, Sylwester Wawrzyniak, Kazimierz Peszy ski Metoda diagnozowania stanu zdatno ci układu hamulcowego naczep i ci gników siodłowych Problem diagnostyki układu hamulcowego ma nie tylko znaczenie techniczne (poprawa bezpiecze stwa jazdy), ale równie istotne znaczenie ekonomiczne. Ruch wieloosiowego pojazdu samochodowego przy wadliwie działaj cym jednym układzie ciernym (cz ciowo zablokowany hamulec lub niedziałaj cy element układu) rozpoznawany jest dopiero na podstawie zwi kszonego zu ycia paliwa lub podczas wykonywanego raz na 12 m-cy badania technicznego. Wcze niejsza identyfikacja tego problemu mo e w sposób istotny poprawi bezpiecze stwo wszystkich uczestników ruchu drogowego i mo e przynie wymierne korzy ci ekonomiczne. Pomiar temperatury otoczenia w zła ciernego pozwoli tak e wykry awari polegaj c na nie zał czeniu si zacisku hamulca podczas hamowania, co objawia si b dzie ni sz temperatur okre lonego w zła ciernego w porównaniu z pozostałymi w złami. Bibliografia 1. DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer, dokumentacja techniczna, [Online] /DS18B2 0. html 2. G sowski W., Kaluba M., Trybologiczne badanie okładzin ciernych hamulca tarczowego pojazdów szynowych, Pojazdy Szynowe nr 1., Klimasz C., Obsługa interfejsu 1-wire na przykładzie ds18b20, [Online] ZDAtNTY1ZGVhM2IxMWI0/edit?hl=pl&pli=1 4. Nizi ski S., Michalski R., Diagnostyka obiektów technicznych, Wydawnictwo i Zakład Poligrafii Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom Rail Consult Gesellschaft fur Verkehrsberatung mbh, Wagon osobowy Z1 02, układ jezdny tom 2, dokumentacja techniczno-ruchowa.

12 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 68, METHOD FOR DIAGNOSIS OF STATE SUITABILITY BRAKING SEMI-TRAILERS AND TRUCKS Summary The paper presents a method of diagnosing of the braking system suitability of trailers and truck tractors based on measuring the temperature of the selected component of the braking system. Preliminary tests were performed using a thermographic camera for the brake pad brake disc semitrailer tractor Iveco Stralis AS440S50 T/P. On the basis of this temperature measurement for next measurements the digital sensors DS18B20 1-wire interface was selected. To register the temperature used fourdigit temperature meter based on ATmega32 microcontroller with data transmission in standard RS232. Analysis of the results obtained shows that there is a significant relationship between the temperature of blockade the brake pad and the temperature of a separate lock on the node friction during the braking process, allowing the determination of the suitability of the brake system. Keywords: state suitability system, brake system, truck trailer, measurement of temperature Maciej Szews MAKTRONIK, Autoryzowany Servis IVECO ul. Deszczowa 61, Bydgoszcz m.szews@maktronik.com.pl Daniel Perczy ski Sylwester Wawrzyniak Kazimierz Peszy ski Zakład Sterowania Instytut Eksploatacji Maszyn i Transportu Wydział In ynierii Mechanicznej Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy ul. Prof. Sylwestra Kaliskiego 7, Bydgoszcz perkol@utp.edu.pl