dr inż. Wojciech SAWCZUK

Wydział Maszyn Roboczych i Transportu Instytut Silników Spalinowych i Transportu Zakład Pojazdów Szynowych Projekt badawczy: Analiza możliwości zastosowań procesów wibroakustycznych do oceny stanu elementów ciernych kolejowego hamulca tarczowego dr inż. Wojciech SAWCZUK Narodowe Centrum Nauki w Krakowie Numer umowy 6448/B/T2/211/4

2 PLAN PREZENTACJI Wprowadzenie 1. Badanie rozpoznawcze 2. Analiza stanu wiedzy z diagnostyki układów hamulcowych 3. Modele opisujące drgania w hamulcach 4. Stanowiskowe badania diagnostyczne 5. Badania eksploatacyjne hamulca tarczowego 6. Wybrane problemy z eksploatacji samochodowych hamulców tarczowych Podsumowanie

Współczynnik tarcia μ, [-] 3 WPROWADZENIE Do zalet hamulca tarczowego należy, stały przebieg współczynnika tarcia w funkcji prędkości μ=,35 w stosunku do tradycyjnego hamulca klockowego.,4,35,3 2 1,31 Rys. 1. Wagon osobowy Z1B,2,1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 Rys. 2. Wózek toczny 25AN Prędkość początku hamowania v, [km/h] 3 Rys. 3. Zależność współczynnika tarcia: 1-dla hamulca tarczowego, 2-klockowego od prędkości początku hamowania

4 WPROWADZENIE Zamocowanie tarcz hamulcowych na osi pomiędzy kołami zestawu kołowego lub wewnątrz felgi samochodowej znacznie utrudnia kontrolę zużycia pary ciernej tarcza-okładzina. a) b) Rys. 4. Hamulec tarczowy wagonu osobowego: a) widok na podwozie samochodu, b) widok zestawu kołowego wózka MD 523

Badanie rozpoznawcze Obiektem badań były wagony pasażerskie typu Bdhpumn z tarczowym układem hamulcowym Knorr (KE-P-A). Wagon jest wyposażony w dwa wózki typu Görlitz VI. Na każdej osi zamocowane są dwie tarcze hamulcowe typu 59 11. Z tarczami hamulcowymi współpracują okładziny cierne typu 175 FR2H.2 firmy Frenoplast. a) b) 1 2 3 1 Rys. 5. Obiekty badań: a) widok wagonu Bdhpumn, b) widok od spodu wózka Görlitz VI, 1-tarcza hamulcowa typu 59 11, 2-okładzina cierna typu 175, 3-cylinder hamulcowy 5

Badanie rozpoznawcze Na 374 przeglądy wykonane na wagonach zarejestrowano 11 przypadków wymiany uszkodzonych obsad okładzin w wyniku ich tarcia o tarcze hamulcowe. a) b) c) r z r z r w r w Rys. 6. Uszkodzona obsada okładziny ciernej typu 175: a) widok od strony montażu z okładziną cierną, b) widok od strony zamocowania do dźwigni trzycylindrowej; rw - promień wewnętrzny, rz - promień zewnętrzny, c) widok obsady na układzie dźwigniowym 6

7 Badania zużycia okładzin ciernych Badania oceny zużycia okładzin ciernych przeprowadzono jednocześnie dla dwóch układów dźwigniowych hamulca tarczowego. Badania rozpoznawcze dowiodły o nierównomiernym zużyciu okładzin ciernych na badanym wagonie. Podczas tych badań stwierdzono, że brak prowadnika równoległości nad obsadami a zastosowanie blaszanych prowadników na sworzniach pionowych jest powodem szybszego zużycia okładziny na promieniu zewnętrznym tarczy i powolnym zużyciem od strony promienia wewnętrznego tarczy a) b) Rys. 7. Widok okładzin hamulcowych podczas eksploatacji układu dźwigniowego z prowadnikiem blaszanym zakładanym na sworzniach pionowych: a) okładzina zużyta do grubości ok. 2 mm na promieniu zewnętrznym tarczy, b) okładzina zużyta do grubości ok. 1 mm na promieniu zewnętrznym tarczy

8 Badania zużycia okładzin ciernych Rys. 8. Grubość okładziny ciernej od strony promienia zewnętrznego i wewnętrznego tarczy uzyskana podczas kolejnych pomiarów na pociągu relacji Poznań-Świnoujście-Poznań: a) układ dźwigniowy z prowadnikiem blaszkowym, b) układ dźwigniowy z nożycowym prowadnikiem równoległości

9 Badania zużycia okładzin ciernych Rys. 9. Grubość okładziny ciernej od strony promienia zewnętrznego i wewnętrznego tarczy uzyskana podczas kolejnych pomiarów na pociągu relacji Poznań-Zbąszynek-Poznań: a) układ dźwigniowy z prowadnikiem blaszkowym, b) układ dźwigniowy z nożycowym prowadnikiem równoległości

1 Badania zużycia okładzin ciernych Lp. Tab. 1. Dane o przebytej drodze i czasie pociągów objętych badaniami Trasa pociągu Liczba hamowań pełnych* Czas kursowania do wymiany okładzin** Poznań-Świnoujście- 1 Poznań Poznań-Zbąszynek- 2 Poznań * liczba hamowań pełnych dotyczy jednego przejazdu tam i z powrotem ** dotyczy czasu eksploatacji wagonu z prowadnikiem nożycowym Całkowity przebieg pociągu 4 82 dni 136 km 3 21 dni 342 km

11 Badania zużycia okładzin ciernych

12 Badania zużycia okładzin ciernych Przykładowe widoki okładzin ciernych po skończonych badaniach zużycia okładzin zamontowanych na dwóch układach dźwigniowych, z blaszanym i nożycowym prowadnikiem równoległości Rys. 11. Widok okładziny ciernej po badaniach zużyciowych: a) zamontowanej na układzie dźwigniowym z blaszanym prowadnikiem równoległości (widoczna postać klina na bocznej powierzchni okładziny, b) zamontowanej na układzie dźwigniowym z nożycowym prowadnikiem równoległości Lp. Trasa pociągu Czas kursowania Przebieg pociągu Przyrost prowadnik nożycowy prowadnik blaszkowy prowadnik nożycowy prowadnik blaszkowy trwałości okładzin 1 Poznań-Świnoujście-Poznań 82 dni 64 dni 568 km 244 km 39,9% 2 Poznań-Zbąszynek-Poznań 21 dni 15 dni 342 km 243 km 4%

13 Ocena kosztów eksploatacji okładzin ciernych Celem przeprowadzonej analizy było określenie kosztów jakie powodują okładziny przy obecnym ich zużyciu oraz spodziewane oszczędności w przypadku modernizacji układu dźwigniowego powodującego równomierne zużycie okładzin ciernych. Rys. 12. Widok zużytych okładzin ciernych w wyniku eksploatacji blaszkowego prowadnika równoległości

Ilość wagonów po wymianie danej liczby okładzin L iczba wagonów po wymianie danej liczby okładzin 14 Test zgodności λ-kołmogorowa Celem badań było wyznaczenie rozkładu wymian okładzin zużytych względem wszystkich okładzin znajdujący się na wagonie i przewidzianych do wymiany po przekroczeniu dopuszczalnego zużycia wynoszącego 15mm. 16 Zgodnie z wewnętrznymi przepisami przewoźnika, przegląd międzypociągowy, wykonywany jest na wagonie po przebiegu 12km. 14 12 1 8 14 75 P rz ypadki wymiany danej licz by okładz in 6 4 2 5 32 2 8 14 11 12 4 5 1 1 1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 Ilość L iczba wymienionych ienionych okładzin okładzin na na wagonie wagonie podczas przeglądu

15 Test zgodności λ-kołmogorowa W celu wyznaczenia przedziałów klasowych wykorzystano zależność (1) i (2) na obliczenie wariancji rozpatrywanej populacji: h o c 3 n gdzie: c - stała wyrażona zależnością, σ 2 - wariancja opisana zależnością (2): 2 1 n i 1 n x i x gdzie: x - wartość średnia, wyrażona równaniem (3): 1 x n n i 1 x i 2 (1) (2) (3) gdzie: x i - i-ta wartość zmiennej, x=1, 2,, n, n - liczba jednostek statystycznych badanej zbiorowości, n=374.

Liczebność L iczebność wymian 16 Test zgodności λ-kołmogorowa 16 14 y = 156,8e -,3671x R 2 =,9322 12 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Klasy K y przedziałów wysunięto hipotezę, że badana cecha tj. liczba wymienianych okładzin ciernych na wagonach Bmnopux ma w danej populacji 374 przeglądów międzypociągowych rozkład wykładniczy opisany równaniem (4) f x e x (4) gdzie: λ - estymator rozkładu parametru wykładniczego

17 Test zgodności λ-kołmogorowa Następnie przeprowadzono test zgodności λ-kołmogorowa w celu potwierdzenia wysuniętej hipotezy, że badana cecha, tj. liczba wymian zużytych okładzin ciernych na wagonie Bdhpumn, ma w danej populacji generalnej określony rozkład teoretyczny. Populację generalną stanowiły 374 przeglądy na wagonach (n=374). Postawiono następujące hipotezy: 1) Ho : F = Fo - zmienna losowa będąca ilością wymienianych okładzin ciernych ma w danej populacji rozkład wykładniczy określony dystrybuantą teoretyczną 2) H1 : F Fo - zmienna losowa będąca ilością wymienianych okładzin ciernych nie ma w danej populacji rozkładu wykładniczego określonego dystrybuantą teoretyczną Do weryfikacji hipotez wykorzystano następujące statystyki, opisane równaniami: U ) D n n (5) D n max F n ( x i ) F o ( x i (6)

Dystrybuanta F(x) 18 Test zgodności λ-kołmogorowa 1,2 1,,8,6,4,2 Dystrybuanta rozkładu emirycznego Fn(x) Dystrybuanta rozkładu teoretycznego F(x), 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 Ponieważ: Nr klasy przedziałów U Przy największej różnicy dystrybuant rozkładu empirycznego i teoretycznego wynoszącej,1261 obliczono funkcję testową zgodnie z zależnością (5, która wyniosła: K1-α = 1,63 U,1261 374 2,43 Obszar krytyczny oszacowano dla poziomu istotności α=,1, odczytano kwantyl granicznego rozkładu Kołmogorowa: ( K1, ) to hipotezę Ho, brzmiącą następująco: zmienna losowa będąca ilością wymienianych okładzin ciernych w wagonach Bdhpumn ma w danej populacji 374 przeglądów międzypociągowych rozkład wykładniczy, należy przyjąć

19 Badania rozpoznawcze Rys. 13. Widok tarcz hamulcowych z mikropęknięciami na powierzchni ciernej

2 Badania rozpoznawcze Po przeprowadzeniu cyklu badań zgodnie z programem A, B, C, D1 oraz D2, w sumie 39 hamowań z różną mocą hamowania oraz z różną masą przypadającą na tarcze, na jednej z tarcz zauważono 3 rysy o długości 7 mm, co przedstawia rysunek 1.4. Innych objawów uszkodzeń nie stwierdzono. Następnie dla obu tarcz przeprowadzono badania penetracyjne w celu wykrycia ewentualnych dalszych pęknięć na powierzchniach ciernych. Rysunki 1.5 przedstawiają powierzchnie obu tarcz hamulcowych po badaniach penetracyjnych. Rys. 14. Badania tarcz hamulcowych na zmęczenie cieplne

21 Badania rozpoznawcze Rys. 15. Badania penetracyjne tarcz hamulcowych

Badania rozpoznawcze Celem badań było wyznaczenie rozkładu temperatury tarcz hamulcowych na grubości pierścieni ciernych w zestawach kołowych wagonów pasażerskich po hamowaniu zatrzymującym w warunkach poligonowych. a) 4 b) 3 Rys. 16. Sposób badań przy 4 2 wykorzystaniu pirometru: a) badany 1 wózek wagonowy z tarczowym układem hamulcowym; 1-pirometr, 2- badane tarcze hamulcowe typu 61x11, 3-wózek wagonowy 2- osiowy, 4-odczyt temperatury, I-pomiar pierwszej tarczy, II-pomiar drugiej 1 ZZ tarczy, ZW- zestaw wewnętrzny, ZZ- 22 zestaw zewnętrzny, b) pirometr firmy Analiza możliwości zastosowań ZW procesów wibroakustycznych do oceny stanu elementów Fleku ciernych 62

Śrenia temperatura tarczy [ C] Średnia temperatura tarczy [ C] Średnia temperatura tarczy [ C] Średnia temperatura tarczy [ C] Badania rozpoznawcze 8 7 6 5 4 58 57 51 54 72 69 61 6 58 64 69 62 57 55 55 54 73 72 69 65 12 1 8 6 66 97 69 68 76 79 62 91 65 68 8 8 92 92 3 4 2 1 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Tarcza lewa Tarcza prawa Zestaw kołowy 1 2 3 4 5 6 7 Tarcza lewa Tarcza prawa Zestaw kołowy 12 1 88 99 94 98 88 14 12 112 12 1 9 91 92 112 89 92 92 8 6 4 56 48 61 57 66 61 63 58 64 75 7 74 74 71 8 6 4 38 49 74 57 51 2 2 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 Tarcza lewa Tarcza prawa Zestaw kołowy Tarcza lewa Tarcza prawa Zestaw kołowy Rys.17.Rozkład temperatury tarcz hamulcowych po hamowaniu pociągu IC

24 Badanie rozpoznawcze Przesłanki podjęcia problematyki diagnozowania tarczowego układu hamulcowego pojazdów szynowych: 1. Brak monitorowania zużycia okładzin ciernych, 2. Nierównomierne zużycie okładzin ciernych, 3. Ochrona przed uszkodzeniem elementów układu dźwigniowego hamulca

25 DIAGNOSTYKA UKŁADÓW HAMULCOWYCH Pomiary: Przyrządy: Rozwiązania: Systemy: stanowisko - siły hamowania POJAZDY SAMOCHODOWE grubości tarczy i okładzin przyrządami mikrometrycznymi POJAZDY KOLEJOWE, SAMOCHODOWE bicia poprzecznego tarczy czujnikiem zegar. POJAZDY KOLEJOWE, SAMOCHODOWE ciśnienia i szczelności układu hamulcowego POJAZDY KOLEJOWE, SAMOCHODOWE drogi hamowania POJAZDY KOLEJOWE, SAMOCHODOWE długości pęknięć termicznych POJAZDY KOLEJOWE, SAMOCHODOWE sprawdzian grubości okładzin POJAZDY SAMOCHODOWE urządzenie MiniProf Brake - zużycie tarczy POJAZDY KOLEJOWE urządzenie CALIPRI- Wheel - zużycie tarczy POJAZDY KOLEJOWE mikromierz i suwmiarka do pomiaru zużycia tarczy POJAZDY SAMOCHODOWE opóźnieniomierz bezwładnościowy do opóźnienia hamowania POJAZDY SAMOCHODOWE wskaźnik zużycia okładziny w zacisku hamulcowym POJAZDY SAMOCHODOWE elektryczny czujnik zużycia okładzin POJAZDY SAMOCHODOWE płytka akustyczna zużycia okładzin POJAZDY SAMOCHODOWE Brake Monitor BW 3 POJAZDY SAMOCHODOWE OBD II/EOBD POJAZDY SAMOCHODOWE Wizyjny Hard Soft POJAZDY KOLEJOWE Diagnostic Brake Pads POJAZDY KOLEJOWE Diagnostyka WA POJAZDY KOLEJOWE, SAMOCHODOWE Rys. 18. Synteza aplikacji wiedzy diagnostycznej w zakresie hamulców na przykładzie pojazdów kolejowych i samochodowych

ROZWIĄZANIA w diagnostyce układów hamulcowych Jednym z rozwiązań do diagnostyki układu hamulcowego jest wskaźnik zużycia okładzin (klocków) hamulcowych. Jest to urządzenie wskazujące grubość okładziny przy wykorzystaniu trzpienia przesuwnego. Trzpień zamocowany jest do obudowy zacisku hamulcowego. Przy nowym klocku trzon wskaźnika wysunięty jest maksymalnie poza powierzchnię czołową odlewu zacisku hamulcowego. W miarę zużywania się okładzin długość widocznego wskaźnika zmniejsza się. a) b) Rys.19. Budowa zacisku hamulcowego ze wskaźnikiem zużycia okładzin ciernych; a) budowa, b) widok, źródło: Meritom Heavy Vehicle Brakking Systems, Elsa 2 Tarczowy Hamulec Aerodynamiczny, Podręcznik obsługi, s.9, strona internetowa: 26

ROZWIĄZANIA w diagnostyce układów hamulcowych Innym sposobem do kontroli stopnia zużycia okładzin jest stosowanie płytki akustycznej zamocowanej do okładziny. Płytka przynitowana jest jednym końcem do obsady okładziny, natomiast drugim wystaje na odległość 1,5 mm od obsady w kierunku materiału ciernego. W procesie eksploatacji tarciu płytki o tarcze towarzyszy odgłos pisku. Jest to informacja dla kierowcy o konieczności wymiany okładzin na nowe. a) b) Rys.2. Okładziny z płytką akustyczną; a) budowa, 1- płytka, 2-nit, 3-obsada okładziny, 4-materiał cierny b) widok okładziny firmy Lumag LU 71 8K 27

ROZWIĄZANIA w diagnostyce układów hamulcowych Nowszym sposobem diagnozowania stanu hamulca tarczowego jest wykorzystywanie czujników zużycia okładzin. Czujniki elektryczne zamocowane są w okładzinach ciernych na odpowiedniej głębokości. Po osiągnięciu dopuszczalnego zużycia okładzin, czujnik elektryczny jest odsłonięty i stykając się z tarczą hamulcową zamyka obwód elektryczny, co powoduje zaświecenie się lampki kontrolnej na pulpicie kierowcy. a) b) Rys.21. Układ diagnostyczny z elektrycznymi czujnikami zużycia; a) schemat układu, b) widok zacisku hamulcowego z okładzinami wyposażonymi w czujniki zużycia 28

29 SYSTEMY w diagnostyce układów hamulcowych Systemem do diagnozowania stanu pary ciernej hamulca tarczowego jest urządzenie Brake Monitor BWI 3. Jest to urządzenie o budowie modułowej składające się z czujników wraz z uchwytami, okablowania oraz wyświetlacza. a) b) 1 2 ISO 3731 Urządzenie dodatkowe 3 BRAKE MONITOR Rys.22. Budowa urządzenia Brake Monitor BWI 3 do diagnozowania stanu hamulca tarczowego: a) schemat układu, 1-tarcza hamulcowa, 2-okładzina cierna z czujnikiem zużycia, 3- wyświetlacz, b) Wyświetlacz urządzenia Brake monitor BWI 3

3 PRZYRZĄDY w diagnostyce układów hamulcowych Najbardziej rozpowszechnionym urządzeniem do diagnozowania stanu hamulca tarczowego jest przyrząd MiniProf Brake. Różne odmiany przyrządu umożliwiają pomiar tarcz zamocowanych na osi zestawu kołowego lub tarcz hamulcowych mocowanych obustronnie do tarczy koła. Przyrząd również dostępny jest w wersji jednogłowicowej lub dwugłowicowej do jednoczesnego pomiaru dwóch powierzchni ciernych. a) b) c) Rys.23. Odmiany przyrządu MiniProf Brake; a) pomiar tarcz zamocowanych na osi zestawu kołowego, b) pomiar tarcz mocowanych do tarczy koła, c) odmiana przyrządu dwugłowicowa

31 PRZYRZĄDY w diagnostyce układów hamulcowych Element pomiarowy, co przedstawia rysunek 1 składa się z dwóch szyn pomiarowych zamocowanych względem siebie przegubowo i zakończonych rolka magnetyczną o średnicy 12 mm. Podczas pomiaru za pomocą dwóch koderów rejestrowane są kąty przemieszczeń szyn pomiarowych. Wartości kątowe przetwarzane są na współrzędne kartezjańskie i na wyświetlaczu komputera przedstawiony jest profil powierzchni ciernej tarczy. Następnie obliczana jest wartość max. zużycia tarczy W oraz pozostała grubość tarczy T. Na tej podstawie obliczane jest zużycie liniowe powierzchni ciernej z dokładnością do 54 μm. W T Rys.24. Pomiar zużycia tarczy hamulcowej przy wykorzystaniu przyrządu MiniProf Brake [1] Rys.25.Budowa elementu pomiarowego przyrządu MiniProf Brake; 1-mierzony profil, 2-magnetyczna rolka pomiarowa, 3-szyny pomiarowe

PRZYRZĄDY w diagnostyce układów hamulcowych a) c) b) Rys.26. Przyrząd CALIPRI-Wheel; a) pomiar zużycia tarczy hamulcowej, b) pomiar zużycia obręczy ZK, c) widok urządzenia 32

SYSTEMY w diagnostyce układów hamulcowych Rys. 12. Widok stanowiska podtorowego do fotograficznej oceny zużycia okładzin ciernych a) b) Zużycie okładzin ciernych i ocena ich uszkodzenia 35 Grubość okładziny nowej w [mm] Trend zużycia okładzin ciernych Automatyczne ustalenie punktów odniesienia 1 5 Dopuszczalne zużycie okładzin ciernych Graniczne zużycie okładzin ciernych Rys. 26. Zasada działania diagnostycznego stanowiska podtorowego: a) identyfikacja punktów odniesienia, b) szacowanie grubości okładzin ciernych 33

SYSTEMY w diagnostyce układów hamulcowych Rys. 27. Obraz pary ciernej hamulca tarczowego zarejestrowany kamerą cyfrową Oświetlenie Wyzwalanie Obiekt Przesuwnik fazowy Pamięć Flash Przesłona kamery Ogranicznik prędkości próbkowania Video Potwierdzenie Rys. 28. Zasada dziania systemu wizyjnego HARD soft Frame Grabber Monitor 34

SYSTEMY w diagnostyce układów hamulcowych Do zalet diagnostyki wibroakustycznej zalicza się: - łatwość pomiaru, dużą szybkość przekazywania informacji, - możliwość oceny stanu całego obiektu lub poszczególnych części, - dużą zawartość informacji w sygnale. Rys. 29. Piast SKF Hub Units z przetwornikiem drgań do diagnostyki zużycia łożyska kół pojazdów samochodowych: a) widok piasty łożyskowej, b) przekrój przez piastę łożyska koła jezdnego z przetwornikiem drgań Rys. 3. Badania stanowiskowe z wykorzystaniem diagnostyki wibroakustycznej na etapie projektowania pary ciernej hamulca w firmie Bosch 35 35

1 4 [Hz] 1 3 - Pisk - Skrzypienie Drgania (hałas) generowane w układzie ciernym hamulca Pisk (squeal) generowany przez hamulce : zakres 1kHz do 14 khz (sporadycznie do 18kHz), Zakres od 2 do 15 Hz jest to rezonans elementów nadwozia i podwozia 1 2 1 1 1 - Stukot - Klekot - Dudnienie - Pulsacja - Trzęsienie Zakres częstotliwości drgań własnych elementów podwozia i nadwozia Drgania generowane w układzie ciernym hamulca Trzęsienie (judder) wynikający z przekroczenia tolerancji wym. tarczy i bębnów jest f(v) zakres: 2 Hz, Deformacje, zmian gr. Np. tarczy, bębnów mogą być spowodowane niestabilnością termosprężystą hamulca Zakres częstotliwości poniżej 2 Hz i powyżej 15 Hz to zakres drgań samowzbudnych wywołanych hamulcem Podział drgań w pojazdach samochodowych, opis wrażeń użytkowników i przybliżony zakres częstotliwości ich występowania 36

Wsp. tarcia Zużycie okładzin Piszczenie Wibracje Zużycie tarczy Spoiwo Składniki organiczne Własności syntetyczne Ścierniwa Smary Ciśnienie płynu hamulcowego Tłok hamulcowy Wypełniacze Uszczelnienie typu O-ring Podkładka oporowa k m u Tylna blacha Materiał cierny Tarcza hamulcowa Sztywność podpory Rys. 31 Model taśmociągu realizującego drgania samowzbudne [25] Obsada okładziny ciernej Sztywność wsparcia Materiał cierny Rys. 32. Drgania samowzbudne w samochodowym hamulcu tarczowym Element cierny ze sztywnością Elastyczność związana z obrotem

Modele układu ciernego hamulca v Θ Cp Mp R Tarcza Md u kp Pierwszy model demonstrujący możliwość układu ciernego dla stałej wartości współczynnika tarcia przedstawiony przez Spurra w postaci ślizgacza z kątowym wspornikiem. Następnie model udoskonalony przez Jarvisa i Earlesa. Cd Cd 1 tg sin 2 2 C C p d Warunek niestabilności zgodnie z Crolla D.A., Lang A.: Brake noise and vibration the state of the art. Vehicale Tribology. Elsevier, Amsterdam 1991, s. 165-174 Model układu ciernego tarcza-ślizgacz na wsporniku kątowym 38

Model tzw. Flutteru binarnego zaproponowany przez Northa a następnie przez Millnera. W modelu zastąpiono bieżnię przez prostą i sztywną belkę o gr. 2h i sztywności poprzecznej Kd o dwóch stopniach swobody poprzecznej y i obrotowej Θ oraz skupionej masie M, inercji I i sztywności zamocowania Sd. KpI 2 /3 Kp/2 y Θ Kp/2 Kd I 8MIN h 1 3 M 2 I 2 2 K p Model flutteru binarnego o parametrach skupionych 39

Stanowiskowe badania - metodyka Do badań stanowiskowych wykorzystano: tarczę hamulcowa typu 59 11 oraz 64 11, trzy komplety okładzin hamulcowych typu 175 oraz 2. Rys. 33. Widok i przekrój tarczy hamulcowej typu 61 11 G1 G2 G3 Okładzina G1=35[mm] (nowa) Okładzina G2=25[mm] Okładzina G3=15[mm] Rys. 34. Okładziny cierne typu 2 4

Stanowiskowe badania - metodyka a) Rys. 35. Widok stanowiska hamulcowego pojazdów szynowych b) c) Rys. 36. Obsady okładzin ciernych do badań diagnostycznych: a) widok obsady z wyfrezowanym gniazdem i przyklejonym klipsem montażowym, b) widok obsady z zamocowanym przetwornikiem drgań c) widok przetworników zamocowanych do płytki montażowej 41

Stanowiskowe badania - metodyka Tor pomiarowy do pomiaru drgań okładzin wraz z obsadą składa się z: przetworników drgań BæK typ 454A 2szt. kaseta pomiarowa typ BæK 35-A-6 oprogramowanie systemu PULSE 12.5 Rys. 38. Widok stanowiska pomiarowego Rys. 37. Obsada hamulcowa z przetwornikiem i przewodem trójosiowym Rys. 39. Schemat toru pomiarowego drgań okładzin ciernych 42

Stanowiskowe badania - metodyka Liniowe pasmo przenoszenia przetworników wyniosło 13 khz. Podczas badań rejestrowano sygnały w paśmie od,1 Hz do 9 khz. Częstotliwość próbkowania ustawiono na 131 khz. 3 Rys. 4. Orientacja kierunków drgań obsad okładzin; 1-badana tarcza hamulcowa, 2-obsada okładziny, 3- przetwornik drgań 43

Stanowiskowe badania - metodyka Parametrami wyjściowymi (badanymi) były następujące wielkości: współczynnik tarcia μ, temperatura tarczy T, czas hamowania t h i drogę hamowania s. Tarcza hamulcowa Okładziny Prędkość v[km/h] Docisk okładziny p[kn] Masa hamująca M[t] Ilość prób g 1 5 p=28 8 M=4,4 g 2 12 3 g 3 16 p=44 M=7,5 2 Rys. 41. Schemat przebiegu badań 44

Wartość szczytowa przyspieszeń przyspieszeń drgań, drgań a PEAK [m/s²] a RMS [m/s 2 ] Wartość chwilowa przyspieszeń drgań [m/s 2 ] a RMS [m/s 2 ] a RMS [m/s 2 ] Stanowiskowe badania diagnostyczne Charakterystyki sygnałów diagnostycznych Dziedzina czasu Dziedzina amplitud Dziedzina częstotliwości Pomiar czasu hamowania Miary punktowe Widmo amplitudowe 15 3 Okładzina G1=35mm,15,1 1 5 25 Okładzina G2=25mm Okładzina G3=15mm,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 Częstotliwość, f [Hz] -5,15-1 -15 15 1,1,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 4 8 12 16 2 24 Częstotliwość, f [Hz] Czas [s] 5,15,1,5 5 8 12 16 2 Prędkość początku hamowania, v [km/h] 1 45 2 3 4 5 6 7 8 9 Częstotliwość, f [Hz] 45

Wartość chwilowa przyspieszeń drgań, a [m/s²] 46 Stanowiskowe badania diagnostyczne 1 t 1 t 2 5-5 -1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Czas, t [s] Rys.42. Wartość przyspieszeń drgań obsady z okładzina w dziedzinie czasu

Wartość chwilowa przyspieszeń drgań, a [m/s²] Stanowiskowe badania diagnostyczne a) b) 1 1 1 2 3 5 5-5 5-1 -1 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 23,6 23,8 24 24,2 24,4 24,6 Czas, t [s] Czas, t [s] Rys.43. Wartość przyspieszeń drgań obsady z okładzina w różnych fazach hamowania: a) początek hamowania, b) Koniec hamowania 47

Czas hamowania, t [s] - 48 Stanowiskowe badania diagnostyczne 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Okładzina G1=35mm Okładzina G2=25mm Okładzina G3=15mm 5 8 12 16 2 Prędkość początku hamowania, v [km/h] Rys.44. Zależność czasu hamowania od prędkości początku hamowania przy docisku N=28kN i masie hamującej M=7,5t, uzyskanego z przebiegów czasowych wartości chwilowych przyspieszeń drgań w kierunku Y 1 (na słupkach pokazano 95% przedział ufności)

Wartość chwilowa przyspieszeń drgań, a [m/s²] Wartość chwilowa przyspieszeń drgań, a [m/s²] 49 Stanowiskowe badania diagnostyczne 1 5-5 -1 15 1 5-5 -1-15 Okładzin Prędkość Nacisk G3 (15mm) 5 1 15 2 25 3 35 2 [km/h] Czas [s] 28, 44 [kn] 4,4; 7,5 [t] Drgania samowzbudne Masa hamująca 12 [km/h] 28, 44 [kn] 4,4; 7,5 [t] 16 [km/h] 28, 44 [kn] 4,4; 7,5 [t] 5 1 15 2 25 3 35 Czas [s] 49

2 Okładzina G3_16_44_44_1 15 1 5 Droga hamowania S=665,6 [m] -5-1 -15-2 2 4 6 8 1 3 Okładzina G3_16_44_44_3 2 1 Droga hamowania S=657,8 [m] -1-2 -3 2 4 6 8 1 5

A-RMS [m/s 2 ] A-RMS [m/s 2 ] Stanowiskowe badania diagnostyczne a) 1.5 Grubosc 15 mm 1.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Czestotliwosc [Hz] b) 1.5 Grubosc 15 mm Rez 1.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Czestotliwosc [Hz] Rys. 45. Zależność amplitudy przyspieszeń drgań od częstotliwości dla okładziny G3=15mm przy hamowania zatrzymującym: a) brak drgań samowzbudnych, b) z drganiami samowzbudnymi 51

52 Stanowiskowe badania diagnostyczne 1) Amplituda skuteczna: 2) Amplituda szczytowa: 3) Amplituda średnia: s s RMS AVERAGE 1 T 1 T T T s t s 2 dt PEAK s t dt 1 T T s t dt 1 4) Amplituda pierwiastkowa: 1 T 1 2 s SQUARE s t dt T T 1 4 5) Kurtoza: s t dt T T 2 1 2 Gdzie: t czas, s t dt T czas uśredniania, T s(t) chwilowa wartość amplitudy przemieszczeń, prędkości lub przyspieszeń drgań, 2

53 Stanowiskowe badania diagnostyczne

x MODEL ŷ Y ˆ F x, x,..., 1 1 1 2 parametry Diagnostyczny model regresyjny przedmiotu diagnozy: Parametry sygnału parametry stanu y ˆ,..., ˆ n f n x1, x2,..., x m, a o, a1 gdzie: x 1, x 2,, x n - parametry sygnałów diagnostycznych, a j a o, a 1,, a j - współczynniki (parametry) równań regresji. - Jednowymiarowy model liniowy: - Modele jednowymiarowe nieliniowe: gdzie: a, β, y - parametry modelu. yˆ n a o a i yˆ yˆ i i x i a a x x y i i 54

Grubość okładziny, G [mm] Grubość Grubość Grubość okładziny, okładziny G [mm] [mm] [mm] Wartość pierwiastkowa przyspieszeń drgań [m/s²] 55 4 Stanowiskowe badania diagnostyczne G v a RMS 12 6,3257, v 12 16, 55 1 35 3 8 25 22 2 6 15 4 1 6 2 4 8 6 1 12 8 14 1 16 18 12 2 14 22 1 15 2 25 3 35 4 Wartość skuteczna Wartość średnia przyspieszeń przyspiew drgań, szeń drgań a [m/s²] Grubość okładziny RMS [m/s [mm] ] Prędkość hamowania ania 5km/h Prosta Prędkość aproksymująca hamow ania 8km/h Prędkość hamow ania 12km/h Prędkość hamow ania 16km/h Prędkość hamow ania 2km/h Prosta aproksymująca Rys. 46. Zależność grubości okładziny hamulca tarczowego od wartości skutecznej przyspieszeń drgań uzyskanej z pomiaru w kierunku Y 2 przy hamowaniu z N=44kN i M=4,4t

Stanowiskowe badania diagnostyczne Rys.47. Wartość przyspieszeń drgań obsady z okładzina w dziedzinie czasu podczas hamowania ze stałą mocą Rys. 48. Przejazd pociągu przez przełęcz św. Gotarda 56

A-RMS [m/s 2 ] A-RMS [m/s 2 ] A-RMS [m/s 2 ] Stanowiskowe badania diagnostyczne a).3.25.2.15.1.5 Grubosc 35 mm b) 1 2 3 4 5 6 7 8 Czestotliwosc [Hz].3 Grubosc 25 mm.25.2.15.1.5 c) 1 2 3 4 5 6 7 8 Czestotliwosc [Hz].3 Grubosc 15 mm.25.2.15.1.5 1 2 3 4 5 6 7 8 Czestotliwosc [Hz] Częstotliwość, f [Hz] Rys. 49. Zależność amplitudy przyspieszeń drgań od częstotliwości dla różnych grubości okładziny przy hamowania ze stałą mocą na tarczy typu 64 11, dla kierunku Y 2 : a) grubość okładziny G1=35mm, b) grubość okładziny G2=25mm, c) grubość okładziny G3=15mm 57

Tabela 5 Częstotliwość w [Hz] Stanowiskowe badania diagnostyczne Zestawienie wyników analizy widmowej sygnałów przyspieszeń drgań obsad hamulcowych z okładzinami ciernymi Tarcza hamulcowa typu 59 11, pomiar w kierunku Y 1 (pomiar od strony obudowy cylindra) Dla okładziny o gr. 35mm RMS z pasma częstotliwości w [m/s 2 ] Dla okładziny o gr. 25mm Dla okładziny o gr. 15mm Dla okładzin o gr. 35 i 25mm Dynamika zmian w [db] Dla okładzin o gr. 35 i 15mm Wsp. Korelacji R 46-465,6975 1,252 1,823 5,7 8,24 1, 465-47,7985 1,3527 1,8339 4,58 7,22,9992 47-475,9238 1,4588 1,991 3,96 6,66 1, 475-48,9319 1,4433 1,8881 3,79 6,13,9992 Tarcza hamulcowa typu 59 11, pomiar w kierunku Y 2 (pomiar od strony tłoczyska cylindra) 46-465,2842,8684 1,116 9,7 11,76,976 465-47,249,7895 1,1376 1,31 13,48,9918 47-475,1953,6365 1,719 1,26 14,79 1, 475-48,1647,5529,984 1,51 14,82,9997 Tarcza hamulcowa typu 64 11, pomiar w kierunku Y 1 (pomiar od strony obudowy cylindra) 46-465 1,7283 2,824 3,8251 4,25 6,9,9997 465-47 1,7123 2,7235 3,6721 4,3 6,62,9998 47-475 1,667 2,5467 3,6413 3,68 6,78,998 475-48 1,5236 2,311 3,558 3,61 7,23,993 Tarcza hamulcowa typu 64 11, pomiar w kierunku Y 2 (pomiar od strony tłoczyska cylindra) 46-465,7537 2,2281 1,9965 9,41 8,46,7837 465-47,7452 2,48 2,2633 8,75 9,64,9259 47-475,9782 1,678 2,2594 4,68 7,27,9986 475-48,853 1,8477 2,3347 6,74 8,77,989 58

Rys. 5. Zależność wartości skutecznej przyspieszeń drgań A RMS od grubości okładzin ciernych: a) dla tarczy typu 59 11, pomiar drgań w kierunku Y 1, b) dla tarczy typu 59 11, pomiar drgań w kierunku Y 2, c) dla tarczy typu 64 11, pomiar drgań w kierunku Y 1, d) dla tarczy typu 64 11, pomiar drgań w kierunku Y 2 59 Stanowiskowe badania diagnostyczne

Rys. 51. Zależność grubości okładzin ciernych w funkcji wartości skutecznej przyspieszeń drgań: a) dla tarczy typu 59 11, pomiar drgań w kierunku Y 1, b) dla tarczy typu 59 11, pomiar drgań w kierunku Y 2, c) dla tarczy typu 64 11, pomiar drgań w kierunku Y 1, d) dla tarczy typu 64 11, pomiar drgań w kierunku Y 2 6 Stanowiskowe badania diagnostyczne

G G G Stanowiskowe badania diagnostyczne Ze względu na współczynnik korelacji aproksymacji zużycia okładzin ciernych względem wartości skutecznej przyspieszeń drgań, wyprowadzono zależności liniowe dla oceny zużycia okładzin ciernych na podstawie pomiaru drgań generowanych przez obsadę zamocowanej z dźwignią do obudowy cylindra hamulcowego (kierunek Y 1 ). 59Y 1, 46 465 18,13 ARMS 46 465 47,629 R 1 59Y 1, 465 47 19,284 ARMS 465 47 5,617 R, 99 G 59Y 1, 47 475 18,741 ARMS 465 47 52,321 R 1 59Y 1, 475 48 2,882 ARMS 475 48 54,676 R, 99 G G G G 64Y 1, 46 465 9,5328 ARMS 46 465 51,69 R, 99 64Y 1, 465 47 1,22 ARMS 465 47 52,571 R, 99 64Y 1, 47 475 1,9 ARMS 465 47 51,42 R, 99 64Y 1, 475 48 9,9497 ARMS 475 48 49,345 R, 98 gdzie: G ( ) grubość okładziny, A RMS( ) wartość skuteczna przyspieszeń drgań w m/s 2 w kierunku Y 1. 61

Badania eksploatacyjne hamulca tarczowego Celem badań eksploatacyjnych było wyznaczenie zależności między parametrami sygnału drganiowego okładzin a ich zużyciem przy zadanych prędkościach początku hamowania. Badania miały na celu sprawdzenie możliwości zastosowania opracowanej metody diagnozowania zużycia podczas badań stanowiskowych na obiekcie rzeczywistym Rys. 52. Widok wagonu osobowego typu 136 na stacji Rzepin w trakcie badań eksploatacyjnych 62

Badania eksploatacyjne hamulca tarczowego Rys. 53. Wagon osobowy typu 136 Rys. 54. Wózek toczny MD 523 63

Badania eksploatacyjne hamulca tarczowego Okładzina o grubości 15mm Okładzina o grubości 25mm Okładzina o grubości 15mm Okładzina o grubości 35mm Rys. 55. Obsady hamulca tarczowego z przetwornikami drga typu 454A 64

Badania eksploatacyjne hamulca tarczowego Badania poligonowe zostały przeprowadzone w nocy z 21 na 22 lipca 29 na trasie Poznań Rzepin i Rzepin Poznań. Początek badania godzina 23.3, zakończenie 3.. W czasie badań realizowano: - Hamowania służbowe, - Hamowania pełne, - Hamowania nagłe. Rys. 56. Trasa przejazdu pociągu testowego Podczas badań wykonano hamowania z prędkości: - 5, 1, 12 i 16 km/h. Rys. 57. Widok wagonu pociągu w czasie badań eksploatacyjnych 65

Badania eksploatacyjne hamulca tarczowego Liniowe pasmo przenoszenia przetworników wyniosło 13 khz. Podczas badań rejestrowano sygnały w paśmie od,1 Hz do 9 khz. Częstotliwość próbkowania ustawiono na 32 khz Istotne zmiany sygnału wystąpiły do do 6 khz. 1 2 Rys. 58. Widok wagonu przygotowanego do pomiaru przyspieszeń drgań obsad z okładzinami w czasie hamowania: 1- kaseta pomiarowa typu B&K 356 C z oprogramowaniem systemu PULSE 12.5, 2- miejsca zamocowania przetworników drgań

Wartość chwilowa przyspieszeń drgań, a [m/s 2 ] Wartość chwilowa przyspieszeń drgań, a [m/s 2 ] Wartość chwilowa przyspieszeń drgań, a [m/s 2 ] Badania eksploatacyjne hamulca tarczowego a) b) 1-1 1 1 2 3 4 5 6 Czas hamowania, t [s] c) -1 1 2 3 4 5 6 Czas hamowania, t [s] 1-1 1 2 3 4 5 6 Czas hamowania, t [s] Rys. 59. Przebiegi czasowe chwilowych przyspieszeń drgań obsad z okładzinami o różnej grubości z widocznymi drganiami samowzbudnymi przy okładzinie zużytej do grubości 15 mm w początkowej i ostatniej fazie hamowania z prędkości 14 km/h do : a) grubość okładziny G1=35mm, b) grubość okładziny G2=25mm, c) grubość okładziny G3=15mm 67

a RMS [m/s 2 ] a RMS [m/s 2 ] a RMS [m/s 2 ] 68 Badania eksploatacyjne hamulca tarczowego a),2,1 P 1 P 2 b) 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Częstotliwość, f [Hz],2,1 c) 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Częstotliwość, f [Hz],2,1 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Częstotliwość, f [Hz] Rys. 6. Postać widma amplitudowego przyspieszeń drgań obsad okładzin dla różnych grubości okładzin przy prędkości początku hamowania v=1km/h, dla kierunku Y: P 1 - pasmo 6-13 Hz, P 2 - pasmo 4-45 Hz: a) okładzina o grubości G1=35mm, b) okładzina o grubości G2=25mm, c) okładzina o grubości G3=15mm

69 Badania eksploatacyjne hamulca tarczowego Zakres częstotliwości 6-13Hz Zakres częstotliwości 4-45Hz Wartość skuteczna przyspieszeń drgań, a RMS [m/s 2 ] Wartość skuteczna przyspieszeń drgań, a RMS [m/s 2 ] Grubość okładziny G3=15mm Grubość okładziny G2=25mm Grubość okładziny G1=35mm 15 25 35 5 6 1 12 Dynamika zmian 3,1-5,6dB 13 16 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Grubość okładziny G3=15mm Grubość okładziny G2=25mm Grubość okładziny G1=35mm 15 25 35 5 6 1 12 Dynamika zmian 6,7-12dB 13 16 7 6 5 4 3 2 1

Grubość okładziny, G [mm] Grubość Grubość okładziny okładziny [mm]] [mm] Badania eksploatacyjne hamulca tarczowego 4 4 G v a RMS,9179 12 47,796, v 12 ; 35 35 3 3 25 25 22 2 2 15 15 1 1 11 22 33 44 55 66 77 Wartość skuteczna przyspieszeń drgań, a RMS [m/s 2 ] Wartość skuteczna przyspieszeń drgań [m/s²] Prędkość hamowania 5km/h Prędkość hamowania 1km/h Prędkość hamowania 12km/h Prędkość hamowania 16km/h Prosta (krzywa) aproksymująca 7

Przyspieszenie [m/s2] Przyspieszenie [m/s2] Przyspieszenie [m/s2] Badania eksploatacyjne hamulca tarczowego a) 2 1 Okladzina G1=35[mm] -1-2 b) 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Czas [s] Okladzina G2=25[mm] 1 5-5 c) -1 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Czas [s] 1 Okladzina G3=15[mm] 5-5 -1 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Czas [s] Rys. 61. Przebiegi czasowe chwilowych przyspieszeń drgań obsad z okładzinami o różnej grubości z widocznymi drganiami samowzbudnymi: a) grubość okładziny G1=35mm, b) grubość okładziny G2=25mm, c) grubość okładziny G3=15mm 71

A-RMS [m/s 2 ] A-RMS [m/s 2 ] A-RMS [m/s 2 ] 72 a) 5 4 Grubosc 35 mm 3 2 1 b) 1 2 3 4 5 6 7 Czestotliwosc [Hz] 5 4 Grubosc 25 mm c) 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 Czestotliwosc [Hz] 5 4 Grubosc 15 mm 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 Czestotliwosc [Hz] Rys. 62. Zależność amplitudy przyspieszeń drgań od częstotliwości dla różnych grubości okładziny przy hamowania zatrzymującym w czasie badań poligonowych brak drgań samowzbudnych: a) grubość okładziny G1=35mm, b) grubość okładziny G2=25mm, c) grubość okładziny G3=15mm

A-RMS [m/s 2 ] A-RMS [m/s 2 ] A-RMS [m/s 2 ] 73 a) 5 4 Grubosc 35 mm 3 2 1 b) 1 2 3 4 5 6 7 Czestotliwosc [Hz] 5 4 Grubosc 25 mm c) 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 Czestotliwosc [Hz] 5 4 Grubosc 15 mm 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 Czestotliwosc [Hz] Rys. 63. Zależność amplitudy przyspieszeń drgań od częstotliwości dla różnych grubości okładziny przy hamowania zatrzymującym w czasie badań poligonowych z drganiami samowzbudnymi: a) grubość okładziny G1=35mm, b) grubość okładziny G2=25mm, c) grubość okładziny G3=15mm

Przyspieszenie [m/s2] Przyspieszenie [m/s2] [m/s2] Przyspieszenie [m/s2] [m/s2] /s2] Badania eksploatacyjne hamulca tarczowego - weryfikacja 15 Okladzina G1=35[mm] 1 5-5 -1-15 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Czas [s] 15 15 1 1 5 5-5 -5-1 Okladzina G2=25[mm] Okladzina G1=35[mm] -1-15 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5-15 5 1 15 2 Czas 25[s] 3 35 4 45 5 Okladzina Czas G3=15[mm] [s] 15 Okladzina G2=25[mm] 15 1 1 5 5-5 -5-1 -1-15 -15 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 5 1 15 2 Czas 25[s] 3 35 4 45 5 Czas [s] Rys. 64. Widok pociągu testowego podczas badań weryfikacyjnych Okladzina G3=15[mm] 15 Analiza 1 możliwości zastosowań procesów wibroakustycznych do oceny stanu elementów ciernych 74

Grubość okładziny, G [mm] Grubość okładziny, G [mm] Badania eksploatacyjne hamulca tarczowego - weryfikacja Grubość okładziny, G [mm] Grubość okładziny, G [mm] v h = 5km/h 4 Prędkość Błąd 4 35 35 początku 1 podstawie 1 hamowania, 3 v przyrządem D3 Granica błędu aproksymacji +1% 25 regresyjnych Diag [km/h] pomiarowym, 25 Krzywa aproksymująca modeli [%] 2 [mm] 2 Granica diagnostycznych błędu aproksymacji -1% 15 2 15 1 34 Wynik pomiarów 31,4 8,3 1 5 1 Okładzina G4=34mm 1 2 14,6 21,9 33,6 5 2 Okładzina G5=14,6mm 5 Lp. Grubość okładziny zmierzona 3 34 35,7 4,7 1 4,3,6,9 14,6 1,2 16,9 13,9 Wartość skuteczna przyspieszeń 5 drgań, a RMS [m/s 34 2 ] 35,1 3,1 12 6 v h = 12km/h 14,6 15,7 7,1 4 4 7 34 38 1,5 35 16 1 35 8 14,6 15,1 3,2 3 3 Granica błędu aproksymacji +1% 25 25 Krzywa aproksymująca 2 2 1 Granica błędu aproksymacji -1% 15 15 2 Wynik pomiarów 1 1 1 Okładzina G4=34mm 5 5 2 Okładzina G5=14,6mm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Wartość skuteczna przyspieszeń drgań, a RMS [m/s 2 ] Grubość okładziny obliczona na diagnozy v h = 1km/h,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Wartość skuteczna przyspieszeń drgań, a RMS [m/s 2 ] 2 3 5 7 9 11 13 15 17 Wartość skuteczna przyspieszeń drgań, a RMS [m/s 2 ] 2 v h = 16km/h 1 2 1 2 Granic Krzyw Granic Wynik Okładz Okładz Grani Krzyw Grani Wyni Okład Okład 75

Przyspieszenie Przyspieszenie [m/s2] [m/s2] Przyspieszenie [m/s2] Przyspieszenie [m/s2] [m/s2] Przyspieszenie Przyspieszenie [m/s2] Przyspieszenie [m/s2] [m/s2] Przyspieszenie Przyspieszenie [m/s2] [m/s2] 15 15 1 Okladzina G1=35[mm] 1 5 5-5 -1-5 -1-15 5 1 15 2 Okladzina 25 G1=35[mm] 3 35 4 45 5-15 4 Czas [s] 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Okladzina G3=15[mm] 15 Czas [s] 2 Okladzina G2=25[mm] 15 1 1 5 5-2 -5-4 -1-5 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Czas [s] -1-15 5 1 15 2 Okladzina 25 G2=25[mm] 3 35 4 45 5-15 4 Czas [s] 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Okladzina G1=35[mm] 4 Czas [s] 2 Okladzina G3=15[mm] 15 2 1 5-2 -2-4 -5 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Czas [s] -4-1 5 1 15 2 Okladzina 25 G3=15[mm] 3 35 4 45 5 Czas [s] -15 4 5 1 15 2 Okladzina 25G2=25[mm] 3 35 4 45 5 4 Czas [s] 2 2-2 -2-4 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 76

78 Teza i cel badań Teza: Istnieje możliwość oceny stanu technicznego hamulca tarczowego pojazdu samochodowego na podstawie wybranych parametrów sygnału drganiowego Cel: Celem pracy jest ocena możliwości zastosowania wybranych parametrów drganiowych towarzyszącym procesowi tarcia w hamulcach tarczowych i wykorzystania ich do diagnozowania zużycia klocków hamulcowych.

79 Metodyka badań Obiekt badań Nissan Patrol GR Y6 - Hamulce tarczowe na wszystkich kołach - Dwuobwodowy układ hamulcowy - Podciśnieniowe wspomaganie hamowania - Korektor siły hamowania osi tylnej Wentylowana tarcza hamulcowa -Grubość 16 mm -Średnica 316 mm -Zacisk jednotłoczkowy -Średnica tłoczka 51 mm

Metodyka badań a) Przygotowanie obiektu do wykonania badań b) c)

Metodyka badań a) b) c) d) Rys. 65. Widok okładzin ciernych przygotowanych do badań sygnału częstotliwości drganiowej: a) miejsce mocowania trójosiowego przetwornika drgań, b) wykonanie otworów mocujących przetwornik, c) zestawienie wejściowych grubości okładzin, d) obsada klocka hamulcowego z zamontowanym przetwornikiem i instalacją 81

82 Metodyka badań Trasa przejazdu podczas prób hamowania

83 Metodyka badań Tor pomiarowy do pomiaru drgań okładzin wraz z obsadą składa się z: przetworników drgań B&K typ 454A 2szt. kaseta pomiarowa typ B&K 35-A-6 oprogramowanie systemu PULSE 12.5 Baza danych Oprogramowanie PULSE 12.5 Kaseta pomiarowa B&K 36C Rys. 66. Widok Kasety pomiarowej wraz z oprogramowaniem Przetworniki drgań B&K typu 454 A Rys. 67. Schemat toru pomiarowego Rys. 68. Widok stanowiska pomiarowego

84 Analiza wyników Charakterystyki sygnałów diagnostycznych Dziedzina czasu Dziedzina amplitud Dziedzina częstotliwości Pomiar czasu hamowania Miary punktowe Widmo amplitudowe

85 Analiza wyników w dziedzinie czasu Rys. 69. Wykres chwilowych przyspieszeń drgań w funkcji czasu dla koła prawego w kierunku Z, prędkość początku hamowania 6 km/h, ciśnienie w układzie hamulcowym 25 bar

86 Analiza wyników w dziedzinie częstotliwości Rys. 7 Zależność amplitudy przyspieszeń drgań od częstotliwości uzyskanej w czasie jazdy z prędkością v=7km/h, pomiar w kierunku Z 1 (koło lewe): a) grubość klocka G1=1mm, b) grubość klocka G2=5,5mm, c) grubość klocka G3=2,5mm

87 Analiza wyników Rys. 71. Zależność amplitudy przyspieszeń drgań od częstotliwości uzyskanej w czasie hamowania przy różnych grubościach klocków hamulcowych przy prędkości początku hamowania v=6km/h i ciśnieniu w układzie hamulcowym p=2bar dla kierunku Z 1 (koło lewe) z zaznaczonymi pasmami częstotliwości 1, 17 i 25Hz: a) grubość klocka G1=1mm, b) grubość klocka G2=5,5mm, c) grubość klocka G3=2,5mm

88 Analiza wyników Rys. 72. Zależność A RMS od częstotliwości i rozpatrywanych grubości klocków hamulcowych przy prędkości początku hamowania v=6km/h i ciśnieniu w układzie hamulcowym p=3bar dla kierunku Z 1 (koło lewe)

89 Analiza wyników Wyznaczone regresyjne modele diagnostyczne pozwalające określić grubość okładziny klocka hamulcowego G( dla1hz ) =17,66 A -,35 RMS(dla1Hz) G( dla17hz ) = 2,8336 A -1,616 RMS(dla17Hz) G( dla 25Hz ) = 2,215 A -1,842 RMS(dla 25Hz) R 2 =,99 R 2 =,99 R 2 =,99 gdzie: G ( ) grubość klocka hamulcowego, A ( ) wartość danej miary punktowej przyspieszeń drgań w m/s 2.

9 Inne problemy z eksploatacji hamulców samochodowych Fading lekki jest to niekorzystne zjawisko występujące w parze ciernej układu hamulcowego, związane z wydzielaniem się żywicy fenolowej z materiału klocka. Żywica podczas pierwszych 1 hamowań na nowej tarczy hamulcowej wytrąca się z materiału klocka i pokrywa tarczę hamulcową w wyniku czego obniżą się współczynnik tarcza. Szczególnie przy dłuższych hamowaniach dochodzi do całkowitej utraty siły hamowania (fading ciężki). μ Hamowania przy stałej prędkości początku hamowania v=const.,5,4,3,2,1 Fading lekki 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 Liczba hamowań Przebieg współczynnika tarcia w kolejnych hamowaniach przy stałej prędkości początku hamowania Długotrwałe destrukcyjne badania klocków hamulcowych doprowadzające do zjawiska fadingu ciężkiego

Inne problemy z eksploatacji hamulców samochodowych Rys. 73. Przykład zjawiska fadingu na tarczach hamulcowych po 1 pierwszych hamowaniach po wymianie tarcz hamulcowych i okładzin na nowe Rys. 74. Stan powierzchni ciernej tarczy hamulcowej po 3 hamowaniach po wymianie tarcz hamulcowych i okładzin na nowe (zanik zjawiska fadingu) W celu wyeliminowania zjawiska fadingu lekkiego (pierwotnego) na etapie produkcji klocki hamulcowe poddaje się operacji wyżarzania (sporczing z ang.) w temperaturze ok. 7ºC, w wyniku czego częściowo odparowuje żywica fenolowa. W dalszym procesie eksploatacji klocka hamulcowego w miarę jego zużycia powraca zjawisko fadingu. Na jego wpływ wpływa dłuższy postój i wchłanianie wody z powietrza przez klocek. Klocek po operacji wyżarzania jest ciemny i charakteryzuje się specyficznym nieprzyjemnym zapachem. 91

92 Inne problemy z eksploatacji hamulców samochodowych Problem z niestabilnym współczynnikiem tarcia związanym ze zbyt dużym przechłodzeniem tarczy hamulcowej (problem w BMW serii X5, 7), program dla ESP powoduje, że co 4-7min występuje niewielkie przyhamowanie nie odczuwalne przez kierowcę. Samochód BMW X5 Jak układ stwierdza, że tarcze są przegrzane? Z dwóch czujników, jeżeli ciśnienie płynu rośnie w układzie hamulcowym oraz jeżeli prędkość samochodu nie spada w czasie hamowania. Rys. 4 Podwozie samochodu BMW X5

93 Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych badań i analiz stwierdzono, że możliwa jest ocena stanu technicznego tarczowego układu hamulcowego pojazdu szynowego jak i samochodowego za pomocą wybranych parametrów sygnału drganiowego Ponadto w trakcie realizacji prac o charakterze diagnostycznym sformułowano następujące wnioski naukowe: 1. Stanowiskowe badania diagnostyczne wykazały, że jest możliwe określenie zużycia okładzin ciernych hamulca tarczowego, poprzez analizę wartości przyspieszeń drgań w dziedzinie amplitud i częstotliwości. 2. Diagnostyczne badania eksploatacyjne potwierdziły, że diagnozowanie zużycia okładzin ciernych hamulca tarczowego, w celu uzyskania najwyższej wartości współczynnika dynamiki zmian należy przeprowadzić z zastosowaniem analiz w dziedzinie częstotliwości.

94 Analiza możliwości zastosowań procesów wibroakustycznych do oceny stanu elementów ciernych kolejowego hamulca tarczowego Dziękuję za uwagę Dr inż. Wojciech Sawczuk Zakład Pojazdów Szynowych Politechniki Poznańskiej E-mail: wojciech.sawczuk@put.poznan.pl