ZASTOSOWANIE CHARAKTERYSTYK WIDMOWYCH SYGNAŁU DRGANIOWEGO DO OCENY ZUŻYCIA ELEMENTÓW CIERNYCH KOLEJOWEGO HAMULCA TARCZOWEGO W CZASIE HAMOWAŃ ZATRZYMUJĄCYCH Wojciech Sawczuk 1 1 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu 2 Instytut Silników Spalinowych 3 Zakład Pojazdów Szynowych e-mail: wojciech.sawczuk@put.poznan.pl Słowa kluczowe: kolejowy hamulec tarczowy, diagnostyka hamulca, analiza widmowa. Streszczenie W pojazdach szynowych, ze względu na ciągły wzrost prędkości jazdy w celu uzyskania wymaganej drogi hamowania, stosuje się hamulec tarczowy jako hamulec zasadniczy. Do niewielu wad hamulca tarczowego zalicza się brak możliwości kontroli stanu pary ciernej tarczaokładzina w całym procesie eksploatacji. Jest to szczególnie zauważalne w wagonach kolejowych, w których tarcze hamulcowe zamocowane są na osi zestawu kołowego między kołami. Artykuł przedstawia autorską metodę diagnozowania zużycia okładzin ciernych poprzez analizę drgań układu hamulcowego w czasie hamowania zatrzymującego dokonując analizy sygnałów w dziedzinie częstotliwości. W czasie badań rejestrowano przyspieszenia drgań generowane przez obsady hamulcowe z okładzinami w czasie hamowania kolejowego hamulca tarczowego. Na tej podstawie wyznaczono regresyjne modele diagnostyczne oceny zużycia okładzin ciernych wykorzystując wartość skuteczną przyspieszeń drgań wyznaczonej z wybranych pasm częstotliwości. 1 WPROWADZENIE W pojazdach szynowych, ze względu na ciągły wzrost prędkości jazdy w celu uzyskania wymaganej drogi hamowania, stosuje się hamulec tarczowy jako hamulec zasadniczy. Do niewielu wad hamulca tarczowego zalicza się brak możliwości kontroli stanu pary ciernej tarcza-okładzina w całym procesie eksploatacji. Jest to szczególnie zauważalne w wagonach kolejowych, w których tarcze hamulcowe zamocowane są na osi zestawu kołowego między kołami [3]. W celu sprawdzenia zużycia okładzin ciernych i tarcz hamulcowych, konieczne jest wykorzystanie kanału rewizyjnego dla przeprowadzenia kontroli a w sytuacji osiągnięcia granicznego zużycia elementów ciernych również ich wymiany. W technice kolejowej do diagnozowania zużycia okładzin ciernych stosuje się stanowiska torowe, w których dokonuje się fotograficznej rejestracji obrazu pary ciernej tarcza hamulcowa-okładzina cierna podczas przejazdu pociągu. Następnie na podstawie zarejestrowanych obrazów dokonuje oszacowania grubości okładzin ciernych hamulca
tarczowego. Przy grubości okładzin wynoszącym 10mm, maszynista pociągu otrzymuje informację o osiągnięciu granicznego dopuszczalnego zużycia okładzin na danej osi zestawu kołowego. Stanowiska torowe do diagnostyki zużycia okładzin ciernych stosowane są m.in. na kolejach niemieckich, angielskich i francuskich. W pojazdach szynowych, najczęściej stosowane są układy sygnalizujące proces hamowania oraz luzowania, widoczne dla obsługi ze środka jak i z zewnątrz pojazdu. Wspomniane układy umożliwiają podczas przejazdu pociągu sprawdzenie, w którym z wagonów jest zablokowany układ hamulcowy. Celem badań jest wykorzystanie sygnału drganiowego obsad okładzin do oceny zużycia okładzin ciernych hamulca tarczowego, wyznaczając charakterystyki w dziedzinie częstotliwości, podczas badań na bezwładnościowym stanowisku hamulcowym. 2 METODYKA I OBIEKT BADAŃ Badania diagnostyczne przeprowadzone zostały w Instytucie Pojazdów Szynowych TABOR w Poznaniu na bezwładnościowym stanowisku do badań hamulców klockowych i tarczowych pojazdów szynowych (rys. 1). Obiektem badań była tarcza hamulcowa typu 590 110 z wentylującymi łopatkami oraz 3 komplety okładzin typu 175 FR20H.2 firmy Frenoplast. Pierwszy komplet okładzin - nowy o grubości 35 mm oraz po 2 komplety zużyte do grubości 25 mm i 15 mm. Rys. 1 - Stanowisko do badań kolejowego hamulca tarczowego: a) widok stanowiska w czasie badań diagnostycznych, b) widok obsady hamulcowej z przetwornikiem drgań; 1- obsada hamulcowa, 2- przetwornik drgań, 3- tarcza hamulcowa
Do badań wykorzystano program badawczy 2B2 (II) zgodniez załącznikiem C.2 zawartym w Kodeksie UIC 541-3. Dla wspomnianego programu przeprowadzono hamowanie zatrzymujące z prędkości v=50, 80, 120, 160 i 200km/h [5]. Nacisk okładziny na tarczę N=25kN, masa hamującą przypadająca na jedną tarczę wyniosła w czasie badań M=5,7t. Na dwóch obsadach hamulcowych zarówno od strony obudowy cylindra jak i od strony tłoczyska zamocowano przetwornik drgań. Rys. 2 - Schemat toru pomiarowego przyspieszeń drgań generowanych przez obsadę hamulcową z okładzinami w czasie hamowania Podczas badań rejestrowano sygnały przyspieszeń drgań w jednym kierunku tj. prostopadłych do powierzchni ciernej tarczy hamulcowej. Do akwizycji sygnałów drgań zastosowano zestaw pomiarowy składający się z: piezoelektrycznego przetwornika przyspieszeń drgań, kasety pomiarowej typu B&K 3050-A-060 wraz z oprogramowaniem systemu PULSE 16.0. Tor pomiarowy przedstawiono na rys. 2. Przetworniki drgań typu 4504 firmy Brüel&Kjær wybrano na podstawie wytycznych zawartych w pracy [1], liniowe pasmo przenoszenia przetworników wyniosło 13 khz. Częstotliwość próbkowania ustawiono na 131 khz. Oznacza to, że pasmo poddane analizie zgodnie z zależnością Nyquista wyniosło 65 khz. Badania zostały przeprowadzone zgodnie z zasadami eksperymentu czynnego. Po przeprowadzeniu hamowania dla zadanej grubości okładziny, zmieniano okładzinę bez zmian pozostałych parametrów hamowania jak prędkość zjazdu pociągu, docisk okładziny do tarczy czy masa hamująca i czas hamowania. Równocześnie obserwowano zmiany zachodzące w amplitudzie chwilowych przyspieszeń drgań.
3 WYNIKI BADAŃ Celem analizy widmowej sygnałów drgań było wyznaczenie pasm częstotliwości związanych ze zmianą grubości okładziny w czasie pracy układu hamulcowego. Do analizy widmowej wykorzystano zarejestrowane przyspieszenia drgań z hamowań z prędkości 50, 80, 120, 160 i 200km/h. Widmo uzyskano przy pomiarze drgań w kierunku prostopadłym po powierzchni ciernej tarczy (kierunek Y 1 ) na obsadzie od strony obudowy cylindra. Na rysunku 3-5 przedstawiono przykładowe widma amplitudowe przyspieszeń drgań dla różnych grubości okładzin uzyskanych przy hamowaniu ze wspomnianych prędkości na tarczy o średnicy zewnętrznej 590 mm (pomiaru drgań w kierunku Y 1 ). Rys. 3 - Zależność A RMS od częstotliwości dla różnych grubości okładziny przy hamowaniu z prędkości v=120km/h: a) grubość okładziny G1=35mm, b) grubość okładziny G2=25mm, c) grubość okładziny G3=15mm
Rys. 4 - Zależność A RMS od częstotliwości dla różnych grubości okładziny przy hamowaniu z prędkości v=160km/h: a) grubość okładziny G1=35mm, b) grubość okładziny G2=25mm, c) grubość okładziny G3=15mm Rys. 5 - Zależność A RMS od częstotliwości dla różnych grubości okładziny przy hamowaniu z prędkości v=200km/h: a) grubość okładziny G1=35mm, b) grubość okładziny G2=25mm, c) grubość okładziny G3=15mm
Badania pomiaru przyspieszeń drgań obsad hamulcowych w dziedzinie częstotliwości wykazały, że możliwe jest znalezienie pasm częstotliwości, w których obserwuje się zależność wartości skutecznej przyspieszeń drgań A RMS (równanie (1)) [6] od różnych grubości okładzin tylko w przypadków prędkości hamowania 120, 160 i 200km/h. Przy tych prędkościach uzyskano dynamikę zmian przekraczającą 6dB. Tabela 1 - Zestawienie wyników analizy widmowej sygnałów przyspieszeń drgań obsad hamulcowych z okładzinami ciernymi Częstotliwość w [Hz] Tarcza hamulcowa typu 590 110, pomiar w kierunku Y 1 (pomiar od strony obudowy cylindra) RMS z pasma częstotliwości w [m/s 2 ] Dynamika zmian w [db] Dla okładziny o gr. dziny o gr. dziny o gr. Dla okła- Dla okła- Dla okładzin o gr. 35 dzin o gr. 35 Dla okła- 35mm 25mm 15mm i 25mm i 15mm Wsp. Korelacji R Prędkość początku hamowania v=120km/h 1950-2000 0,3354 0,4623 0,6099 2,79 5,20 0,9991 2450-2500 0,2884 0,4787 0,6454 4,40 7,00 0,9993 Prędkość początku hamowania v=160km/h 1950-2000 0,3900 0,5966 0,8807 3,69 7,08 0,9959 2050-2100 0,4562 0,7514 0,8906 4,33 5,81 0,9792 2450-2500 0,3815 0,5418 0,9965 3,05 8,34 0,9639 Prędkość początku hamowania v=200km/h 1950-2000 0,7967 1,3565 1,6392 4,62 6,27 0,9824 3400-3450 0,3810 0,6612 0,9783 4,79 8,19 0,9994 5050-5100 0,4877 0,6284 1,0199 2,20 6,41 0,9649 5300-5350 0,3492 0,3935 0,7512 1,04 6,65 0,9119 W tabeli 1 przedstawiono zakres częstotliwości, w których obserwuje się zależność wartości amplitudy przyspieszeń drgań od zużycia okładzin dla tarczy hamulcowej typu 590 110 (pomiar na obsadzie hamulcowej od strony obudowy (Y 1 ). Dodatkowo przedstawiono dynamikę zmian zgodnie z zależnością (2) [4] badanego parametru diagnostycznego dla danego pasma częstotliwości oraz wartości współczynników korelacji dla liniowej zależności wartości amplitudy przyspieszeń drgań od badanych grubości okładzin ciernych. Natomiast na rysunku 6 przedstawiono graficzną zależność wartości skutecznej przyspieszeń drgań od grubości okładzin ciernych dla wspólnego pasma częstotliwości dla trzech prędkości hamowania tj. dla 1950-2000Hz.
Rys. 6. Zależność wartości skutecznej przyspieszeń drgań A RMS wyznaczonej z pasma częstotliwości 1950-2000Hz od grubości okładzin ciernych wyznaczonej dla prędkości hamowania v=120, 160 i 200km/h A RMS 1 T T s t 0 2 dt (1) gdzie: T czas uśredniania, s(t) wartość chwilowa amplitudy przemieszczeń drgań. s2 D 20 lg (2) s1 gdzie: s 1 wartość miary punktowej wyznaczonej dla okładziny G 3 lub G 2, s 2 wartość miary punktowej wyznaczonej dla okładziny G 1. Na rysunku 7 przedstawiono zależności grubości okładzin ciernych hamulca tarczowego G od wartości skutecznej przyspieszeń drgań A RMS w rozpatrywanym paśmie częstotliwości tj. 1950-2000Hz. Dla kierunku pomiarów drgań (tj. dla obsady z okładziną cierną połączonej z dźwignią z obudową cylindra hamulcowego) dokonano aproksymacji funkcją liniową zależności grubości okładziny od wartości skutecznej przyspieszeń drgań.
Rys. 7. Zależność grubości okładzin ciernych w funkcji wartości skutecznej przyspieszeń drgań wyznaczonej z pasma częstotliwości 1950-200Hz wyznaczonej dla prędkości hamowania v=120, 160 i 200km/h Ze względu na współczynnik R 2 aproksymacji zużycia okładzin ciernych względem wartości skutecznej przyspieszeń drgań, wyprowadzono zależności liniowe (3-5) dla oceny zużycia okładzin ciernych na podstawie pomiaru drgań generowanych przez obsadę zamocowanej z dźwignią do obudowy cylindra hamulcowego (kierunek Y 1 ). W czasie badań stanowiskowych symulowanych hamowań ze stałą mocą, najwyższe wartości współczynnika korelacji dla kierunku Y 1 uzyskano na dwóch typach badanych tarcza hamulcowych. G v (3) 2 120,1950 2000 72,722 ARMS v 120,1950 2000 59,121 R 0, 99 G v (4) 2 160,1950 2000 40,422 ARMS v 160,1950 2000 50,16 R 0, 99 G v (5) 2 200,1950 2000 22,913 ARMS v 200,1950 2000 53,965 R 0, 96 gdzie: G ( ) grubość okładziny, A RMS( ) wartość skuteczna przyspieszeń drgań w m/s 2 w kierunku Y 1. Niedokładność odwzorowania liniowych modeli regresyjnych opisanych zależnościami (3-5) przedstawia tabela 2.
Tabela 2 Błąd w % odwzorowania regresyjnych modeli liniowych w oszacowaniu rzeczywistej grubości okładzin Częstotliwość w [Hz] Tarcza hamulcowa typu 590 110, pomiar w kierunku Y 1 Dla okładziny o gr. 35mm Dla okładziny o gr. 25mm Dla okładziny o gr. 15mm Prędkość początku hamowania v=120km/h 1950-2000 0,78 1,97 1,57 Prędkość początku hamowania v=160km/h 1950-2000 1,76 4,01 3,02 Prędkość początku hamowania v=200km/h 1950-2000 1,99 9,25 8,57 Analiza wyników badań w dziedzinie częstotliwości wykazała, że dla poszczególnych pasm częstotliwości możliwe jest diagnozowanie zużycia okładzin ciernych przy znanej wartości skutecznej przyspieszeń drgań. Dynamika zmian wartości skutecznej przyspieszeń drgań dla okładzin G 1, G 2 i G 3 mieści się, w przedziale 6-8 db. 4 PODSUMOWANIE Stanowiskowe badania diagnostyczne wykazały, że możliwe jest diagnozowanie zużycia okładzin ciernych hamulca tarczowego dokonując analizy wartości chwilowych przyspieszeń drgań obsad z okładzinami w dziedzinie częstotliwości. Analiza drgań obsad w dziedzinie częstotliwości umożliwia diagnozowanie zużycia okładzin ciernych w kilku pasmach częstotliwości jednak możliwe jest wskazanie wspólnego pasma tj. 1950-2000Hz dla trzech prędkości początku hamowania tj. 120, 160 i 200km. Dla tych prędkości uzyskano zadowalającą dynamikę zmian przekraczającą 6dB. Zmiany postaci widma amplitudowego przyspieszeń drgań w zależności od zużycia okładzin ciernych hamulca są widoczne niezależnie od zamocowania przetwornika drgań na obsadzie hamulcowej od strony tłoczyska lub od strony obudowy cylindra hamulcowego. Wykorzystując wartości skuteczną przyspieszeń drgań, możliwe jest wykorzystanie modeli diagnostycznych do wyznaczenia zużycia okładzin ciernych. Maksymalny błąd w szacowania grubości okładziny ciernej nie przekracza 2% dla v=120km/h, 5% dla v=160km/h i nie przekracza 10% dla v=200km/h. Bibliografia [1] : Piezoelectric Accelerometer Miniature Triaxial Delta Tron Accelerometer Type 4504A, oferta firmy Brüel & Kjær, s. 2. [2] : Measuring Vibration. Revision September 1982, s. 16. [3] G r u s z e w s k i M.: Wybrane zagadnienia eksploatacji hamulca tarczowego, Technika transportu Szynowego 6-7/1995, s. 84-86. [4].: Drgania maszyn, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2009, s. 214.
[5] K o d e k s U I C 5 4 1-3., Hamulec-Hamulec tarczowy I jego zastosowanie. Warunki dopuszczenia okładzin hamulcowych, Wyd. 6, listopad 2006, s. 23. [6] S a w c z u k W., T o m a s z e w s k i F.: Assessing the wear of friction pads in disc braking system of rail vehicle by using selected amplitude characteristics of vibration signal. Vibration In Physical Systems, Volume XXIV, s. 335-361.