PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 98 Transport 2013 Wojciech Sawczuk, Franciszek Tomaszewski Politechnika Poznaska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu Zakad Pojazdów Szynowych ZASTOSOWANIE CHARAKTERYSTYK WIDMOWYCH SYGNAU DRGANIOWEGO DO DIAGNOZOWANIA HAMULCA TARCZOWEGO PRZY JEGO DWÓCH OBCIENIACH CIEPLNYCH Rkopis dostarczono, kwiecie 2013 Streszczenie: Artyku przedstawia autorsk metod diagnozowania zuycia okadzin ciernych poprzez analiz drga ukadu hamulcowego w czasie hamowania ze sta moc dokonujc analizy sygnaów w dziedzinie czstotliwoci. Dodatkowo uwzgldniono wpyw zwikszonej temperatury tarczy hamulcowej i okadziny na zmian charakterystyki widmowej przy szacowania zuycia okadzin ciernych. W czasie bada rejestrowano przyspieszenia drga generowane przez obsady hamulcowe z okadzinami w czasie hamowania. Sowa kluczowe: kolejowy hamulec tarczowy, diagnostyka hamulca, analiza widmowa 1. WPROWADZENIE Hamulce tarczowe, ze wzgldu na szereg zalet w stosunku do tradycyjnego powietrznego hamulca klockowego, s coraz czciej stosowane w wagonach pasaerskich oraz w pojazdach trakcyjnych. Do podstawowych zalet tarczowych ukadów hamulcowych naley stay, niezmienny w caym zakresie prdkoci wspóczynnik tarcia lizgowego, którego warto wynosi =0,35 [4]. Dugotrwaa eksploatacja tarczowych ukadów hamulcowych wykazaa, e na przyspieszone zuycie okadzin ciernych najwikszy wpyw ma hamowanie z duych prdkoci hamowania powyej 200 km/h oraz wysoka temperatura pary ciernej spowodowana rozpraszaniem energii pojazdu w czasie hamowania z duymi naciskami okadzin do tarczy [3]. Wówczas na powierzchni tarczy pojawiaj si mikropknicia, które rozrastaj si promieniowo przy kolejnych hamowaniach. Podczas okresowych przegldów tarczowych ukadów hamulcowych zauwaa si równie zuycie powierzchni czoowej obsady podtrzymujcej okadzin ciern.
586 Wojciech Sawczuk, Franciszek Tomaszewski Zuycia te powstaj z powodu nie dokonania wymiany zuytych okadzin ciernych na nowe po przekroczeniu wymiaru granicznego wynoszcego 30mm [1]. W niektórych przypadkach wystpowao tarcie samej obsady hamulcowej o tarcz hamulcow. Przykad tego uszkodzenia zosta przedstawiony na rysunku 1a) i 1b). Rys. 1. Uszkodzona obsada okadziny ciernej typu 175: a) widok od strony montau z okadzin ciern, b) widok od strony zamocowania do dwigni przycylindrowej; r w - promie wewntrzny, r z - promie zewntrzny, c) widok obsady na ukadzie dwigniowym Inn przyczyn uszkodzenia obsady okadziny jest zamocowanie okadziny typu 175 w obsadzie przystosowanej do wspópracy z okadzin typu 200 w wyniku czego nastpuje wyrwanie okadziny w miejscu zamocowania blachy nonej i tarcie samej obsady o tarcz hamulcow. Zniszczenie okadziny w miejscu czenia z obsad jest spowodowane rón dugoci czci czcej. Okadzina typu 200 wyposaona jest w cznik wraz z blach non o dugoci 160mm natomiast okadzina typu 175 posiada cznik o dugoci 152mm [5]. Zamocowanie dwóch okadzin typu 175 do obsady przystosowanej do okadzin typu 200, powoduje, e przy kadym hamowaniu okadziny przesuwaj si po rowku prowadzcym i uderzaj o zakoczenie rowka i zamek obsady co w konsekwencji w wyniku cigych uderze okadzin powoduje ich wyrwanie od czci mocujcej. Obserwacja wymian okadzin ciernych na wagonach z hamulcem tarczowym wykazaa u jednego z przewoników kolejowych, e na 374 przegldy midzypocigowe (liczba przegldów w okresie 6-ciu miesicy) zwizane z ukadem hamulcowych, stwierdzono 11 przypadków uszkodze obsad (imaków) jak przedstawiono na rysunku 1a) i 1b). Koszt wymiany jednego kompletu obsad okadzin wynosi okoo 1500z. Celem artykuu jest przedstawienie moliwoci wykorzystania sygnau drganiowego generowanego przez obsady hamulcowe do oceny zuycia okadzin ciernych hamulca tarczowego stosujc wybrane charakterystyki widmowe podczas symulowanych hamowa ze sta moc (hamowanie na spadku). W czasie bada dodatkowo uwzgldniono wpyw obnionej temperatury pary ciernej na pocztku hamowania na jednej z okadzin ciernych przy wyszej temperaturze pary ciernej na pozostaych grubociach okadzin ciernych na sygna wibroakustyczny.
Zastosowanie charakterystyk widmowych sygnau drganiowego 587 2. METODYKA I OBIEKT BADA Badania diagnostyczne przeprowadzone zostay w Instytucie Pojazdów Szynowych TABOR w Poznaniu na bezwadnociowym stanowisku do bada hamulców klockowych i tarczowych pojazdów szynowych (rys. 2). Obiektem bada bya tarcza hamulcowa typu 640 110 z wentylujcymi opatkami oraz 3 komplety okadzin typu 200 FR20H.2 firmy Frenoplast. Pierwszy komplet okadzin - nowy o gruboci 35 mm oraz 2 komplety zuyte do gruboci 25 mm i 15 mm. Rys. 2. Widok mechanizmu dwigniowego kolejowego hamulca tarczowego: a) obsada z przetwornikiem drga od strony obudowy cylindra (nie widoczna na zdjciu), b) obsada z przetwornikiem drga od strony toczyska, 1- obudowa cylindra hamulcowego, 2- toczysko cylindra hamulcowego, 3- dwignia lewa, 4- dwignia prawa, 5- niewidoczna obsada z przetwornikiem drga Do bada wykorzystano program badawczy 2B1 (I) zgodniez zacznikiem C.2 zawartym w Kodeksie UIC 541-3. Dla wspomnianego programu przeprowadzono hamowanie ze sta moc hamowania wynoszc 55kW [4]. Jest to symulacja zjadu pocigu ze sta prdkoci przy wczonym ukadzie hamulcowym. Prdko zjazdu v=80km/h, nacisk okadziny na tarcz N=28kN, cakowity symulowany czas zjazdu pocigu t=10min. Masa do wyhamowania przypadajca na jedn tarcz wyniosa w czasie bada M=6,7t. Na obsadach hamulcowych zamocowano przetworniki drga co przedstawia rysunek 2a i 2b przykrcony do obsady za porednictwem pytki mocujcej.
588 Wojciech Sawczuk, Franciszek Tomaszewski Rys. 3. Schemat toru pomiarowego przyspiesze drga generowanych przez obsad hamulcow z okadzinami w czasie hamowania Podczas bada rejestrowano sygnay przyspiesze drga w jednym kierunku tj. prostopadych do powierzchni ciernej tarczy hamulcowej. Do akwizycji sygnaów drga zastosowano zestaw pomiarowy skadajcy si z: piezoelektrycznego przetwornika przyspiesze drga, kasety pomiarowej typu B&K 3050-A-060 wraz z oprogramowaniem systemu PULSE 16.0. Tor pomiarowy przedstawiono na rysunku 3. Przetworniki drga typu 4504 firmy Brüel&Kjær wybrano na podstawie wytycznych zawartych w pracy [7], liniowe pasmo przenoszenia przetworników wynioso 13 khz. Czstotliwo próbkowania ustawiono na 131 khz. Oznacza to, e pasmo poddane analizie zgodnie z zalenoci Nyquista wynioso 65 khz. Badania zostay przeprowadzone zgodnie z zasadami eksperymentu czynnego [6]. Po przeprowadzeniu hamowania dla zadanej gruboci okadziny, zmieniano okadzin bez zmian pozostaych parametrów hamowania jak prdko zjazdu pocigu, docisk okadziny do tarczy czy masa hamujca i czas hamowania. Równoczenie obserwowano zmiany zachodzce w amplitudzie chwilowych przyspiesze drga. W czasie bada zwrócono uwag na moliwo zmiany sygnay wibroakustycznego pochodzcego z obsady z zamocowan okadzin w czasie hamowania z nisz temperatur ni przewiduje to Karta UIC 541-3. W pierwszym przypadku hamowania z okadzin o gruboci G1=35 mm temperatura bya nisza jak w pozostaych przypadkach hamowa i wyniosa dla tarczy okoo 20 C, rozkad redniej temperatury pary ciernej przed hamowaniem jak po hamowaniu trwajcym 10 minut przestawia rysunek 4. W pozostaych przypadkach hamowa na okadzinach o gruboci G2=25 mm i G3=15 mm temperatura pocztku hamowania dla tarcz hamulcowych wyniosa okoo 50 C.
Zastosowanie charakterystyk widmowych sygnau drganiowego 589 Rys. 4. Rozkad redniej temperatury pary ciernej tarcza hamulcowa-okadzina cierna z obsad hamulcow dla przypadku hamowania z okadzin o gruboci G1=35mm: a) pomiar temperatury przed hamowaniem, b) pomiar temperatury po zakoczonym hamowaniu ze sta moc, czas hamowania t h =10 min 3. WYNIKI BADA Celem analizy widmowej sygnaów drga byo wyznaczenie pasm czstotliwoci zwizanych ze zmian gruboci okadziny w czasie pracy ukadu hamulcowego. Do analizy widmowej wykorzystano fragment sygnau drganiowego pochodzcego z hamowania hamulcem tarczowym. Analiza czasowych fragmentów chwilowych wartoci przyspiesze drga wykazaa, e czas hamowania w cigu pierwszych 20 sekund jest okresem w którym widoczna jest najwiksza dynamika zmian (zaleno (1)) sygnau drganiowego od zuycia okadzin ciernych. Jednak do analizy w dziedzinie czstotliwoci wybrano fragment po pierwszej minucie hamowania, uznajc pierwszy okres hamowania jako stan przejciowy zwizany z dopasowaniem okadziny do tarczy (jej dotarciem) i ustabilizowaniem si parametrów hamowania przewidzianych dla przypadku hamowania ze staa moc. Widmo uzyskano przy pomiarze drga w kierunku prostopadym po powierzchni ciernej tarczy (kierunek Y 1 ) na obsadzie od strony obudowy cylindra. Do analizy w dziedzinie czstotliwoci wybrano fragment przebiegu czasowego chwilowych przyspiesze drga zarejestrowanych w przedziale 60-80 sekund co przedstawia rysunek 5.
590 Wojciech Sawczuk, Franciszek Tomaszewski Rys. 5. Warto chwilowa przyspiesze drga w funkcji czasu hamowania podczas hamowania ze sta moc dla trzech gruboci okadzin ciernych dla fragmentu hamowania t h =20 sekund Na rysunku 6 przedstawiono przykadowe widma amplitudowe przyspiesze drga dla rónych gruboci okadzin uzyskanych przy hamowaniu ze sta moc na tarczy o rednicy zewntrznej 640 mm w kierunku pomiaru drga Y 1. W tym kierunku uzyskano zadowalajc dynamik zmian zwizan ze zmian postaci widma amplitudowego. Badania pomiaru przyspiesze drga obsad hamulcowych w dziedzinie czstotliwoci wykazay, e moliwe jest znalezienie pasm czstotliwoci, w których obserwuje si zaleno wartoci skutecznej przyspiesze drga A RMS (równanie (1)) [7] od rónych gruboci okadzin w rozpatrywanym zakresie prdkoci podczas zjazdu pocigu z wczonymi hamulcami, zarówno dla kierunku Y 1 jak i Y 2 (pomiar od strony toczyska cylindra hamulcowego). Dla tego przypadku hamowania, kierunku pomiaru Y 1 oraz dla fragmentu hamowania, pasmo czstotliwoci zwizane ze zmian gruboci wynosi 1750-1850Hz. Na rysunku 7 przedstawiono posta widma amplitudowego po zastosowaniu filtra rodkowoprzepustowego dla powyszego zakresu czstotliwoci.
Zastosowanie charakterystyk widmowych sygnau drganiowego 591 Rys. 6. Zaleno amplitudy przyspiesze drga od czstotliwoci: a) grubo okadziny G1=35mm, b) grubo okadziny G2=25mm, c) grubo okadziny G3=15mm Rys. 7. Widmo amplitudowe przyspiesze drga po zastosowaniu filtra rodkowoprzepustowego w zakresie 1750-1850 Hz: a) grubo okadziny G1=35mm, b) grubo okadziny G2=25mm, c) grubo okadziny G3=15mm
592 Wojciech Sawczuk, Franciszek Tomaszewski W tabeli 1 przedstawiono zakresy czstotliwoci, w których obserwuje si zaleno wartoci skutecznej przyspiesze drga A RMS od zuycia okadzin zgodny dla tarczy hamulcowej typu 640. Dodatkowo przedstawiono dynamik zmian zgodnie z zalenoci (2) [2] badanego parametru diagnostycznego dla danych pasm czstotliwoci oraz wartoci wspóczynników korelacji dla liniowej zalenoci wartoci skutecznej przyspiesze drga od badanych gruboci okadzin ciernych. A s( t) RMS 1 T T 0 2 dt [m/s 2 ] (1) gdzie: T czas uredniania [s], s(t) warto chwilowa przyspiesze drga [m/s 2 ]. s2 D 20 lg (2) s1 gdzie: s 1 warto miary punktowej wyznaczonej dla okadziny G 3 lub G 2, s 2 warto miary punktowej wyznaczonej dla okadziny G 1. Tablica 1 Zestawienie wyników analizy widmowej sygnaów przyspiesze drga obsad hamulcowych z okadzinami ciernymi Tarcza hamulcowa typu 640 110, pomiar w kierunku Y 1 (pomiar od strony obudowy cylindra) RMS z pasma czstotliwoci w [m/s 2 ] Dynamika zmian [db] Dla G1= 35 Dla G2= 25 Dla G3= 15 Dla G2/G1 Dla G3/G1 [mm] [mm] [mm] Czstotliwo [Hz] Wsp. Korelacji R 1750-1800 0,5681 1,0283 1,1575 5,1544 6,1826 0,9513 1800-1850 0,5878 0,9457 1,1974 4,1298 6,1793 0,9950 Po uwzgldnieniu niszej temperatury pary ciernej przy hamowaniu z okadzin G1=35 mm 1750-1800 0,7106 1,0283 1,1575 3,2101 4,2383 0,9716 1800-1850 0,7199 0,9457 1,1974 2,3700 4,4195 0,9995 Wpyw zmiany temperatury pary ciernej podczas hamowania z okadzin G1=35 mm na warto chwilowych przyspiesze drga przedstawia rysunek 8 dla fragmentu hamowania poddanego analizie w dziedzinie czstotliwoci. Natomiast na rysunku 9 przedstawiono graficzn zaleno wartoci skutecznej przyspiesze drga A RMS od gruboci okadzin ciernych dla rozpatrywanego pasma czstotliwoci.
Zastosowanie charakterystyk widmowych sygnau drganiowego 593 Rys. 8. Warto chwilowa przyspiesze drga w funkcji czasu hamowania dla okadziny G1=35mm przy dwóch obcieniach cieplnych pary ciernej hamulca tarczowego Rys. 9. Zaleno wartoci skutecznej przyspiesze drga A RMS od gruboci okadzin ciernych ze szczególnym zwróceniem na zmian A RMS dla okadziny G1=35 mm podczas hamowa przy dwóch rónych rozkadach redniej temperatury pary ciernej hamulca tarczowego
594 Wojciech Sawczuk, Franciszek Tomaszewski 4. PODSUMOWANIE Stanowiskowe badania diagnostyczne wykazay, e moliwe jest diagnozowanie zuycia okadzin ciernych hamulca tarczowego dokonujc analizy wartoci chwilowych przyspiesze drga obsad z okadzinami w dziedzinie czstotliwoci. Do celów diagnostyki wystarczajce jest zarejestrowanie 20-to sekundowego fragmentu przebiegu czasowego sygnau chwilowych przyspiesze drga w czasie hamowania. Analiza drga obsad w dziedzinie czstotliwoci umoliwia diagnozowanie zuycia okadzin ciernych w pamie czstotliwoci 1750-1850 Hz. Jest to pasmo, w którym obserwuje si zmiany w widmie amplitudowym w zalenoci od gruboci okadzin ciernych. Dla analizy w dziedzinie czstotliwoci dynamika zmian wyniosa 6dB natomiast hamowania okadzin o niszej temperaturze obnia dynamik o 2dB. Wówczas bd aproksymacji liniowej zalenoci A RMS od gruboci okadzin nie przekracza 10%. Projekt jest finansowany ze rodków Narodowego Centrum Nauki, nr N N504 644840 Bibliografia 1. Gruszewski M.: Wybrane zagadnienia eksploatacji hamulca tarczowego. Technika transportu Szynowego 6-7/1995, s. 84-86. 2. Grybo R.: Drgania maszyn. Wydawnictwo Politechniki lskiej, Gliwice 2009, s. 214. 3. Kaluba M.: Zuycie okadzin ciernych hamulca tarczowego pojazdów szynowych, Pojazdy Szynowe 1999 nr 4, s. 24-29. 4. Kodeks UIC 541-3. Hamulec-Hamulec tarczowy i jego zastosowanie. Warunki dopuszczenia okadzin hamulcowych. Wyd. 6, listopad 2006, s. 23. 5. Polska Norma ZN-2001 PKP-3517: Zespoy hamulca tarczowego. Warszawa 2006. 6. Rafajowicz E.: Optymalizacja Eksperymentu z Zastosowaniami w Monitorowaniu Jakoci Produkcji. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocawskiej, 2005. 7. Sawczuk W., Tomaszewski 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. EVALUATION OF VIBRATION GENERATED BY BRAKE SYSTEM FOR DIAGNOSIS IN DIFFERENT TEMPERATURE STATES Summary: The article presents a new method for diagnosis of the wear of friction pads through analysis of the braking vibration during braking with a permanent effect by making the analysis of signals in the frequency domain. In addition, account has been taken of the impact of increased temperature of brake disc and pads to change the frequency characteristics to estimation of the wear of friction pads. At the time of research there are vibration acceleration generated by the caliper with brake pads during braking. Keywords: railway disc brake, diagnostics of brake, frequency analysis