SAWCZUK Wojciech 1 ULIKOWSKI Karol 2 Ocena kontaktu okładziny ciernej z tarczą hamulcową metodą termowizyjną WSTĘP Na obniżenie sprawności hamulca tarczowego zarówno pojazdów szynowych jak i samochodowych, maja wahania współczynnika tarcia, szczególnie przy hamowaniach z dużych prędkości (powyżej 160km/h). Przyczynami tego zjawiska są między innymi procesy termiczne oraz zjawisko powstawania tzw. warstwy trzeciej w styku okładziny z tarczą otrzymanej z produktów zużycia pary ciernej, opisane już w pracach [1, 2 3]. Dłuższe czasy hamowania powodują, że ze względu na trudności w odprowadzeniu zużytego materiału ciernego, na styku tarczy i okładziny powstaje dodatkowa warstwa zwiększająca poślizg okładziny względem tarczy hamulcowej, co zostało przedstawione w pracach [5, 6]. Celem artykułu jest ocena współpracy kolejowych okładzin ciernych z tarczą hamulcową w aspekcie nierównomiernego rozkładu temperatury na okładzinach ciernych metodą termowizyjną. Artykuł dodatkowo jest wprowadzeniem do szeroko rozumianych zjawisk nieliniowych jakie występują w procesie hamowania. Spowodowane jest to między innymi występowaniem warstwy trzeciej znajdującej się pod powierzchnią okładzin w styku z tarczą hamulcową, co dodatkowo wpływa na zmienność rozkładu temperatury na powierzchniach ciernych hamulca. W szerszym sensie również ma wpływ na zmienność nacisków okładzin na tarczę hamulcową i wahania chwilowego współczynnika tarcia w czasie zarówno hamowań zatrzymujących oraz hamowań ze stałą mocą. 1. METODYKA BADAŃ STANOWISKOWO-TERMOWIZYJNYCH Celem badań jest wyznaczenie temperatury na powierzchni okładzin ciernych w miejscu kontaktu z tarczą hamulcową za pomocą kamery termowizyjnej. Badania były przeprowadzane na stanowisku hamulcowym znajdującym się w Instytucie Pojazdów Szynowych TABOR w Poznaniu zgodnie z procedurą zawartą w [4]. Obiektem badań była tarcza hamulcowa typu 640 110 z wentylującymi łopatkami oraz trzy komplety okładzin ciernych typu 200, co przedstawia rysunek 1. Rys. 1. Obiekt badań: a) tarcza hamulcowa typu 640 110, b) okładzina typu 200P, c) okładzina typu 200L, Badania przeprowadzono dla 5-ciu prędkości początku hamowania tj. z v=50, 80, 120, 160 i 200km/h, dla każdej grubości okładziny ciernej 35mm (okładzina nowa), 25mm i zużytej o grubości 1 Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań. Tel. +48 61 665-2023, Fax: +48 61 665 2204, wojciech.sawczuk@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań. Fax: +48 61 665 2204, karol.ulikowski@wp.pl 4317
15mm. Po każdym hamowaniu zatrzymującym następowało chłodzenia tarczy do 50⁰C poprzez swobodne jej obracanie. Nacisk okładziny do tarczy hamulcowej wyniósł N=16, 26, 28 i 40kN. Masa do wyhamowania przypadająca na jedną tarczę zgodnie z programem [4] symulującą jazdę wagonu próżnego (bez obciążenia) i ładownego (z obciążeniem) wyniosła M=4,7 i 6,7t. Hamowania z 5-ciu prędkości przeprowadzono w trzech seriach dla niezmiennego nacisku okładziny do tarczy i masie hamującej. Następnie okładziny cierne były demontowane z zacisku hamulcowego i na powierzchniach ciernych wykonywano zdjęcie cyfrowe i termowizyjne co przedstawia rysunek 2. Rys. 2. Okładziny cierne wykorzystane do badań: a) widok okładzin z widoczną warstwą trzecią, b) zdjęcie termowizyjne okładzin ciernych, c) kamera termowizyjna FLIR e60, Wykonane zdjęcia IR następnie zostały otwarte i edytowane w programie FLIR Tools. Wspomniany program umożliwił wyznaczenie rozkładu średniej temperatury na okładzinie ciernej zarówno w miejscu osadzenie się warstwy trzeciej powstałej z połączonych produktów zużycia okładziny i tarczy hamulcowej oraz tylko na materiale ciernym okładziny. Dla każdej okładziny ciernej zostały naniesione dwa punkty pomiarowe. Jeden w miejscu powstania dobrze widocznej warstwy trzeciej o najwyżej temperaturze, oraz w miejscu poza tą warstwą która charakteryzowała się niższa temperaturą. Rys. 3. Zdjęcie termowizyjne okładzin ciernych otwarte w programie FLIR Tools z naniesionymi obszarami i znacznikami do wyznaczenia temperatury, Przykładowe zdjęcie termowizyjne 4-rech okładzin ciernych przypadających na zacisk hamulca tarczowego przedstawia rysunek 3. Dodatkowo naniesiono obszary o kształcie elipsy na każdej z okładziny w celu wyznaczenia jej średniej temperatury. Aby wyniki pomiarów charakteryzowały się możliwie najmniejszym błędem, przed pomiarami termowizyjnymi kamera została skonfigurowana w 4318
zakresie emisyjności, temperatury pozornej i otoczenia, wilgotności oraz odległości od badanego obiektu. 2. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Na rysunku 4 przedstawiono przykładowe zestawienie obrazów termowizyjnych wykonanych przy pomocy kamery IR FLIR e60 ze zdjęciami cyfrowymi powierzchni ciernych okładzin. Na zdjęciach IR ustawiono wspólny zakres temperatury (span) od 40 do 80 C. Rys. 3. Zdjęcia termowizyjne i cyfrowe okładzin ciernych typu 200 o grubości a) 35mm (okładzina nowa), b) 25mm, c) 15mm, W tabeli 1 przedstawiono zestawienie wyników temperatury okładzin ciernych wyznaczonych przy pomocy programu FLIR Tools. W tabeli przedstawione są wyniki temperatury maksymalnej (wyznaczonej z warstwy trzeciej), minimalnej oraz średniej temperatury powierzchni ciernej okładziny. 4319
Tab. 1. Pomiar temperatury w programie FLIR Tools dla okładziny typu 200 P i L Masa Grubość Temperatura [ C] Nacisk na tarczą Typ okładziny hamowana okładziny Maksymalna (na Różnica hamulcową [kn] [t] [mm] ciernej warstwie trzeciej) Minimalna Średnia T max -T min 35 16 L 78,6 50,7 27,9 63 P 89,2 41,3 47,9 64,7 26 L 79 43,1 35,9 60,7 P 91,7 39,1 52,6 69,1 4,7 25 16 L 84 52,3 31,7 63,5 P 81,1 51,7 29,4 61,7 26 L 78,6 46,9 31,7 61,8 P 78,9 34,1 44,8 64,3 15 16 L 78 45,2 32,8 59,9 P 82,1 52,7 29,4 66,9 26 L 80,6 43 37,6 58,8 P 89,5 52 37,5 73,4 25 28 L 60,9 39,4 21,5 50,8 P 70,2 44,6 25,6 58,2 40 L 74,3 39,6 34,7 59,7 P 65 40,5 24,5 58,1 6,7 28 L 112,8 68,9 43,9 93,7 P 88,4 54,5 33,9 79,2 15 40 L 103,4 57,9 45,5 80,1 P 104,5 50,9 53,6 79,3 28 L 66 48 18 58,9 P 76,8 52,2 24,6 69,1 P okładzina prawa, L okładzina lewa Na rysunkach 4-6 przestawiono graficzne zestawienie niektórych wyników pomiarów temperatury okładzin ciernych na jej powierzchni po serii 15 hamowań z prędkości 50, 80, 120, 160 i 200km/h. Rys. 4. Zależność temperatury okładzin od jej grubości po hamowaniu z naciskiem N=16kN i masie do wyhamowania M=4,7t, a) okładzina lewa (L), b) okładzina prawa (P), 4320
Rys. 5. Zależność temperatury okładzin od jej grubości po hamowaniu z naciskiem N=26kN i masie do wyhamowania M=4,7t, a) okładzina lewa (L), b) okładzina prawa (P), Rys. 6. Zależność temperatury okładzin od jej grubości po hamowaniu z naciskiem N=28kN i masie do wyhamowania M=6,7t, a) okładzina lewa (L), b) okładzina prawa (P), Analizując wyniki badań na tarczy hamulcowej typu 640 110 współpracującej z okładzinami typu 200 można zauważyć, że temperatura warstwy trzeciej jest podobna (nie przekraczając różnicy 10 C) dla wszystkich badanych okładzin niezależnie od ich zużycia. Niewielkie zmiany temperatury okładziny w miejscu powstałych nalepów są zbliżone zarówno przy hamowaniu z naciskiem N=16 i 28kN przy symulowanej masie do wyhamowania M=4,7t (jazda wagonu próżnego). Sytuacja nieznacznie się zmienia przy większym nacisku (ponad 26kN) i masie do wyhamowania M=6,7t, gdzie można zaobserwować wzrost temperatury na warstwie trzeciej szczególnie dla okładziny o grubości 15mm. Duże wahania temperatury okładziny ciernej w warstwie trzeciej względem pozostałych miejsc materiału ciernego może wpływać na zmienność rozkładu nacisków okładziny względem tarczy oraz na jej odkształcenia. WNIOSKI Analizując zdjęcia termowizyjne wykonane na okładzinach ciernych typu 200 po hamowaniach na tarczy typu 640 110 stwierdza się, że w miejscach tworzenia się nalepów powstałych z produktów 4321
zużycia temperatura jest wyższa niż w pozostałej części okładziny ciernej. Powoduje to nierównomierny rozkład temperatury na okładzinach, gdzie warstwa trzecia zmniejsza powierzchnię kontaktu między okładziną cierną a tarczą hamulcową o czym dowodzą przeprowadzone badania termowizyjne. Temperatura na warstwie trzeciej wzrasta znacząco przy naciskach przekraczających 26kN na tarczę oraz masach do wyhamowania symulujących jazdę wagonu ładownego, jednak rozrzut wyników na poszczególnych okładzinach jest duży i w dalszych pracach nad tym zagadnieniem będzie jeszcze powtarzane i sprawdzane. Przy mniejszych naciskach oraz masach do wyhamowania temperatura powstałych nalepów jest niższa i niezależna od grubości okładzin. W dalszych pracach nad oceną kontaktu okładzin z tarcza hamulcowa pojazdów szynowych planuje się przeprowadzenie badań na mniejszej tarczy typu 590 110 współpracującej z okładzinami typu 175 oraz zbadanie wpływu tworzenia się warstwy trzeciej na wybrane charakterystyki cierne jak przebieg chwilowego i średniego współczynnika tarcia. Projekt jest finansowany ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, program LIDER V, umowa nr LIDER/022/359/L-5/13/NCBR/2014 Streszczenie Niezawodność działania układu hamulcowego danego pojazdu uzależniona jest w dużej mierze od współpracy elementów hamulcowych stanowiących parę cierną np. tarcza hamulcowa-okładzina cierna. Niestabilność pracy wynika między innymi z wahania chwilowego współczynnika tarcia, co wpływa na obniżenie sprawności procesu hamowania. Celem artykułu jest ocena współpracy kolejowych okładzin ciernych z tarczą hamulcową w aspekcie nierównomiernego rozkładu temperatury na okładzinach ciernych metodą termowizyjną. Artykuł dodatkowo jest wprowadzeniem do szeroko rozumianych zjawisk nieliniowych jakie występują w procesie hamowania. Spowodowane jest to między innymi występowaniem warstwy trzeciej znajdującej się pod powierzchnią okładzin w styku z tarczą hamulcową, co dodatkowo wpływa na zmienność rozkładu temperatury na powierzchniach ciernych hamulca. W szerszym sensie również ma wpływ na zmienność nacisków okładzin na tarczę hamulcową i wahania chwilowego współczynnika tarcia w czasie zarówno hamowań zatrzymujących oraz hamowań ze stałą mocą. Słowa kluczowe: tarcza hamulcowa, okładzina cierna, temperatura okładzin ciernych, zjawiska nieliniowe, kamera termowizyjna, warstwa trzecia Evaluation of contact brake pad with the brake disc method to recognize the camera Abstract The reliability of the operation of the braking system of the vehicle depends to a large extent on the cooperation of the brake components forming a pair of friction e.g. brake disc-friction pad. Work instability arises by the occurrence of instantaneous changes to the coefficient of friction, which affects the lower efficiency of the braking process. The purpose of the article is to assess the contact of railway brake pads with the brake disc in the aspect of non-uniform temperature distribution on friction pads method to recognize the IR camera. The article, furthermore, the introduction of a wide range of nonlinear phenomena that occur during braking. This is due, in particular, the advent of the third layer under the surface of the lining in contact with the brake disc, which also affects the variability of the temperature distribution on friction surfaces of the brake. In a wider sense also affects the variability of the pressure of the brake pads on the brake disc and temporary fluctuations of the coefficient of friction, while stop braking and braking with constant power. Keywords: brake disc, friction pad, friction pad temperature, nonlinear phenomena, thermographic camera, sediment friction material BIBLIOGRAFIA 1. Dżuła S, Urbańczyk P., Wpływ zużycia elementów pary ciernej klocek hamulcowy koło zestawu kołowego na siłę hamowania, XIV Konferencja Naukowa POJAZDY SZYNOWE 2000, Kraków, Arkanów, 9-13 październik 2000, t. 2, s. 231-242. 2. Gąsowski W., Kaluba M., Trybologiczne badanie okładzin ciernych hamulca tarczowego pojazdów szynowych. Pojazdy Szynowe 1999 nr 1, s. 14-21. 4322
3. Kaluba M., Zużycie okładzin ciernych hamulca tarczowego pojazdów szynowych. Pojazdy Szynowe 1999 nr 4, s. 24-29. 4. Karta UIC 541-3, Hamulec-Hamulec tarczowy i jego zastosowanie. Warunki dopuszczenia okładzin hamulcowych. Wyd. 6, listopad 2006. 5. Piec P., Analiza zjawisk kontaktowych typu sick-slip w miejscu styku koła z klockiem hamulcowym. Monografia, Kraków 1995. 6. Ścieszka S.F., Hamulce cierne. Zagadnienia materiałowe, konstrukcyjne i tribologiczne. Wydawnictwo Gliwice-Radom 1998, s.15. 4323