SYSTEMY HAMOWANIA Hamulec klockowy Prowadzący dr inż. Wojciech SAWCZUK p. 409 BM
Literatura do przedmiotu: [1] Piechowiak T.: Hamulce pojazdów szynowych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2012. [2] Klinowski A.: Wagony kolejowe i hamulce, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1981. [3] Orlik A.: Hamulce pociągów kolejowych, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1982. [4] Kalinowski A., Orlik A.: Wagony kolejowe i hamulce, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1981 [5] Langut A.: Zasady ustroju i działania hamulców o sprężonym powietrzu, WKŁ 1955.
Wprowadzenie 10 X 1829 jest datowany na początek kolejnictwa na Świecie, George Stephenson postawił na tor pierwszą lokomotywę parową która po czterech latach eksploatacji ustanowiła pierwszy rekord prędkości na 57 km/h.
14 VI 1845 datowany jest na początek kolejnictwa w Polsce, uruchomiono linię Warszawsko-Wiedeńską po której kursowały pociągi z Warszawy do Grodziska Mazowieckiego
Ideą układów hamulcowych już od początku kolejnictwa było dociskanie klocka do obręczy. Najpierw odbywało się to ręcznie przez osoby nazywane hamulcowymi znajdujące się w każdym wagonie. Hamulce poszczególnych wagonów uruchamiane były na gwizdek maszynisty. Jednak hamulce nie były uruchamiane jednocześnie przez co szybko zmieniono i unowocześniono sposób ich uruchamiania.
W 1872 roku George Westinghouse wprowadził po raz pierwszy kamulec pneumatyczny, który umożliwiał centralne sterowanie hamulcem lokomotywy oraz powodował samoczynne hamowanie wagonów w przypadku rozerwania składu pociągu. Następnie pojawiły się różne nowe rozwiązania tego systemu ale jednocześnie różniące się od niego. Skomplikowało to zestawienie pociągu z hamulcami wyposażonymi w różne rozwiązania układów hamulcowych szczególnie w ruchu międzynarodowym, który datuje swój początek na XX wiek.
W 1922 roku powstaje Międzynarodowy Związek Kolei UIC Normalnotorowych. Ten związek w 1923 roku postanowił, że hamulce wagonów kursujących w ruchu międzynarodowym powinny działać według zasady zaproponowanej przez Georga Westinghouse. Od tej daty następował rozwój układów hamulcowych polegający na jego doskonaleniu. Efektem prac UIC tylko w zakresie hamulców kolejowych są przepisy, zalecenia i normy techniczne ustanowione przez właściwe komisje i podkomisje w formie kart UIC. Większość współczesnych hamulców kolejowych działa według zasady UIC. Zbiór warunków, które powinny spełniać hamulce wagonów dopuszczonych do ruchu międzynarodowego ujęto w odpowiednich kartach UIC. W 2008 roku zatwierdzone zostają Techniczne Specyfikacje Interoperacyjności TSI przez Komisje Unii Europejskiej. TSI jest zestawem obowiązkowych, generalnie funkcjonalnych wymagań, których celem jest zapewnienie interoperacyjności europejskiego systemu kolei. TSI
Rodzaje hamulców (podział ze względu na konstrukcję i zasilanie) Ręczne Z NAPĘDEM RĘCZNYM Próżniowe PRÓŻNIOWE Bezpośrednie BEZPOŚREDNIE Automatyczne AUTOMATYCZNE MECHANICZNE Mechaniczne Pneumatyczne PNEUMATYCZNE Bezpośrednie BEZPOŚREDNIE Rodzaje hamulców URZĄDZENIA HAMULCOWE ELEKTRODYNAMICZNE Elektrodynamiczne Elektropneumatyczne ELEKTROPNEUMATYCZNE Rezystorowe REZYSTOROWE Rekuperacyjne REKUPERACYJNE ZASILANE SPRĘŻONYM Zasilane POWIETRZEM sprężonym powietrzem Automatyczne AUTOMATYCZNE Sprężynowe parkingowe SPRĘŻYNOWE PARKINGOWE Wiroprądowe WIROPRĄDOWE ELEKTROMECHANICZNE Elektromechaniczne SZYNOWE ELEKTROMAGNETYCZNE Szynowe elektromagnetyczne
Wybrane warunki jakie muszą spełnić hamulce pneumatyczne wagonów towarowych i pasażerskich aby mogły być przyjęte do ruchu międzynarodowego według karty UIC 540-0: 1. Nowe hamulce pneumatyczne pojazdów szynowych powinny bez trudności współpracować z hamulcem już eksploatowanym. 2. Hamulec powinien działać samoczynnie, zastosowanie sprężonego powietrza powinno wystarczyć do uruchomienia hamulca i do wytworzenia siły hamowania przy pomocy jednego przewodu zwanego przewodem głównym o średnicy 25 lub 32mm. 3. Dopuszcza się jednak stosowanie energii elektrycznej do sterowania hamulcem pod warunkiem, że hamulec można uruchomić przy pomocy samego sprężonego powietrza. Normalne ciśnienie robocze powinno wynieść 5bar (0,5MPa), hamulec powinien przy wyższym i niższym o ±1bar działać od ciśnienia normalnego. 4. Hamowanie powinno być osiągnięte na skutek spadku ciśnienia w przewodzie głównym a odhamowanie (luzowanie) przez wzrost tego ciśnienia. 5. Przy pomocy hamulca stosowanego w pojeździe szynowym musi być możliwe dokonywanie zarówno hamowania nagłego poprzez szybki i znaczący upust powietrza z przewodu głównego jak i stopniowego hamowania aż do osiągnięcia pełnego hamowania służbowego. Musi również istnieć możliwość stopniowego odhamowania. 6.
Wybrane warunki jakie muszą spełnić hamulce pneumatyczne wagonów towarowych i pasażerskich aby mogły być przyjęte do ruchu międzynarodowego według karty UIC 540-0: 5. 6. Dla uzyskania pełnego hamowania służbowego wychodząc od normalnego ciśnienia roboczego należy zredukować ciśnienie w przewodzie głównym o 0,5-1bar. Maksymalne ciśnienie osiągnięte w cylindrze hamulcowym powinno wynieść 3,8±0,1bar. 7. Nieczułość hamulca na powolne spadki ciśnienia w przewodzie głównym powinna być taka aby hamulec nie reagował na spadek 0,3bara na minutę. 8. Czułość hamulca na spadki ciśnienia w przewodzie głównym powinna być taka aby hamulec włączył się przed upływem 1,2 sekundy przy spadku ciśnienia 0,6bara na 6 sekund począwszy od normalnego ciśnienia roboczego. 9. Hamulec powinien być niewyczerpalny. 10.Hamulec pojazdów szynowych powinien być tak wykonany by istniała możliwość zmiany siły hamowania w zależności od masy ładunku w przypadku wagonów towarowych(jeden lub kilka stopni hamowania) lub w zależności od prędkości jazdy dla wagonów pasażerskich kursujących w pociągach pospiesznych. 11.Hamulec powinien być tak skonstruowany by można było go wykorzystać jako hamulec dla pociągów towarowych lub pociągów osobowych albo osobowotowarowych. W tym przypadku powinno być urządzenie przestawcze umożliwiające stosowanie hamulca w jednym lub drugim położeniu. 12.
Wybrane warunki jakie muszą spełnić hamulce pneumatyczne wagonów towarowych i pasażerskich aby mogły być przyjęte do ruchu międzynarodowego według karty UIC 540-0: 11. 12.Czas napełniania cylindra dla pojedynczego wagonu mierzony od początku wzrostu ciśnienia w cylindrze hamulcowym aż do osiągnięcia 95% jego wartości maksymalnej przy hamowaniu nagłym powinien wynieść dla hamulca wagonu towarowego 18-30 sekund a dla wagonu osobowego 3-5 sekund. W pierwszym etapie hamowania ciśnienie w cylindrze hamulcowym powinno szybko wzrastać by spowodować szybkie dojście (przylgnięcie) klocka do kół. Nacisk klocków na koło powinno wówczas wynieść około 10% nacisku maksymalnego. 13.Czasy luzowania hamulca (upust sprężonego powietrza z cylindra hamulcowego) mierzony od początku spadku ciśnienia w cylindrze aż do osiągnięcia wartości 0,4 bara powinno wynieść dla hamulca w położeniu towarowy 45-60 sekund a dla hamulca w położeniu osobowy 15-20 sekund. 14.W pojedynczych wagonach powinno być możliwe, po pełnym hamowaniu dokonanie luzowania nagłego przy ciśnieniu co najmniej 6 bar utrzymywanego w przewodzie głównym w czasie co najmniej 40 sekund w położeniu towarowy oraz co najmniej 10 sekund w położeniu osobowym. 15.Prędkość rozchodzenia fali hamowania przy hamowaniu nagłym z normalnego ciśnienia roboczego powinno wynieść co najmniej 250m/s przy dowolnym składzie pociągu. Dla hamulców zastosowanych na wagonach wyprodukowanych po 1990 roku ta prędkość powinna wynieść 290m/s.
Podstawowe pojęcia w teorii hamowania pociągu i hamulcach Hamowanie jest pracą sił hamowania na drodze hamowania. Ponadto pod pojęciem hamowania rozumie się proces wytworzenia siły hamowania. Siła hamowania jest sztucznie wytworzonym oporem przeciwnie skierowanym do kierunku ruchu pociągu o wielkości powodującej osiągnięcie możliwie najkrótszej drogi hamowania. Droga hamowania jest odcinkiem toru przebytym przez pociąg od chwili wystąpienia sygnału do hamowania (wywołanego przez maszynistę) lub inne czynniki jak zerwanie składu pociągu lub użycie hamulca bezpieczeństwa. Maksymalna wartość siły hamowania jest ograniczona wartością opóźnienia jakiego doznaje hamowany pociąg i ustalona ze względu na komfort podróży. Maksymalna wartość opóźnienia w czasie hamowania nie powinna przekraczać 2 m/s2.
Podstawowe pojęcia w teorii hamowania pociągu i hamulcach Wyróżniamy hamowania: - pełne, - ruchowe (służbowe), - nagłe. Hamowanie nagłe jest to hamowanie przy którym uzyskuje się możliwie najkrótszą drogę hamowania. Stosowane jest w przypadkach koniecznych zagrażających bezpieczeństwu lub losowych np. zerwanie się pociągu. Hamowanie jest poprzedzone maksymalnie szybkim upustem sprężonego powietrza z przewodu głównego. Hamowanie ruchowe stosuje się w sytuacjach w których zatrzymanie bądź zmniejszenie prędkości jest z góry przewidziane lub planowane np. dojazd pociągu do stacji. Hamowania pełne występuje wówczas gdy podczas hamowania ruchowego (służbowego) siła hamowania osiągnie wartość maksymalną.
Podział materiałów ciernych Materiały cierne Żeliwo Materiały kompozytowe Organiczne Spieki metaliczna
Rodzaje materiałów klocka: - materiały metalowe (żeliwa), - materiały kompozytowe (tworzywa niemetaliczne). Żeliwo fosforowe (wysokofosforowe) głównie stosowane przez przewoźników zagranicznych (USA), żeliwo o zawartości fosforu 2,5-3,5% znane pod nazwą Abeks (od firmy produkcyjnej). Charakteryzuje się zwiększoną stabilnością przebiegu współczynnika tarcia w funkcji prędkości o około 20-25% względem żeliwa szarego oraz o około 50% zwiększoną trwałością na zużycie (również względem żeliwa S). Wadą tego żeliwa jest powstawanie mikropęknięć na obręczach powodujących przyspieszone jej zużycie wymuszone kolejnymi przetoczeniami. Żeliwo szare oznaczone jako S jako materiał na klocek charakteryzuje się znacznym spadkiem współczynnika tarcia w funkcji prędkości. Wartość tego współczynnika mieści się w granicach 0,10-0,22. Niestety również mało odporny na zużycie. Jednak zaletą tego materiału jest dobra przewodność cieplna i dobre własności tłumiące. Żeliwo fosforowe (niskofosforowe) jako materiał na klocki posiada oznaczenie P6, P10 i P16 (dwa pierwsze stosowane w Polsce). Cechą tego materiału na klocki hamulcowe jest: - stabilny przebieg współczynnika tarcia w funkcji prędkości o około 10% w stosunku żeliwa szarego, - wyższa odporność na zużycie od 40-50% względem żeliwa szarego.
Składnik żeliwa w klocku Żeliwo szare S Skład chemiczny Żeliwo fosforowe P10 Żeliwo fosforowe P14 C (całkowity) 2,8-3,6 2,8-3,6 2,8-3,6 C (grafit) 1,6-2,6 1,6-2,6 1,6-2,8 Si 1,2¹-2,1 1,2-2,2 1,2-2,2 Mn 0,4-1,2 0,4-1,2 0,4-1,2 P 0,3-0,8 0,9-1,1² 1,35-1,55 S 0,16 max 0,16 max 0,16 max Twardość HB 220±30 230±30 180-260 ¹ dopuszcza się obniżenie wartości do 0,7 ² dopuszcza się podwyższenie do 1,3
Żeliwo sferoidalne charakteryzuje się sferycznym wydzieleniem grafitu, jest droższe od żeliwa szarego ze względu na dodatkowy proces sferytyzacji podczas odlewania i nie znalazło powszechnego zastosowania jako materiał na klocki hamulcowe. Stosuje się je przy produkcji tarcz hamulcowych, które mają wykazywać lepsze właściwości mechaniczno-eksploatacyjne od tarcz hamulcowych wykonanych z żeliwa szarego. Odporność na zużycie jest o około 30-35% wyższa względem żeliwa szarego. Klocki hamulcowe z dodatkiem fosforu mają tendencję do iskrzenia dlatego po badaniach stosuje się je w formie zmodyfikowanej z rowkami z nacięciami poprzecznymi i podłużnymi dzięki czemu występuje wentylacja powietrza i lepszy rozkład nacisków klocka do obręczy.
Żeliwa z dodatkami stopowymi Istotną rolę w badaniach tego typu żeliw odegrały ośrodki naukowe Japonii i Rosji. Japonia aktualnie dysponuje kilkoma gatunkami żeliwa zawierającego w składzie chemicznym dodatki tytanu (Ti) 0,3-0,7%, chromu (Cr) 0,1-0,125%, Molibdenu (Mn) 0,15-1,25%, Wanadu (V) 0,05-0,3%. Również rozpoczęto prace z dodatkiem boru 0,03-0,06%. Żeliwa te charakteryzują podwyższoną odpornością na zużycie o około 20-30% i o około 25% bardziej stabilnym przebiegiem współczynnika tarcia w funkcji prędkości hamowania. Spieki metaliczne są to kompozyty zawierające szereg metalicznych i niemetalicznych składników, które można sklasyfikować w następujących grupach: - metale tworzące osnowę, - dodatki ślizgowe, - dodatki cierne, - wypełniacze.
Metaliczną osnowę stanowią proszki żelaza lub miedzi których udział to 50-90% stanowi o trwałym mechanicznym związaniu w spieku składników niemetalowych. Dla zwiększenia wytrzymałości dodaje się takie metale jak cyna, cynk, stopy aluminium które ze względu na łatwą topliwość umacniają jednolitość materiału. Dodatki ślizgowe o udziale do 20% spełniają rolę materiałów smarnych na powierzchni tarcia zapobiegając zatarciom. Należą do nich m.in. dwusiarczek molibdenu MnOS2, siarczek ołowiu PbS, siarczek cynku ZnS. Dodatki cierne o udziale 0-20% mają za zadanie skompensować (lub przeciwstawić się) dodatkom ślizgowym i w zależności od ilości ukształtować odpowiedniej wartości współczynnik tarcia. Należą do nich m.in. karborund, kwarc, korund, mulid (dodatki kopalniane). Wypełniacze dodawane do spieków na osnowie miedzi stanowią uzupełnienie masy klocka dla obniżenia jego kosztów wytwarzania.
Zalety spieków: - duża możliwość kształtowania cech tarciowych ze względu na nieograniczoną praktycznie możliwość występowania różnych proporcji w składzie chemicznym ponieważ nie stanowią stopów ale tylko mieszaniny. - bardzo dobra przewodność cieplna, - najlepsza względem żeliwa szarego odporność na zużycie, - duża stabilność przebiegu współczynnika tarcia w funkcji prędkości zbliżona do przebiegu współczynnika przyczepności kół do szyn. μ [-] 0,4 0,3 0,2 0,1 Spiek It 30 firmy Jurid Żeliwo szare perlityczne 0 0 50 100 150 200 v [km/h] Najwyższą odporność wykazują spieki ceramiczno-metalowe dlatego mają szczególne zastosowanie w lotnictwie gdzie podczas hamowania samolotów temperatura nakładek hamulcowych osiąga wartość nawet 800 C. Wadą jest bardzo agresywne oddziaływanie na elementy współpracujące w układzie hamulcowym oraz wrażliwość na wilgoć.
Tworzywa niemetalowe (cierne tworzywa sztuczne) Ze względu na ośrodek wiążący można podzielić je na tworzywa kauczukowe, fenolowe, formaldechydowe, fenolowo-formaldechydowe. Wszystkie składają się z lepiszcza wiążącego składniki, które stanowią tworzywa, różnego rodzaju wypełniacze. Stosowanymi powszechnie lepiszczami są kauczuk naturalny (już rzadziej) i sztuczny. Oba lepiszcze stosowane są coraz rzadziej ze względu na stosunkowo niską temperaturę destrukcji (rozkładu). Wypełniacze stanowią: - do niedawna azbest hyzotylowy do około 1/3 masy klocka bardzo odporny na temperaturę a nasycony i oblany żywicą również odporny na zużycie. Od ponad 20 lat zakazany w stosowaniu ze względu na własności rakotwórcze. - azbest zastąpiono rodzajami różnych włókien tworzyw sztucznych m.in. włóknami różnych tworzyw silikonowych w wyjątkowych sytuacjach tworzywami węglowymi. Ponadto masę wypełniacza stanowi baryt stosowany dla obniżenia wartości współczynnika tarcia oraz obniżenia skłonności do zacierania się powierzchni współpracujących. Elektrokorund jako dodatek podwyższa wartość współczynnika tarcia jednak wykazuje skłonność do zacierania. - czerwień żelazowa podwyższa wartość μ i jednocześnie zmniejsza tendencję do zacierania. -
Tworzywa niemetalowe (cierne tworzywa sztuczne) Wypełniacze stanowią: -... - wypełniacze metalowe (opiłki rozdrobnionego drutu lub siatki) z takich metali jak stopy aluminium, mosiądzu, miedzi, stali, wprowadzone do tworzywa polepszają jego przewodność cieplną. - kwarc powoduje stabilność w przebiegu wysokiej wartości współczynnika tarcia. - ziemia okrzemkowa zapewnia utrzymanie średniej wartości współczynnika tarcia.
Tworzywa niemetalowe (cierne tworzywa sztuczne) Zalety tworzyw sztucznych w klockach hamulcowych: - większa stabilność współczynnika tarcia w funkcji prędkości i nacisków powierzchniowych co pozwala na rezygnację stosowania regulatorów nacisku na klocek w funkcji prędkości. - stabilność współczynnika tarcia powoduje stałą wartość opóźnienia hamowania. - zastosowanie klocków syntetycznych o dużym współczynniku tarcia daje możliwość podwyższenia mocy hamowania bez zwiększenia wielkości cylindrów hamulcowych. - charakteryzują się znacznie wyższą trwałością w stosunku do klocków żeliwnych (4-5 razy) np. wstawki Cobra eksploatowane w trudnych warunkach gwarantuje do około 61 tys. km przebiegu podczas gdy klocki żeliwne 12 tys. km. Rosyjskie klocki GKB10 100 tys. km. - obniżają hałas podczas hamowania o około 8-10dB względem wstawek żeliwnych.
Tworzywa niemetalowe (cierne tworzywa sztuczne) Wady tworzyw sztucznych w klockach hamulcowych: - złe własności w przewodzeniu ciepła powoduje nadmierne grzanie obręczy kół co przyspiesza ich zużycie a w skrajnych przypadkach poluzowanie obręczy. Na podstawie doświadczenia ustalono, że 60-70% ciepła powstającego przy hamowaniu wstawkami żeliwnymi odprowadzone jest przez koło a pozostała część przez wstawkę cierną. Zjawisko to ulega zmianie w przypadku kół ze wstawkami z tworzywa sztucznego. Wówczas 95% ciepła pochłaniane jest przez koło a zaledwie 5% przez klocek. - obniżenie współczynnik przyczepności koła do szyny przez gorsze wygładzenie koła, klocek wykazuje gorsze właściwości czyszczące koła niż klocek żeliwny. - są bardziej wrażliwe na wilgoć, wodę i śnieg niż wstawki żeliwne.
Oznaczenia klocków hamulcowych Oznaczenia klocków hamulcowych wywodzą się z nomenklatury niemieckiej i określają sposób zamocowania ich do obsad hamulcowych lub do elementów układu dźwigniowego hamulca. Wyróżnia się następujące rodzaje i oznaczenia klocków: - Klocki pojedyncze niedzielone B, - Klocki pojedyncze dzielone Bg, - Klocki dwuwstawkowe Bgu, - Klocki podwójne dzielone Bgb. B Bg Bgu Bgb
Wstawka typu B Wstawka hamulcowa PER Wstawka z żeliwa fosforowego dla kolei brytyjskich i irlandzkich Odlewnia Żeliwa i Metali Nieżelaznych, Spółdzielnia Pracy "SPOMEL" zlokalizowana jest w przemysłowej strefie miasta Lęborka przy ul. Abrahama 15 (województwo pomorskie) na obszarze ponad 2,5 ha. W obecnych granicach funkcjonuje od 1977 roku.
Wstawka typu Bg Widok pary ciernej ze wstawką typu Bg a) Klocek hamulcowy jednowstawkowy b) Obsada c) Dźwignia dwustronna nastawcza
Wstawka typu Bgu Widok pary ciernej ze wstawką typu Bgu a) Klocek hamulcowy dwuwstawkowy b) Obsada
Wstawka typu Bgd Widok pary ciernej ze wstawką typu Bgd a) Klocki hamulcowe b) Obsady wstawek c) Uchwyt klocka (obsady) d) Sprężyna dociskowa e) Zawieszenie klocka (wahacz) f) Belka poprzeczna (tzw. trójkąt) łącząca uchwyt klocka na drugim kole
Rodzaje klocków hamulcowych Wyróżnia się dwa rodzaje klocków hamulcowych: - bez obrzeża (najczęściej występujące), - z obrzeżem. Wstawki z obrzeżem są stosowane w niektórych lokomotywach, gdzie ze względu na konstrukcję wieszaków i dźwigni wstawka hamulcowa mogłaby się zsunąć z powierzchni tocznej koła. Wstawka hamulcowa DO 250 znajduje zastosowanie w: - Wagonach osobowych i towarowych, - Pojazdach spalinowych: SM30, SP30, SR53, SR71, SU42 Wstawka hamulcowa W14 znajduje zastosowanie w: - Lokomotywach spalinowych: SM42, SP42, ST44, 401DA, - Lokomotywach elektrycznych EC42, - Parowozach.
Rodzaje klocków hamulcowych Widok wstawek hamulcowych z obrzeżem na wózku lokomotywy ST44 bez zestawów kołowych
Wstawki hamulcowe mocowane są do obsady za pomocą klinów. W wagonach towarowych przystosowanych do rozładunku na obrotnicach kliny muszą być zabezpieczone przed wysunięciem a klocek w dodatkowe występy.
We wstawkach z tworzywa sztucznego znajdują się dodatkowe wgłębienia i występy w celu uniknięcia pomyłkowej zamiany ze wstawką żeliwną.
Wstawki kompozytowe W pojazdach szynowych rozróżnia się trzy typy wstawek kompozytowych: - typu LL (μm=0,1), - typu L (μm=0,1-0,12), - typu K (μm=0,25). μ [-] 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 25 50 75 100 v [km/h] Wstawka kompozytowa typu K Wstawka kompozytowa typu L Wstawka kompozytowa typu LL Wstawka żeliwna Zróżnicowanie typów wstawek kompozytowych wynika głównie z możliwości ich zamienności ze wstawkami żeliwnymi o średniej zawartości fosforu a cel zamienności wynika głownie z przyczyn ekonomicznych. Z punktu rozwoju techniki kolejowej stosowanie wstawek typu LL i L to utrzymywanie cech przestarzałych. Wynika to z eksploatacji wagonów towarowych starszego typu (klasyczny mechanizm dźwigniowy, duże cylindry hamulcowe oraz obręczowane zestawy kołowe)
Wstawki kompozytowe typu LL Wstawka kompozytowa typu LL wykazuje bardzo podobne własności jak wstawka żeliwna fosforowa typu P10. Można zamiennie ją stosować na wagonach bez ingerencji w układ hamulcowy. Wstawka typu LL ma podobny jak wstawka żeliwna przebieg współczynnika tarcia w funkcji prędkości oraz nacisku jak wstawka żeliwna (μa=0,1), również zbliżone są wahania chwilowego współczynnika tarcia. Charakterystyka średniego współczynnika tarcia w funkcji prędkości i nacisków dla materiału FR 510
Wstawki kompozytowe typu LL Wstawki typu LL stosuje się na wagonach towarowych i pasażerskich do prędkości v=120km/h, dobrze współpracują z kołem i nie wykazują agresywności. Hamowanie jest ciche bez iskrzenia. Charakteryzują się wielokrotnie mniejszym zużyciem niż wstawki żeliwne, dużą odpornością cieplną oraz stabilnym poziomem współczynnika tarcia w zmiennych warunkach atmosferycznych. Nacisk jednostkowy na wstawkę typu LL nie powinien przekraczać 150kN a dopuszczalna ciągła temperatura pracy to 380 C a chwilowa temperatura nie powinna przekraczać 450 C. Charakterystyka średniego współczynnika tarcia w temperatury dla materiału FR 510
Wstawki kompozytowe typu L Wstawki typu L również wykazują zbliżony przebieg średniego współczynnika tarcia jak wstawki żeliwne (μm=0,10-0,12) przy małym nacisku (obciążeniu). Jednak charakterystyka μm jest bardziej płaska względem wstawki żeliwnej. Wstawki typu L mają głównie zastosowanie w taborze pasażerskim, nie stosuje się ich w wagonach towarowych. Charakterystyka średniego współczynnika tarcia w funkcji prędkości i nacisków dla materiału FR 512
Wstawki kompozytowe typu L Wstawki typu L stosowane są do prędkości pojazdów pasażerskich do v=200km/h, zalecany nacisk jednostkowy wstawki do N=100kN a dopuszczalna temperatura ciągła pracy wstawki to 300 C, chwilowa temperatura to 400 C. Charakterystyka średniego współczynnika tarcia w temperatury dla materiału FR 512
Wstawki kompozytowe typu K Wstawki typu K charakteryzuje się ponad dwukrotnie wyższym średnim współczynnikiem tarcia niż wstawka żeliwna (μm=0,25). Zastosowane tej wstawki w wagonie przystosowanym do wstawek żeliwnych wymaga istotnej ingerencji w mechanizm dźwigniowy hamulca (zmiana przełożenia, średnica cylindra hamulcowego). Charakterystyka średniego współczynnika tarcia w funkcji prędkości i nacisków dla materiału FR 513
Wstawki kompozytowe typu K Wstawka typu K stosowana jest głownie do wagonów towarowych przystosowanych do prędkości v=120km/h, wstawka wykazuje dużo niższe zużycia niż wstawka żeliwna. Zalecany nacisk jednostkowy nie powinien przekraczać 100kN, dopuszczalna temperatura pracy to 500 C a dopuszczalna chwilowa temperatura pracy to 550 C (jak dla spieków metalicznych). Charakterystyka średniego współczynnika tarcia w temperatury dla materiału FR 513
Średni współczynnik tarcia μm [-] Porównanie wstawek hamulcowych LL, L i K 0,5 0,4 0,3 0,2 LL N=31kN, M=2,5t K N=17,6kN, M=2,5t K N=74,2kN, M=11,25t L N=82kN, M=2,5t 0,1 0 LL N=117kN, M=11,25t 20 40 60 80 100 120 140 Prędkość hamowania v [km/h] Zależność średniego współczynnika tarcia w funkcji prędkości hamowania dla wstawek typu LL, L i K
Średni współczynnik tarcia μm [-] Porównanie wstawek hamulcowych LL, L i K 0,5 0,4 0,3 K v=120km/h, M=11,25t 0,2 L v=120km/h, M=2,5t 0,1 0 LL v=100km/h, M=2,5-11,25t 20 40 60 80 100 120 Nacisk klocka do koła N [kn] Zależność średniego współczynnika tarcia w funkcji nacisków dla wstawek typu LL, L i K
Średni współczynnik tarcia μm [-] Porównanie wstawek hamulcowych LL, L i K 0,5 0,4 0,3 0,2 L v=70km/h K v=70km/h 0,1 0 LL v=70km/h 0 100 200 300 400 500 Temperatura koła T [ C] Zależność średniego współczynnika tarcia w funkcji temperatury koła dla wstawek typu LL, L i K
Wstawki kompozytowe typu K Wstawka typu K nie może być stosowana na wagonach z obręczowanymi zestawami kołowymi, ponadto wykazuje dużą wrażliwość na wilgoć, wodę i śnieg. Przykład przesunięcia (obrócenia) obręcz na kole bosym zestawu kołowego
Wstawki kompozytowe typu K Wstawka typu K nie może być stosowana na wagonach z obręczowanymi zestawami kołowymi, ponadto wykazuje dużą wrażliwość na wilgoć, wodę i śnieg.
Fiński operator VR jak informuje Fińska Agencja Bezpieczeństwa ds. Transportu (Trafi), do zdarzeń doszło w wagonach serii Snps i Snpss, które są używane do przewozu drewna. Wagony są wyposażone we wstawki hamulcowe C333, zamontowane na ramie wózka K16. Wagony były użytkowane przez około osiem lat. W tym okresie stwierdzono problemy z hamowaniem, z których najpoważniejszy dotyczył braku siły hamowania w warunkach zimowych. Siła hamowania uległa pogorszeniu, kiedy wagony zaczęto wykorzystywać do zestawiania całych pociągów. Wcześniej pociągi wyposażone były w wagony z żeliwnymi klockami hamulcowymi. Dochodzenie agencji bezpieczeństwa wykazało, że odprowadzanie ciepła ze wstawki hamulcowej nie jest wystarczające do stopienia śniegu i lodu znajdującego się między blokiem a kołem. Ze względu niski współczynnik tarcia siła hamująca działająca na wstawkę hamulcową jest mniejsza, co utrudnia usunięcie śniegu i lodu zalegającego pomiędzy wstawką a kołem.
Wstawki kompozytowe typu K Po wielu badaniach różnych producentów wstawek hamulcowych typu K otrzymały one dopuszczenie przez kartę UIC 541-4 a w konsekwencji TSI CR WAG oraz TSI NOISE. Typowe wstawki typu K to: - Jurid 816M firmy Honneywell, - Becorit 929-1SG, - CoFren C810 firmy Wabtec-Becorit, - Frenoplast FR 513.
Wstawki ze spieków metalicznych Spiekane materiały cierne to również kompozyty zawierające szereg składników metalicznych i niemetalicznych a ich osnowa głownie oparta jest na bazie żelaza, miedzi i ich stopów (np. brązów). Zastosowanie spieków jako wstawki hamulcowe wynika głównie z minimalizacji masy nowoczesnych lokomotyw lub elektrycznych zespołów trakcyjnych w przeciwieństwie do hamulca tarczowego.
Wstawki ze spieków metalicznych Zalety spiekanych wstawek hamulcowych: - wysoki współczynnik tarcia o małej zmienności w funkcji nacisków i prędkości, - możliwość zmniejszenia,masy pojazdu względem hamulca tarczowego, - niewielkie zużycie co przekłada się na jej żywotność, - znaczna odporność temperaturowa, większa niż wstawki żeliwne, co pozwala na realizację większych mocy hamowania, - nie powodują polerowania powierzchni tocznej kół, przez co nie pogorsza się przyczepność kół do szyn, - wilgotność wstawki i hamowanie na mokro nie zmieniają charakterystyk współczynnika tarcia, - dużo mniejsza skłonność do iskrzenia w trakcie intensywnego hamowania niż wstawki żeliwne czy kompozytowe.
Wstawki ze spieków metalicznych Wady spiekanych wstawek hamulcowych: - relatywnie wysoka ich twardość wpływa na zużycie powierzchni tocznych kół, - mniejsza przewodność termiczna niż wstawce żeliwnej, co powoduje mniejsze odprowadzenie ciepła przez klocek stąd kilkanaście procent więcej energii hamowania pozostaje jako ciepło w kole, - większa twardość sprawia dłuższe dopasowanie się wstawki do profilu koła, co skutkuje powstawaniem lokalnych stref o większym nacisku oraz gorących obszarów typu hot spots, - są znacznie droższe od wstawek żeliwnych fosforowych, jednak ze względu na mniejsze zużycie ich eksploatacja będzie tańsza.
Przykładowe przebiegi współczynnika tarcia wstawek hamulcowych żeliwnych i spiekanych Wstawka spiekana N=15kN Wstawka żeliwna N=62,5kN Wstawka żeliwna N=98,5kN
Po docieraniu Po próbach zasadniczych Widok powierzchni ciernej wstawki hamulcowej Carbone Lorraine C-W30-1 Po 235 hamowaniach zużycie wstawki 26g przy masie wstawki dotartej 8773g
Wstawki ze spieków metalicznych Pierwszym zagrożeniem generowanym przez wstawki spiekane jest możliwość tworzenia się martenzytu w wyniku nagrzewania i chłodzenia koła po hamowaniu. Martenzyt wykazujący większą objętość jest bardziej kruchy, co dalszej eksploatacji koła jest przyczyną powstawania mikropęknięć. Przykładowo po eksploatacji 10000km wyrwania na powierzchni tocznej mogą osiągać nawet 1,5,mm głębokości. Dla klocków żeliwnych takie zużycie występuje po 15-20 krotnie większym przebiegu. Aby uniknąć takiego uszkodzenia, po incydentalnym hamowaniu nagłym wskazane jest przetoczenie (reprofilacja) koła na głębokości 1,5-2mm. Wstawki ze spieków ze względu na ich cenę i specyficzne właściwości stosowane są w taborze droższym oraz na większe prędkości niż wagony towarowe. Są stosowane w lokomotywach dużej mocy przeznaczonych do prędkości 200km/h jako tańsze względem lokomotyw z hamulcem tarczowym.
Wstawki ze spieków metalicznych W celu stosowania okładzin spiekanych jako wstawki hamulcowe należy spełnić następujące wymagania: - hamulec pneumatyczny powinien być stosowany jedynie podczas hamowania nagłego (bezpieczeństwa), w każdym innym przypadku należy stosować hamulec elektrodynamiczny, - w zakresie małych prędkości hamulec klockowy (spiekany) powinien być regularnie załączany by kondycjonować powierzchnie toczne i wzajemnie dopasowywać zużywające się profile kół i klocka, - należy zrezygnować z blendingu tj. łącznego stosowania hamulca elektrodynamicznego i klockowego przy dużych prędkościach, - po hamowaniu tylko hamulcem mechanicznym (klockowym) od prędkości powyżej 140km/h (hamowanie przy uszkodzonym hamulcu elektrodynamicznym lub hamowanie nagłe) należy dokonać płytkiego przetoczenia koła.
Konsekwencja źle używanej wstawki spiekanej Uderzenie w kozła oporowego, WKD 009 styczeń 2013
Konsekwencja źle używanej wstawki spiekanej Nalepy
Konsekwencja źle używanej wstawki spiekanej
Konsekwencja źle używanej wstawki spiekanej