Stan diagnostyki układów hamulcowych

3. DIAGNOSTYKA PNEUMATYCZNYCH UKŁADÓW HAMULCOWYCH POJAZDÓW SZYNOWYCH

3.1. Stan diagnostyki układów hamulcowych

W zakresie diagnostyki kolejowych pneumatycznych układów hamulcowych nie występuje zbyt wiele pozycji literatury w czasopismach naukowych oraz materiałach konferencyjnych. Większość informacji zostaje podanych w normach branżowych, kartach UIC i rozporządzeniach. W przypadku przekładników ciśnienia oceny i analizy parametrów diagnostycznych można dokonać w oparciu o normę [25]. W niniejszej pracy wykorzystano własne doświadczenia i wiedzę zdobytą podczas wieloletnich obserwacji tych urządzeń podczas ich odbiorów jakościowych, zarówno nowych jak i naprawianych po eksploatacji na pojazdach kolejowych.

Jak już wspomniano niezdatności układów hamulcowych są jedną z podstawowych przyczyn wypadków powodowanych przez pojazdy mechaniczne. W związku z tym wykrycie niezdatności tego układu należy do najważniejszych zadań diagnostyki eksploatacyjnej pojazdów. Przydatność hamulców do wypełniania zadań jest determinowana ich skutecznością działania. Miarą skuteczności działania hamulców pojazdu, najlepiej odzwierciedlającą realizację ich zasadniczych zadań, jest droga lub opóźnienie hamowania pojazdu [9].

Na rysunku 3.1 przedstawiono strukturalny schemat diagnostyczny układu hamulcowego pojazdu szynowego, z którego widać, że poza stanem technicznym układu mechanicznego hamulca (układ dźwigniowy, para kinematyczna rozpraszająca energię), który nie jest przedmiotem niniejszej pracy, na skuteczność działania hamulców pojazdów mechanicznych ma wpływ stan techniczny pneumatycznego układu sterowania hamulcem pojazdu.

Kontrola stanu technicznego pneumatycznego układu hamulcowego pojazdu powinna obejmować [9]:

 sprawdzenie wstępne założonych funkcji (poprawności funkcjonowania) i osiąganie wymaganych parametrów,

 ocenę efektywności (skuteczności) działania hamulców,

 określenie stopnia zużycia poszczególnych elementów układu.

32

Rys. 3.1. Strukturalny schemat diagnostyczny układu hamulcowego

33

Celem tych sprawdzeń jest stwierdzenie możliwości prawidłowego funkcjonowania pneumatycznego układu hamulcowego podczas eksploatacji. Negatywny wynik sprawdzeń jest podstawą zakwalifikowania stanu technicznego tego układu do klasy stanu niezdatności i jest informacją o niecelowości dalszego sprawdzania efektywności jego działania oraz konieczności przekazania pojazdu do naprawy.

Diagnostyka pneumatycznych układów hamulcowych w pojazdach produkowanych seryjnie polega na sprawdzaniu realizowanych funkcji poprzez pomiary parametrów tego układu i porównaniu ich z parametrami wymaganymi. Próbom o najszerszym zakresie poddaje się układy hamulcowe pojazdów po ich wyprodukowaniu, modernizacji lub naprawie okresowej. Są to zarówno próby stacjonarne, po których przeprowadza się sprawdzenie działania hamulca w ruchu.

Funkcjonujący w kraju system diagnozowania stanu układów hamulcowych zgodnie z normą [26] określa program prób odbiorczych hamulca pneumatycznego PN dla wagonów towarowych, wagonów pasażerskich i pojazdów trakcyjnych. Program ten, oprócz oględzin sprawdzających poprawność wykonania i montażu układu oraz sprawdzenia szczelności instalacji pneumatycznej wagonu, wymaga stacjonarnych prób funkcjonalnych hamulca PN polegających na sprawdzeniu:

 drożności przewodu głównego,

 czasów napełniania zbiornika pomocniczego i zbiornika sterującego,

 czułości i nieczułości hamulca na odpowiednie spadki ciśnienia w przewodzie głównym,

 największych wartości ciśnień cylindrowych, ciśnienia zaskoku w nastawieniu

"Towarowy" oraz czasów napełniania i opróżniania cylindrów hamulcowych we wszystkich nastawieniach hamulca,

 wartości ciśnienia z zaworu lub zaworów ważących w stanie próżnym wagonu,

 zdolności hamulca do hamowania i odhamowania stopniowego zwłaszcza w stanie próżnym wagonu,

 działania przyspieszacza hamowania nagłego,

 działania hamulca bezpieczeństwa,

 poprawności działania odluźniacza,

 skoku tłoka i działania nastawiacza przekładni hamulcowej.

Próby stacjonarne pneumatycznego układu hamulcowego wagonu przewidziane w normie [26] wykonuje się po podłączeniu wagonu do układu umożliwiającego sterowanie

34

hamulcem PN poprzez zadawanie wartości i gradientu ciśnienia w przewodzie głównym.

Najprostszym rozwiązaniem takiego układu jest główny zawór maszynisty zaopatrzony w manometry przewodów zasilającego i głównego, zasilany ze stacjonarnej sieci sprężonego powietrza i podłączony do przewodu głównego badanego wagonu. Próby stacjonarne wagonów wykonuje się wówczas na specjalnym stanowisku odbiorczym.

Próby o mniejszym zakresie wykonuje się podczas przeglądów okresowych przewidzianych procedurami eksploatacyjnymi użytkowników. Najczęściej natomiast sprawdza się działanie układu hamulcowego pojazdu znajdującego się w składzie pociągu jednak zakres tych prób jest najmniejszy. Próby te wykonuj się np. dla wagonów towarowych w oparciu o minimalną procedurę prób diagnostycznych układu hamulca wagonu przedstawioną w karcie UIC 543-1 [15].

W karcie tej przedstawiono procedury i określono wymagane wartości oraz odchyłki dopuszczalne parametrów, które w zasadzie są zgodne z wymaganiami zawartymi w kartach UIC 540 i 547 [16,17], obowiązującymi dla nowych i modernizowanych pojazdów. Część wymaganych wartości i odchyłek jest poszerzona, gdyż celem minimalnych prób (diagnostyki eksploatacyjne wagonów) jest jedynie kontrola istotnych parametrów hamulca zapewniających bezpieczną eksploatację pojedynczego wagonu w pociągu. Procedury minimalnych prób hamulca wagonu podzielono na kontrolę części mechanicznej i części pneumatycznej.

W pkt. 1.2.2 karty UIC 543-1 są opisane procedury minimalnych prób hamulca dla części pneumatycznej, które obejmują badania:

 szczelności instalacji pneumatycznej hamulca wagonu (szczelność przewodu głównego),

 szczelności obwodu cylindra hamulcowego (szczelność cylindra, max wartość ciśnienia),

 czułości (zadziałania) hamulca na spadek ciśnienia w przewodzie głównym 0,6 bar/6 s,

 nieczułości hamulca (brak zadziałania) na spadek ciśnienia w przewodzie głównym 0,6 bar/120 s,

 zdolności luzowania hamulca (kontrola szczelności zbiornika sterującego – stabilność ciśnienia cylindrowego w czasie oraz zdolność do prawidłowego luzowania ciśnienia w cylindrze),

35

 pomiar czasu napełniani i luzowania cylindra oraz pomiar wartości max ciśnienia w cylindrze (dla symulowanych różnych stanów obciążenia wagonu),

 kontrolę szczelności przyłączy pomiarowych (po zakończonych próbach) We wszystkich wyżej wymienionych próbach istotny wpływ na osiągane parametry mają przede wszystkim dwa podstawowe elementy układu pneumatycznego hamulca pojazdu: zawór rozrządczy i przekładnik ciśnienia. Prawidłowe działanie przekładnika ciśnienia, który bezpośrednio napełnia cylinder hamulcowy jest więc kluczowe dla spełnienia wymagań w w/w normatywach, a co za tym idzie spełnienia warunków bezpiecznej eksploatacji pojazdu.

Próby wymienione w karcie UIC 543-1 powinny być wykonywane za pomocą urządzenia do kontroli hamulca spełniającego następujące wymagania:

 zasilanie urządzenia ze stacjonarnej sieci sprężonego powietrza,

 sterowanie mikroprocesorowe,

 wyposażenie w niezbędne przetworniki do pomiaru ciśnień,

 samoczynna kalibracja do wybranego typu wagonu,

 samoczynne realizowanie prób zgodnie z programem określonym w karcie,

 wizualizacja i zapamiętywanie wyników prób,

 samoczynna ocena wyników bez możliwości ingerencji personelu

Przykładem urządzenia spełniającego wymagania karty UIC 543-1 jest system do badania układów hamulcowych wagonów towarowych HADIAG [8]. W systemie tym program prób wymagany w karcie UIC 543-1 jest programem minimalnym. System ten może realizować w sposób automatyczny próby wymagane w normie [26] oraz sprawdzanie odporności układu hamulcowego na przeładowanie. Możliwości te oraz wyposażenie systemu w czujnik przemieszczenia do pomiaru skoku tłoka sprawiają, że może być on wykorzystywany zarówno w zakładach produkcyjnych i naprawczych jak i przez użytkowników wagonów.

Najczęściej wykonywanym działaniem diagnostycznym dotyczącym układu hamulcowego wagonu jest codzienne stacjonarne i ruchowe sprawdzenie jego funkcjonowania w składzie pociągu. Zakres i sposób wykonania tych prób wynikają z procedur poszczególnych przewoźników kolejowych. Na przykład zgodnie z instrukcją [11] PKP Cargo podczas szczegółowej próby hamulca przed „wyprawieniem” pociągu w drogę:

36

 przeprowadza się oględziny układu hamulcowego sprawdzając jego kompletność, właściwe ustawienia kurków końcowych, wyłączników hamulca i urządzeń nastawczych oraz brak nieszczelności powodujących słyszalne wycieki powietrza,

 sprawdza się obecność sprężonego powietrza na końcu przewodu głównego i zmierzyć manometrem wartość ciśnienia tam panującego,

 sprawdza się szczelność przewodu głównego w warunkach hamowania służbowego (ciśnienie obniżone o 100kPa względem wartości nominalnej)

 sprawdza sie, czy we wszystkich wagonach z włączonym układem hamulcowym wdrażane jest hamowanie na skutek obniżenia ciśnienia w przewodzie głównym o 50  70kPa względem wartości nominalnej,

 sprawdza się, czy hamulce wszystkich wagonów pociągu są wyluzowane po podwyższeniu ciśnienia w przewodzie głównym do wartości nominalnej

 w pociągu towarowym z wagonami dwuosiowymi sprawdza się, czy rozmieszczenie wagonów hamowanych jest właściwe.

Wyżej opisane próby nie wymagają podłączenia do wagonów urządzeń diagnostycznych (z wyjątkiem manometru podłączanego do sprzęgu hamulcowego w ostatnim wagonie pociągu) i mogą być wykonane z lokomotywy prowadzącej pociąg.

Pozwalają one tylko ocenić szczelność układu hamulcowego pociągu i jego zdolność do działania. Weryfikacją pozytywnych wyników tej próby stacjonarnej jest przewidziane próba ruchowa pociągu [11] zwana hamowaniem kontrolnym po ruszeniu pociągu ze stacji początkowej. Podczas tej próby maszynista subiektywnie ocenia skuteczność hamulca pociągu zaraz po osiągnięciu prędkości 60 km/h poprzez odpowiednie hamowanie pociągu. Konieczność częstego wykonywania tych prób (codziennej stacjonarnej i ruchowej) zapewnia bardzo szybkie wykrycie niezdatności w układzie hamulcowym pociągu, zapewniać bezpieczną eksploatację. Niesprawności się usuwa lub eliminuje się uszkodzone wagony z eksploatacji przekazując je do naprawy.

Coraz częściej w lokomotywach i zespołach trakcyjnych stosuje się układy hamulcowe sterowane mikroprocesorowo. W układach takich manualne sterowanie hamulcami z aktywnego stanowiska maszynisty odbywa się za pośrednictwem elektrycznych sygnałów lub za pośrednictwem magistrali danych, a w kształtowaniu przebiegów ciśnień w przewodzie głównym hamulca PN i w cylindrach hamulcowych podczas hamowań hamulcem dodatkowym lub hamulcem elektropneumatycznym EP-B

37

pośredniczą układy automatycznej regulacji ze sprzężeniem zwrotnym sterowane mikroprocesorowo. Sygnały z przetworników pomiarowych ciśnienia (w przewodzie głównym, cylindrach hamulcowych i komorach sterujących odpowiednich przekładników ciśnienia) zapewniające układowi sterowania sprzężenie zwrotne są z reguły wykorzystywane również dla celów diagnostycznych. Ponadto do mikroprocesorowego układu sterowania hamulcami można podłączyć przetworniki ciśnienia i wyłączniki ciśnieniowe, czujniki natężenia przepływu powietrza i czujniki temperatury oraz zawory odcinające i wyłączniki sterowane ręcznie przeznaczone wyłącznie dla celów diagnostycznych. Do celów diagnostycznych można też wykorzystać wszystkie sygnały wejściowe i wyjściowe związane z mikroprocesorowym układem sterowania hamulcami.

Szerokie możliwości diagnostyczne wynikają też z połączenia tego układu również z mikroprocesorowym układem sterowania napędem i z monitorem zabudowanym w aktywnej kabinie maszynisty za pośrednictwem magistrali danych [35].

Sygnały wchodzące do sterownika hamulców i sygnały generowane przez ten sterownik umożliwiają powierzenie temu sterownikowi pełnej, automatycznej diagnostyki układu hamulcowego, to jest sprawdzania, czy przebiegi ciśnień odpowiadają sygnałom z urządzeń nastawczych hamulców i innym sygnałom sterującym doprowadzanym do sterownika. Zakres tej diagnostyki oraz ilość zapamiętywanych danych diagnostycznych zależą od możliwości sterownika hamulców i jego oprogramowania. Ograniczenie stanowić może też możliwość efektywnego opracowania i wykorzystania danych diagnostycznych. Z tego względu rozbudowane systemy diagnozowania stanu hamulca stosuje się tylko w pojazdach na duże prędkości jazdy. Natomiast w pojazdach o prędkości jazdy mniejszej jak 160km/h realizowana jest automatyczna diagnostyka, której wynikiem jest najczęściej generowanie sygnałów końcowej oceny wykonanych prób. Ponadto dla usprawnienia prac serwisowych sterowniki wyposaża się w karty pamięci oraz w specjalne gniazda diagnostyczne umożliwiające podłączenie odpowiednio oprogramowanego komputera i rejestrację na nim większości sygnałów sterujących i przebiegów ciśnień. Za pomocą takiego gniazda serwisowego do sterownika hamulców można też podłączyć urządzenie zdolne do przesyłania (poprzez sieć telefonii komórkowej) sygnałów i przebiegów rejestrowanych w pracującym pojeździe. Umożliwia to zdalną kontrolę on-line i zdalną diagnostykę działania układu hamulcowego pojazdu będącego w eksploatacji.

W pojeździe trakcyjnym z układem hamulcowym sterowanym mikroprocesorowo istotnym źródłem informacji dla maszynisty o stanie tego układu jest monitor zabudowany na jego stanowisku (rys. 3.2) i połączony ze sterownikiem hamulców magistralą danych.

38

Na monitorze tym mogą pojawić się informacje o istotnych ograniczeniach w normalnej pracy pojazdu lub jego obsłudze przez maszynistę wynikających z aktualnego stanu technicznego układu hamulcowego (na przykład ograniczenie największej prędkości jazdy, wyłączenie pojazdowych urządzeń systemu nadzorującego ruch pociągu, itp.). Na monitorze tym mogą pojawić się też informacje o ograniczeniach i awariach uniemożliwiającej dalszą jazdę i o przyczynie jej wystąpienia (na przykład o samoczynnym wyłączeniu napędu ze względu na wzrost ciśnienia w cylindrach hamulcowych). Na monitorze tym dostępne są też aktualne wartości wybranych sygnałów wchodzących do sterownika hamulców i generowanych przez ten sterownik oraz wybranych parametrów pracy układu hamulcowego.

Rys. 3.2. Monitor diagnostyczny zabudowany na modernizowanym pojeździe EZT EN57

Podstawowe znaczenie dla bezpieczeństwa jazdy mają sygnały powodujące wyłączenie napędu ze względu na stan układu hamulcowego. Na przykład w układach pojazdów trakcyjnych sterowanych mikroprocesorowo napęd może być wyłączony z powodu wielu stanów hamulca nie gwarantujących bezpieczeństwa jazdy, na przykład ze względu na:

 odcięcie zasilania tablicy pneumatycznej sprężonym powietrzem,

 zbyt niskie ciśnienie zasilania układu hamulcowego (awaria systemu zasilania),

 odcięcie (mechaniczne lub elektryczne) układu sterowania ciśnieniem w przewodzie głównym hamulca PN od tego przewodu,

39

 spadek ciśnienia w przewodzie głównym hamulca PN do wartości wywołującej hamowanie nagłe (zabezpieczenie przed równoczesnym hamowaniem i napędzaniem pojazdu),

 zbyt niskie ciśnienie w zbiorniku sterującym zaworu rozrządczego (brak gotowości układu hamulcowego),

 wzrost ciśnienia w cylindrach hamulcowych świadczący o hamowaniu,

 włączenie hamulca postojowego,

 spadek ciśnienia w siłownikach sprężynowych hamulca postojowego wywołujący hamowanie tym hamulcem.

Sygnały te przesyłane są po magistrali danych, natomiast polecenie wyłączenia napędu, sygnał o hamowaniu nagłym i o wzroście ciśnienia cylindrowego przesyłane są redundantnie, ze względu na ich ważność z punktu widzenia bezpieczeństwa, również na drodze sprzętowej.

Istotne znaczenie mają też niektóre sygnały diagnostyczne, które w oprogramowaniu pojazdu powodują ograniczenie największej prędkości jazdy. Może to być spowodowane wybraniem przez maszynistę lokomotywy nastawienia hamulca "osobowy", lub samoczynne przejście hamulca z nastawienia „Pospieszny” w nastawienie "Osobowy" na skutek niesprawności np. układu przeciwpoślizgowego lub wyłączeniem hamulców jednego z wózków lub wagonów w zespole trakcyjnym [2].

Aktualnie rozważa się również stosowanie bardzo zaawansowanej automatycznej, zdalnej diagnostyki hamulca wagonów i pociągów towarowych [18].

Aby taką próbę przeprowadzić wyposaża się poszczególne wagony towarowe w czujniki ciśnienia oraz czujniki przemieszczeń i przy pomocy interfejsów komunikacji radiowej dane o aktualnych parametrach hamulca przekazywane są do pojazdu trakcyjnego (lokomotywy) lub do ośrodka dyspozytorskiego.

Podstawowymi elementami systemu takiej diagnostyki są:

 adresowanie wagonów w pociągu,

 własne zasilanie w energię poszczególnych wagonów (akumulator + prądnica),

 pomiar ciśnienia cylindrowego i pomiar przemieszczeń (np. wstawek hamulcowych),

 ocena parametrów przez jednostkę telematyczną wagonu,

 bazująca na radiu komunikacja z pojazdem trakcyjnym lub ośrodkiem dyspozytorskim.

40

Tego typu diagnostyka aktualnie jest na etapie projektów pilotażowych i nie znajduje jeszcze masowego zastosowania. Jednak wkrótce może się to zmienić, ponieważ jej głównym celem jest minimalizowanie czynnika ludzkiego (przesunięcie odpowiedzialności za bezpieczeństwo eksploatacji z człowieka, który z różnych przyczyn może popełniać błędy, na sprawdzoną i niezawodną technikę), ograniczenie kosztów (zmniejszenie liczby obsługujących ludzi podczas próby) oraz zminimalizowanie czasu trwania przygotowania pociągów do ruchu.