Charakterystyki cieplne hamulca dźwignicowego dwuszczękowego

(1)

Eksploatacja dźwignic

i przenośników

Systemy transportowe - transport bliski

BADANIE CIEPLNEJ CHARAKTERYSTYKI

HAMULCA DŹWIGNICOWEGO

DWUSZCZĘKOWEGO

Cel i zakres ćwiczenia

PrzybliŜenie zagadnień eksploatacyjnych hamulca dźwignicowego związanych z przetwarzaniem energii mechanicznej hamowanego układu w cieplną. Praktyczne zapoznanie z metodyką wyznaczania cieplnej

charakterystyki hamulca dźwignicowego dwuszczękowego ze zwalniakiem elektromagnetycznym, podczas jego eksploatacji dla wybranych cykli pracy przerywanej.

Praca hamulca jako zespołu do przetwarzania energii mechanicznej w cieplną

Podstawowym

przeznaczeniem hamulca dźwignicowego jest zatrzymanie mechanizmu

roboczego

, tzn. sprowadzenie jego prędkości do zera (zatrzymujący), lub rzadziej ograniczenie tej

prędkości (wstrzymujący).

Hamulce dźwignicowe mechaniczne zamieniają energię kinetyczną i

potencjalną hamowanego układu w energię cieplną

, która następnie przekazywana jest do otoczenia

przez

przewodnictwo,

konwekcję

i promieniowanie.

Cieplne sprawdzanie hamulca jest równieŜ istotne, jak badania jego wielkości mechanicznych

(charakterystyk mechanicznych).

Towarzyszące hamowaniu zjawiska przetwarzania energii

mechanicznej na cieplną, mają bezpośredni i decydujący wpływ na proces hamowania

(skuteczność hamowania), stąd takŜe na bezpieczeństwo eksploatacji dźwignic. Zbyt duŜe ilości ciepła

powstające podczas hamowania powodują

nadmierny wzrost temperatury zarówno tarczy hamulcowej,

jak i okładziny ciernej

, co

wpływa na wartość współczynnika tarcia

µµµµ

miedzy szczękami

hamulcowymi a tarczą hamulcową, a więc i na moment hamowania rozwijany przez hamulec

.

Najczęściej hamulce budowane są jako typu zamkniętego (przy nieruchomym mechanizmie hamulec

jest zaciśnięty) lub otwartego (przy nieruchomym mechanizmie hamulec jest zluzowany).

Rys. 1 Hamulec dwuszczękowy ze zwalniakiem elektromagnetycznym; a) budowa: 1- bęben hamulcowy, 2- zwalniak DZEM, 3- szczęki hamulcowe, 4- spręŜyna, 5- zwora, 6- nakrętka rzymska; b) schemat sił w hamulcu dwuszczękowym

Generowana energia cieplna w czasie eksploatacji hamulca dźwignicowego jest efektem pracy tarcia rozwijanego na powierzchni styku okładzin ciernych szczęk z tarczą hamulcową. Jak wykazały badania laboratoryjne, wzrost temperatury obwodu tarczy hamulcowej przebiega prawie w identyczny sposób, jak wzrost temperatury okładziny ciernej. Ponadto wysoka temperatura okładziny oraz tarczy hamulcowej powoduje szybsze ich zuŜywanie. A zatem, temperatura tarczy hamulcowej i okładzin ciernych nie powinna przekraczać wartości dopuszczalnych τdopokreślanych przez producentów. W praktyce inŜynierskiej znajdują zastosowanie zasadniczo dwie metody cieplnego sprawdzania hamulców, a mianowicie sprowadzające się do:

a) porównania jednostkowej pracy tarcia

µ

_o

pv

[

J

/

mm

2

s

]

obliczanego hamulca z wartością dopuszczalną

(wartość ustalona doświadczalnie dla standardowych konstrukcji i w sposób przybliŜony powiązana z przeznaczeniem oraz warunkami eksploatacyjnymi hamulca),

b) bilansowania strumieni cieplnych dla stanu równowagi cieplnej hamulca(metoda charakt. cieplnych).

Praca hamulca jako zespołu do przetwarzania energii mechanicznej w cieplną

Rys. 2 Stanowisko 1- bęben hamulcowy, 2- zwalniak DZEM, 3- szczęki hamulcowe, 4- spręŜyna zaciskowa, 5- zwora, 6- łącznik regulacyjny, 7-okładzina cierna, 8- postawa, 9- zderzak, 10- blokada szczęk przed obrotem, 11- czujniki temp. K, obrotów n, siły FN, skoku S, pomiar bezkontaktowy temperatury, pomiar fluktuacji powietrza, 12- przetworniki sygnałowe, 13- karta A/C, 14- system akwizycji danych

……….……..

.……….……...

………..………….

……….…………..

……….……...

………..…….

………..….

……….……..

.……….……...

………..………….

……….…………..

……….……...

………..…….

………..….

……….……..

.……….……...

………..………….

……….…………..

……….……...

………..…….

………..….

(2)

Praca hamulca jako zespołu do przetwarzania energii mechanicznej w cieplną

Dla hamulca dwuszczękowego moment hamujący M

H

oraz średni docisk szczęk do powierzchni

tarczy hamulcowej p

śr

moŜna w uproszczeniu zapisać:

H o H

N

D

M

=

µ

⋅

=

_⋅

_sin(

_α

_/

₂

₎

H o śr

D

b

N

p

gdzie: N - siła docisku klocka do hamulca; DH- średnica tarczy hamulcowej; b0 – szerokość okładziny ciernej, α – kąt opasania okładziny, n – prędkość obrotowa (uwaga: w praktyce dla przegubowego mocowania szczęk hamulcowych, kąty opasania zwykle są bliskie 600÷900, natomiast w konstrukcjach ze sztywnym mocowaniem szczęk kąty opasania są rzędu 300÷600 – dobór w/w kątów opasania wynika z kryterium minimalizacji asymetrii zuŜycia okładzin.

Stąd po uwzględnieniu, Ŝe

v

=

π

⋅

D

_H

⋅

n

otrzymuje się:

(

)

2 /

sin(

α

π

µ

⋅

≥

H o H dop o

D

b

n

M

pv

przy czym przyjmuje się dla hamulców mechanizmów z GNP od M1 do M4, Ŝe o

pv

dop

[

J

mm

s

]

2

/

10 )

(

µ

≤

oraz dla hamulców mechanizmów z GNP od M5 do M8, Ŝe o

pv

dop

[

J

mm

s

]

2

/

6 )

(

µ

≤

Podany warunek nie zawiera zaleŜności od liczby hamowań i z tego powodu umoŜliwia jednanie na orientacyjną ocenę zdolności odprowadzania ciepła przez tarczę hamulcową.

Iloczyn

]

/

[

J

mm

2 s

pv

o

µ

wyraŜa pracę tarcia rozwijaną przez hamulec

w jednostce czasu na jednostkę powierzchni

styku szczęk ciernych z tarczą hamulcową

Ad a) Metoda porównania jednostkowej pracy tarcia obliczanego

hamulca z wartością dopuszczalną

Praca hamulca jako zespołu do przetwarzania energii mechanicznej w cieplną

Stosowanie we współczesnych konstrukcjach dźwignic zwiększonych prędkości roboczych oraz zaostrzone rygory bezpieczeństwa eksploatacji, pociągnęły za sobą konieczność bardziej dokładnego sprawdzania i badania zagadnień cieplnych zachodzących w hamulcach. Wykazano, Ŝe ciepło równowaŜne pracy jednego hamowania dzieli się na trzy strumienie:

> podwyŜszający temperaturę tarczy hamulcowej,

> podwyŜszający temperaturę pozostałych elementów konstrukcji hamulca, w tym głównie okładzin oraz szczęk hamulca,

> oddawany do otoczenia przez konwekcję oraz promieniowanie.

Podstawowymi dla cieplnej charakterystyki hamulca są strumienie cieplne podwyŜszające temperaturę tarczy hamulcowej oraz okładzin ciernych, a w kolejności oddawane do otoczenia przez konwekcję.

Ad b) Metoda bilansowania strumieni cieplnych dla stanu równowagi cieplnej hamulca

Rys. 3 Przebiegi nagrzewania się hamulca podczas pracy przerywanej

Przy przerywanej pracy mechanizmu dźwigowego, proces nagrzewania tarczy hamulcowej moŜe być przedstawiony zgodnie z przebiegiem na rys 3. Wobec relatywnie bardzo krótkiego okresu czasu przypadającego na fazę jednego hamowania, moŜna przyjąć dla uproszczenia, Ŝe w okresie hamowania całe wygenerowane ciepło, równowaŜne pracy jednego hamowania, powoduje głównie wzrost temperatury tarczy hamulcowej oraz okładzin ciernych w strefach bezpośrednio stykających się z obwodem tarczy hamulcowej (krzywa 0-A na rys. 3a). Przyjęte uproszczenie wynika z tego, Ŝe chłonność cieplna tarczy hamulcowej jest kilka/kilkanaście razy większa niŜ chłonność cieplna okładzin ciernych, a ponadto współczynnik przewodzenia ciepła w materiale tarczy jest o rząd wielkości większy niŜ w materiale, z których wykonywane są okładziny cierne.

Praca hamulca jako zespołu do przetwarzania energii mechanicznej w cieplną

W fazie zatrzymania pracy układu (szczęki cierne zaciśnięte na tarczy hamulca) następuje oddawanie ciepła otoczeniu przez nagrzane elementy tarczy hamulcowej oraz okładzin ciernych głównie drogą konwekcji. Proces ostygania tarczy hamulcowej zachodzi stosunkowo wolno, bowiem z uwagi na formę konwekcyjnego oddawania ciepła do otoczenia (konwekcja naturalna), zachodzi przede wszystkim w obszarze powierzchni tarczy nie przykrytej szczękami hamulcowymi (krzywa A-B).

Dopiero po zluzowaniu hamulca i uruchomieniu układu następuje zwiększenie powierzchni uczestniczących w oddawaniu ciepła przez otoczenie wywołane ruchem tarczy hamulca (krzywa B-C’ - tarcza hamulcowa, krzywa B-C” – okładziny cierne, konwekcja wymuszona), (krzywa A-C – uśredniony przebieg zmian temperatury w fazie chłodzenia dla całego zespołu hamulca). W okresie czasu równym T0zachodzi zahamowanie mechanizmu w czasie ττττh, postój wynoszący ττττporaz ponowne włączenie mechanizmu, które trwa ττττw. Gdyby mechanizm pozostawał w ruchu przez odpowiednio długi okres czasu, wówczas temperatura elementów roboczych hamulca zbliŜyłaby się asymptotycznie do temperatury początkowej ττττ0.

W rzeczywistości po stosunkowo bardzo krótkim okresie czasu ττττw, mechanizm jest ponownie hamowany, temperatury nie zdąŜą się wyrównać i nagrzewanie hamulca w następnej fazie pracy T0 zachodzi od początkowej temperatury (ττττ0+ ∆τ∆τ∆τ∆τ1). Przy następnych hamowaniach obserwujemy dalsze przyrosty temperatury elementów hamulca, zgodnie z wykresem pokazanym na rys. 2b (z analizy przykładowego przebiegu moŜna wnioskować, Ŝe po określonej liczbie zahamowań i włączeń, ustali się pewnego rodzaju stan równowagi cieplnej hamulca, gdy ciepło wytwarzane w fazie hamowania i oddawane w podczas postoju i włączenia będzie powodować jedynie wahanie temperatury elementów współpracujących w zakresie ττττmin÷τ÷τ÷τ÷τmax, bez wzrostu temperatury końcowej w odniesieniu do początkowej w dalszych okresach T0.

Przy długotrwałym hamowaniu (hamulce wstrzymujące), zmiana temperatury elementów moŜe przebiegać wg charakterystyki 2, przy czym największa temperatura odpowiadająca stanowi równowagi cieplnej hamulca osiąga wartości wyŜsze niŜ przy pracy przerywanej (charakterystyka 1 – hamulce zatrzymujące).

Z powyŜszego wynika, Ŝe obciąŜenie cieplne hamulca, a więc i osiągana w warunkach równowagi cieplnej szczytowa temperatura jest tym wyŜsza im większa jest praca jednego hamowania, im częściej następują po sobie kolejne cykle hamowania, oraz im mniejszy jest względny czas pracy mechanizmu, gdyŜ zmniejsza się wtedy czas ruchu tarczy hamulcowej odpowiadający jej najintensywniejszemu chłodzeniu.

……….……..

.……….……...

………..………….

……….…………..

……….……...

………..…….

………..….

……….……..

.……….……...

………..………….

……….…………..

……….……...

………..…….

………..….

……….……..

.……….……...

………..………….

……….…………..

……….……...

………..…….

………..….

(3)

Praca hamulca jako zespołu do przetwarzania energii mechanicznej w cieplną

Praca jednego hamowania jest równa algebraicznej sumie energii kinetycznej ruchowym mas układu i pracy sił zewnętrznych stanowiących obciąŜenie mechanizmu, obliczonych z uwzględnieniem strat tarcia. Zgodnie z tym, praca jednego hamowania wynosi:

h uh h zh h

I

M

A

=

⋅

ω

±

⋅

ϕ

2

2 ale: W h zh h h h

M

I

t

2

ω

ϕ

=

uh H W

M

=

m

oraz H uh h zh uh H uh h zh h

M

I

M

I

A

m

1

2

1

2

2 2

⋅

=













±

⋅

=

ω

stąd

przy czym znak „-” dotyczy przypadków, gdy moment Muhprzeciwdziała hamowaniu, a znak „+” gdy

wspomaga hamowanie. Znajomość wartości prac Ahodpowiadających poszczególnym fazom hamowania, umoŜliwia wyznaczenie średniej dla okresu cyklu sekundowej pracy hamowania równej

T

A

śr h

∑

=

A

śr - sekundowa praca hamowania ma wymiar mocy i jest dla zadanych warunków uŜytkowania danego hamulca wartością stałą podczas pracy mechanizmu.

Rys. 4 Wykresy przebiegu nagrzewania się oraz sekundowej pracy hamowania dla zadanych warunków uŜytkowania hamulca.

Praca hamulca jako zespołu do przetwarzania energii mechanicznej w cieplną

Średnia sekundowa praca hamowania oraz względny czas pracy mechanizmu, są wystarczające do przybliŜonej oceny cieplnego obciąŜenia i temperatury równowagi cieplnej osiąganej przez hamulec w przewidywanych warunkach jego uŜytkowania. Dla tego celu słuŜą cieplne charakterystyki hamulców otrzymywane drogą badań doświadczalnych. Przykładowe przebiegi charakterystyk cieplnych dla hamulców dwuszczękowych są pokazane na rys. 5.

Rys. 5. Cieplne charakterystyki dla wybranych hamulców dwuszczękowych

Charakterystyka cieplna określa osiąganą przez hamulec temperaturę równowagi cieplnej τuodpowiadającą wykonywaniu przez niego średniej sekundowej pracy hamowania Aśrprzy εεεε=const (ε- względny czas pracy

mechanizmu). ZaleŜność ta moŜe być przedstawiona jako funkcja wykładnicza:

_k

ś

r

u

=

c

⋅

A

τ

gdzie: c i k – parametry zaleŜne od konstrukcji hamulca i warunków jego chłodzenia (wartości tych parametrów są określane doświadczalnie i podawane w DTR).

Praca hamulca jako zespołu do przetwarzania energii mechanicznej w cieplną

Dla określonego czasu pracy mechanizmu, który odpowiada przyjętym parametrom z cieplnej charakterystyki hamulca, sprawdzenie nagrzewania sprowadza się do wykazania, Ŝe

dop śr rzecz śr

A

)

(

)

(

<

gdzie wartość

(

A )

ś

r

dop

Przy innym względnym czasie pracy mechanizmu εεεεx niŜ względny czas pracy εεεεodpowiadający charakterystyce cieplnej, zmieniają się warunki chłodzenia, a więc i temperatura równowagi cieplnej osiągana przez hamulec przy tej samej średniej sekundowej pracy hamowania. JeŜeli średniej sekundowej pracy hamowania Aśrodpowiada temperatura τu(przy względnym czasie pracy εεεεwg. przebiegu charakterystyki cieplnej), to przy względnym czasie pracy εεεεxi tej samej średniej sekundowej pracy hamowania hamulec

osiągnie temperaturę równowagi cieplnej τuxwynoszącą:

jest określona cieplną charakterystyką hamulca dla temperatury

τdopuwarunkowanej własnościami uŜytej okładziny ciernej.

C

u ux

τ

=

gdzie

C

=

1 +

0 ,

45 (

ε

−

ε

_x

)

Z powyŜszego wynika, Ŝe cieplne sprawdzanie hamulca opisywaną metodą, sprowadza się do

a) określenia wartości temperatury pracy hamulca sprowadzonej do warunków jego cieplnej charakterystyki,

czyli

_C

dop

śr

τ

/

τ

=

b) wyznaczenia na podstawie przebiegu cieplnej charakterystyki hamulca dopuszczalnej średniej pracy sekundowej

dop

śr

A )

(

odpowiadającej temperaturze sprowadzonej

τ

spr

c) wykazania, Ŝe jest spełniona w/w nierówność

dop

ś

r

rzecz

ś

r

A

)

(

)

(

<

.

……….……..

.……….……...

………..………….

……….…………..

……….……...

………..…….

………..….

……….……..

.……….……...

………..………….

……….…………..

……….……...

………..…….

………..….

……….……..

.……….……...

………..………….

……….…………..

……….……...

………..…….

………..….

(4)

Praca hamulca jako zespołu do przetwarzania energii mechanicznej w cieplną

Przy cieplnym sprawdzaniu lub doborze hamulca najwłaściwsze jest posiłkowanie się otrzymaną doświadczalnie charakterystyką cieplną danego hamulca. W przypadku braku takich charakterystyk mogą być wykorzystane orientacyjnie dane wg tablicy 1, zawierającej dopuszczalne wartości średniej sekundowej pracy hamowania dla hamulców dwuszczękowych zaopatrzonych w okładziny cierne wykonane z impregnowanej taśmy ferroazbestowej (dane odpowiadają wartościom εεεε=40% i τdop=2000C).

300 500 150 300 80 200 45 100

Dopuszczalna średnia moc hamowania Aśr[daNm/s] Średnica tarczy hamulcowej [mm]

Tabela 1: Wartości charakterystyczne dla typowych materiałów stosowanych na okładziny cierne

wartości obliczeniowego współczynnika tarcia µµµµodla docisków jednostkowych okładzin ciernych do powierzchni tarczy hamulcowej

nie mniejszych niŜ 0,5[daN/cm2_]

350/150 2 ÷÷÷÷6 --0,05 ÷÷÷÷0,06 0,16 ÷÷÷÷0,17 Brąz po stali 400/250 2 ÷÷÷÷3 2÷÷÷÷3 0,38 ÷÷÷÷0,40 0,4 ÷÷÷÷0,45 Topco-fiber wg Demag (DIN)

350/150 2 ÷÷÷÷6

15 ÷÷÷÷20 0,06 ÷÷÷÷0,07

0,15÷÷÷÷0,16

śeliwo po stali i Ŝeliwie

180/120 1 ÷÷÷÷3

2 ÷÷÷÷3 0,08 ÷÷÷÷0,10

0,22 ÷÷÷÷0,25 okładzina z masy

metalowo-kauczukowej sprasowanej po stali i Ŝeliwie 200/150 2 ÷÷÷÷6 2 ÷÷÷÷6 0,11 ÷÷÷÷0,12 0,35 ÷÷÷÷0,40 okładzina ferrodofibrowa po stali i Ŝeliwie 220/180 2 ÷÷÷÷6 3 ÷÷÷÷6 0,11 ÷÷÷÷0,12 0,30 ÷÷÷÷0,35 okładzina ferroazbestowa po stali i Ŝeliwie osiowych promieniowych w oleju na sucho Max. temperatura współpracujących powierzchni [0_C] chwilowo/ciągle Max. dociski jednostkowe pśrprzy pracy

w układach hamulców [daN/cm2_]

Obliczeniowy współczynnik tarcia przy pracy [--] Rodzaje współpracujących

materiałów

Sprawdzanie bilansu cieplnego hamulca wg. nomogramów zakładowych DETRANS (ZN-85/1232-32)

W celu ułatwienia procedur inŜynierskiego doboru hamulców oraz stosowanych w nich okładzin ciernych, opracowywane są nomogramy (algorytmy) przez producentów lub jednostki badawcze dla podstawowych typoszeregów konstrukcyjnych tych zespołów dźwigowych (np. DETRANS – norma zakładowa ZN-85/1232-32 – rys. 6). Przykładowy tok postępowania podano dla wybranej konstrukcji hamulca dwuszczękowego ze zwalnianiem DZEM zainstalowanego w układzie mechanizmu podnoszenia suwnicy, gdzie: nominalny/średni moment hamowania zredukowany na wał bębna hamulcowego obliczony dla nominalnego/średniego udźwigu MH=475[Nm]/MHśr=431,4[Nm], maksymalne chwilowe obroty nadsynchroniczne tarczy hamulcowej w fazie opuszczania dla chwili rozpoczęcia hamowania nnads=850[obr/min], moc nominalna silnika 26[kW], obroty nominalne silnika nsil=725[obr/min], grupa natęŜenia pracy GNP=5M, udźwig nominalny Qnom=10000[kg], udźwig średni Qśr=8000[kg], nominalna ilość cykli pracy c=30[cykli/godz], maksymalna chwilowa liczba włączeń mechanizmu podnoszenia w jednym cyklu pracy kmax=50[wł/cykl], średnia liczba włączeń w odniesieniu do 1 roboczogodziny kśr=100[wł/godz], czas dla jednego zahamowania th=1,1[s], średnica tarczy hamulca D=320[mm], projektowany względny czas pracy mechanizmu P25, normowe jednostkowe dopuszczalne zuŜycie okładziny ciernej g=1[cm3/Nm], resurs czasowy trwałości okładzin ciernych hamulca wg. danych producenta T1=600[godz]. Z nomogramu rys 6, dla w/w podanych wartości odczytuje się wartość strumienia cieplnego wytworzonego na bębnie hamulcowym w czasie hamowania Kw≈≈≈≈702[W] (przy pomocy linii 1) i porównuje z wartością strumienia cieplnego, jaki moŜe odprowadzić bęben hamulcowy Ko=800[W] (przy pomocy linii 2). Wobec powyŜszego, iŜ Ko > Kw, warunek cieplny jest spełniony.

Rys. 6

Metodyka pomiarów doświadczalnych - opis stanowiska badawczego

Rys. 7 – Stanowisko badawcze, gdzie: 1- silnika napędzający bęben hamulca dźwignicowego 3 oraz zwalniaka elektromagnetycznego DZEM. Konstrukcja stanowiska umoŜliwia prowadzenie badań przy zmiennych parametrach eksploatacyjnych, a mianowicie obciąŜenia układu za pomocą dokładanych wymiennych tarcz o określonej geometrii i masie, regulacji siły docisku szczęk hamulca do bębna, nastawy wielkości szczeliny pomiędzy szczękami ciernymi a tarczą. Włączenie zasilania układu powoduje wciągnięcie zwory zwalniaka elektromagnetycznego 2, hamulec jest wtedy zwolniony (szczęki hamulca 4 są odsunięte od tarczy hamulcowej 3) i równocześnie uruchomiony jest silnik elektryczny. Proces włączeń silnika jest programowany sterownikiem 9.

Głównymi elementami układu pomiaru i monitorowania przebiegów zmian temperatury i prędkości obrotowej są: 5 - czujniki temperatury typu K zainstalowane wewnątrz okładzin ciernych szczęk hamulcowych, 6 – czujniki temperatury typu K zainstalowane nad tarczą hamulcową w odległości ok. 0,6-0,8mm od powierzchni ciernej, 7- przyrząd do bezkontaktowego pomiaru temperatury FLUKE, 8- przetworniki temperatury AR580, 9- programator systemu pracy CRT-V1, 10- karta pomiarowa A/C, 11-komputerowy system akwizycji danych z programem LabView, 12- prądniczka tachometryczna do pomiaru obrotów na wale silnika napędowego.

……….……..

.……….……...

………..………….

……….…………..

……….……...

………..…….

………..….

……….……..

.……….……...

………..………….

……….…………..

……….……...

………..…….

………..….

……….……..

.……….……...

………..………….

……….…………..

……….……...

………..…….

………..….

(5)

Program badań doświadczalnych charakterystyk cieplnych hamulca winien obejmować odpowiednie wcześniejsze przygotowanie obiektu badań oraz systemu pomiarowego i akwizycji danych, a takŜe opracowanie harmonogramu realizacji pomiarów. W szczególności przed przystąpieniem do ćwiczenia naleŜy odpowiednio zaprogramować sekwencję włączeń i wyłączeń silnika (np. poprzez wybór jednej z zapamiętanych funkcji w pamięci programatora lub dowolne ustawienie czasów T1 definiującego czas włączenia silnika oraz czasu T2 definiującego czas wyłączenia silnika), a takŜe nastawić siłę nacisku szczęk ciernych na tarczę hamulcową (rys. 7 – nastawa spręŜyny nr 4 oraz łącznika regulacyjnego 6) i obciąŜyć wał silnika dodatkowymi tarczami o znanej geometrii (do dyspozycji 3 tarcze). Ponadto naleŜy zapewnić stabilizację temperatury wszystkich elementów hamulca (minimalny czas pomiędzy kolejnymi testami pomiarowymi winien wynosić około 8h), stabilizację temperaturową przetworników poprzez wcześniejsze, na co najmniej 0,5h włączenie napięcia w układzie akwizycji.

Prezentowane przykładowe wyniki badań zostały zarejestrowane przy następujących danych regulacyjnych hamulca: siła nacisku spręŜyny - Fnspr≈ 174[N], obciąŜenie wału silnika 3 dodatkowymi tarczami (szczegółowy opis podano w instrukcji do ćwiczenia nr 2), względny czas pracy mechanizmu odpowiednio dla prezentowanych prób: A- 40%, B- 50%, C- 45%, częstotliwość włączeń A- 6wł/min, B- 15wł/min, C-3wł/min, czas włączenia/wyłączenia silnika T1/T2: A- 4s/6s, B- 2s/2s, C-9s/11s.

Rys. 8 Przykładowe przebiegi zmian temperatury, gdzie: a/b- średnia temperatura zarejestrowana w punktach pomiarowych okładziny ciernej na szczęce lewej/prawej hamulca, c/d - średnia temperatura zarejestrowana w punktach pomiarowych nad tarczą/pod tarczą hamulcową, e- okresy pracy hamulca według programu A.

Przykładowy opis toku postępowania podczas identyfikacji stanów cieplnych hamulca

Rys. 9 Przykładowe przebiegi zmian temperatury dla przedziału czasowego od 665[s] do 705[s] z eksperymentu wg. rys. 8, gdzie: a- obroty silnika, b-temperatura z czujnika 130 zainstalowanego wewnątrz okładziny ciernej na szczęce prawej hamulca, c- krzywa nagrzewania w pkt. 130 (aproksymacja wielomianem 2-stopnia przebiegu b), th- czas hamowania, tp- czas postoju, tw- czas włączenia silnika.

Rys. 10 Przykładowe przebiegi nagrzewania hamulca dla programów A, B oraz C (specyfikacja programów: A- 40%, 50%, C- 45%, częstotliwość włączeń A- 6wł/min, B-15wł/min, C- 3wł/min, czas włączenia/wyłączenia silnika T1/T2: A- 4s/6s, B- 2s/2s, C- 9s/11s).

Z porównania zarejestrowanych przebiegów zmian temperatury na czujniku 130 (charakterystyka b wg rys. 9), stwierdza się ogólna zgodność z przebiegami teoretycznymi z rys. 3, przy czym zauwaŜalne róŜnice wynikają wyłącznie ze sposobu zastosowanej techniki instalacji czujnika wewnątrz okładziny ciernej

w szczęce hamulcowej (około 1,0-1,5mm pod powierzchnią styku z tarcza), a tym samym występowaniem opóźnień czasowych z równoczesnym uśrednianiem mierzonych. Na podstawie zarejestrowanych danych -przebieg charakterystyki nagrzewania hamulca – krzywa „c” wg rys. 9, moŜna wyznaczyć, Ŝe maksymalna temperatura dla eksperymentu prowadzonego w dłuŜszym okresie czasu wg. trybu A włączania/wyłączania silnika osiągnie poziom ok. 130-135[0_C].

Biorąc pod uwagę, iŜ nastawa regulacyjna hamulca umoŜliwiała uzyskanie momentu hamowania na poziomie

MH=30[Nm], masowy moment bezwładności zespołu wirnika+sprzęgła+hamulca+tarcz wynosi łącznie IΣwsht= 0,0424[kgm2], opóźnienie w czasie hamowania układu z obciąŜeniem 3 tarczami εH=443[1/s2], czas hamowania th≈1,25[s], stąd moment przeciwdziałający procesowi hamowania wynosi Muh=11,22[Nm].

Wobec powyŜszego praca jednego hamowania wynosi:

Przykładowa interpretacja wyników pomiarów

]

[

2 ,

327

30

22 ,

11

1

2 )

3 ,

98 (

0424

,

0

1

2

2 2

J

M

I

A

H uh h zh h

=

−

⋅

=

⋅

=

m

ω

Dla analizowanego eksperymentu th≈1,25[s] wg rys. 9, wobec powyŜszego sekundowa praca hamowania wynosi

(Aśr)rzecz=181,8[J/s]. Sprawdzenie hamulca z warunku dopuszczalnej średniej mocy hamowania. Z tablicy 1

określa się dla hamulca o średnicy tarczy DH=155[mm] dopuszczalną średnią moc hamowania na poziomie (Aśr)dop≈ 625[J/s]. Wobec powyŜszego (Aśr)rzecz<(Aśr)dop – zatem warunki spełnione. Dla okładziny ciernej ferrodofibrowej dopuszczalna temperatura współpracy z tarczą z Ŝeliwa wynosi 150[0C], zatem nawet przy pracy hamulca w przyjętym „intensywnym” trybie eksploatacji warunki są spełnione, bowiem maksymalne nagrzanie osiągnie poziom ok. 130-135[0C].

……….……..

.……….……...

………..………….

……….…………..

……….……...

………..…….

………..….

……….……..

.……….……...

………..………….

……….…………..

……….……...

………..…….

………..….

……….……..

.……….……...

………..………….

……….…………..

……….……...

………..…….

………..….

(6)

Określenie trwałości cieplnej hamulca wg. nomogramu ZN

Określenie trwałości cieplnej hamulca wg. nomogramu ZN dlazadanych warunków pracy hamulca eksploatowanego na stanowisku (tryb pracy A): średni moment hamowania Mh-śr=30[Nm], czas hamowania

th≈1,8[s], obroty silnika ns=940[obr/min], ilość włączeń na godzinę k=120[wł/h] (uwaga – w czasie eksperymentu

wprowadzane są okresowe przerwy w pracy- rys. 8), wartość strumienia cieplnego wytworzona na tarczy hamulcowej w czasie hamowania Kw≈600[W], wartość strumienia cieplnego jaki moŜe odprowadzić tarcza hamulcowa Ko≈160[W], warunki nie są spełnione bowiem: Kw> Ko. zatem eksploatacja hamulca wg. przyjętego trybu pracy nie moŜe być prowadzona w sposób ciągły.

zadania do wykonania przez studentów

> udział w pomiarach wybranych parametrów, w tym między innymi przebiegów temperatur w okładzinach szczęk hamulcowych, zmienności obrotów silnika w funkcji czasu dla fazy hamowania przy róŜnym obciąŜeniu na wale, bieŜącego sprawdzania temperatury tarczy hamulcowej oraz okładzin ciernych metodą bezkontaktową miernikiem FLUKE, określenia warunków odprowadzania ciepła anemometrem stałotemperaturowym (fluktuacji powietrza w otoczeniu tarczy hamulcowej).

> opracowanie wyników, wykonanie wykresów z uzyskanych danych pomiarowych oraz ich analiza w celu określenia rzeczywistej temperatury okładzin ciernych i tarczy hamulcowej, a takŜe sprawdzenie hamulca z warunku dopuszczalnej średniej mocy hamowania (dla róŜnych warunków eksploatacyjnych: ilości włączeń, względnego czasu pracy, itp..).

> określenie trwałości cieplnej okładziny ciernej wg. nomogramów ZN dla zadanych warunków pracy hamulca

Literatura

1. A.Piątkiewicz, R.Sobolski - Dźwignice, t.1, 2 - WNT. Warszawa, 1977 2. K. Pawlicki - Elementy Dźwignic, t. 1, 2 – PWN. Warszawa. 1998

3. K. Pawlicki - Zbiór zadań z elementów i mechanizmów dźwignic – PWN. Warszawa. 1997 5. Scheffler M., Pajer G., Kurth F.: Grundlagen der Fórdertechnik. VEB Verlag Technik Berlin 1971. 4. CBKM „DETRANS” Hamulce, sprzęgła i czopy wałów, 1985, ZN-85/1232-32