Dynamiczna współpraca wstawki hamulcowej oczyszczającej w pociągach dużej prędkości – badania eksperymentalne

Robert Konowrocki, Jacek Kukulski,

Sawomir Walczak, Witold Groll

Instytut Kolejnictwa

DYNAMICZNA WSPÓPRACA WSTAWKI

HAMULCOWEJ OCZYSZCZAJCEJ

W POCIGACH DUEJ PRDKOCI –BADANIA

EKSPERYMENTALNE

Rkopis dostarczono, kwiecie 2013

Streszczenie: Artyku powicony jest badaniom eksperymentalnym wspópracy wstawki

oczyszczajcej z powierzchni toczn koa kolejowego, stosowanego w pojazdach kolejowych du ych prdkoci.

W takich ukadach stosuje si pojedyncz wstawk hamulcow, która przez kontakt z powierzchnia toczn koa kolejowego zapewnia usuwanie wszelkich elementów, które mog w czasie eksploatacji w wyniku adhezji przyklei si do koa. Elementy pozostajc w kontakcie z powierzchni toczn koa wpynyby na przyspieszone zu ycie zestawów koowych oraz wzrost nadwy ek dynamicznych w strefie kontaktu koo szyna, skutkujce degradowaniem powierzchni tocznej kó i szyn. W pracy zaprezentowane zostay badania eksperymentalne przeprowadzone na rzeczywistym ukadzie hamulcowym z zastosowaniem wstawki oczyszczajcej z jednostronnym naciskiem przy hamowaniu z du ej prdkoci. Na postawie bada okrelono parametry jakie wystpuj w takich ukadach.

Sowa kluczowe: tarcie, drgania wzbudzane tarciem, ukad hamulcowy du ych prdkoci

1. WSTP

Ukady hamulcowe s jednym z dominujcych rozwiza, które wpywaj na niezawodno eksploatacyjn pojazdów szynowych. S stosowane we wszystkich typach pojazdów kolejowych i stanowi jeden z najwa niejszych systemów bezpieczestwa tych pojazdów. Eksploatacja ukadów hamulcowych w warunkach zwikszonych wymaga u ytkowych, zwizanych ze wzrostem obci enia oraz czstotliwoci dziaania zmusza do uwzgldnienia w projektowaniu efektów zwizanych z dynamik konstrukcji. Wzrost prdkoci jazdy, masy pojazdów oraz u ycie nowych materiaów na elementy cierne wywouje nowe problemy wystpujce w ukadach hamulcowych, dotychczas zbadane w niewielkim zakresie. W przypadku gdy parametry takich ukadów s nieodpowiednio dobrane i le zaprojektowane, pojawi si mog podczas hamowania efekty generowania

280 Robert Konowrocki, Jacek Kukulski, Sawomir Walczak, Witold Groll

drga, skutkujce pogorszeniem efektywnoci ich dziaania. Powstaje to w wyniku utraty stabilnoci elementów ciernych rozpatrywanych ukadów w wyniku zjawiska tarcia.

Zastosowanie niektórych materiaów na elementy cierne systemów hamulcowych polepsza wasnoci zwizane np. z drganiami akustycznymi, pogarszajc wasnoci przewodnoci elektrycznej wykorzystywanej w bocznikowaniu obwodów torowych. Zastosowanie ukadu wstawkowego oczyszczajcego w pojazdach du ych prdkoci pozwala porednio przeciwdziaa wy ej opisanym zjawiskom. System taki usuwa porednio tak e zanieczyszczenia znajdujce si na powierzchniach tocznych szyn torów kolejowych, a tak e w pewien sposób ,,reprofiluje powierzchni toczn koa”. Rozwizanie to jest coraz czciej stosowane w zespolonych pocigach du ych prdkoci na zestawach napdnych. Rozwizania takie funkcjonuj m.in. w pojazdach produkowanych przez firm Alstom (np. ETR 610) jak i Siemens (np. Desiro City Thameslink).

Zasady wdra ania hamowania z wykorzystaniem tego systemu reguluj wewntrzne przepisy przewo ników (DTR). Szczegóowe wymagania dot. wstawek oczyszczajcych regulowa bdzie norma [7].

Nie ma w literaturze prac w których analizowano by ukady wstawek jednostronnych. Wielu badaczy zajmowao si analiz ukadów hamulcowych. Autor pracy [1] zajmowa si badaniem ukadu hamulcowego z uwzgldnieniem wpywu zmian struktury par ciernych w wyniku reakcji cieplno-chemicznych w strefie kontaktu. Wskazywa on na przyspieszone zu ywanie si okrelonych sektorów materiau pary ciernej i w dalszej konsekwencji przez ograniczenie powierzchni kontaktu pary ciernej lokalne zwikszenie temperatur w tych obszarach strefy kontaktu. Takie zjawisko obni a skuteczno hamowania oraz wywouje zmiany chemiczne w strukturze elementów hamulcowych wykonanych z materiaów organicznych. Autorzy [3], [4] przedstawili opis bada eksperymentalnych i teoretycznych klockowego ukadu hamulcowego z segmentacj powierzchni ciernej. Wykazano w nich wpyw drga ssiednich elementów pary ciernej na zmniejszenie niekorzystnych drga zwikszajcych skuteczno hamowania. W pracach [2], [5] autor przedstawi badania eksperymentalne wstawek kompozytowych na stanowisku badawczym przy hamowaniu od maksymalnej prdkoci pocztkowej 270 km/h do zatrzymania. Praca dotyczya analizy czstotliwociowej drga osi hamowanego koa. Autor nie opisa matematycznie badanego przypadku. Z kolei w pracy [6] autor zaprezentowa badania stanowiskowe spiekanych okadzin hamulcowych z prdkoci pocztkowej 300 km/h, W pracy tej przedstawione zostay równie wyniki bada wasnoci tribologicznych materiau ciernego. W dostpnej literaturze nie mo na znale  prac dotyczcych bada wstawek czyszczcych. Na tej podstawie przeprowadzono poni ej prezentowane badania i analizy wstawki czyszczcej przy hamowaniu z du ej prdkoci.

2. OPIS BADA EKSPERYMENTALNYCH.

Badania eksperymentalne maj na celu okrelenie dynamiki wstawki hamulcowej czyszczcej podczas jej pracy. Ze wzgldu na fakt, e taka wstawka wykorzystywana jest

do monta u w ukadach czyszczcych powierzchnie toczne kó napdowych pojazdów du ej prdkoci, zaproponowano przeprowadzenie kilku testowych hamowa z jej u yciem z du ych prdkoci pocztkowych kó kolejowych. Badania przeprowadzono na przygotowanym do tego celu stanowisku eksperymentalnym (Rys. 1).

Rys. 1. Schemat stanowiska wykorzystanego podczas bada par ciernych

Stanowiskowe badania dowiadczalne wykonane zostay na specjalnym bezwadnociowym stanowisku hamulcowym do badania par ciernych hamulców pojazdów szynowych zlokalizowanego w Instytucie Kolejnictwa. Stanowisko ma homologacj UIC (Midzynarodowego Zwizku Kolei) dla uniwersalnych stanowisk hamulcowych kategorii D do prdkoci maksymalnej 350 km/h. Wykorzystywane jest ono do testów homologacyjnych wg kart UIC 510-5, UIC 541-3 i UIC 541-4, które dotycz bada par ciernych ukadów hamulców pojazdów szynowych. Konstrukcja stanowiska umo liwia badanie par ciernych hamulców pneumatycznych kolejowych pojazdów szynowych do wagonów pasa erskich, towarowych, pocigów zespolonych du ych prdkoci, zespoów trakcyjnych, lokomotyw i autobusów szynowych w naturalnej wielkoci odpowiadajcej warunkom rzeczywistym. Na tym stanowisku mo na przeprowadzi symulacj prdkoci jazdy pojazdu szynowego do 420 km/h przy kole o rednicy 890 mm. Zmieniajc rednic koa na wy sz od 890 mm, prdkoci liniowe pojazdu mog by znacznie wy sze. W 2009 roku wykonywano testy hamowania na tym stanowisku z u yciem tarczy hamulcowej montowanej na osi z prdkoci Vmax=500 km/h. Zakres bada oprócz par ciernych hamulca tarczowego obejmuje badania z wstawkami kompozytowymi typu K, L i LL.

Przez specjalnie zmodyfikowany ukad zamocowania i wywierania siy na wstawk hamulcow mo na byo przeprowadzi badania systemu hamowania jednowstawkowego. Taki system jest u ywany tak e do zastosowa czyszczcych wstawek hamujcych. Parametry techniczne bezwadnociowego stanowiska badawczego przedstawiono w tablicy nr 1.

282 Robert Konowrocki, Jacek Kukulski, Sawomir Walczak, Witold Groll

Rys. 2. Stacjonarne stanowisko badawcze widok ogólny i na mechaniczne masy zamachowe [Fot. J. Kukulski]

Rys. 3. Kabina badawcza stanowiska z rónymi obiektami bada [Fot. J. Kukulski]

Tablica 1 Parametry techniczne stanowiska badawczego

L. P. Parametr Warto

1. zakres prdkoci pojazdu (dla koa ‡ 890 mm) 3,5 y 420 km/h

2. maksymalna prdko obrotowa 2500 obr./min.

3. moc silnika napdowego przy 1150 obr./min 536 kW 4. moment obrotowy w zakresie do 1150 obr./min. 4450 Nm 5.

maksymalny moment hamowania: - hamowanie do zatrzymania

- hamowanie cige

3000 Nm 4450 Nm 6. Zakres momentów bezwadnoci mas z elektryczn symulacj 150y3000 kgm2 7. Maksymalna symulowana masa przypadajca na par ciern 15 t 8. Zakres regulacji sumarycznej siy docisku szczk hamulcowych 0 y 100 kN 9. Zakres pomiarowy temperatury tarczy hamulcowej (koa

3. WARUNKI WYKONYWANIA BADA

Badania przeprowadzono na opisanym powy ej stanowisku badawczym. Parametry techniczne z jakim wykonywano badania dowiadczalne wspópracy wstawki hamulcowej oczyszczajcej z koem przedstawiono w tablicy nr 2. Badania byy wykonywane dla koa o rednicy 920 mm, ze wstawk zamocowan jednostronnie. Konfiguracja ta oparta bya na rozwizaniach spotykanych w zespolonych pojazdach kolejowych przeznaczonych do du ych prdkoci. Przykadana sia hamowania bya dwustopniowa, podobnie jak symulowana masa hamujca przypadajca na par ciern.

Tablica 2

Parametry przeprowadzonych bada

Nr hamowania

Prdko pocztkowa

hamowania [km/h] Sia hamowania [kN]

Masa hamujca przypadajca na wstawk [t] 1 300/200 8/23 2,5/4,0 2 270/200 3 250/200

W trakcie bada rejestrowano nastpujce parametry wymagane w kartach UIC m.in.: - moment uzyskania 95% nominalnej cznej siy nacisku wstawek; - prdko ktow i obrotow koa; - prdko liniow dla zadanej rednicy koa; - drog hamowania; - czas hamowania; - cinienie w cylindrze hamulcowym; - czn si nacisku wstawki hamulcowej; - moment hamujcy; - symulowan mas hamowania; - temperatury w trzech punktach powierzchni tocznej koa i ich chwilow warto redni; - chwilowy wspóczynnik tarcia; - prdko przepywu powietrza wentylujcego par ciern.

W oparciu o powy sze parametry oraz parametry zadane (tablica 2) (prdko liniowa, rednica koa i czna sia nacisku wstawki) obliczone zostay wielkoci wykorzystane do analizy wyników bada. Ze wzgldu na ograniczone miejsce w artykule zaprezentowano tylko kilka wybranych wyników bada w rozdziale nr 4. W trakcie bada rejestrowano tak e przemieszczenia osiowe piasty i wieca koa oraz wstawki hamulcowej (Rys. 4 a). W tym celu u yto laserowych czujników odlegoci. Mierzono równie wartoci przyspiesze wstawki hamulcowej w 3 kierunkach (Rys. 4 b) oraz przyspieszenia korpusu wau napdzajcego hamowane koo. W tym celu u yto czujników przyspiesze i laserowych czujników przemieszczenia o wysokiej rozdzielczoci i du ej czstotliwoci próbkowania. Specyfikacj sprztu pomiarowego zamieszczono w tablicy nr 3.

284 Robert Konowrocki, Jacek Kukulski, Sawomir Walczak, Witold Groll

a) b)

Rys. 4. Czujniki pomiarowe zamontowane na stanowisku badawczym i obiekcie badanym

Rys. 5. Stykowa metoda pomiaru temperatury powierzchni tocznej koa kolejowego

Tablica 3

Parametry czujników pomiarowych uytych w badaniach

L. P. Typ Opis parametrów

1. 3 piezoelektryczne czujniki przyspiesze _{A200-02, A200-04, A200-10} - zakres pomiarowy do 200 g, _{- czuo: 0.5 mV/g}

2. wzmacniacz pomiarowy ESAM TRAVELLER

- zakres pomiarowy: 200 g - zakres czstotliwoci: 0 – 10 kHz - bd nieliniowoci i histerezy: 0,5 %

- bd funkcji przenoszenia: 0,2 dB 3. piezoelektryczny czujnik przyspiesze

B&K typu 4371

- zakres: 0.1Hz – 8.4kHz , - czuo: 31 pC/g 4. laserowy czujnik przemieszczenia

ILD 100-10

- zakres pomiarowy 0-10 mm - rozdzielczoci 0.5 μmi -czstotliwoci próbkowania 2,5 kHz. Dla tak dobranej aparatury pomiarowej niepewno rozszerzona pomiaru przyspiesze wynosi: 4,2 %.

4. WYNIKI BADA

W rozdziale 4 zaprezentowano wybrane wyniki pomiarów zarejestrowanych podczas bada wstawki czyszczcej. Rys. 6 przedstawia przebieg zmiany redniej temperatury powierzchni tocznej koa podczas hamowania mierzony trzema termoparami lizgowymi (Rys. 5) w funkcji prdkoci liniowej koa. Nale y zauwa y, e najwikszy wzrost temperatury wystpuje po stronie powierzchni tocznej najbardziej oddalonej od obrze a koa. Wynika to z faktu, e w tym miejscu dyssypacja ciepa ze wzgldu na mniejsz ilo materiau oraz mniejsz powierzchnie boczn wieca (bez obrze a) jest ograniczona.

Rys. 6. Temperatury powierzchni tocznej koa przy hamowaniu z 270 i 300 km/h

Rys. 7. Sia nacisku wstawki i rednia temperatura powierzchni koa w funkcji prdkoci przy hamowaniu badawczym z V=270 km/h i V=300 km/h

Kolejne wykresy (Rys. 7) przedstawiaj przyrost redniej temperatury powierzchni tocznej koa i dwustopniowej siy docisku wstawki do powierzchni tocznej koa przy hamowaniu

z dwóch prdkoci. Sia docisku zmienia swoj warto z 8 na 23 kN w obu przypadkach przy prdkoci 200 km/h. Hamowanie z wy szej prdkoci wywoao wzrost temperatury powierzchni tocznej o 25% przy prdkoci 200 km/h i o 12% po cakowitym zatrzymaniu.

286 Robert Konowrocki, Jacek Kukulski, Sawomir Walczak, Witold Groll

Chwilowy wspóczynniki tarcia przedstawiony na rysunku 8 okrelono w ka dej chwili hamowania jako stosunek cakowitej sia stycznej hamowania Ft do cakowitej siy

w kontakcie Fb (sia nacisku wstawki) z zale noci (1)

ߤ

ൌ



Rys. 8. Przebieg chwilowego wspóczynnika tarcia w funkcji prdkoci przy hamowaniu z V=300 km/h przy siach nacisku wstawki F=8/23 kN

Widoczne na wykresie wspóczynnika tarcia (Rys. 8) przy staej sile docisku 23 kN zaburzenia jego wartoci dla 75 i 150 km/h, wynikaj z drga wstawki oczyszczajcej. Rysunek 9 ilustruje przyspieszenia w kierunku obwodowym (stycznym do strefy kontaktu) oraz w kierunku bocznym (równolegym do osi koa) zarejestrowane na badanej wstawce. Widoczny jest wzrost drga w kierunku stycznym przy prdkociach 20, 75, 150 i 200 km/h. Zwikszenie wartoci przyspieszenia w kierunku stycznym przy prdkoi 200 km/h wywoane jest zmian nacisku z 8 na 23 kN. Drgania przy 75 i 150 km/h mog by wywoane konstrukcj jednostronnego ukadu wywierania siy naciku na wstawk oczyszczajc. Tego typu przebiegi nie wystepoway podczas zastosowania ukadu hamulcowego z dwiema wstawkami.

Rys. 9. Wartoci przypieszenia wstawki przy hamowaniu z 300 km/h

redni wspóczynnik tarcia Pm, okrelono przez cakowanie chwilowego wspóczynnika

tarcia od osignicia 95% nominalnej siy nacisku Fb na drodze hamowania L. Prezentuje

to równanie (2)

. (2) Badana wstawka charakteryzowaa si rednim wspóczynnikiem tarcia o ró nych wartociach w zale nosci od prdkoci z jakiej rozpoczto proces hamowania. Wartoci wspóczynnika tarcia oraz maksymalne temperatury powierzchni tocznej koa zarejestrowane podczas hamowania z trzech prdkoci pocztkowych zamieszczono w tablicy 4. Hamowanie z du ych prdko wywouje obni enie redniego wspóczynnika tarcia odpowiadajcego procesowi hamowania do zatrzymania.

Tablica 4

rednie wartoci wspóczynnika tarcia wstawki oczyszczajcej

L. p. Prdko pocztkowa hamowania [km/h] Wspóczynnik tarcia Maksymalna temperatura [°C] 1 300 0.219 350 2 270 0.221 320 3 250 0.230 296

Nale y zaznaczy, e wasnoci tribologiczne nie byy gównym przedmiotem prowadzonych bada. Tak e w normalnej eksploatacji analizowana wstawka nie peni funkcji hamujcych pojazd kolejowy, a jedynie su y w celu oczyszczania powierzchni tocznej koa na zestawach napdnych z ró nego rodzaju nieczystoci, które w trakcie

288 Robert Konowrocki, Jacek Kukulski, Sawomir Walczak, Witold Groll

eksploatacji mog przykleja si do kó z toków szynowych. Gównym celem bada byo okrelenie relacji generowania drga we wstawce hamulcowej ze zmian wspóczynnika tarcia przy hamowaniu z du ych prdkociach. Otrzymane wyniki posu  w dalszym etapie bada do budowy modelu numerycznego rozpatrywanego ukadu hamulcowego i jego teoretycznych analiz.

5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI

W pracy zaprezentowano wyniki bada wspópracy oczyszczajcej wstawki hamulcowej, wykonane na stacjonarnym stanowisku eksperymentalnym. Na podstawie przeprowadzonych analiz i bada eksperymentalnych zaobserwowano, e wstawka oczyszczajca montowana w pojazdach du ych prdkoci przy prdkoci hamowania z ró nych prdkoci pocztkowych cechuje si ró nym rednim wspóczynnikiem tarcia. Jego warto zale y od prdkoci pocztkowej hamowania. Takie obserwacje potwierdzaj prace innych badaczy [2 i 6]. Wywoane jest to wzrostem temperatury w strefie kontaktu wstawka-koo. Zarejestrowano tak e nierównomierny rozkad temperatur na powierzchni tocznej koa. Z analizy wyników pomiarowych wida charakterystyczne przedziay prdkoci, przy których wzrastaj drga w kierunku stycznym do powierzchni strefy kontaktu wstawki oczyszczajcej z koem. Zaburzenie to potwierdzi tak e przebieg wspóczynnika tarcia, wyznaczony niezale n od pomiaru drga metod.

Ze wzgldu na pojawienie si dominujcych drga przy okrelonych prdkociach koa, w dalszym etapie pracy przewidziano budow modelu numerycznego. Model ten pozwoli na teoretyczne okrelenie przyczyn wzrostu drga.

Bibliografia

1. Ostermeyer, G. P. Dynamic Friction Laws and their Impact on Friction Induced Vibrations, SAE (2010) 2010-01-1717.

2. Kim L. Dynamometer Tests of Brake Shoes under Wet Conditions for the High Speed Trains. International Journal of Systems Applications, Engineering & Development, Issue 2, Volume 5, 2011. 3. Konowrocki R., Bogacz R. Numerical analysis of vibration in a brake system for high speed

train. Vibrations In Physical Systems, Editors: Cz. Cempel, M. W. Dobry, Pozna 2012, Vol. XXV: 235-240 ISBN 978-83-89333-43-8.

4. Konowrocki R., Bogacz R., Jacek Kukulski, Sawomir Walczak. Drgania w ukadach hamulcowych kolei du ych prdkoci –badania eksperymentalne i numeryczne. XX Midzynarodowa Konferencja Naukowa „Pojazdy Szynowe 2012” (mat. konferencyjne na CD).

5. Kim M. Vibration Analysis of Tread Brake Block in the Brake Dynamometer for the High Speed Train. International Journal of Systems Applications, Engineering & Development Issue 1, Volume 5, 2011. 6. Kim M. Development of the Braking Performance Evaluation Technology for High-speed Brake

Dynamometer. International Journal of Systems Applications, Engineering & Development Issue 1 Issue 1, Volume 6, 2012.

DYNAMIC INTERACTION OF CLEANSING BRAKE INSERT FOR HIGH SPEED TRAIN - EXPERIMENTAL INVESTIGATION

Summary: Paper is devoted experimental studies of the dynamics of cleansing brake insert. The test system

is used in high-speed railway vehicles. In this case, the single brake insert during contact with the surface of the wheel tread removes any elements that as a result adhesion stick to the rolling surface of wheels. Foreign objects glued to the wheel tread affected the accelerated wear of wheel sets, as well as be able to damage the rail track. As a result of installing such a system during the braking process, which is a temporary phenomenon, there are variables vibrations induced by friction interaction of brake insert with railway wheel. In the paper presented results of experimental studies carried out on a real high-speed brake system.