Wojciech Sawczuk
Politechnika Poznaska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu Zakad Pojazdów Szynowych
OCENA DRGA GENEROWANYCH PRZEZ UKAD
HAMULCA TARCZOWEGO DO JEGO
DIAGNOZOWANIA PRZY JEGO RÓNYCH
OBCI ENIACH CIEPLNYCH
Rkopis dostarczono, kwiecie 2013
Streszczenie: W pojazdach szynowych ze wzgldu na coraz to wiksze prdkoci jazdy prowadzi si
prace nad udoskonalaniem ukadów hamulcowych tak, aby zatrzymanie pojazdu odbyo si na mo liwie najkrótszej drodze hamowania. Wiksze wymagania stawiane ukadom hamulcowym wymusza nie tylko okresowe kontrolowanie stanu pary ciernej, ale równie staego monitorowania zu ycia elementów ukadu hamulcowego.
Celem artykuu jest przedstawienie mo liwoci diagnozowania pary ciernej hamulca tarczowego wykorzystujc wybrane charakterystyki amplitudowe sygnau drganiowego generowanego przez obsad hamulcow z okadzinami ciernymi z uwzgldnieniem wpywu temperatury tarczy na sygna wibroakustyczny.
Sowa kluczowe: diagnostyka hamulca, temperatura tarczy, charakterystyki amplitudowe
1. WPROWADZENIE
W pojazdach szynowych, ze wzgldu na cigy wzrost prdkoci jazdy w celu uzyskania wymaganej drogi hamowania, stosuje si hamulce tarczowe jako hamulec zasadniczy. Do niewielu wad hamulca tarczowego zalicza si brak mo liwoci kontroli stanu pary ciernej tarcza-okadzina w caym procesie eksploatacji. Jest to szczególnie zauwa alne w wagonach kolejowych, w których tarcze hamulcowe zamocowane s na osi zestawu koowego midzy koami [2, 7]. W celu sprawdzenia zu ycia okadzin ciernych i tarcz hamulcowych, konieczne jest wykorzystanie kanau rewizyjnego dla przeprowadzenia kontroli a w sytuacji osignicia granicznego zu ycia elementów ciernych równie ich wymiany. Ze wzgldu na rozbudowany ukad hamulcowy wagonu oraz lokomotywy, skadajcy si najczciej z 8 indywidualnych cylindrów hamulcowych, utrudnione jest zastosowanie jednego systemu diagnostycznego do oceny zu ycia wszystkich par ciernych.
W technice kolejowej do diagnozowania zu ycia okadzin ciernych stosuje si stanowiska torowe, w których dokonuje si fotograficznej rejestracji obrazu pary ciernej tarcza hamulcowa-okadzina cierna podczas przejazdu pocigu [8]. Nastpnie na podstawie zarejestrowanych obrazów dokonuje si oszacowania gruboci okadzin ciernych hamulca tarczowego, co przedstawia rys.1. Przy gruboci okadzin wynoszcym 10 mm, maszynista pocigu otrzymuje informacj o osigniciu granicznego dopuszczalnego zu ycia okadzin na danej osi zestawu koowego. Stanowiska torowe do diagnostyki zu ycia okadzin ciernych stosowane s midzy innymi na kolejach niemieckich, angielskich i francuskich.
Rys. 1. Stanowisko podtorowe do fotograficznej oceny zu ycia okadzin ciernych firmy MERMEC Group: a) widok stanowiska, b) identyfikacja punktów odniesienia, c) szacowanie gruboci
okadziny [8]
W pojazdach szynowych, najczciej stosowane s ukady sygnalizujce proces hamowania oraz luzowania (rys.2), widoczne dla obsugi pocigu ze rodka jak i z zewntrz pojazdu. Wspomniane ukady umo liwiaj podczas przejazdu pocigu sprawdzenie, w którym z wagonów jest zablokowany ukad hamulcowy.
Rys. 2. Urzdzenie sygnalizujce dziaanie hamulca tarczowego na wagonie typu 136: a) hamulec wyczony, b) inny stan hamulca: 1 – kolor zielony tj. wyczenie hamulca, 2 – prostokt przekrelony tj. innego stanu hamulca (np. brak powietrza w instalacji hamulcowej), 3 – manometr
cinienia powietrza z cylindrze hamulcowym
Innym zaawansowanym ukadem do diagnostyki hamulca tarczowego jest system do wizyjnej kontroli i diagnostyki opracowany w Instytucie Pojazdów Szynowych TABOR w Poznaniu. Ukad diagnozujcy (rys. 3) [1] dostarcza penych informacji na temat zu ycia okadzin ciernych oraz tarcz hamulcowych w ka dym momencie eksploatacji.
Rys. 3. System wizyjny HARD Soft: a) schemat zasady dziaania, b) obraz pary ciernej hamulca tarczowego do oszacowania zu ycia okadziny i tarczy [1]
Opracowane rozwizania cechuje skomplikowany i kosztowny ukad pomiarowy skadajcy si z kamery cyfrowej i oprogramowania do przetwarzania obrazu. Po udanych
próbach na stanowisku badawczym, wizyjny ukad diagnostyczny bdzie testowany podczas bada eksploatacyjnych.
Celem bada jest przedstawienie mo liwoci wykorzystania sygnau drganiowego generowanego przez obsady hamulcowe do oceny zu ycia okadzin ciernych hamulca tarczowego stosujc wybrane charakterystyki amplitudowe podczas symulowanych hamowa ze sta moc (hamowanie na spadku) z uwzgldnieniem wpywu temperatury tarczy hamulcowej na sygna wibroakustyczny.
2. METODYKA I OBIEKT BADA
Badania diagnostyczne przeprowadzone zostay w Instytucie Pojazdów Szynowych TABOR w Poznaniu na bezwadnociowym stanowisku do bada hamulców klockowych i tarczowych pojazdów szynowych (rys. 4). Obiektem bada bya tarcza hamulcowa typu 590×110 z wentylujcymi opatkami oraz 3 komplety okadzin typu 175 FR20H.2 firmy Frenoplast. Pierwszy komplet okadzin - nowy o gruboci 35 mm oraz po 2 komplety zu yte do gruboci 25 mm i 15 mm.
Rys. 4. Stanowisko do bada kolejowego hamulca tarczowego: a) widok stanowiska w czasie bada diagnostycznych, b) widok obsady hamulcowej z przetwornikiem drga; 1- obsada
hamulcowa, 2- przetwornik drga, 3- tarcza hamulcowa
Do bada wykorzystano program badawczy 2B1 (II) zgodniez zacznikiem C.2 zawartym w Kodeksie UIC 541-3. Dla wspomnianego programu przeprowadzono
hamowanie ze sta moc hamowania wynoszc 45kW [4]. Jest to symulacja zjadu
pocigu ze sta prdkoci przy wczonym ukadzie hamulcowym. Prdko zjazdu v=80km/h, nacisk okadziny na tarcz N=25kN, cakowity symulowany czas zjazdu pocigu t=10min. Masa do wyhamowania przypadajca na jedn tarcz wyniosa w czasie
bada M=5,7t. Na obsadach hamulcowych zamocowano przetworniki drga co przedstawia rysunek 4b przykrcony do obsady za porednictwem pytki mocujcej.
Rys. 5. Schemat toru pomiarowego przyspiesze drga generowanych przez obsad hamulcow
z okadzinami w czasie hamowania
Podczas bada rejestrowano sygnay przyspiesze drga w jednym kierunku tj. prostopadych do powierzchni ciernej tarczy hamulcowej. Do akwizycji sygnaów drga zastosowano zestaw pomiarowy skadajcy si z: piezoelektrycznego przetwornika przyspiesze drga, kasety pomiarowej typu B&K 3050-A-060 wraz z oprogramowaniem systemu PULSE 16.0. Tor pomiarowy przedstawiono na rysunku 5.
Przetworniki drga typu 4504 firmy Brüel&Kjær wybrano na podstawie wytycznych zawartych w pracy [7], liniowe pasmo przenoszenia przetworników wynioso 13 kHz. Czstotliwo próbkowania ustawiono na 131 kHz. Oznacza to, e pasmo poddane analizie zgodnie z zale noci Nyquista wynioso 65 kHz.
Badania stanowiskowe uwzgldniajce wpyw temperatury tarczy na sygna drganiowy przeprowadzono przy wykorzystaniu szeciu termopar zainstalowanych na tarczy
hamulcowej, po trzy na ka d stron tarczy. Otwory pod termopary (2,5mm) byy
wiercone co 120q na trzech promieniach tarczy, r1=¼·rw, r2=½· rw i r1=¾·rw (rw - promie
wewntrzny tarczy), zgodnie z [5]. W otworach najbli ej rednicy zewntrznej tarczy zainstalowano termopary o najdu szej czci roboczej (termopary TP-213K-a-300-200), na pozostaych promieniach - termopary TP-213K-a-200-200. Na drugiej stronie tarczy
wykonano otwory przesunite o 60q wzgldem pierwszej strony w celu nie pokrywania si
termopar.
Badania zostay przeprowadzone zgodnie z zasadami eksperymentu czynnego [6]. Po przeprowadzeniu hamowania dla zadanej gruboci okadziny, zmieniano okadzin bez zmian pozostaych parametrów hamowania jak prdko zjazdu pocigu, docisk okadziny do tarczy czy masa hamujca i czas hamowania. Równoczenie obserwowano zmiany zachodzce w amplitudzie chwilowych przyspiesze drga.
3. WYNIKI BADA
W celu uwzgldnienia wpywu temperatury na sygna drganiowy celowo przeprowadzono hamowania ze sta moc, gdzie w czasie bada hamulcowych obserwuje si zmiany wspóczynnika tarcia od narastajcej w czasie hamowania temperatury tarczy. Pozostae parametry hamowania s stae jak symulowana prdko zjazdu, nacisk okadziny na tarcz oraz masa do wyhamowania. Do sprawdzenia zale noci parametru diagnostycznego od temperatury do dalszych analiz wykorzystano diagnostyczne miary punktowe z sygnaów przyspiesze drga. W dziedzinie amplitud, równie byy wyznaczone wartoci wybranych miar punktowy zwizanych ze zmian gruboci okadziny w czasie pracy ukadu hamulcowego. Do analizy amplitudowej wykorzystano fragment sygnau drganiowego pochodzcego z hamowania hamulcem tarczowym podzielony na osiem odcinków czasowych, co 20 sekund od 0 do 160 sekund. Na rysunku 6 przedstawiono przebiegi czasowe sygnau przyspiesze drga uzyskanych przy hamowaniu z okadzinami o trzech grubociach (widoczne jest pi odcinków czasowych co 20 sekund).
Rys. 6. Warto chwilowa przyspiesze drga w funkcji czasu hamowania podczas hamowania ze sta moc dla trzech gruboci okadzin ciernych z podziaem na pi przebiegów czasowych do analizy w dziedzinie amplitud: I – czas hamowania 0-20s, II – czas hamowania 20-40s, III – czas
hamowania 40-60s, IV – czas hamowania 60-80s, V-czas hamowania 80-100s
Zalet miar punktowych w diagnostyce wibroakustycznej jest scharakteryzowanie sygnau drganiowego przy pomocy jednej liczby, przez co atwo mo na okreli zmiany w sygnale wibroakustycznym, bdce wynikiem zmiany stanu technicznego badanego obiektu w tym przypadku zmian gruboci okadziny ciernej.
Wykorzystywane miary punktowe w diagnostyce wibroakustycznej, zgodnie z prac [9], dzieli si na wymiarowe i bezwymiarowe. Do diagnostyki zu ycia okadzin ciernych
kolejowego hamulca tarczowego zastosowano nastpujce miary punktowe (wymiarowe): - amplituda skuteczna, co przedstawia zale no:
³
> @
T RMS st dt T A 0 2 ) ( 1 [m/s2] (1)gdzie: T czas uredniania [s],
s(t) warto chwilowa przyspiesze drga [m/s2]. - amplituda rednia, opisana równaniem:
³
T AVERAGE st dt T A 0 1 [m/s2] (2)
- amplituda pierwiastkowa, co przedstawia zale no:
2 2 1 0 1 » » » ¼ º « « « ¬ ª
³
st dt T A T SQUARE [m/s 2 ] (3)- amplituda szczytowa, opisana równaniem:
f f » » ¼ º « « ¬ ª
³
1 0 1T PEAK st dt T A [m/s2] (4)Wielkoci (miary) bezwymiarowe w charakterystykach sygnaów diagnostycznych s ilorazami odpowiednich miar punktowych wymiarowych. Jednak w analizach sygnaów przyspiesze drga okadzin z obsadami hamulcowymi podczas bada na dwóch tarczach hamulcowych – nie znalazy zastosowania.
Na rysunku 7 przedstawiono analizowane miary punktowe przyspiesze drga dla ró nych gruboci okadzin uzyskanych przy hamowaniu ze sta moc na tarczy o rednicy zewntrznej 590 mm. Pomiaru drga dokonano na dwóch obsadach, do dalszej analizy
wykorzystano kierunek prostopady do tarczy Y2 (pomiar od strony toczyska cylindra
hamulcowego). Badania wibroakustyczne przeprowadzone na tym ukadzie hamulca
tarczowego wykazay, e kierunek Y1 (pomiar od strony obudowy cylindra hamulcowego)
równie mo e by wykorzystany do dalszych analiz. Jednak w kierunku pomiaru drga Y2
uzyskuje si wy sz dynamik zmian analizowanego parametru diagnostycznego [3]. Wartoci miar punktowych na rysunku 6 zostay uszeregowane od najwikszej do najmniejszej wartoci przyspieszenia drga okadziny z obsad uzyskanych w pierwszym (20-to sekundowym) czasie hamowania. Analizujc wykresy na rysunku 7 stwierdza si, e najwiksze zmiany w wartoci wszystkich rozpatrywanych miar punktowych wystpuj do czasu hamowania wynoszcego 140 sekund i tylko dla okadzin o skrajnych
grubociach tj. G1=35 mm oraz dla G3=15 mm.
Rys. 7. Zale no analizowanych miar punktowych dla ró nych gruboci okadzin przy hamowaniu ze sta moc na tarczy typu 590×110, dla kierunku Y2 z uwzgldnieniem przyrostu temperatury
tarczy: a) warto szczytowa APEAK, b) warto skuteczna ARMS, c) warto rednia AAVERAGE d) warto pierwiastkowa ASQUARE
PODSUMOWANIE
Stanowiskowe badania diagnostyczne wykazay, e wystpuje zale no zmiany parametru diagnostycznego od zu ycia okadzin ciernych rozumianego zmian gruboci okadzin. Analiza sygnaów przyspiesze drga generowanych przez obsady hamulcowe z okadzinami wykazaa, e do celów diagnostyki zu ycia okadzin mo na zastosowa
wybrane charakterystyki amplitudowe jak warto skuteczn ARMS, warto redni
AAVERAGE, warto pierwiastkow ASQUARE oraz warto szczytow APEAK. Wspomniana
analiza sygnaów przyspiesze drga wykazaa, e najwiksze zmiany w parametrze diagnostycznym wynikajcym ze zmiany gruboci okadzin uzyskuje si dla pierwszego okresu hamowania (czas hamowania do 20 sekund). W tym okresie uzyskuje si najwy sz warto parametru dla okadziny zu ytej do gruboci 15 mm oraz najni sz warto dla okadziny nowej (dotartej) o gruboci 35 mm. Dalsze okresy hamowania powy ej 20 sekund powoduj, e parametr diagnostyczny dla okadziny nowej nieliniowo ronie, dla okadziny zu ytej do gruboci 15 mm nieliniowo maleje natomiast dla okadziny o gruboci 25 mm w caym okresie hamowania nie zmienia si. Zmiany parametru dla okadzin o gruboci 35 i 15mm aproksymowano funkcj potgow natomiast dla okadziny o gruboci 25mm – funkcj liniow staa. Zao ony trend zmian parametrów diagnostycznych zgodnie z zao onymi funkcjami aproksymujcymi jest widoczny dla wszystkich analizowanych miar punktowych. Po czasie hamowania wynoszcym 140 sekund wszystkie wartoci miar punktowych stabilizuj si i nie zmieniaj si w dalszym okresie hamowania. Zmiany w wartociach rozpatrywanych miar punktowych mo na wyjania zmianami temperaturowymi, jakie wystpuj w czasie hamowania oraz tym, e pierwsze 20 sekund hamowania jest procesem przejciowym zwizanym z ustabilizowaniem si parametrów hamowania.
W dalszym etapie prac nale aoby uwzgldni wpywu temperatury tarczy na rozkad temperatury okadziny i obsady hamulcowej w wyniku przewodzenia cieplnego na dalsze elementy ukadu hamulcowego. A nastpnie jak mogoby to wpyn na drgania wymuszone okadziny gdzie wpyw temperatury mo e powodowa zmian charakterystyk dynamicznych pary ciernej opisywanych midzy innymi wspóczynnikiem spr ystoci i tumienia.
Projekt jest finansowany ze rodków Narodowego Centrum Nauki, nr N N504 644840
Bibliografia
1. Bocian S., Bogu P., Kaluba M., Kardacz A.: Pozyskanie obrazu przez komputerowe systemy graficzne do wizyjnej kontroli i diagnostyki hamulca tarczowego. Pojazdy Szynowe 2000, nr 2, s. 37-53.
2. Gruszewski M.: Wybrane zagadnienia eksploatacji hamulca tarczowego. Technika transportu Szynowego 6-7/1995, s. 84-86.
3. Grybo R.: Drgania maszyn. Wydawnictwo Politechniki lskiej, Gliwice 2009, s. 214.
4. Kodeks UIC 541-3. Hamulec-Hamulec tarczowy i jego zastosowanie. Warunki dopuszczenia okadzin hamulcowych. Wyd. 6, listopad 2006, s. 23.
5. Polska Norma PN-EN 14535-1. Kolejnictwo – tarcze hamulcowe kolejowych pojazdów szynowych – Cz 1: Tarcze hamulcowe wtaczane lub mocowane skurczowo na osiach zestawów tocznych lub napdnych, wymiary i wymagania dotyczce jakoci. Warszawa 2006.
6. Rafajowicz E.: Optymalizacja Eksperymentu z Zastosowaniami w Monitorowaniu Jakoci Produkcji. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocawskiej, 2005.
7. Sawczuk W., Tomaszewski F.: Assessing the wear of friction pads in disc braking system of rail vehicle by using selected amplitude characteristics of vibration signal. Vibration In Physical Systems, Volume XXIV, s. 335-361.
8. Strona internetowa: http://www.mermecgroup.com/diagnostics/rolling-stock-inspection/96/1/brake-pads-wear.php (15.04.2013).
9. Szymaski G.: Analiza mo liwoci zastosowania wybranych charakterystyk sygnau drganiowego do diagnostyki silnika spalinowego. Rozprawa doktorska, Politechnika Poznaska, Pozna 2005, s. 40-41.
EVALUATION OF VIBRATION GENERATED BY BRAKE SYSTEM FOR DIAGNOSIS IN DIFFERENT TEMPERATURE STATES
Summary: In rail vehicles, because of higher and higher ride speeds, there are works carried out to upgrade
braking systems to stop the vehicle at shortest possible braking distance. It is required that in braking systems the condition of friction set is periodically controlled and the wear of braking system parts is constantly monitored.
The purpose of this article is to present possibility to diagnose the friction set of disc brake by using selected amplitude characteristics of vibration signal generated by brake caliper with friction pads. The article additionally includes the effect of the temperature of the brake disc for the vibration signal.
