Streszczenie
Celem artykułu jest wyznaczenie rozkładu średniej temperatury w kolejowym ha-mulcu tarczowym z wykorzystaniem kamery termowizyjnej. W artykule przedstawiono rozkład średniej temperatury na takich elementach pary ciernej jak tarcza hamulcowa, okładzina cierna oraz obsada hamulcowa kolejowego hamulca tarczowego. Obserwa-cja temperatury na tych elementach za pomocą kamery termowizyjnej pozwoliła określić rozkład temperatury dla hamowań zatrzymujących z okładzinami w parze ciernej zużytymi w różnym stopniu. Następnie na podstawie zarejestrowanych obra-zów i analizie termogramów opracowano modele termomechaniczne pozwalające określić temperaturę elementów pary ciernej hamulca w zależności od zużycia ha-mulca oraz parametrów hamowania.
Słowa kluczowe: kolejowy hamulec tarczowy, okładzina cierna, obsada hamulcowa, rozkład Ğredniej temperatury, badania termowizyjne
1. Wprowadzenie
Badania o charakterze trybologicznym kolejowych hamulców przeprowadza siĊ na stanowisku hamulcowym bezwładnoĞciowym (rys. 1). Stanowisko umoĪliwia prowadzenie badaĔ kolejowego hamulca klockowego oraz hamulca tarczowego, odzwierciedlających rzeczywiste warunki, jakie wystĊpują podczas hamowania wagonu.
Badania stanowiskowe na tarczowych hamulcach kolejowych, którego dotyczy artykuł, prowa-dzi siĊ zgodnie z programami zawartymi w karcie UIC 541-3.
KaĪdy program badaĔ odnosi siĊ do specyficznych warunków pracy hamulca w czasie eksplo-atacji pojazdu. W celu odzwierciedlenia rzeczywistych warunków, jakie wystĊpują w czasie hamowania wagonów oraz biorąc pod uwagĊ, Īe tylko pociągi pospieszne w ruchu krajowym typu Intercity i czĊĞü pociągów TLK oraz wszystkie pociągi w ruchu miĊdzynarodowym typu Eurocity są wyposaĪone w wagony z tarczowym układem hamulcowym, wybrano program badawczy 2B dla pociągów osobowych kursujących z prĊdkoĞcią maksymalną v=200km/h. W czasie stanowisko-wych badaĔ kolejowego hamulca tarczowego rejestruje siĊ m.in. zmiany chwilowego współczynnika tarcia, na jego podstawie wyznacza siĊ Ğredni współczynnik tarcia poprzez całkowa-nie chwilowego współczynnika tarcia po drodze hamowania, ponadto przebiegi maksymalnej i Ğredniej temperatury tarczy w funkcji czasu hamowania zarejestrowanej na podstawie 6-ciu termo-par zamocowanych na pierĞcieniu ciernym tarczy oraz drogĊ hamowania i zuĪycie okładzin ciernych [1].
Rys. 1. Stanowisko do badań kolejowego hamulca tarczowego: a) widok tarczy hamulcowej i układu dźwigniowego hamulca, b) widok na napęd stanowiska i masy wirujące: 1-cylinder hamulcowy 8’, 2-obsada z okładziną cierną, 3-tarcza hamulcowa, 4-silnik do napędu stanowiska,
5-masy wirujące ħródło: opracowanie własne.
Wszystkie próby prowadzi siĊ na nowej parze ciernej w szczególnoĞci dla okładzin ciernych, nie wyznacza siĊ charakterystyk tarciowych dla zuĪytych okładzin. W zaleĪnoĞci od rodzaju trasy na której kursuje dany skład pociągu związany z liczbą hamowaĔ oraz energią pojazdu do wyhamo-wania, w niektórych przypadkach osiągniĊcie granicznego dopuszczalnego zuĪycia okładziny wynoszące 5mm zmuszające do wymiany okładziny na nową – osiąga siĊ w ciągu 20 dni przy prze-biegu pociągu nie przekraczającego 3500 km (na podstawie badaĔ autora).
2. Metodyka badaĔ stanowiskowych i termowizyjnych
Celem badania było wyznaczenie rozkładu Ğredniej temperatury tarczy hamulcowej, okładziny ciernej i obsady hamulcowej z wykorzystaniem kamery termowizyjnej. Badaniem został objĊty układ hamulca tarczowego, który obejmował wentylowaną tarczĊ hamulcową o wymiarach 590×110 oraz okładziny cierne typu 175 FR20.H2 o gruboĞci odpowiednio 35, 25 i 15 mm, zamo-cowane do obsady hamulca tarczowego przedstawione na rys. 2.
Badania zostały przeprowadzone na bezwładnoĞciowym stanowisku hamulcowym w Instytucie Pojazdów Szynowych TABOR w Poznaniu. Zostały odzwierciedlone rzeczywiste warunki panujące podczas hamowania pociągu. Program badaĔ był zgodny z kartą UIC 541-3 i programem 2B1 (I). Przeprowadzono hamowanie zatrzymujące z zadanych prĊdkoĞci, które odpowiednio wynosiły 50, 80,120, 160 i 200 km/h. Do analizy wykorzystano termogramy przedstawiające temperaturĊ w chwili zatrzymania. Po kaĪdym hamowaniu tarczĊ chłodzono do temperatury 50˚C poprzez swo-bodny obrót na wolnym powietrzu. Kontrolowanie tej temperatury było moĪliwe dziĊki zainstalowanym na tarczy termoparom, które jednoczeĞnie mierzyły temperaturĊ na tarczy hamul-cowej w czasie przeprowadzania prób. Docisk okładziny do tarczy wynosił N=25 kN i N=35 kN natomiast masa do wyhamowania przypadająca na jedną tarcze wyniosła M=5,7 t. Zarejestrowane obrazy termowizyjne analizowano w programie FLIR Tools.
Rys. 2. Widok okładzin ciernych wykorzystanych w badaniach stanowiskowych hamulca tarczo-wego z wykorzystaniem kamery IR
ħródło: opracowanie własne.
Rozkład Ğredniej temperatury wyznaczono poprzez naniesienie na obraz dowolnej liczby punk-tów pomiarowych Sp, które nastĊpnie uĞredniono, lub za pomocą naniesienia na obraz obszarów w postaci podstawowych figur geometrycznych jak okrąg, kwadrat, prostokąt czy trójkąt [3]. W przypadku pomiaru rozkładu temperatury na gruboĞci tarczy hamulcowej na kaĪdy termogram naniesiono trzy punkty (Sp) w trzech róĪnych miejscach a nastĊpnie uĞredniono je. Rozkład tempe-ratury na okładzinie ciernej zrealizowany został poprzez naniesienie na jej gruboĞü linii prostej (Li). Zastosowanie takiej metody [4], poza Ğrednią arytmetyczną temperatury pozwala wyznaczyü takĪe temperaturĊ maksymalną i minimalną. Na obsadzie hamulcowej temperaturĊ zmierzono z wykorzy-staniem, naniesionego w badanym miejscu termogramu, obszaru prostokątnego. NastĊpnie przy pomocy programu wyznaczono Ğrednią temperaturĊ ze wszystkich punktów znajdujących siĊ w ob-szarze prostokątnym (Ar) oraz temperaturĊ minimalną i maksymalną.
Rys. 3. Obraz termograficzny z kamery FLIR E60 układu hamulca tarczowego wygenerowany w programie FLIR Tools: 1– pomiar punktowy temperatury Sp, 2– rozklad temperatury z obszaru
kołowego El, 3– rozkład temperatury z obszaru prąstokątnego lub kwadratowego Av, 4 – poziom (level), 5 – rozpiętość (span)
Na rysunku 3 przedstawiono rozpiĊtoĞü temperatury – span jest to zakres od 0 do 150°C, level (poziom tj. Ğrodkowy punkt rozpiĊtoĞci) oraz wykorzystane w pomiarach obszary figur geometrycz-nych.
Rys. 4. Pomiar temperatury tarczowego układu hamulcowego: a) obraz termowizyjny zarejestro-wany kamerą FLIR E60 i wygenerozarejestro-wany w programie FLIR Tools; b) widok stanowiska
badawczego kolejowego hamulca tarczowego ħródło: opracowanie własne.
Rysunek 4 przedstawia przykładowy obraz termograficzny na postawie którego wyznaczono rozkład temperatury w podanych w miejscach: okładzina cierna, gruboĞü tarczy hamulcowej i ob-sada hamulcowa oraz widok tarczy hamulcowej.
Przeprowadzenie dokładnego pomiaru temperatury na kolejowym hamulcu tarczowym z wy-korzystaniem kamery termowizyjnej wymaga kompensacji wpływu róĪnych Ĩródeł promieniowania [5]. NaleĪało zatem ujednoliciü wszystkie parametry kamery termowizyjnej dla kaĪdego pomiaru temperatury. NajwaĪniejszym parametrem obiektu, który naleĪało poprawnie skonfigurowaü była emisyjnoĞü. Aby zredukowaü błĊdy pomiarowe do minimum naleĪało uzyskaü jednolitą emisyjnoĞü całego układu. Dlatego na gruboĞci tarczy hamulcowej (wraz z kanałami wentylacyjnymi) oraz na obsadzie nałoĪono czarną farbĊ Īaroodporną. Natomiast na gruboĞci okładziny ciernej naklejono czarną taĞmĊ izolacyjną 3M. Pozwoliło to skonfigurowaü jednolity współczynnik emisyjnoĞci na poziomie 97%. Kolejnym parametrem była odbita temperatura pozorna. Wyznaczono ją metodą z zastosowaniem nisko emisyjnego obiektu. Polegała ona na umieszczeniu tektury z folia alumi-niową przed obiektem badaĔ, ze skierowaną folią alumialumi-niową w stronĊ kamery. Kolejno ustawiono emisyjnoĞü o wartoĞci 1,0 a odległoĞü 0 m i zmierzono temperaturĊ pozorną folii aluminiowej. Wyniosła ona 18˚C. OdległoĞü czyli dystans dzielący obiekt i czoło obiektywu kamery, wynosiła 2m. WilgotnoĞü wzglĊdna z uwagi na małą odległoĞü pozostawiono jako wartoĞü domyĞlną wyno-szącą 50%. Temperatura powietrza podczas badaĔ wynosiła 18˚C. Zestawienie wartoĞci parametrów kamery termowizyjnej przedstawia tabela 1.
Tab. 1. Wartości parametrów kamery termowizyjnej skonfigurowanej na potrzeby badań stanowiskowych hamulca tarczowego
EmisyjnoĞü 0,97
Odbita temperatura pozorna 18˚C
OdległoĞü 2 m
WilgotnoĞü wzglĊdna 50%
Temperatura powietrza 18˚C
Temperatura zewnĊtrznego układu optycznego 20˚C Transmisja zewnĊtrznego układu optycznego 1,0
3. Wyniki badaĔ
Na rysunku 5 przedstawiono rozkład Ğredniej temperatury dla tarczy hamulcowej, okładziny ciernej o gruboĞci G1=35mm i dla obsady hamulcowej w czasie hamowania zatrzymującego z za-danych 5-ciu prĊdkoĞci początku hamowania przy nacisku okładziny do tarczy N=25kN.
Rys. 5. Rozkłady średniej temperatury tarczy hamulcowej, okładziny ciernej G1=35mm oraz obsady hamulcowej w zależności od rozpatrywanych prędkości początku hamowania ħródło: opracowanie własne.
Na rysunku 6 przedstawiono rozkłady Ğredniej temperatury tarczy hamulcowej w zaleĪnoĞci od gruboĞci okładzin ciernych. Na tej podstawie stwierdza siĊ, Īe zmiana gruboĞci okładzin wynikająca z ich zuĪycia wpływa na zmianĊ temperatury tarczy w czasie hamowania z analizowanych prĊdkoĞci początku hamowania. RóĪnice w temperaturze tarczy hamowanej z uĪyciem okładzin zuĪytych wzglĊdem nowych dotartych wynoszą od 3 do 35°C (mniejszą róĪnice uzyskuje sie przy hamowaniu z prĊdkoĞci 50km/h, natomiast wiĊkszą przy prĊdkoĞciach hamowania v=160 i 200km/h). Na ry-sunku 7 przedstawiono rozkład Ğredniej temperatura okładzin ciernych w zaleĪnoĞci od ich stanu (zuĪycia) oraz od prĊdkoĞci początku hamowania i nacisku. Przy mniejszym nacisku N=25kN nie obserwuje siĊ istotnej zmiany w wartoĞci temperatur dla trzech rozpatrywanych gruboĞci okładzin (rys. 7a)). Natomiast wiĊkszy docisk okładziny do tarczy N=35kN powoduje przyrost temperatury
okładzin zuĪytych dla gruboĞci 15mm. Jednak warunek ten spełniony jest tylko przy hamowaniach z wyĪszych prĊdkoĞci tj. 160 i 200km/h w pozostałych przypadkach hamowaĔ wartoĞci temperatur okładzin mieszczą siĊ błĊdzie pomiarowym kamery termowizyjnej (2-3% wartoĞci mierzonej tem-peratury). W przypadku rozkładu temperatury na obsadach hamulcowych (rys. 8), trudno jest okreĞliü trend wzrostu temperatury obsady w zaleĪnoĞci od zuĪycia okładzin ciernych. Tylko w przypadku hamowania z naciskiem okładzin do tarczy N=25kN dla wyĪszych prĊdkoĞci początku hamowania obserwuje sie wzrost temperatury obsady od zuĪycia okładzin ciernych (hamowanie z v=160 i 200km/h rys. 8a)). W pozostałych przypadkach hamowania wystĊpuje rozrzut wartoĞci temperatur oscylujący wokół jednej wartoĞci, dla N=25kN uzyskano Ğrednie wartoĞci temperatur obsady niezaleĪnie od prĊdkoĞci hamowania wynoszące 23, 27,7 i 29,3°C połączonych z okładzi-nami o gruboĞciach kolejno 35, 25 i 15mm. Dla nacisku okładziny do tarczy N=35kN temperatury obsad hamulcowych wyniosły 25,6 (połączonej z okładziną G1=35mm), 20,8 (dla okładziny G2=35mm) i 27,9°C dla okładziny (G3=15mm). Jednak naleĪy zwróci uwagĊ, Īe na wartoĞü mak-symalnej temperatury obsady hamulcowej ma wpływ temperatura początku hamowania elementu oraz temperatura samej okładziny ciernej. Zgodnie z wytycznymi zawartymi w [2] temperatura tar-czy przed kolejnym hamowaniem powinna wynieĞü 50°C. Warunki początkowe dla tartar-czy hamulcowej są kontrolowane prze termopary zamocowane na pierĞcieniu ciernym tarczy hamulco-wej, natomiast ze wzglĊdu na charakterystykĊ materiału ciernego (tworzywo organiczne) studzenie przebiega wolniej niĪ wzglĊdem tarczy chłodzonej przy stałej prĊdkoĞci obrotowej.
Rys. 6. Rozkłady średniej temperatury tarczy hamulcowej w zależności od rozpatrywanych prędkości początku hamowania i grubości okładzin ciernych
Rys. 7. Rozkłady średniej temperatury okładziny ciernych w zależności od rozpatrywanych prędkości początku hamowania i ich grubości (zużycia)
ħródło: opracowanie własne.
Na tej podstawie moĪna stwierdziü, Īe stałe warunki początku hamowania dla tarczy hamulco-wej nie przekładają siĊ na stały stan cieplny związany z okładzinami jak i obsadą hamulcową co moĪe mieü wpływ na zmiany współczynnika tarcia miedzy tarczą a okładziną cierną.
Na podstawie uzyskanych danych wyznaczono modele termomechaniczne opisujące tempera-turĊ tarczy hamulcowej oraz okładziny ciernej dla dwóch nacisków okładziny na tarczĊ hamulcową wynoszących odpowiednio N=25 kN i N=35 kN oraz ze wzglĊdu na gruboĞü okładziny ciernej.
Rys. 8. Rozkłady średniej temperatury obsady hamulcowej w zależności od rozpatrywanych prędkości początku hamowania i grubości okładzin ciernychŹródło:
TemperaturĊ pary ciernej tarcza hamulcowa-okładzina opisano regresyjnym modelem linio-wym lub nieliniolinio-wym co przedstawiają zaleĪnoĞci (1–12):
99 , 0 863 , 32 783 , 31 2 35 1 _ 25 _ = = = ⋅v+ R = Ttarczy N kN G mm (1) 99 , 0 536 , 68 1754 , 0 0386 , 5 2 2 25 2 _ 25 _ = = = ⋅v − ⋅v+ R = Ttarczy N kN G mm (2) 99 , 0 528 , 54 5016 , 5 1636 , 3 2 2 15 3 _ 25 _ = = = ⋅v + ⋅v+ R = Ttarczy N kN G mm (3) 99 , 0 177 , 42 991 , 30 2 35 1 _ 35 _ = = = ⋅v+ R = Ttarczy N kN G mm (4) 98 , 0 945 , 10 105 , 35 2 25 2 _ 35 _ = = = ⋅v+ R = Ttarczy N kN G mm (5) 99 , 0 962 , 38 486 , 15 83 , 2 2 2 15 3 _ 35 _ = = = ⋅v + ⋅v+ R = Ttarczy N kN G mm (6) 99 , 0 096 , 17 952 , 20 2 35 1 _ 25 _ = = = ⋅v+ R = Tokladziny N kN G mm (7) 97 , 0 212 , 24 314 , 20 2 25 2 _ 25 _ = = = ⋅v+ R = Tokladziny N kN G mm (8) 99 , 0 396 , 41 1696 , 3 6936 , 2 2 2 15 3 _ 25 _ = = = ⋅v + ⋅v+ R = Tokladziny N kN G mm (9) 96 , 0 893 , 25 649 , 18 2 35 1 _ 35 _ = = = ⋅v+ R = Tokladziny N kN G mm (10) 99 , 0 588 , 1 606 , 27 2 25 2 _ 35 _ = = = ⋅v− R = Tokladziny N kN G mm (11) 99 , 0 622 , 42 94 , 0 61 , 4 2 2 15 3 _ 35 _ = = = ⋅v − ⋅v+ R = Tokladziny N kN G mm (12)
gdzie: Ttarczy_N(…)_G(…) – temperatura tarczy w [°C] przy hamowaniu z naciskiem N w [kN] okładziny do tarczy z okładziną G o gruboĞci w [mm],
Tokładziny_N(…)_G(…)– temperatura okładziny w [°C] przy hamowaniu z naciskiem N w [kN], okładziny do tarczy z okładziną G o gruboĞci w [mm], v – prĊdkoĞü początku hamowania w [km/h].
Na rysunku 9 przedstawiono zestawienie obrazów termograficznych rozkładu Ğredniej tempe-ratury pary ciernej kolejowego hamulca tarczowego dla okładziny G1 o gruboĞci 35 mm i prĊdkoĞci początku hamowania wynoszących kolejno: 50, 80, 120, 160, 200 km/h. PrzyjĊto jednakową roz-piĊtoĞü temperatury (span) dla wszystkich termogramów tj. 10 i 175°C.
Rys. 9. Obraz termograficzny rozkładu średniej temperatury elementów pary ciernej hamulca tarczowego w chwili zatrzymania po hamowaniu z prędkości: a) v=50km/h, b) v=80km/h,
c) v=120km/h, d) v=160km/h, e) v=200km/h ħródło: opracowanie własne.
Na rysunkach 10 i 11 przedstawiono przebieg Ğredniego współczynnika tarcia uzyskanego z ha-mowania zatrzymującego realizującego dwa naciski okładziny do tarczy oraz dla trzech gruboĞci okładzin.
Rys. 10. Zależność średniego współczynnika tarcia w zależności od prędkości początku hamowa-nia i grubości okładziny przy hamowaniu z naciskiem okładziny N=25kN do tarczy hamulcowej ħródło: opracowanie własne.
Rys. 11. Zależność średniego współczynnika tarcia w zależności od prędkości początku hamowa-nia i grubości okładziny przy hamowaniu z naciskiem okładziny N=35kN do tarczy hamulcowej ħródło: opracowanie własne.
Zmiana temperatury okładziny ciernej uzyskanej w czasie hamowaĔ z naciskiem N=35kN oraz oraz obsady w odróĪnieniu do hamowaĔ z naciskiem N=25kN wpłynĊła na zmiany w przebiegu Ğredniego współczynnika tarcia. W czasie hamowania z mniejszym naciskiem uzyskano zbliĪone wyniki wartoĞci temperatury okładziny w zaleĪnoĞci od gruboĞci mieszczące siĊ w granicach błĊdu pomiarowego kamery termowizyjnej a jedyne zaleĪne od prĊdkoĞci początku hamowania. Przy ta-kim obciąĪeniu cieplnym pary ciernej najwyĪsze wartoĞci ȝĞredniego uzyskano w czasie hamowaĔ przy
nowych okładzinach (wczeĞniej dotartych) natomiast mniejsze wartoĞci Ğredniego współczynnika tarcia uzyskano w czasie hamowania na zuĪytych okładzinach.
4. Podsumowanie
Przeprowadzone badania stanowiskowe w połączeniu z badaniami termowizyjnymi na stano-wisku hamulcowym kolejowego hamulca tarczowego wykazały, Īe uĪycie kamery zwiĊksza zakres moĪliwych pomiarów temperaturowych hamulca. Po przeprowadzeniu badaĔ termowizyjnych sfor-mułowano dodatkowe nastĊpujące wnioski:
1. Zmiana gruboĞci okładzin związana z ich zuĪyciem wpływa na zwiĊkszenie intensywnoĞci strumienia ciepła rozchodzącego siĊ na dalsze elementy znajdujące siĊ za okładziną. Tym samym wpływa na podwyĪszenie temperatury samych okładzin, obsad hamulcowych i obniĪenie tempera-tury tarczy hamulcowej.
2. ZałoĪenie stałej temperatury tarczy przed kaĪdym hamowaniem zgodnie z [2] nie zawsze wpływa na stałe warunki temperaturowe okładzin, gdzie w zaleĪnoĞci od gruboĞci okładziny zmie-nia siĊ czas ich chłodzenie przed kolejnym hamowaniem a tym samym moĪe mieü wpływ na zmiany chwilowego i Ğredniego współczynnika tarcia miĊdzy tarczą a okładziną cierną.
Bibliografia
1. Polska Norma PN-EN 14535-1, Kolejnictwo – tarcze hamulcowe kolejowych pojazdów szynowych – Część 1: Tarcze hamulcowe wtłaczane lub mocowane skurczowo na osiach zestawów tocznych lub napędnych, wymiary i wymagania dotyczące jakości, Warszawa. 2. Karta UIC 541-3, Hamulec: hamulec tarczowy i okładziny hamulcowe, warunki ogólne dla
prób na stanowisku badawczym. Wydanie 6-te listopad 2006.
3. FLIR Exx series, Instrukcja obsługi, November 7, 2011, Corporate Headquarters Flir System. 4. Rafajłowicz E.: Optymalizacja Eksperymentu z Zastosowaniami w Monitorowaniu Jakością
Produkcji. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2005.
5. WiĊcek B., De Mey G.: Termowizja w podczerwieni podstawy i zastosowania. Wydawnictwo PAK, Warszawa 2011.
THERMOGRAPHY IMAGINE ANALYSIS DISC BRAKES SYSTEM DIRING STATIONARY TEST IN THE ASSESSMENT OF THE WEAR OF THE BRAKE PADS
Summary
The purpose of this article is to analyse results of research on behaviour of aver-age temperature obtained from the measurement of railway brake disc using thermographic camera. The article presentes the distribution of average temperature on elements such as brake discs, braking pad and caliper railway disc brake.
Observation of temperature on these elements, by the thermographic camera has allowed to determine the temperature distribution for braking stop with new pad and wear friction pad. Then on the basis of recorded images and thermography analysis developed model thermomechanic to determine the temperature of three elements of the railway disc brake, depending on the wear of friction pads.
Keywords: railway disc brake, brake pap, caliper,, thermographic research Wojciech Sawczuk
Marta Pachołek
Zakład Pojazdów Szynowych
Instytut Silników Spalinowych i Transportu Wydział Maszyn Roboczych i Transportu Politechnika PoznaĔska
ul. Piotrowo 3, 60-965 PoznaĔ
