Model numeryczny oraz badanie eksperymentalne pól temperatury podczas hamowania długotrwałego w układzie koło kolejowe-kompozytowa wstawka hamulcowa Numerical model and experimental study of temperature fields in continuous brake application of railway wh

Pełen tekst

(1)PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 115. Transport. 2017. Piotr Wasilewski 3

(2) 4 V\V ) ?V) 3[&[, V4 ?V

(3). & " FRIMATRAIL Frenoplast S.A.. MODEL NUMERYCZNY ORAZ BADANIE EKSPERYMENTALNE PÓL TEMPERATURY ,02850#)2|+04#|10# +|2810|0071&0#1-KOMPOZYTOWA WSTAWKA HAMULCOWA , , X :$%. Streszczenie: W pracy zaprezentowano model numeryczny wykorzystany V

(4) VV ^

(5) klocko [ 0 . V V [ { 0

(6)

(7) ^

(8) 0 = ^0

(9) V

(10) ] towej wstawki hamulcowej. Warto_0V V V ] ^ ^ V V] [ ^ _ 0V] czynnika tarcia nie

(11) V V [ " V

(12) = [ . V 0

(13) powierzch

(14) V[

(15)

(16) _ ]. = [

(17)

(18)

(19) ] figuracji hamulca kolejowego. Model stworzony na potrzeby nin

(20)

(21) V _ _ V

(22)

(23) hamulca klockowego. "

(24) = V V^

(25) ^ 0= . hx #;, Hamowanie

(26)

(27)

(28)

(29) V

(30)

(31) ^ VV ^

(32)

(33) V V ^ [ary.

(34) 192. ^/ ?V.

(35) [ V 0

(36) ^

(37) ]

(38)

(39) V^

(40) ] nej. /

(41)

(42) 0 hamulców w pojazdach kolejowych jest [3

(43)

(44) u%$v[/

(45)

(46) . |

(47) _[

(48) ^ ] mulc

(49) V ^ 0 . X 6 V] 8 ^. ^

(50) V[#

(51) V ]

(52) V [ !V

(53) wyniku procesu tarcia. \ V

(54) . 0 V0| ^ 0 0 u%$v[ / 0^0 V

(55)

(56) 0 ^ [ V ^

(57) V^ 0 V 0V

(58) V

(59) [

(60) V0 ]. ^0 u::v^_ V^0

(61) V^

(62) ksza przy zastosowaniu wstawek kompozytowych [22]. Organiczne wstawki kom ^ ^

(63)

(64) _V ] V [ \ V V V^ 0

(65) ka, na ob ^ 0 V ^ ^ homologacji kompozytowych wstawek hamulcowych przez UIC (Union Internationale des Chemins de Fer - 4 " ! 8^ V

(66) (nr A6 w Karcie UIC 541-8^ V V

(67) [ . ] symalnej temperatuV

(68) 6

(69) ] 8 V u:$v["

(70) V ^

(71) ] ^ V_ „bezpiecznika” – po

(72) ^_ V . [{

(73) _ V V[^ = V

(74) sposobu, w jaki V =

(75) ] duje odzwierciedlenie w normie wydanej przez AAR (Association of American Railroads) u:v[ ] lizy

(76) =

(77) ^ [[ ]

(78) [ Obliczenie temperatury elementów ciernych hamulca jest przedmiotem wielu prac naukowych [6, 9, 11, 17, 21v[) ^. ^ V^_0V [ ^ ^ 0 u4, 7-8, 15-16]. Niektórzy autorzy. V

(79) _ 0V u19, 23]. Yevtushenko [ V_0

(80) _.

(81) Model numeryczny oraz badanie eksperymentalne pól temperatury podczas hamowania…. 193. 0V u13, 24-25]. 4

(82)

(83) bracji przy zastosowaniu wy0 = u3, 6, 11, 17, 22v[ 0

(84) V stanowisku dynamometrycznym [6, 11-%:^%^::v^

(85) u%voraz badania „pin - u<v[ /

(86)

(87) = =

(88) Vu12, 17, 22]. Celem

(89)

(90) V 0

(91) ^ V] V VV ]

(92) [ V[ Otrzymane wyniki ob = 0 . V stanowisku dynamometrycznym.. 2. H04+|0#)1,40 71+ Przedmiotem analizy jest proces nagrzewania tarciowego kolejowego hamulca klockowe^

(93) [

(94) V

(95) -wstawka hamulca klockowego. W trakcie hamowania VV ^

(96)

(97) V V, chwilowy V 0

(98) 0 ^ V 0V : w 2T 1 wT 1 w 2T w 2T wr 2 r wr r 2 wT 2 wz 2. w 2T 1 wT 1 w 2T w 2T 2 2 r wr r wT 2 wz 2 wr. 1 wT , 0 t d t s , (r ,T , z ) *s , k s wt. (1). 1 ª wT V wT º « », 0 t d t s , (r , T , z ) *w . k w ¬ wt Rw wT ¼. (2). 0V

(99) V V cieplny, [

(100)

(101) ^ ] V V

(102) V

(103) 0| q (t ) P (t ) p r V R w1 , gdzie p F / As -

(104) ["V^

(105) ] 0 V

(106) ] 0V

(107) Vh[ V

(108) [.

(109) 194. ^/ ?V. 3. ANALIZA NUMERYCZNA & 0 VV

(110) V "? -brzegowym przewodnictwa [\ ] )\43\9

(111) 0= u`v[ V V

(112) - wstawka hamulca klockowego

(113) %? 6

(114)

(115)

(116) 8 (r[%8[V V ^V +,[

(117) V V0 V wstawki zamieszczono w tablicy %[}V0 V V tablicy 2. Aby móc _ V

(118)

(119) 0 = ^ .

(120) _ ^ . V kolejowego (r%8["V V ] - temperatura na powierzchni kontaktu obu elementów pary ciernej jest jednakowa. Tablica 1 #" *G

(121)

(122) *"* "h¦ # fizyczna. Jednostka 3. Wstawka. ". }_. [kg/m ]. 1900. 7850. _ . [W/(m·K)]. 5,6. 44.

(123) _ . [J/(kg·K)]. 2300. 440. Tablica 2 "'*' ! Wymiary. Jednostka. Wstawka. ". {V_. [m]. 0,32. -. 3 _. [m]. 0,08. -. . [m]. -. 0,87. W badaniu dynamometrycznym V. < ]. : V^` ^` `

(124) ] = V, %:$© V[ Omówienie wyników przedsta

(125)

(126) ]

(127)

(128) [ 0 =

(129) 0 V %` ] wierzchni konVV %$ V

(130) [3 ] 0 = VV V :%$<$ 0 (33186 stopni swobody)..

(131) Model numeryczny oraz badanie eksperymentalne pól temperatury podczas hamowania…. 195. Rys. 1. 4 V

(132) .

(133) = 0 =VV [" 0V ]

(134) V 0V [ Hamowanie, gdy

(135) T0 = 17,5 ºC oznaczono jako Przypadek 1¦ ^

(136) T0 = 61,9 ºC oznaczono jako Przypadek 2. 3 VV V V

(137)

(138) pojazdu, równej V = 32 ; V ts = 2700 s.

(139) V^_

(140) V V o hamowania i wynosi F = 6,45 #[ ~

(141) V = ] V dynamometrycznym w Instytucie Pojazdów Szynowych (&?\,

(142) &&,4-926 [1]. &

(143) _ ^ V_ ]. =^

(144) ` s. Z danych pomiarowych ze stanowiska dynamometrycznego, %$ Hz, 0V

(145)

(146) w symulacji. Na r[:< 0V ] nika tarcia w funkcji czasu dla analizowanych hamow=[ W przeprowadzonych obliczeniach V^ TaÊ:$×)[

(147) ^

(148) ^ swobodnych elementów ^ V 0V

(149) ] Vh = 22,7 W/(m2·K) [14]..

(150) 196. ^/ ?V. '%/*$# @ " 0,45 0,40. " . 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0. 300. 600. 900. 1200. 1500. 1800. 2100. 2400. 2700. t [s]. Rys. 2. 0V VV 6 %8 '%/*$# F " 0,45 0,40. " . 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0. 300. 600. 900. 1200. 1500. 1800. 2100. 2400. 2700. t [s]. Rys. 3. 0V VV 6 2). 4. OMÓWIENIE WYNIKÓW

(151) ,

(152) V ] [ = 0 wynikami badania eksperymentalnego przedstawiono na rys. 4 (Przypadek 1) oraz rys. 5 (Przypadek 2)..

(153) Model numeryczny oraz badanie eksperymentalne pól temperatury podczas hamowania…. 197. Przypadek 1 - T(t) 350 300. T [ºC]. 250 200 150 100 50 0 0. 300. 600. 900. 1200. 1500. 1800. 2100. 2400. 2700. t [s] Badanie eksperymentalne. Analiza numeryczna. Rys. 4. 0 0 =0 6 %8 Przypadek 2 - T(t) 350 300. T [ºC]. 250 200 150 100 50 0 0. 300. 600. 900. 1200. 1500. 1800. 2100. 2400. 2700. t [s] Badanie eksperymentalne. Analiza numeryczna. Rys. 5. 0 0 =0 6 2). = Przypadku 1 wynosi 318 ºC (w badaniu eksperymentalnym 294 ºC – 0 [q8[{Przypadku 2 ] = <%: ºC (w badaniu eksperymentalnym 338 ºC – 0 [%). ~ 0V V _ =[Przypadku 2, zarówno dla wyników analizy numerycznej, jak i badania eksperymentalnego, widoczna jest stabilizacja temperatury od t~1700 [

(154) 0V ]

(155) V

(156) = ] V_ _ [ , V V

(157) = ] mowania przedstawiono na rys. 6a,b (Przypadek 1) oraz Rys. 7a,b (Przypadek 2)..

(158) 198. a). ^/ ?V. b). Rys. 6. , V = hamowania (Przypadek 1) a). b). Rys. 7. , V = 6 :8. 5. WNIOSKI W prezentowanej pracy obliczono trójwymiarowe pola temperatury w kolejowym hamulcu klockowym przy wykorzystaniu metody elementów = [ \ ] V0 V ] ^ [ # 0 _

(159) oski:

(160)

(161) = 0

(162)

(163) VV ^.

(164) Model numeryczny oraz badanie eksperymentalne pól temperatury podczas hamowania…. 199. 0V w dobrym stopniu o _ V ] wania, 0 0 ^] _

(165) . =|0 V V^V

(166)

(167) 0V

(168) V V ^ V] VV^

(169) ] wego symulacji. W ramach dalszych prac nad modelem, pl

(170) V] V V ] 0V 0 [, ] 0

(171) V = ] cji hamulca klockowego.. OZNACZENIA I SYMBOLE V T ~ ! t ts ks kw Rw q(t) 8 9 p F As h T0 Ta. _

(172) temperatura w0V V 0V czas V

(173) _ Vwstawki

(174) _ VV =V = V 0V nacisk jednostkowy V

(175) 0V

(176) V

(177) temperatura otoczenia. Bibliografia 1. AAR M-926 Brake shoe, high-friction composition or metal type, 2006. 2. AAR S-660-83 - Procedure for the analytic evaluation of locomotive and freight car wheel designs, 1983. 3. Abbasi S., Teimourimanesh S., Vernersson T., Sellgren U., Olofsson U., Lundén R., Temperature and thermoelastic instability at tread braking using cast iron friction material, Wear, Vol. 314, No. 1-2, 171180, 2014. 4. Cho M. H., Kim S. J., Kim D., Janga H., Effects of ingredients on tribological characteristics of a brake lining: an experimental case study, Wear, Vol. 258, No. 11-12, 1682-1687, 2005..

(178) 200. ^/ ?V. 5. COMSOL Multiphysics 4.4, Heat Transfer Module User's Guide, 2013. 6. Dunaevsky V. V., Prediction of Railroad Friction Braking Temperatures: Prediction of Average Bulk and Average Surface Temperatures of Railroad Wheels and Brake Discs, Tribology Transactions, Vol. 34, No. 3, 343-352, 1991. 7. Gopal P., Dharani L.R., Blum F. D., Fade and wear characteristics of a glass-fiber reinforced friction material, Wear, Vol. 174, No. 1-2, 119-127, 1994. 8. Jang H., Koa K., Kim S. J., Basch R. H., Fash J. W., The effect of metal fibers on the friction performance of automotive brake friction materials, Wear, Vol. 256, No. 3-4, 406-414, 2004. 9. 4Ù _4[3[^3 _{[3[^4

(179) _&[[^( _4[4[^4 systems of railway vehicles, Thermal Science, Vol. 16 Suppl. 2, S515-S526, 2012. 10. Piechowiak T., Hamulce Pojazdów Szynowych, Wydawnictwo Poli =

(180) ^ =2012. 11. Petersson M., Two-dimensional finite element simulation of the thermal problem at railway block braking, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, Vol. 216, No. 3, 259-273, 2002. 12. Petersson M., Vernersson T., Noise-related roughness on tread braked railway wheels experimental measurements and numerical simulations, Vol. 253, No. 1-2, 301-307, 2002. 13. Pyryev Yu., Yevtushenko A., The influence of the brakes friction elements thickness on the contact temperature and wear, Heat and Mass Transfer, Vol. 36, 319-323, 2000. 14. Ramanan L., Krishna Kumar R., Sriraman R., Thermo-mechanical finite element analysis of a rail wheel, International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 41, 487-505, 1999. 15. Rhee S. K., Friction Coefficient of Automotive Friction Materials - Its Sensitivity to Load, Speed, and Temperature, SAE Technical Paper 740415, 1974. 16. Shorowordi K. M., Haseeb A. S. M. A., Celis J. P., Velocity effects on the wear, friction and tribochemistry of aluminum MMC sliding against phenolic brake pad, Wear, Vol. 256, No. 11-12, 1176-1181, 2004. 17. Teimourimanesh S., Vernersson T., Lundén R., Blennow F., Meinel M., Tread braking of railway wheels – temperatures generated by a metro train, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, Vol. 228, No. 2, 210-221, 2014. 18. Teimourimanesh S., Vernersson T., Lundén R., Thermal capacity of tread-braked railway wheels. Part 1: Modelling, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2015. 19. Thuresson D., Influence of material properties on sliding contact braking applications, Wear, Vol. 257, No. 5-6, 451-460, 2004. 20. UIC Code 541-4, Brakes - Brakes with composite brake blocks - General conditions for certification of ^[ ^' ~,6~')8^^:$%$. 21. Vernersson T., Temperatures at railway tread braking. Part 1: modeling, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, Vol. 221, No. 2, 167-182, 2007 22. Vernersson T., Temperatures at railway tread braking. Part 2: calibration and numerical examples, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, Vol. 221, No. 4, 429-441, 2007. 23. Voldrich J., Morávka Š., Študent J., Transient temperature field in intermittent sliding contact at temperature dependent coefficient of friction, Computational Mechanics ) ^*# Û^# 8, 2006. 24. Yevtushenko A. A., Grzes P., Axisymmetric FEA of temperature in a pad/disc brake system at temperature-dependent coefficients of friction and wear, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 39, 1045-1053, 2012. 25. Yevtushenko A. A., Adamowicz A., Grzes P., Three-dimensional FE model for the calculation of temperature of a disc brake at temperature-dependent coefficients of friction, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 42, 18-24, 2013..

(181) Model numeryczny oraz badanie eksperymentalne pól temperatury podczas hamowania…. 201. NUMERICAL MODEL AND EXPERIMENTAL STUDY OF TEMPERATURE FIELDS IN CONTINUOUS BRAKE APPLICATION OF RAILWAY WHEEL-COMPOSITE BRAKE SHOE FRICTION PAIR Summary: The paper presents numerical model used to calculate temperature distribution in the friction pair during continuous application of railway tread brake. Calculated and measured temperature values are compared. The temperature was measured during the test performed on a full-scale dynamometer by thermocouples located under the surface of the wheel tread. For the purpose of numerical simulation, a threedimensional model of railway wheel and composite brake shoe was created using finite element method. The coefficient of friction between the wheel and composite brake shoe as well as braking power, which were introduced to the analysis, were determined in the course of the tests conducted on a full-scale dynamometer. The model accounts for the fact that the coefficient of friction is not constant throughout the brake application and is temperature-dependent. Temperature distribution on the surface of the friction pair at the end of brake application is presented. Temperature changes in the course of the entire brake application are shown on graphs for selected points below the wheel tread. The results of numerical analysis show good agreement with the results obtained by experimental tests. The results of simulation presented in this paper concern one of possible railway tread brake configurations. Model created for this study may be modified in the future to investigate the temperature distribution in different configurations of railway tread brake. Keywords: heat transfer, railway tread brake, finite element method.

(182)