Seria: T R A N SPO R T z. 48 N r kol. 1604
Andrzej H EŁK A
BADANIE W SPÓŁCZYNNIKÓW TARCIA KOMPOZYTOWYCH KLOCKÓW HAM ULCOW YCH
Streszczenie. W p racy opisano w yniki pom iarów kom pozytow ych w staw ek klocków ham ulcow ych w ykonanych w czasie badań na stanow isku bezw ładnościow ym . Przeprowadzone próby m iały n a celu w yznaczenie w spółczynnika tarcia dla now ego m ateriału i jeg o zależności od różnych konstrukcji w staw ki.
RESEARCH OF FRICTION COEFFICIENT OF PLASTIC BRAKE SHOES
Sum m ary. T he article describes the m easurem ents’ results o f com posite breake shoes w hich w ere done on inertial stand testing. The aim o f testing w as determ ining o f friction coefficient for new m aterial and his dependence on different constructions o f b rake shoes.
1. W STĘP
K locki ham ulcow e z tw orzyw sztucznych dzieli się zasadniczo n a dw ie grupy:
• klocki ham ulcow e ty p u K (kom pozyt o w ysokim w spółczynniku tarcia),
• klocki ham ulcow e typu L (kom pozyt o niskim w spółczynniku tarcia).
Klocki ham ulcow e ze w staw kam i ty p u K m ają p odobną budow ę do klocków żeliw nych, jednak n ie m o g ą być z nim i stosow ane zam iennie ze w zględu na in n ą budow ę m echanizm u dźw igniow ego ham ulca z w iązan ą z w iększym i w artościam i w spółczynnika tarcia d la tego materiału. K locki ham ulcow e ze w staw kam i typu L po przeregulow aniu istniejących układów ham ulcow ych (przeregulow anie ciśnienia w cylindrach ham ulcow ych) m o g ą być stosow ane zam iennie ze w staw kam i żeliw nym i. W w agonach now ych oraz w w agonach m odernizow anych K arty U IC zale cają stosow anie kom pozytow ych w staw ek ham ulcow ych typu K o w yższym w spółczynniku tarcia. W każdym przypadku skład m ateriału kom pozytow ego m usi zostać dobran y pod kątem osiągnięcia optym alnego kom prom isu pom iędzy technicznym i w łasnościam i ham ow ania, zużyciem , agresy w n o ścią w stosunku do bieżni koła, ja k rów nież w pływ em n a w spółczynnik przyczepności p o m ięd zy k o łem a szyną.
Średni w spółczynnik tarcia o kładzin typu K w ynosi ok.0,25. D la okładzin typu L średni w spółczynnik tarcia w ynosi 0,12 - 0,18. W now ym projekcie K arty U IC 541-4 przew iduje się stosow anie bezpośrednich zam ienników w staw ek żeliw nych (typ LL) w istniejących układach ham ulcow ych. Średni w spółczynnik tarcia w staw ek tego typu pow inien zaw ierać się w zakresie 0,08 - 0,12 (dla V = 100 [km /h], siły nacisku Fb = 60 [kN] i m asie 11,25 [t]).
W spółczynnik tarcia w staw ki pow inien, w m iarę m ożliw ości, być niezależny od w yjściowej prędkości ham ow ania, d o cierania w staw ki, nacisku pow ierzchniow ego, a także od tem peratury i w pływ ów atm osferycznych. W artości chw ilow ego i średniego w spółczynnika tarcia nie m o g ą się odchylać o w ięcej niż 15% dla ham ow ania suchego (krótkiego i długotrw ałego).
wstaw ki nie m oże n aruszać pow ierzchni obręczy i nie m oże skłaniać do tw orzenia m etalicznych w trąceń. W staw ki kom pozytow e nie m ogą w yw oływ ać żadnych uszkodzeń cieplnych na kołach (plam , przypalenia, rys, w ykruszeń), które są w iększe niż uszkodzenia pow odow ane przez żeliw ne w staw ki klocków ham ulcow ych n a takich sam ych kołach w tych sam ych w arunkach.
W stawki kom pozytow e nie pow inny pow odow ać istotnych zm ian w spółczynnika przyczepności pom iędzy k o łem i szy n ą w porów naniu do w artości osiąganych przy ham ow aniu żeliw nym i w staw k am i klocków ham ulcowych.
2. B A D A N IA S T A N O W IS K O W E
C elem p rzeprow adzonych b ad ań stanow iskow ych b y ła ocena przydatności now ego m ateriału kom pozytow ego w ykorzystyw anego na w staw ki klocków ham ulcow ych dla taboru kolejow ego. D rugim bard zo w ażnym celem badań było określenie w pływ u konstrukcji w staw ki (konkretnie jej pow ierzchni ciernej) na p aram etry zw iązane z ham ow aniem . Do przeprow adzenia tych badań w ykorzystane było stanow isko bezw ładnościow e do badań klocków ham ulcow ych w w ielkości naturalnej znajdujące się w U niw ersytecie T echnicznym w Żylinie (rys. 1 i zdj. 1). Stanow isko to je st hom ologow ane przez O RE (E R R I) i zgodne je s t z w ym ogam i K arty U IC 541-3 zał.5, pkt 6.3. B adane by ły w staw ki w układzie Bg, czyli 2 w staw ki typu D O 320 na koło w ykonane z kom pozytu typu L2 (oznaczony sym bolem FR 502) firm y F renoplast o trzech różn y ch rodzajach konstrukcji pokazanych na rys. 2, 3 i 4.
W stawki w spółpracow ały zg o d n ie z k artą U IC 510-5 z kołem kolejow ym typu O re-standard 28U IC135 o zew nętrznej średnicy obręczy 870 [mm]. B adania przedstaw ione w tej pracy są częścią kom pleksow ych b adań stanow iskow ych i eksploatacyjnych now ych m ateriałów kom pozytow ych typu L przeznaczonych n a w staw ki klocków ham ulcow ych pojazdów szynow ych prow adzonych w K atedrze Transportu Szynow ego P olitechniki Śląskiej w Katowicach.
6 7 5 3 8 4 2
1 - silnik, 2 - przek ład n ia zębata, 3 - sprzęgło, 4 - m asa bezw ładna I, 5 - m asa bezw ładna II, 6 - m asa bezw ładna III, 7 - korpus stanow iska, 8 - kolo z klockow ym ham ulcem kolejow ym
Fig. 1. Schem e o f inertial stand - Żilina:
1 - engine, 2 - too th ed gear, 3 - coupling, 4 - inertial m ass I, 5 - inertial m ass n ,
6 - inertial m ass III, 7 - stand body, 8 - w heel w ith break e shoes
Rys. 2. K onstrukcja w staw ki k lo ck a ham ulcow ego bez row ków Fig. 2. C onstruction o f brake shoes w ith no grooves
Rys. 3. K onstrukcja w staw ki k lo ck a ham ulcow ego z 1 row kiem n a pow ierzchni ciernej Fig. 3. C onstruction o f b rake shoes w ith one groove on w orking surface
ciernej
Fig. 4. C onstruction o f b rak e shoes w ith m any grooves on w orking surface
W ram ach badań p rzep ro w ad zo n e zostały następujące p om iary w ym agane przez kartę UIC (541-4) dla badań stanow iskow ych:
- chw ilow y w spółczynnik tarcia, - średni w spółczynnik tarcia, - tem peratura koła,
- siła nacisku klocków , - prędkość koła.
Pom iar w spółczynnika tarcia dokonyw any był przez czujnik um ieszczony i zabudow any na stanow isku dokonujący pom iaru siły ham ow ania, która następnie b y ła przeliczana przez program na w spółczynnik tarcia, a w ynik zapisyw any w pliku.
Tem peratura w kole, m ierzo n a pod pow ierzchnią to czn ą - pom iar ze stanow iska (trzy term opary um ieszczone 7 m m pod pow ierzchnią koła). P om iar tem peratury dokonyw any był przez czujniki um ieszczone i zabudow ane w kole na stanow isku, o d czytyw any w kabinie operatora na m onitorze i zap isy w an y w pliku.
B adania stanow iskow e b y ły przeprow adzone w dniach: 20.09.2003 - 25.09.2003 na stanow isku w skali 1:1 znajdującym się w U niw ersytecie T echnicznym w Ż ylinie. N a przedstaw ionym stanow isku zo stały przeprow adzone badania par ciernych h am u lca zgodne z program em badań p okazanym w tab. 1.
T abela 1
Program badań
W stawki K ompozyt typu L i żeliw o P 10
T yp wstawki 2 wstawki B g 32 0 x 8 0 U * 5) mm na koło Rodzaj koła Ore-standard zgodne z kartą U IC 510-5
Średnica koła 0 870 +.5 mm
Nr hamowania
Prędkość początkow a
Fb całkow ita siła na koło
Temperatura początkowa 0 O
Masa hamująca na
koło U w agi
[km/h] [kN] [°C] M
1-1 do 1-X 100 60 20-100 9,0
97 98 99 100
109
1 1 0 111 112
100 30 120
60
60
50-60 11,25
101 102 103 104
113 114 115 116
100 30 120
60
20
105 106 107 108
117 118 119 120
100 30 120
60
40
130 70 - -
Ham owanie długotrwałe 30 min
3. W Y N IK I B A D A Ń
Przebiegi zaprezentow ane na w ykresach uw zględniają tylko w artości po osiągnięciu 95%
siły dociskającej klocki do o b ręczy k o ła Fb. C zas napełniania cylindrów n a stanow isku do m om entu osiągnięcia 95% Fb w ynosił około 4 [s]
W edług w ym agań O R E [3] w artości w spółczynnika tarcia w ciągu 4 [s] od osiągnięcia przez stanow isko 95% F B nie m oże się zm niejszyć o w ięcej niż 10%, a w następnej fazie ham ow ania nie p o w in n a u legać dalszem u zm niejszaniu, lecz pow inien następow ać stopniow y wzrost lub stabilizacja w artości p.
N a w ykresach ukazu jący ch zależność w artości w spółczynnika tarcia od prędkości ja z d y skala prędkości je s t odw ró co n a (zm niejsza się do zera) w celu p rzedstaw ienia przebiegu p zgodnie z czasem ham ow ania i z w ytracaniem prędkości w ynikającej z ham ow ania.
Poniżej przedstaw iono na rys. 5, 6 i 7 w ykresy przebiegów w spółczynnika tarcia dla różnych konstrukcji w staw ki kom pozytow ej w funkcji prędkości dla w ybranych nacisków:
20, 40 i 60 [kN ]. N atom iast n a rys. 8 pokazano w celach porów naw czych przebieg w spółczynnika tarcia dla w staw ki żeliw nej.
p rę dko ść począ tkow a v = 1 0 0 ikm/hl. za da nyza kre s tem peratur 50-60 f*C l
0 260 0.247 0 234 02 21 0 208 0 195 C3 0 182 o L . 0 169 53 U 166 U 143
c U 130
c 0.11/
Î ? 0 104
U 0.091
'O n . 0 078 C/1 0 066 0.052
90 80 70 60 50 40
v [km/h]
o dla JO ;kj-r
Rys. 5. Przebieg w spółczynnika tarcia d la w staw ki bez row ków Fig. 5. Friction coefficient vs. speed for shoes w ithout grooves
Zależność w sp ółczynn ika ta rcia od prę dko ści jazdy dla w ybranych n a ciskó w W sta w ka L 2 1R. m a sa ham uiaca na kolo 11.25 ftl p rę dko ść p oczą tkow ą > -1 0 0 fkrn/hl. zadany zakres tem pe ra tur 5 0 -6 0 PCI
EDI
-wcl -C
a
&
u Z
CL
110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
yfk m /h l
< • r o ■ . s : ' fc r .n n i-.tć f- a d la 20 'kMi
Rys. 6. Przebieg w spółczynnika tarcia d la w staw ki z 1 row kiem Fig. 6. Friction coefficient vs. speed for shoes w ith one groove
współczynniktarcia
Z a le ż n o ś ć w s p ó łc z y n n ik a t a r c i a o d p r ę d k o ś c i laz d y d la w y b ra n y c h n a c i s k ó w W s ta w k a L 2 2 R . m a s a h a m u ją c a n a k o lo 1 1 2 5 ftl p r ę d k o ś ć p o c z ą t k o w a v= IOO [km /h], z a d a n y z a k r e s te m p e r a t u r 5 0 - 6 0 f*C1
80 70 60 50
y [km/h]
0 ^ P ć 4 ę 2 y n r r K ja r c ; a d la 21 i m 0260
0 247 0.234 0.221 0 208 0 195 0 182 0 169 0 156 0.143 0.130 0.117 0 104 0 091 0 078 0 065 0 052 0 039 0 026 0 013 0 0 0 0 110
Rys. 7. Przebieg w sp ó łczy n n ik a tarcia dla w staw ki z w ielom a row kam i Fig. 7. Friction coefficient vs. speed for shoes w ith m any grooves
Z a le ż n o ś ć w s p ó łc z y n n ik a t a r c ia o d p rę d k o ś c i iaz d v d la w y b ran y ch n a c is k ó w M a s a h a m u ia c a n a k o ło 1 1 .2 5 ftl
p r ę d k o ś ć p o c z ą tk o w a v = 1 0 0 fkm /hl. z a d a n y z a k r e s te m p e r a tu r 5 0 - 6 0 f*C1
70 60 50
v[km /h1 0 w s p ó łc z y n n ik ta rc ia d la 2 0 fkNI mi
0.260 0247 0.234 0 2 2 1 0 208 0.195 0.182
• 5 0.169 U 0.156 -2 0 143 U 0 130
* 3 0.117
^ 0.104 N * 0.091
!© 0 070 Q , 0.065 0.052 0 039 0.026 0.013 0.000 1 1 0
x w s p ó łc /y n n ik ta n iajcJIa ÜG [kNI
Rys. 8. Przebieg w spółczynnika tarcia d la w staw ki żeliwnej Fig. 8. Friction coefficient vs. speed for cast iron shoe
#(&*+%)'$+$)'q)'$+%)'(*#$'*)#$
^
Z pow yższych w ykresów w ynika, że najlepsze przebiegi w spółczynnika tarcia (zgodne z norm am i U IC d la w staw ek typu L) osiągnięto d la w staw ki kom pozytow ej bez row ków i z 1 row kiem . Ponadto d la w szystkich przebiegów m o żn a zaobserw ow ać następującą zależność w sp ó łczy n n ik a od nacisków : m aleje on w raz ze zm niejszaniem się nacisków, odw rotnie niż dla w staw ki żeliw nej.
L ite ra tu r a
1. Karta U IC 541-3 VE. w yd. 3, 1.7.1985.
2. K arta U IC 541 -4 VE. w yd. 2, 1.10.1990.
3. ERRI B 126.13 - L astenheft L L-B rem sklotzsohlen G üterw agen, 03.03.2003.
4. PN - 92/K - 88151. O bsady, w staw ki i kliny klocków ham ulcow ych. O gólne w ym agania i badania.
5. ZN - 94/PK P - 3517 - 04. W staw ki klocków ham ulcow ych b ez obrzeża.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Paw eł Piec
A b stra c t
The aim o f researches presen ted in this paper w as usability assessm ent o f new , com posite m aterial for railw ay breake shoes. A lso im portant w as determ ine the influence o f brake construction on breaking param eters. R esearches have b een carried out o n inertial stand that sim ulates railw ay vehicles breaking. F riction coefficient o f tested m aterial m eets requirem ent o f UIC standards for type L b rak e shoes.
The m ost beneficial d ependences o f friction coefficient on speed have been found for shoes w ithout groove and w ith one b ig groove.
