Wrażliwość okładzin ciernych hamulca tarczowego na obecność wody w obszarze tarcia

ZESZY TY NA UK O W E POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: TRA N SPO RT z. 39

1999 N r kol. 1438

Bohdan BUŁCHAK, Aleksander PROW OTOROW , K rzysztof OSUCH

WRAŻLIWOŚĆ OKŁADZIN CIERNYCH HAMULCA TARCZOWEGO NA OBECNOŚĆ WODY W OBSZARZE TARCIA

Streszczenie. W artykule om ów iono problem y zw iązane z utratą ham owności ham ulców tarczow ych spow odow ane obecnością wody w parze ciernej, tzw. akwaplaningu. Om ówiono warunki sprzyjające pow stawaniu tego zjawiska. Zaproponow ano praktyczne sposoby zapo­

biegania jego pojaw ianiu się.

SENSIVITY OF FRICTIONAL MATERIALS OF DISC BRAK ES ON PRESENCE OF W ATER IN FRICTIONAL ZONE

Sum m ary. Article describes problem s o f loosing o f braking efficiency o f disc brakes caused by presence o f w ater in frictional zone. Conditions that causes such phenom enon have been described. A uthors suggested practical methods to protect brakes from loosing o f brak­

ing efficiency.

1 . W PRO W AD ZEN IE

1.1. Utrata ham ow ności w złych warunkach atm osferycznych

Już w okresie intensyw nego wprow adzania do eksploatacji pojazdów z ham ulcem tarczow ym , a zw łaszcza w okresie kształtowania się zunifikowanych wym agań odnośnie do ham ulca tarczow ego zw ykłych wagonów pasażerskich (lata sześćdziesiąte), liczne zarządy kolejowe sygnalizowały zjaw isko obniżania skuteczności działania ham ulca tarczowego w niekorzystnych w arunkach atmosferycznych. N a podstaw ie doświadczeń zebranych w ek­

sploatacji oraz w w yniku prób stanow iskowych stwierdzono, że zagrożenia pojaw ienia się w sposób nieoczekiw any nagłej utraty ham owności i w jej wyniku, wielokrotnego (15-20- krotnego) przekroczenia norm alnych długości dróg ham owania: w iążą się zaw sze z obec­

nością dużej ilości w ody w obszarze tarcia oraz zw iększają się w przypadku w ystępowania tem peratur bliskich zeru.

174 B. Bułchak, A. Prowotorow, K. Osuch

Rozpow szechniła się wówczas również opinia (często skądinąd podważana), że utrata ham owności zw iązana je st z typem okładziny, a naw et z określoną p artią produkcyjną danego typu. M ówiono o okładzinach wrażliwych i mało wrażliwych na obecność w ody w obszarze tarcia. Okładziny w rażliwe na obecność wody m ogą przy tym charakteryzować się idealnymi własnościami ciernymi przy ham owaniu suchym.

W ynikiem tych opinii było wprowadzenie do program u badań hom ologacyjnych okła­

dzin - sekwencji ham owań „na mokro”, a potem całego odrębnego „program u m okrego”.

Celem tej operacji było dokonyw anie - w trakcie badań stanow iskow ych - porównania oraz jakościowej i ilościowej oceny „w rażliwości” określonych typów okładzin na niekorzystne warunki atm osferyczne, a w efekcie niedopuszczenie do eksploatacji w yrobów m ogących stwarzać zagrożenie podczas ham owania w złych warunkach atmosferycznych.

Rysunek 1 przedstaw ia dw a różne przebiegi ham owań w program ie homologacyjnym:

A - przy użyciu okładziny wrażliwej,

B - przy użyciu okładziny niewrażliwej na obecność wody.

N aw iasem mówiąc, w tym bardzo trudnym program ie ham owań okładziną A je st m ateriał spiekany z proszków metali, a okładziną B - klasyczny materiał organiczny.

1.2. Podsum owanie stanu wiedzy, obowiązujące warunki, definicje

Obecność w ody w obszarze tarcia w ham ulcu tarczowym może w pew nych przypadkach prowadzić do bardzo pow ażnych zakłóceń. Tarcie suche może w ówczas przekształcić się w tarcie mieszane, a naw et w tarcie płynne, zwane - w tym przypadku - akwaplaningiem , przy którym siły ham owania osiągają wartość minimalną.

Ustalono, że o akw aplaningu można m ówić wówczas, gdy zm ierzona w artość współczyn­

nika tarcia spadnie poniżej 10% wartości uzyskiwanej przy tarciu suchym.

Z E S T A W I E N I E W Y N I K Ó W

Rys. 1. Przebiegi hamowań w programie homologacyjnym Fig. 1. The appearance o f braking curves during certification process

W rażliw ość okładzin ciernych.. 175

Tak w ięc um ow nym w arunkiem akwaplaningu jest:

P Akwapl. — 0 , 1 pi Such.

P oniew aż zunifikowane wym agania dla kolejow ego ham ulca tarczow ego z okładzinami ciernym i typu H nakazują uzyskiwanie:

p s = 0,35 ± 0,04

zatem akw aplaning pojawia się, gdy:

p a = 0,035.

a) Oczywiście, w praktyce eksploatacyjnej nie m ożna dopuścić do takiego spadku wartości w spółczynnika tarcia, akwaplaning je st tu pojęciem teoretycznym. W prowadzone do pro­

gram u badań hom ologacyjnych ham owania ze zraszaniem tarczy w o d ą m a ją na celu ujaw nienie tendencji do tw orzenia się poślizgu wodnego i dopuszczają wartości w spół­

czynników tarcia jedynie o 20% niższe od wartości uzyskiw anych bez zraszania.

b) Z a absolutną granicę, której żadna okładzina nie pow inna w trakcie prób przekroczyć, je st w artość w spółczynnika tarcia p = 0,20.

2. G ŁÓW N E PRZY CZY N Y AKW APLA N IN GU, W PŁYW CZYNNIKÓW K O N STRU K CY JN Y C H I EK SPLOATACYJNYCH

Tw orzenie się w odnego klina smarującego m iędzy tarczą a okładzinam i ciernymi ham ulca i zm niejszanie się średniej wartości współczynnika tarcia aż do wartości p A jest uwarunkowane:

a) m ożliw ością zaistnienia potrzebnego luzu m iędzy elementami trącymi, b) m ożliw ością nierów noległego ułożenia się powierzchni trących, c) obecnością w ystarczającej ilości w ody w obszarze tarcia.

Jeśli te warunki są spełnione, to dla przypadku okładzin ham ulcow ych o powierzchni 200 cm 2 i tarcz o średnicy 640 m m obowiązuje następująca zależność hydrodynamiczna:

h 2 « 0 , 0 1 ^ p

gdzie: h - m inim alna teoretyczna grubość warstewki w ody rozdzielającej tarczę i okładzinę, v - prędkość poślizgu, na „promieniu tarcia”,

p - średnie ciśnienie w w arstewce hydrodynamicznej,

t) - w spółczynnik lepkości dynam icznej wody, zm ieniający się z jej temperaturą.

176 B. Bulchak, A. Prowotorow, K. Osuch

O znacza to, m iędzy innymi, że przy prędkości poślizgu odpowiadającej prędkości jazdy 160 km/h, przy tem peraturze wody 10°C i przy naciskach roboczych nie większych niż 10 N /cm 2 - przy spełnionych warunkach a, b, c, - m oże się wytworzyć m iędzy okładziną i tarczą film w odny o grubości nie mniejszej (grubość w najcieńszym miejscu) od 60 pm. Taka grubość w arstw y wodnej je st praw ie zaw sze równoznaczna z utratą bezpośredniego kontaktu m iędzy okładziną i tarczą hamulcową.

3. M OŻLIW OŚCI K SZTA ŁTO W ANIA ODPORNOŚCI NA W ODĘ

Podana poprzednio zależność m oże być naruszona w wyniku oddziaływania kilku czyn­

ników. S ą to głównie:

a) zw iększenie nacisku okładziny na tarczę,

b) w ym uszona zm iana ułożenia okładziny na powierzchni tarczy, c) zm niejszenie się ilości w ody w obszarze tarcia,

d) wzrost tem peratury wody i przez to zwiększenie się jej lepkości,

e) pojawienie się w szczelinie między okładziną a tarczą cząstek stałych przewyższających swym rozm iarem nom inalną grubość szczeliny.

Pierwsze dwa czynniki są związane ze zm ianą reżimu hamowania, może to być na przykład ham owanie pulsacyjne, stosowane z powodzeniem w pojazdach drogowych w przypadku zagrożenia poślizgiem wodnym. Jest to jednak niezm iernie trudne do przeprow adzenia w pojazdach szynowych.

Istotne zmiany, korzystne lub szkodliwe, związane z rozkładem ciśnienia w warstwie wodnej m oże w yw oływ ać odkształcanie się powierzchni ciernych bądź w wyniku działa­

jących obciążeń, bądź na skutek np. zmiennej nasiąkliwości.

Dwa kolejne zagadnienia c) i d) są jeszcze mniej "sterowalne". M ożna tu liczyć na pewien, ograniczony bardzo, ja k wskazuje praktyka, wpływ ukształtow ania powierzchni okładziny poprzez w ykonanie różnego rodzaju rowków odwadniających, m ożna liczyć na korzystny w pływ otworów w tarczy (jak to się robi w ham ulcach motocykli), m ożna wreszcie wprowadzić kosztow ne i problem atyczne podgrzewanie tarczy (np. zalecane w przewidy­

wanych zagrożeniach pogodow ych okresowe urucham ianie ham ulców pociągow ych dla utrzym ania odpowiednio wyższej temperatury).

Należy jednak zauważyć, że obecność cząstek, o których m ow a w punkcie d) - może spowodować pożądane zakłócenia równowagi, prowadzące zarówno do wzrostu temperatury, ja k też i przerwania ciągłości filmu wodnego.

Stąd ju ż bardzo blisko do wniosku, że czynnikiem ograniczającym występowanie ak- waplaningu je st chropow atość pow ierzchni ciernych. W niosek taki jest też konsekwencją analogii pracy ham ulca w obecności wody z p racą łożyska ślizgowego.

W ykonaw ca okładziny ciernej może zatem wywierać wpływ poprzez:

• zapew nienie odpowiedniej sztywności okładziny i odporności na nasiąkanie,

• kształtowanie formy powierzchni ciernej,

• sterowanie zagadnieniam i zużycia i odtwarzania stanu powierzchni ciernej, w celu zapewnienia pożądanej chropowatości.

W yniki praktyczne wynikające z w ykorzystania wymienionych wyżej „narzędzi” , uzys­

kane przez konkurujące firm y europejskie produkujące okładziny cierne z tw orzyw organic­

znych, tzw. kompozytów, przedstawione są na rysunkach 2 i 3.

N a rysunku 2 podano zestaw ienie średnich wartości w spółczynników tarcia sześciu typów okładzin ciernych w kolejnych 45 ham owaniach program u „m okrego”, stanowiącego część

W rażliwość okładzin ciernych.. 177

procesu hom ologacji okładzin w celu dopuszczenia do ruchu m iędzynarodow ego. Jak widać, rozbieżności w yników są dosyć znaczące; niektóre z okładzin są w zasadzie nie do przyjęcia, gdyż średnia wartość w spółczynnika tarcia przekracza um ow ną dolną dopuszczalną granicę 0,20.

N a rysunku 3 przedstaw iono wyniki badań porównaw czych pięciu typów okładzin w bardzo trudnych w arunkach „zim ow ych”, stworzonych sztucznie na stanow isku w W iedniu A rsenale. W idać w yraźnie różnice w pracy okładzin na sucho i w w arunkach śnieżenia. W tych ostatnich warunkach w pełni zadow alające wyniki prezentują jedynie okładziny typu O, które są spiekam i z proszków metali. Spośród okładzin organicznych tylko typ T może zapew nić dostateczną skuteczność hamowania.

Porów na nie u z y sk a n y c h śre d n ich w sp ó łc z y n n ik ó w tarcia w program ie UIC 3

0,45 0,40

« 0.35

«0

2 0.30

'E

Ł 0,25

N H 0.20

W5

c 0,15

■<» 0,10 1

0,05

0.00

1 2 3 4 5 8 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 36 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 K o le jn e h a m o w a n ia w g p ro g r a m u

— t yp okładziny 1 — — typ 2 * " ty p 3 - o - t y p 4 - o - t y p 5 “ » “ typ 6

Rys. 2. Średnie wartości współczynników tarcia sześciu typów okładzin ciernych Fig. 2. A verage values o f frictional coefficients for six types o f frictional materials

W N I O S E K

Stosując podobne kompozycje, składające się z ograniczonego kręgu materiałów w yjściow ych, m ożna uzyskać różne praktyczne skutki. Szczególnie ważne jest, że dzięki od­

pow iednim zabiegom technologicznym można zapewnić m ateriałom ciernym ham ulca zwięk­

szoną odporność na obecność wody w obszarze tarcia i tym samym zapew nić skuteczność ham owania pociągów w trudnych warunkach klim atycznych i pogodowych.

B ad an ia w w a r u n k a c h zim ow ych na st a n o w isk u W ien A rse n al

— <^“ o k ła d z in a ty p u O • 1 ty p u P - o - ty p u R “ * ^ " t y p u S “ ^ “ ty p u T

0,40 re

*E 0,35

a _re

0 30

•_{♦ ■}

f ł

•

pn

- i 4\

O U

cc ^{9 9}

e B

a

c>,Á

K O

i

o

i

UL»

Bg a ao

5" 0.25

I

q-

o

< 4 f i

f f^{l >} O^o

o

s

re

'E

^ 0,05 S/I

0,00

seria A sería B seria C seria D sería E sería F seria G seria H

Fb [kN] 48 48 48 48 21 21 21 21

V [km/h] 80 120 80 120 80 120 80 120

Śnieżenie — — + + ^— - + +

Serie hamowań

oo

Rys. 3. W yniki badań porównawczych pięciu typów okładzin w bardzo trudnych warunkach „zim ow ych”

Fig. 3. Results o f comparative tests o f five types o f frictional materials in very difficult, “winter” conditions

B. Bułchak, A. Prowotorow, K. Osuch

W rażliw ość okładzin ciernych. 179

A b stra c t

Since beginning o f using disc brakes in rail vehicles problem s with rapid reducing o f fric­

tional coefficient caused by w eather have appeared. It resulted in significant (ten to twenty tim es) increase o f braking distance. This article describes problem s o f loosing o f braking effi­

ciency o f disc brakes caused by presence o f w ater in frictional zone. Conditions that cause such phenom enon have been described. A uthors suggested practical methods to protect brakes from loosing o f braking efficiency.

Recenzent: Dr hab. inż. M arek Sitarz Profesor Politechniki Śląskiej