RELACJE DIAGNOSTYCZNE STAN-SYGNAŁ PRZEKŁADNIKÓW CIŚNIENIA UKŁADÓW HAMULCOWYCH POJAZDÓW SZYNOWYCH

P O L I T E C H N I K A P O Z N A Ń S K A

WYDZIAŁ MASZYN ROBOCZYCH I TRANSPORTU

RELACJE DIAGNOSTYCZNE STAN-SYGNAŁ PRZEKŁADNIKÓW CIŚNIENIA UKŁADÓW HAMULCOWYCH POJAZDÓW SZYNOWYCH

Sylwin Tomaszewski

Promotor: prof. dr hab. inż. Franciszek Tomaszewski

POZNAŃ 2017

2

SPIS TREŚCI

WPROWADZENIE ... 4

1. ISTOTA DIAGNOSTYKI TECHNICZNEJ ... 9

1.1. Podstawowe pojęcia z diagnostyki technicznej ... 9

1.2. Diagnostyka układów pneumatycznych ... 12

1.3. Relacje diagnostyczne ... 16

2. OBIEKT BADAŃ DIAGNOSTYCZNYCH ... 22

2.1. Ogólny zarys budowy układu hamulcowego pojazdów szynowych... 22

2.2. Rodzaje i budowa przekładników ciśnienia ... 24

3. DIAGNOSTYKA PNEUMATYCZNYCH UKŁADÓW HAMULCOWYCH POJAZDÓW SZYNOWYCH ... 31

3.1. Stan diagnostyki układów hamulcowych ... 31

3.2. Ocena ilościowa uszkodzeń układów hamulcowych ... 40

3.3. Analiza rodzajów, przyczyn i skutków uszkodzeń przekładnika ciśnienia ... 42

3.4. Wybór zespołu do badań ... 43

3.5. Podsumowanie ... 45

4. CEL I ZAKRES PRACY... 47

4.1. Uzasadnienie podjęcia tematu pracy ... 47

4.2. Cel i zadania badawcze ... 47

4.3. Zakres pracy ... 47

5. METODYKA BADAŃ ... 48

5.1. Wprowadzenie... 48

5.2. Stanowiska badawcze... 48

5.2.1. Stanowisko do badań przebiegów ciśnień ... 48

5.2.2. Stanowisko do badań klimatycznych ... 52

5.2.3. Stanowisko do pomiaru siły w układzie kinematycznym przekładnika ciśnienia... 53

5.2.4. Stanowisko do badań środków smarnych ... 54

5.3. Model symulacyjny przekładnika ... 56

3

5.4. Zakres badań wpływu różnych czynników na zmiany parametrów pracy

przekładnika ... 62

5.4.1. Wybrane parametry diagnostyczne przekładnika ... 62

5.4.2. Czynniki konstrukcyjne ... 64

5.4.3. Czynniki produkcyjne ... 66

5.4.4. Czynniki eksploatacyjne ... 68

5.5. Podsumowanie ... 68

6. BADANIA PRZEKŁADNIKA CIŚNIENIA ... 69

6.1. Badania stanowiskowe przekładnika ... 69

6.1.1. Wyniki badań czynników konstrukcyjnych ... 69

6.1.2. Wyniki badań czynników produkcyjnych ... 81

6.1.3. Wyniki badań czynników eksploatacyjnych ... 86

6.2. Badania symulacyjne ... 92

6.3. Analiza wyników badań ... 95

6.3.1. Wprowadzenie ... 95

6.3.2. Relacje diagnostyczne dla cech konstrukcyjnych ... 97

6.3.3. Relacje diagnostyczne dla cech produkcyjnych ... 102

6.3.4. Relacje diagnostyczne dla cech eksploatacyjnych ... 105

6.4. Analiza wyników symulacji ... 110

6.5. Podsumowanie ... 111

7. PROPOZYCJA NOWEJ KONSTRUKCJI PRZEKŁADNIKA ... 113

8. PODSUMOWANIE I WNIOSKI ... 115

9. LITERATURA ... 118

4

WPROWADZENIE

Wraz z pojawienia się na świecie pierwszych pojazdów nieodłącznie towarzyszy im układ hamulcowy. Służy on do zmniejszania prędkości oraz zatrzymania pojazdu, zwłaszcza w sytuacji zagrożenia, w jak najkrótszym czasie i z jak największą pewnością.

Hamulce służą także do unieruchomienia pojazdu na postoju. Układ hamulcowy jest jednym z podstawowych układów pojazdu mechanicznego i kluczowym układem w kwestii zapewnienia bezpieczeństwa zarówno użytkownikom pojazdów jak i osobom oraz przedmiotom znajdującym się w ich otoczeniu. W związku z tym zapewnienie skuteczności układu hamulcowego i jego niezawodności jest głównym celem na etapie konstruowania, wytwarzania i eksploatowania wszelkiego rodzaju pojazdów funkcjonujących na świecie. Do tej pory podstawowym hamulcem jest hamulec cierny, najczęściej uruchamiany hydraulicznie lub pneumatycznie. Jednocześnie, wraz z dynamicznym rozwojem techniki oraz wzrostem prędkości poruszania się pojazdów, pojawiają się coraz nowsze układy wspomagające klasyczny układ cierny poprzez elektryczne sterowanie mikroprocesorowe oraz wykorzystywanie układów hamulcowych beztarciowych, np.: hamulca elektrodynamicznego lub hydrodynamicznego.

Podstawowymi gałęziami transportu, w których dąży się do zapewnienia bezpieczeństwa eksploatacji poprzez zapewnienie jak najwyższej jakości, skuteczności i niezawodności układów hamulcowych, są transport drogowy i transport szynowy [40].

Skuteczność działania hamulców może być oceniona podczas badań ruchowych na podstawie pomiarów długości drogi hamowania lub wartości opóźnienia hamowania oraz podczas badań stacjonarnych (stanowiskowych) na podstawie pomiaru wartości sił wytwarzanych pomiędzy elementami pary ciernej. Diagnozowanie układów hamulcowych pojazdów drogowych można podzielić na diagnozowanie mechanizmów uruchamiających hamulce oraz określanie skuteczności działania układu hamulcowego [9]. W praktyce diagnostyka hamulca sprowadza się do sprawdzenia jego skuteczności podczas przeprowadzania okresowego badania technicznego na stacji diagnostycznej. Około 80 procent samochodów trafiających do stacji obsługi posiada większe lub mniejsze uszkodzenia układu hamulcowego. Najczęściej stwierdzane niezdatności układu hamulcowego to m.in.: zużyte klocki, tarcze, bębny i szczęki hamulcowe, nieskuteczny hamulec postojowy, czy też wycieki z układu hamulcowego. Nieusunięte uszkodzenia (zużycia) powodują wydłużenie drogi hamowania lub mogą nawet wpłynąć na utratę kontroli nad pojazdem [4]. Jeśli podczas badania okresowego skuteczność działania układu

5

hamulcowego budzi zastrzeżenia, najczęściej dopiero wtedy dochodzi do diagnozowania mechanizmów uruchamiających hamulce.

W przypadku transportu kolejowego, w którym określenie stanu technicznego pojazdu nie sprowadza się jedynie do przeglądu technicznego przeprowadzanego raz w roku, diagnozowanie hamulca przeprowadza się częściej i bardziej szczegółowo.

Funkcjonujący w kraju system diagnozowania stanu układów hamulcowych pojazdów szynowych sterowanych klasycznym hamulcem pneumatycznym (PN), zgodnie z normą [26] określa program prób odbiorczych tego hamulca dla wagonów towarowych, wagonów pasażerskich i pojazdów trakcyjnych. Program ten, oprócz oględzin sprawdzających poprawność wykonania i montażu układu hamulcowego oraz sprawdzenia szczelności instalacji pneumatycznej wagonu, wymaga stacjonarnych prób funkcjonalnych hamulca PN polegających na sprawdzeniu:

 drożności przewodu głównego,

 czasów napełniania zbiornika pomocniczego i zbiornika sterującego,

 czułości i nieczułości hamulca na odpowiednie spadki ciśnienia w przewodzie głównym,

 największych wartości ciśnień cylindrowych, ciśnienia zaskoku w nastawieniu

"Towarowy" oraz czasów napełniania i opróżniania cylindrów hamulcowych we wszystkich, występujących na pojeździe, nastawieniach hamulca,

 zdolności hamulca do hamowania i odhamowania,

 działania przyspieszacza hamowania nagłego (jeżeli występuje),

 działania hamulca bezpieczeństwa,

 poprawności działania odluźniacza,

 skoku tłoka i działania nastawiacza przekładni hamulcowej.

Niezdatności układów hamulcowych są jedną z podstawowych przyczyn wypadków komunikacyjnych powodowanych przez pojazdy mechaniczne. W związku z tym wykrycie niezdatności tego układu należy do najważniejszych zadań diagnostyki technicznej.

W przypadku transportu kolejowego, stan techniczny taboru odgrywa znaczącą rolę. Z przedstawionych danych na rysunku 1 wynika, że awarie pojazdów szynowych stanowią aż 11% wszystkich przyczyn wypadków kolejowych w latach 2009 – 2010.

6

Rys. 1. Podział zdarzeń kolejowych ze względu na przyczynę powstawania w latach 2009-2010 [27]

Dane z rysunku 2 pokazują, że układ hamulcowy znajduje się na drugim miejscu, zaraz po zestawach kołowych, wśród źródeł technicznych wypadków kolejowych. Jego awarie były przyczyną zdarzeń kolejowych w latach 2009 i 2010 aż w 11%.

Rys. 2. Źródła techniczne zdarzeń kolejowych w latach 2009-2010 [27]

Najważniejszym skutkiem i jednocześnie najwyższym kosztem każdego wypadku jest śmierć człowieka. Dalsze skutki wypadków komunikacyjnych to koszty ekonomiczne i społeczne, które możemy podzielić na [44]:

 bezpośrednie

 koszty medyczne i rehabilitacji,

 koszty uszkodzenia mienia (pojazdów, infrastruktury, itp.),

7

 koszty administracyjne (policji, straży pożarnej, pogotowia, sądowe, ubezpieczycieli, itp.).

 pośrednie

 straty PKB (utracona produkcja, niezrealizowana konsumpcja, itp.),

 koszty ludzkie (ból i cierpienie ofiar i ich rodzin, utrata jakości życia, itp.),

 dodatkowe (straty czasu, zwiększenie zużycia paliwa, zanieczyszczenie środowiska, itp.).

Na rysunku 3 przedstawiono koszty zdarzeń kolejowych, które miały miejsce w latach 2009 – 2010. W kosztach tych nie uwzględniono kosztów związanych bezpośrednio z ofiarami wypadków. Największy udział w kosztach zdarzeń kolejowych mają koszty wewnętrzne kolei poniesione na skutek strat w pojazdach – ponad 58% wszystkich kosztów i na straty w infrastrukturze – prawie 34%.

Rys. 3. Koszty zdarzeń kolejowych w latach 2009-2010 [27]

Z analizy zaprezentowanych danych dotyczących przyczyn i skutków wypadków komunikacyjnych, w tym wypadku kolejowych, wynika konieczność bezwzględnego dążenia do minimalizowania ich liczby, co spowoduje istotne ograniczenie kosztów nieprzewidzianych zdarzeń. Dlatego do głównych zadań diagnostyki technicznej pojazdu powinno należeć analizowanie możliwie największej ilości układów mechanicznych decydujących o bezpieczeństwie ruchu pojazdów.

Do układów decydujących o bezpiecznej eksploatacji pojazdów kolejowych należy, oprócz układu biegowego, ich układ hamowania, w tym układ pneumatyczny hamulca.

Dlatego też diagnostyka tego układu realizowana w czasie eksploatacji pojazdu pełni kluczową rolę, gdyż wykrywa uszkodzenia i nieprawidłowości umożliwiając przekazanie

8

pojazdu do naprawy zanim uszkodzenia te doprowadzą do wypadku (katastrofy kolejowej).

W związku z powyższym w pracy przedstawiono analizę możliwości diagnozowania jednego z najistotniejszych elementów składowych układu hamulcowego pojazdów szynowych – przekładnika ciśnienia. Przeanalizowano wpływ czynników:

konstrukcyjnych, produkcyjnych i eksploatacyjnych mających wpływ na stan techniczny przekładnika ciśnienia. Przeprowadzono badania symulacyjne i stanowiskowe w celu wyznaczenia parametrów diagnostycznych zawierających istotne informacje o stanie przekładnika ciśnienia.

9

1. ISTOTA DIAGNOSTYKI TECHNICZNEJ

1.1. Podstawowe pojęcia z diagnostyki technicznej

Termin "diagnostyka" pochodzi z języka greckiego, gdzie diagnosis  oznacza rozpoznanie, rozróżnianie, osądzanie, a diagnostike techne  sztuka rozróżniania, sztuka stawiania diagnozy. Ukształtowana już w obrębie nauk eksploatacyjnych dziedzina wiedzy diagnostyka techniczna  zajmuje się oceną stanu technicznego maszyn poprzez badanie własności procesów roboczych i towarzyszących pracy maszyn, a także poprzez badanie własności wytworów maszyny.

Istota diagnostyki technicznej polega na określeniu stanu maszyny (zespołu podzespołu, elementu) w sposób pośredni, bez demontażu, w oparciu o pomiar generowanych sygnałów (symptomów) diagnostycznych i porównanie ich z wartościami nominalnymi. Wartość sygnału (symptomu) diagnostycznego musi być związana znaną zależnością z diagnozowaną cechą stanu maszyny, charakteryzującą jego stan techniczny [45].

W inżynierii mechanicznej, w budowie i eksploatacji maszyn i urządzeń mechanicznych, czynnikiem pobudzającym rozwój diagnostyki jest wymagany wysoki poziom niezawodności przy wypełnianiu funkcji realizowanej przez urządzenie. Wysoki poziom niezawodności definiowany może być w kategoriach ekonomicznych oraz w kategoriach bezpieczeństwa. Dlatego też diagnostyka techniczna maszyn i urządzeń mechanicznych najwcześniej została zastosowana do środków transportu powietrznego, morskiego i drogowego. Następny etap rozwoju diagnostyki to ocena stanu skomplikowanych ciągów technologicznych oraz jakości procesu produkcyjnego (w zakładach produkcyjnych) oraz wymagania związane z nową, najczęściej bezobsługową, eksploatacją urządzeń technicznych. [3].

Diagnostyka techniczna, jak każda dziedzina wiedzy ma swe źródła, paradygmaty i metodologię. Zagadnienia te doczekały się już szczegółowych opracowań, pozwalających precyzyjnie formułować podstawowe cele, zadania i formy działania diagnostycznego.

Do podstawowych zadań diagnostyki technicznej należy zaliczyć [45]:

 badanie, identyfikacja i klasyfikacja rozwijających się uszkodzeń oraz ich symptomów (symptom  to zorientowana uszkodzeniowo miara sygnału),

 opracowanie metod i środków do badania i selekcji symptomów diagnostycznych,

10

 wypracowanie decyzji diagnostycznych o stanie pojazdu i wynikających z niego możliwości wykorzystywania lub rodzaju i zakresie koniecznych czynności profilaktycznych.

W badaniach diagnostycznych rozróżnia się następujące fazy badania ocenowego:

 kontrolę stanu maszyny,

 ocenę stanu i jego konsekwencje,

 lokalizację i separację uszkodzeń powstałych w maszynie,

 wnioskowanie o przyszłych stanach maszyny.

Te zadania realizowane są w następujących formach działania diagnostycznego:

 diagnozowanie  jako proces określania stanu maszyny w chwili badania,

 dozorowanie – jako proces obserwacji zmian stanu funkcjonalnego obiektu w czasie eksploatacji,

 genezowanie  jako proces odtwarzania historii życia maszyny,

 prognozowanie  jako proces określania przyszłych stanów maszyny.

Przedstawione formy działania diagnostycznego realizowane są w czasie ciągłej lub dyskretnej obserwacji maszyny [45].

Zgodnie z rysunkiem 1.1 przedstawiającym fazy istnienia maszyny w diagnostyce technicznej, oparto się o trzy istotne wyróżnione rodzaje diagnostyki technicznej, a mianowicie:

 diagnostykę konstrukcyjną – mającą na celu uwzględnienie obowiązujących norm i przepisów, a także zasad funkcjonalności, niezawodności, technologiczności, ergonomii, ekonomi i ekologii w procesie konstruowania wyrobu,

 diagnostykę produkcyjną – mającą na celu zachowanie najwyższej jakości wykonania, zachowanie technologiczności, dobór odpowiednich materiałów oraz niskie koszty produkcji wyrobu,

 diagnostykę eksploatacyjną – pozwalającą określić czy obiekt (wyrób) funkcjonuje prawidłowo, zgodnie z założeniami konstrukcyjnymi, lokalizację i przyczynę uszkodzeń, a także prognozę do wystąpienia kolejnego uszkodzenia.

11

Rys. 1.1. Fazy istnienia maszyny w diagnostyce technicznej [46]

Określane metodami diagnostyki technicznej diagnozy stanu maszyny są wyróżniane za pomocą różnego rodzaju wskaźników (symptomów). Zawsze jednak ich forma prezentacji powinna być dostosowana do możliwości percepcyjnych, decyzyjnych i wykonawczych użytkowników diagnozowanego obiektu.

Diagnostyka od strony jej realizacji, to określenie ilościowe i jakościowe dostępnych do obserwacji objawów stanu technicznego i wnioskowanie na podstawie tego zbioru danych. Pojęcie obserwowalny objaw stanu (inaczej symptom) zawiera w sobie trzy podstawowe grupy parametrów i charakterystyk, jakie może obejmować diagnostyka [29]:

 określenie (pomiar) parametrów roboczych maszyny, np. moc, prędkość obrotowa, pobór prądu, itp.; wymaga okresowego wyłączania maszyny z ruchu i poddania jej określonemu zakresowi specjalnych badań testowych,

 określenie parametrów i charakterystyk konstrukcyjnych elementów maszyny, ulegających podczas jej działania procesowi zużycia; połączony zwykle bywa z okresową naprawą, ponieważ poza wyłączeniem z ruchu wymaga demontażu maszyny czy urządzenia,

 określenie parametrów tzw. procesów resztkowych, które w sposób niezamierzony ale nierozerwalny towarzyszą działaniu maszyn i urządzeń. Są to procesy termiczne, elektryczne, a przede wszystkim wibroakustyczne;

12

stwarza możliwość bezdemontażowej oceny stanu technicznego maszyny podczas jej normalnej eksploatacji.

Na rysunku 1.2 przedstawiono możliwe sposoby obserwacji stanu maszyny.

Wynika z nich, że maszyny w ruchu to systemy samogenerujące drgania, hałas, pulsację medium i inne procesy wibroakustyczne. Są one przyczynami lub efektami zużywania się maszyn w trakcie eksploatacji. Mają bezpośredni wpływ na cały proces produkcyjny (w tym zużycie energii) oraz na jakość wytwarzanego wyrobu.

Rys. 1.2. Możliwe sposoby obserwacji stanu maszyny [46]

Stan techniczny obiektu jest definiowany w kategoriach jakości i bezpieczeństwa jego działania, poprzez wektor miar bezpośrednich lub pośrednich. Aktualny stan maszyny można określać obserwując funkcjonowanie obiektu, tzn. jego wyjście główne przekształconej energii (lub produktu), oraz wyjście dyssypacyjne gdzie obserwuje się procesy resztkowe np. termiczne, wibracyjne, akustyczne, elektromagnetyczne.

1.2. Diagnostyka układów pneumatycznych

Układy pneumatyczne odgrywają bardzo ważną rolę w nowoczesnych maszynach i urządzeniach oraz w systemach sterowania. Wiele z nich znajduje zastosowanie w budownictwie, górnictwie, przemyśle energetycznym, chemicznym, motoryzacyjnym, kolejowym a także w służbie zdrowia. Wśród głównych urządzeń pneumatycznych można wymienić na przykład systemy wentylacyjne, wiertarki, młoty i klucze udarowe, ubijaki

13

betonu, podajniki i przenośniki pneumatyczne, układy zasilające unity dentystyczne, układy hamulcowe pojazdów samochodowych i kolejowych oraz wiele innych.

Powszechne zastosowanie napędów pneumatycznych wynika z zalet czynnika roboczego (powietrza) oraz z zalet urządzeń napędzanych tym czynnikiem. Zalety sprężonego powietrza jako źródła energii są następujące [36]:

 powietrze jest wszędzie dostępne, gdyż stanowi atmosferę ziemską,

 po wykorzystaniu energii zawartej w sprężonym powietrzu nie trzeba go zwracać do sieci i ewentualnie wymieniać,

 powietrze jest bezpieczne i czyste w eksploatacji (nie grozi porażeniem i nie zanieczyszcza otoczenia w razie uszkodzenia instalacji),

 sprężone powietrze (zwykle o ciśnieniu 0,4 ÷ 1,6 MPa) jest bardzo dobrym źródłem energii do wytwarzania sił w granicach od kilku daN do kilkunastu kN.

Wadą sprężonego powietrza jest jego duża ściśliwość (ok. 2000 razy większa niż płynów hydraulicznych) co bardzo utrudnia uzyskiwanie bardzo powolnych i płynnych ruchów mechanizmów pneumatycznych.

Podstawowy układ pneumatyczny można przedstawić za pomocą schematu blokowego (rys 1.3.)

Rys. 1.3. Schemat blokowy podstawowego układu pneumatycznego

W związku z tak powszechnym i szerokim zastosowaniem układów pneumatycznych w nowoczesnej technice występuje silna potrzeba ich diagnozowania.

Ocenę stanu technicznego układów pneumatycznych można podzielić na dwa podstawowe etapy:

 badanie wstępne

 bezprzyrządowe (organoleptyczne),

 przyrządowe,

 stanowiskowe badanie układu pneumatycznego

 badanie diagnostyczne instalacji pneumatycznej,

 badanie diagnostyczne układów pneumatycznych.

Wstępna diagnostyka (organoleptyczna) instalacji pneumatycznej obejmuje oględziny zewnętrzne, podczas których sprawdza się stan sprężarki i sprzęgieł do jej

Układ wytwarzania i uzdatniania sprężonego powietrza

Układ sterujący

Układ wykonawczy

14

napędu, stan przewodów i cięgien, kompletność elementów instalacji i ich mocowania, szczelność układu oraz sprawdza się (przy użyciu odwadniaczy), czy w zbiornikach nie znajduje się kondensat pary wodnej [20].

W ramach wstępnej, przyrządowej oceny instalacji przeprowadza się ocenę jej szczelności, prawidłowość działania, np. sprężarki (na podstawie prędkości wzrastania ciśnienia w zbiornikach powietrza) oraz prawidłowość działania zaworu bezpieczeństwa.

Kolejnym elementem poddawanym diagnostyce są zbiorniki na sprężone powietrze.

Sprawdza sie czy założone przez producenta pojemności są wystarczające aby zapewnić odpowiednią ilość powietrza dla układów wykonawczych w trakcie ich powtarzalnej pracy.

Badania stanowiskowe układów i poszczególnych urządzeń pneumatycznych realizowane są na specjalnych stanowiskach wyposażonych w układy pomiarowe ciśnień, przemieszczeń sił w funkcji czasu, z możliwością rejestracji tych parametrów. Często korzysta się także z przenośnych stanowisk diagnostycznych. Na rysunkach 1.4 i 1.5 przedstawiono przykładowe przebiegi z badania szczelności i próbę oceny wydajności sprężarki.

Rys. 1.4. Przykładowy przebieg próby sprawdzenia szczelności instalacji pneumatycznej na podstawie zmian ciśnienia Pz na złączu zasilającym [14]

15

Rys. 1.5. Przykładowy przebieg wzrostu ciśnienia Pv w zbiorniku podczas sprawdzania wydatku sprężarki [14]

Po badaniu wstępnym instalacji pneumatycznej przeprowadza się szczegółowe badania diagnostyczne poszczególnych zespołów badanego układu pneumatycznego.

Badania diagnostyczne zespołów powietrznych przeprowadza się w celu stwierdzenia prawidłowości ich działania i zlokalizowaniu uszkodzenia, co umożliwia skierowanie niezdatnych zespołów do naprawy, regulacji czy też wymiany przed wystąpieniem awarii [20].

Podczas badań diagnostycznych sprężarki, w celu zbadania jej stanu technicznego określa się:

 ciśnienie tłoczenia,

 wydajność,

 poziom hałasu,

 spektrum drgań,

 pobór mocy,

 temperaturę pracy,

Podczas badań każdego z zespołów układu pneumatycznego na stanowiskach specjalistycznych sprawdza się szczelność, czułość działania, stopniowość działania oraz wyznacza się ich charakterystyki statyczne.

Szczelność sprawdza się najczęściej na podstawie spadku ciśnienia w zbiorniku pomiarowym stanowiska podłączonym do badanego zespołu, w sposób podobny jak przy sprawdzaniu szczelności instalacji

16

Czułość charakteryzuje wielkość ciśnienia odpowiadającego początkowi zadziałania zespołu. Podczas badania wyznacza się wartość ciśnienia, dla którego sprawdzany element zaczyna działać.

Stopniowość (ciągłość działania) oceniana jest poprzez możliwość uzyskania małych przyrostów ciśnienia w przyłączu wyjściowym urządzenia, przy zmianach ciśnienia w przyłączu sterującym.

Charakterystyka statyczna określa zależność funkcyjna pomiędzy parametrami wejściowymi i wyjściowymi. Parametrami mogą być ciśnienia, siły, przemieszczenia. Np.

dla zaworów proporcjonalnych przedstawiana jest zależnością zmian ciśnienia na wyjściu z zaworu od zmian ciśnienia w przyłączach sterujących, przy niezmiennym poziomie ciśnienia zasilania.

Wymagane wartości i tolerancje parametrów, sprawdzanych podczas badań stanowiskowych, podawane są przez producentów zespołów w szczegółowych katalogach i instrukcjach obsługi.

1.3. Relacje diagnostyczne

W diagnostyce stosowane jest pojęcie "relacje diagnostyczne". Pojęcie to oznacza związek pomiędzy stanami obiektu X a parametrami sygnału diagnostycznego Y. Stan obiektu może być definiowany jako zbiór parametrów struktury (np. parametry opisujące zużycie eksploatacyjne, regulacyjne, pracy itp.) lub w sensie niezawodnościowym: zdatny lub niezdatny (uszkodzony). Relacje diagnostyczne mogą być wyznaczone w oparciu o wyniki badań przeprowadzonych na rzeczywistych obiektach (obiekcie) lub badań symulacyjnych, dysponując modelem dobrze odwzorowującym wybrane stany obiektu [1].

W diagnostyce technicznej do badania związku między cechami obiektu X a parametrami diagnostycznymi Y (symptomami) stosowana jest najczęściej analiza regresji.

Regresją nazywamy funkcyjną zależność zmiennej losowej X (stany – jako zmienna objaśniająca) od zmiennej Y (symptom – zmienna objaśniająca) z dokładnością do błędu losowego ε o wartości oczekiwanej równej zero. W zapisie formalnym zależność przybiera postać [1]:

17

𝑌 = 𝑓(𝑋) + 𝜀 (1.1)

gdzie:

Y – zmienna losowa, f(X) – funkcja regresji,

X – dowolna zmienna (lub ich zespół), ε – zaburzenie losowe E(ε)=0

Regresja szacowana jest dla zbadania współzależności (określenia relacji) między parametrami (cechami) X a (symptomami) Y. W praktyce diagnostycznej poszukuje się związku między zmienną objaśniającą X (stanem) a zmienną objaśnianą Y (sygnał diagnostyczny) [1].

Ograniczona zdatność lub niezdatność w wyniku uszkodzenia urządzenia, jako zdarzenia wpływającego negatywnie na efektywność funkcjonowania maszyn, które powinno być wykryte wraz z określeniem rodzaju, miejsca i czasu występowania oraz rozmiaru i charakteru zmienności w czasie. Można ogólnie stwierdzić, że wiedza diagnostyczna jest symbolicznym opisem przedmiotu, charakteryzującym empiryczne relacje, a na ich podstawie tworzone są procedury diagnostyczne [19].

Najczęściej w literaturze problem tworzenia relacji diagnostycznych sprowadza się do dialogu między ekspertem w danej dziedzinie a tzw. inżynierem wiedzy. Tymczasem liczba możliwych źródeł wiedzy będących do dyspozycji jest znacznie większa. Takie podejście do procesu pozyskiwania wiedzy, w sensie tworzenia relacji diagnostycznych, obejmuje wybór metod ich tworzenia na podstawie [19] :

 specjalistycznych informacji technicznych producenta i eksploatatorów maszyn,

 badań eksperymentalnych symptomów niezdatności i uszkodzeń maszyn,

 badań ekspertowych symptomów (objawów) uszkodzeń maszyn,

 modeli fizycznych układów mechanicznych zorientowanych na symptomy niezdatności,

 zidentyfikowanych modeli matematycznych zorientowanych na uszkodzenia.

Tworzenie relacji diagnostycznych na podstawie rożnych metod i źródeł informacji pozwala na ustalenie zarówno wiarygodnej wiedzy deklaratywnej w postaci faktów, relacji diagnostycznych stan – symptom, jak i wiedzy proceduralnej, na podstawie której opiera się wnioskowanie w systemach diagnostycznych. Przyjmując, że wiedza to uporządkowany zbiór informacji, zatem przez pozyskiwanie wiedzy (diagnostycznej)

18

należy rozumieć zarówno proces pozyskiwania informacji diagnostycznej (zbioru informacji), jak i proces tworzenia modelu jej efektywnego wykorzystania (uporządkowanie tego zbioru) [19] .

W diagnostyce maszyn wykorzystuje się rożne rodzaje relacji pomiędzy stanami (uszkodzeniami) a ich symptomami, które zasadniczo można sprowadzić do dwóch klas [19]:

 relacje równoważne, Rk zwane klasycznymi, które mają cechy relacji zwrotnej, symetrycznej i przechodniej o funkcji charakterystycznej 𝜇 ∈ [0,1],

𝜇 (𝑥 , 𝑥 , … , 𝑥 ) = 1 𝑔𝑑𝑦 (𝑥 , … , 𝑥 ) ∈ 𝑅

0 𝑔𝑑𝑦 (𝑥 , … , 𝑥 ) ∉ 𝑅 (1.2) tzn. relacja całkowitego przyporządkowania ≤.

 relacje rozmyte o funkcji charakterystycznej rozszerzonej do przedziału [0, 1]

jako par

𝜇 (𝑥 , . . . , 𝑥 ) ∕ (𝑥 , . . . , 𝑥 ) (1.3) wówczas:

𝑅 = 𝜇 (𝑋, 𝑓) ∕ (𝑋, 𝑓) (1.4)

gdzie:

𝜇 – funkcja charakterystyczna,

𝑋 – zbiór zmiennych procesowych,

𝑓 – stan maszyny,

jest relacją rożnej funkcji przynależności (⊆częściowego porządku) spełniającej dwie pierwsze cechy relacji równoważnej (zwrotne i symetryczne). Klasyczne pojęcie relacji jest szczególnym przypadkiem relacji rozmytej, gdy stopnie przynależności są równe tylko 0 i 1.

Na rys. 1.6 podano podstawowe zależności pomiędzy rodzajami uszkodzeń a odpowiadającymi im parametrami diagnostycznymi maszyny. Natomiast w tabeli 1.1 zamieszczono zbiór przykładowych relacji diagnostycznych maszyny utworzonych na podstawie badań symulacyjnych.

19

Rys. 1.6. Zależności między podstawowymi elementami monitorowania parametrów pracy (stanu) maszyny a parametrami diagnostycznymi [19]

Tabela 1.1 Zbiór przykładowych relacji diagnostycznych ciągnika kołowego utworzonych na podstawie badań

symulacyjnych [19]

Optymalne wyniki realizacji zadań diagnostyki technicznej obiektów złożonych mogą być uzyskane tylko w rezultacie analizy stanów, w których te obiekty mogą się znaleźć podczas eksploatacji. Analiza ta może być wykonana teoretycznie w okresie opracowania nowego obiektu lub eksperymentalnie podczas jego eksploatacji [9].

Jednakże w wielu przypadkach wykonanie takiego eksperymentu jest utrudnione lub

20

wprost technicznie niewykonalne. W związku z tym są potrzebne specjalne metody do teoretycznej analizy zbioru możliwych stanów obiektów. Metody te są oparte na badaniu analitycznych opisów lub grafoanalitycznego przedstawienia podstawowych właściwości obiektów, które są ich modelami diagnostycznymi. [9].

Możemy wyróżnić trzy rodzaje modeli:

 analityczne – traktujące urządzenie techniczne jako przekształtnik wielkości wejściowych xi w wielkości wyjściowe yi urządzenia. Mogą być wykorzystane do badania zmian stanu technicznego elementów układu oraz ich wzajemnych relacji.

 funkcjonalne – graficznie przedstawiające urządzenia jako zbiór bloków funkcjonalnych, oznaczonych za pomocą prostokątów ai , z których każdy zawiera pewną liczbę wejść xj i wyjść yk oznaczonych liniami ze strzałkami, przy czym funkcje wyjściowe jednego bloku mogą być funkcjami wejściowymi innego bloku.

 topologiczne – czyli pewne abstrakcyjne opisy obiektu rzeczywistego dokonane za pomocą kategorii pojęciowych stosowanych w topologii.

Uwzględniane są przy tym istotne cechy funkcjonowania obiektu oraz zbiór jego parametrów i związki między nimi.

W diagnostyce technicznej można wyróżnić następujące cele tworzenia modeli:

 dla potrzeb projektowania, gdzie model służy do potrzeb optymalizacji struktury i parametrów konstruowanego obiektu i jest narzędziem oceny jakości konstrukcji, eliminacji słabych ogniw, projektowania układów nadzoru (modele funkcjonalne i niezawodnościowe),

 dla potrzeb użytkowania i sterowania, wykorzystując model do podejmowania decyzji z działającym obiektem (zakres działań obsługowych, decyzje eksploatacyjne, itp.),

 dla potrzeb diagnozowania, gdzie model jest podstawą ustalenia algorytmu diagnozowania, który prowadzi do określonego stanu aktualnego i przyszłego obiektu.

Modele diagnostyczne obiektów opisują związki pomiędzy [3]:

 parametrami sygnałów diagnostycznych i parametrami stanów,

 parametrami stanów i parametrami sygnałów diagnostycznych,

 stanami niezawodnościowymi i parametrami sygnałów diagnostycznych.

21 Korzyści z modelowania:

 modele dają podstawę do symulacji, czyli wirtualnego badania i przekształcania rzeczywistości,

 modele pozwalają na określenie związków pomiędzy parametrami symptomów diagnostycznych i cechami stanu obiektu diagnostycznego,

 techniki modelowania i symulacji prowadzą do redukcji kosztów i czasu w projektowaniu nowych procesów i wyrobów,

 modele pozwalają przewidywać własności nowych materiałów, co w efekcie daje lepsze wykorzystanie nośności w nowym projekcie oraz lepsze przewidywanie czasu do koniecznej naprawy.

Symulacja komputerowa to zastosowanie techniki komputerowej do rozwiązywania problemów dynamicznych modeli systemów. Na rysunku 1.7 pokazano ogólny schemat modelowania systemów.

Rys. 1.7. Ogólny schemat modelowania systemów

Przedstawiony algorytm modelowania systemów technicznych dla potrzeb diagnostyki technicznej wykorzystany zostanie w modelowaniu i badaniach symulacyjnych przekładnika ciśnienia.

22

2. OBIEKT BADAŃ DIAGNOSTYCZNYCH

2.1. Ogólny zarys budowy układu hamulcowego pojazdów szynowych

Podstawowym hamulcem pneumatycznym stosowanym w pojazdach szynowych jest hamulec zespolony na sprężone powietrze (hamulec PN), wynaleziony jeszcze w XIX w.

przez George’a Westinghouse’a. Hamulec ten umożliwia maszyniście zdalne sterowanie hamowaniem i luzowaniem (płynnym przejściem ze stanu zahamowanego do stanu odhamowanego) każdego z wagonów wchodzących w skład pociągu połączonych z lokomotywą prowadzącą za pośrednictwem przewodu pneumatycznego zwanego przewodem głównym (PG). Funkcje hamowania hamulcem PN realizowane przez połączone w ten sposób układy hamulcowe lokomotywy i wagonów tworzących pociąg zależą od wartości i gradientu ciśnienia w przewodzie głównym określanych przez układ zaworu maszynisty (układ sterowania hamulcem pociągu PN) zabudowany w lokomotywie. Za pomocą przewodu głównego maszynista przesyła sygnał sterowania hamowaniem do wszystkich wagonów w pociągu: hamowanie następuje przez obniżenie ciśnienia sprężonego powietrza w przewodzie głównym, natomiast luzowanie hamulców następuje poprzez jego zwiększenie. Aby cały system hamulcowy funkcjonował prawidłowo na każdym wagonie, wchodzącym w skład pociągu, musi znajdować się tam odpowiednia aparatura odbierająca sygnały o hamowaniu bądź luzowaniu hamulców i ujednolicone urządzenia wykonawcze w celu uzyskania zbliżonej skuteczności hamowania wszystkich wagonów w pociągu [41].

Konieczność ujednolicenia układów hamulcowych lokomotyw i wagonów w Europie oraz podstawowe znaczenie układów hamulcowych dla bezpieczeństwa jazdy sprawiły, że sformułowanie wymagań dla tych układów było jednym z pierwszych zadań Międzynarodowego Związku Kolei UIC. Działania podjęte w tym celu doprowadziły do uzyskania w obrębie tego związku, na terenie Europy, interoperacyjności układów hamulca PN już na początku XX wieku, jeszcze przed powstaniem Unii Europejskiej. Konieczność zapewnienia interoperacyjności sprawiła, że obowiązujące w Europie wymagania dla dotychczas opracowanych układów dotyczą zarówno hamulca PN, jak i innych rodzajów hamulców stosowanych w kolejnictwie. Wymagania zawarte w kartach UIC (europejskiego Międzynarodowego Związku Kolei) znalazły się w Technicznych Specyfikacjach Interoperacyjności (TSI) opracowanych w ostatnich latach dla Unii Europejskiej i europejskich normach dotyczących hamulców kolejowych. W dokumentach

23

tych (kartach UIC, TSI i normach europejskich) podane są również wymagane parametry dla nowych i eksploatowanych urządzeń hamulcowych. Aparaty, które spełniają te wymagania są dopuszczone do ruchu międzynarodowego przez UIC [41].

Główne elementy wchodzące w skład układu pneumatycznego hamulca pojazdów szynowych przedstawione na rysunku 2.1 to: zasilanie, sterowanie, wytwarzanie siły, układ wykonawczy (rozpraszający energię kinetyczną pojazdu).

Rys. 2.1. Schemat budowy układu hamulcowego pojazdów szynowych

Układy pneumatyczne znalazły powszechne zastosowanie w układach hamulców kolejowych, gdyż zalicza się do najbardziej przydatnych sposobów automatyzacji procesów zachodzących w różnych warunkach otoczenia: w wysokiej i niskiej temperaturze, przy promieniowaniu elektromagnetycznym, gdy występuje niebezpieczeństwo wybuchu, przy dużym zanieczyszczeniu otoczenia, w zmiennych warunkach pogodowych, itp. Możliwa jest także łatwa ich zabudowa w konstrukcję układów ruchomych względem siebie (wagonów). Ponadto układy te cechują się dużą odpornością na drgania i niezawodnością działania. W przypadku hamulca kolejowego ważnym czynnikiem jest również łatwość akumulacji energii niezbędnej do realizacji funkcji hamowania w zbiornikach ciśnieniowych zabudowanych na każdym wagonie [7, 12, 21].

Układ blokowy hamulca pneumatycznego pociągu złożonego z lokomotywy i wagonów przedstawiono na rysunku 2.2. Układ zasilania składa się ze sprężarki, z elementów przygotowania powietrza (osuszanie i oczyszczanie) oraz ze zbiornika zwanego głównym. Hamulec pociągu jest sterowany głównie z lokomotywy przez układ zaworu maszynisty, który steruje zmianami ciśnienia w przewodzie głównym. Układem łączącym wszystkie wagony w pociągu jest więc przewód główny. Przenosi on sygnał sterujący z

24

zaworu maszynisty do elementów sterujących na poszczególnych wagonach oraz zasila w sprężone powietrze zbiorniki każdego z wagonów.

Rys. 2.2. Uproszczony model układu hamulcowego pociągu [21]

Pneumatyczny układ sterujący hamulcem wagonu zasila cylinder(-y) hamulcowy, który wywołuje siłę hamowania realizowanego przez parę cierną.

Hamulce cierne sterowane pneumatycznie są powszechnie stosowane w pojazdach szynowych ze względu na ich względną prostotę budowy, kilkudziesięcioletnie doświadczenie w stosowaniu, ustalone i akceptowane przez strony (operatorów europejskich) wymagania oraz dużą niezawodność. Praktycznie wszystkie pojazdy szynowe są wyposażone w ten typ hamulca [21].

Wszystkie współczesne inne pojazdy szynowych (poza wagonami), szczególnie pociągi dużych prędkości i zespolone pojazdy trakcyjne, wyposaża się dodatkowo w inne typy hamulców poza ciernymi, ze względu na ich ograniczenia w zakresie realizowanej siły hamowania, mocy hamowania, względnie wielkości przejmowanej energii oraz ze względu na istotne obniżenie kosztów eksploatacji (stosowanie bezzużyciowych hamulców elektrodynamicznych i hydrodynamicznych).

2.2. Rodzaje i budowa przekładników ciśnienia

Wymagania zawarte w kartach UIC, TSI i normach europejskich dotyczą skuteczności układu hamulcowego pojazdu, parametrów pracy poszczególnych rodzajów hamulców i budowy najważniejszych zespołów i elementów tworzących układy hamulcowe. Szczególną formą wymagań dotyczących budowy urządzeń hamulcowych jest ich dopuszczenie do ruchu międzynarodowego przez odpowiedni organ Międzynarodowego Związku Kolei (UIC). Dotyczy to najbardziej odpowiedzialnych urządzeń hamulcowych, takich jak zawór maszynisty, wagonowy zawór rozrządczy i

25

przekładniki ciśnienia cylindrów hamulcowych (tworzące razem z zaworem rozrządczym rdzeń systemu hamulca PN pojazdu), przyspieszacz hamowania nagłego, zawór ważący, układ przeciwpoślizgowy, itp. [2].

Jeszcze 50 lat temu napełnianie cylindrów hamulcowych odbywało się tylko przez układ zaworu rozrządczego. We współczesnych układach hamulcowych przekładniki ciśnienia są powszechnie stosowane w każdym układzie pneumatycznym hamulca pojazdu. Stąd ich ilość i znaczenie wyraźnie wzrosła. Praktycznie nie są dzisiaj stosowane układy pneumatyczne hamulca pojazdów, w których nie występuje przekładnik ciśnienia.

Przekładniki ciśnienia możemy podzielić na dwie podstawowe grupy:

 sterujące ciśnieniem w przewodzie głównym,

 sterujące ciśnieniem w cylindrach hamulcowych.

Przekładniki sterujące ciśnieniem w przewodzie głównym są częścią zaworów maszynisty. Przekładniki napełniające cylindry hamulcowe są powszechnie stosowane na wszelkich pojazdach szynowych (lokomotywy, wagony, zespoły trakcyjne) [10].

Ze względu na przedmiot niniejszej pracy i znaczącą funkcję tych przekładników w układach pneumatycznych pojazdów poniżej dokonano ich opisu i analizy budowy.

Rys. 2.3. Usytuowanie przekładnika w układzie hamulcowym pojazdu szynowego

Przekładnik ciśnienia cylindrowego jest to urządzenie pneumatyczne służące do bezpośredniego napełniania cylindrów hamulcowych w funkcji sygnału sterującego generowanego przez zawór rozrządczy. Na rysunku 2.3. przedstawiono usytuowanie przekładnika ciśnienia w układzie hamulcowym pojazdu szynowego.

26

W europejskiej normie PN – EN 15611+A1 [25] dokonano podziału przekładników ciśnienia na następujące podstawowe typy:

 Jednostopniowy przekładnik ciśnienia typu A (rys. 2.4 i 2.5)

Przekładnik z jednym stałym przełożeniem, w którym przełożenie to może być mniejsze, równe lub większe niż 1.

Przekładnik ten składa się podstawowo z jednego tłoka (o przełożeniu 1:1) lub z dwóch tłoków (dla przełożeń różnych od 1:1) oraz zaworka trójdrogowego sterowanego tyi tłokami.

Rys. 2.4. Jednostopniowy przekładnik

ciśnienia typu A o przełożeniu 1:1 Rys. 2.5. Jednostopniowy przekładnik ciśnienia typu A o przełożeniu ≠ 1:1

 Wielostopniowy przekładnik ciśnienia typu B (rys. 2.6)

Przekładnik ciśnienia z więcej niż jednym stałym przełożeniem, przy czym przełożenia mogą być mniejsze, równe lub większe niż 1.

Rys. 2.6. Wielostopniowy przekładnik ciśnienia typu B

27

Przekładnik z zaworkiem trójdrogowym jak w przekładniku jednostopniowym ale z co najmniej z dwoma tłokami, na które oddziaływanie ciśnienia sterowania może być przełączane w funkcji przełożonego ładunku lub w wyniku zmiany rodzaju nastawy hamulca (np. Osobowy – Pospieszny). Przekładnik może realizować dwa lub więcej stałych wartości max ciśnienia cylindrowego na skutek sterowania tą samą wartością ciśnienia z zaworu rozrządczego. Przekładnik realizuje dwa lub więcej stałych przełożeń pomiędzy ciśnieniem sterującym a ciśnieniem w cylindrze.

 Przekładnik ciśnienia typu C o zmiennym sygnale obciążenia (rys. 2.7)

Przekładnik ciśnienia z ciągłą zmianą przełożenia, gdzie sygnał obciążenia jest użyty w celu zmiany tego przełożenia.

Rys. 2.7. Przekładnik ciśnienia typu C Rys. 2.8. Wielostopniowy przekładnik ciśnienia typu C1

 Wielostopniowy przekładnik ciśnienia typu C1 o zmiennym sygnale obciążenia (rys. 2.8)

Wielostopniowy przekładnik ciśnienia z ciągłą zmianą przełożenia, gdzie sygnał obciążenia jest użyty w celu zmiany tego przełożenia.

Przekładniki te charakteryzują się płynnie zmiennym przełożeniem pomiędzy ciśnieniem sterującym a ciśnieniem w cylindrze w funkcji przełożonego ładunku, tj. w funkcji ciśnienia z układu „ważenia” pojazdu. Dodatkowo mogą realizować osobnymi tłokami skokową zmianę tego przełożenia np. dla nastawy „Osobowy” lub „Pospieszny”

(rys. 2.8) [13]

 Przekładnik ciśnienia typu D z wieloma sygnałami wejścia

28

Przekładnik ciśnienia (typu A, B lub C) z dwoma (lub więcej) sygnałami wejściowymi, kontrolującymi pojedyncze ciśnienie wyjścia.

Na rysunku 2.9 przedstawiono najbardziej skomplikowany przekładnik wyposażony w dwa podwójne tłoki oraz w układ o płynnie zmiennym przełożeniu pomiędzy sygnałami sterującymi w funkcji ładunku. Jeden z dwóch dolnych tłoków służy do sterowania hamulcem pneumatycznym, drugi hamulcem elektropneumatycznym. Przy czym tak są one skonfigurowane, że sygnał silniejszy decyduje o wartości ciśnienia w cylindrze. Tłoki te realizują funkcję alternatywy. Górny podwójny tłok służy do realizacji skokowej zmiany przełożenia dla nastawy „Osobowy” i „Pospieszny”.

Rys. 2.9. Przekładnik ciśnienia typu D

Na rysunkach 2.10. i 2.11. zaprezentowano przykładowe przekładniki z typoszeregu przekładników ciśnienia do napełniania cylindrów hamulcowych, które zostały opracowane, przebadane i wdrożone do produkcji przez Instytut Pojazdów Szynowych

„TABOR”. Przekładniki te są montowane jako aparaty modułowe na hamulcowych tablicach pneumatycznych pojazdów szynowych.

W konstrukcji przekładnika typu C (rys. 2.12.) znajdującego szerokie zastosowanie w pojazdach o istotnej zmianie masy (przewożonego ładunku) zastosowano szereg rozwiązań opartych na tłokach przenoszących odpowiednie siły i ciśnienia, uszczelnionych membranami, zaworkach trójdrogowych z gumowym pierścieniem uszczelniającym, sprężynach oraz precyzyjnym układzie tłoczkowo-suwakowym służącym do płynnej zmiany przełożenia przekładnika ciśnienia w cylindrach w funkcji zmiany ładunku. W konstrukcji tego przekładnika przewidziano bardzo szeroki zakres regulacji jego

29

parametrów w celu dopasowania jego charakterystyki do zróżnicowanych typów pojazdów szynowych.

Rys. 2.10. Jednostopniowy przekładnik ciśnienia do napełniania cylindrów hamulcowych lub przewodu

głównego zespołów trakcyjnych [5]

Rys. 2.11. Przekładnik ciśnienia do napełniania cylindrów hamulcowych o płynnie regulowanym

przełożeniu w funkcji ładunku [6]

Rys. 2.12. Schemat działania jednostopniowego przekładnika ciśnienia opracowanego przez IPS „TABOR”

Z – Zasilanie, C – cylinder, S – sygnał sterujący, W – sygnał pneumatyczny o masie pojazdu, 1 – korpus przekładnika, 2 – zaworek napełniający, 3 – siedzisko zaworka, 4 – sprężyna, 5 – tłok górny z trzonem odpowietrzającym, 6 – membrana, 7 – tłok dolny, 8 – pierścień uszczelniający, 9 – układ tłoczkowo

suwakowy, 10 – rolka, 11 – wahacz, 12 - dźwignie

30

Główny element przekładnika ciśnienia składa się z trzonu odpowietrzającego połączonego z tłokiem (5) i membraną (6). Porusza się on w korpusie (1) w górę lub w dół zależnie od różnicy ciśnień występującej po dwóch stronach membrany (6). Do każdego przekładnika stale jest dostarczane powietrze zasilające (Z) ze zbiorników pomocniczych.

Gdy zawór rozrządczy wygeneruje sygnał sterujący (S), który dociera do komory pod dolnym tłokiem (7) i membraną (6) dochodzi do przesunięcia tłoka (7) w górę i trzon (5) za sprawą dźwigni (12) otwiera zaworek (2), co pozwala na przedostania się powietrza zasilającego na stronę wyjściową przekładnika (C) do pojemności cylindra hamulcowego.

W sytuacji odwrotnej, gdy maleje sygnał sterujący (S), zaworek zamyka dopływ z zasilania (Z), a powietrze znajdujące się po stronie wyjściowej (C) przekładnika uchodzi z cylindra do atmosfery poprzez trzon drążony. Pneumatyczny sygnał o masie pojazdu (W) zmienia przełożenie dźwigni (12) znajdujących się pomiędzy tłokami (7) i (5) [5, 6].

31

3. DIAGNOSTYKA PNEUMATYCZNYCH UKŁADÓW HAMULCOWYCH POJAZDÓW SZYNOWYCH

3.1. Stan diagnostyki układów hamulcowych

W zakresie diagnostyki kolejowych pneumatycznych układów hamulcowych nie występuje zbyt wiele pozycji literatury w czasopismach naukowych oraz materiałach konferencyjnych. Większość informacji zostaje podanych w normach branżowych, kartach UIC i rozporządzeniach. W przypadku przekładników ciśnienia oceny i analizy parametrów diagnostycznych można dokonać w oparciu o normę [25]. W niniejszej pracy wykorzystano własne doświadczenia i wiedzę zdobytą podczas wieloletnich obserwacji tych urządzeń podczas ich odbiorów jakościowych, zarówno nowych jak i naprawianych po eksploatacji na pojazdach kolejowych.

Jak już wspomniano niezdatności układów hamulcowych są jedną z podstawowych przyczyn wypadków powodowanych przez pojazdy mechaniczne. W związku z tym wykrycie niezdatności tego układu należy do najważniejszych zadań diagnostyki eksploatacyjnej pojazdów. Przydatność hamulców do wypełniania zadań jest determinowana ich skutecznością działania. Miarą skuteczności działania hamulców pojazdu, najlepiej odzwierciedlającą realizację ich zasadniczych zadań, jest droga lub opóźnienie hamowania pojazdu [9].

Na rysunku 3.1 przedstawiono strukturalny schemat diagnostyczny układu hamulcowego pojazdu szynowego, z którego widać, że poza stanem technicznym układu mechanicznego hamulca (układ dźwigniowy, para kinematyczna rozpraszająca energię), który nie jest przedmiotem niniejszej pracy, na skuteczność działania hamulców pojazdów mechanicznych ma wpływ stan techniczny pneumatycznego układu sterowania hamulcem pojazdu.

Kontrola stanu technicznego pneumatycznego układu hamulcowego pojazdu powinna obejmować [9]:

 sprawdzenie wstępne założonych funkcji (poprawności funkcjonowania) i osiąganie wymaganych parametrów,

 ocenę efektywności (skuteczności) działania hamulców,

 określenie stopnia zużycia poszczególnych elementów układu.

32

Rys. 3.1. Strukturalny schemat diagnostyczny układu hamulcowego

33

Celem tych sprawdzeń jest stwierdzenie możliwości prawidłowego funkcjonowania pneumatycznego układu hamulcowego podczas eksploatacji. Negatywny wynik sprawdzeń jest podstawą zakwalifikowania stanu technicznego tego układu do klasy stanu niezdatności i jest informacją o niecelowości dalszego sprawdzania efektywności jego działania oraz konieczności przekazania pojazdu do naprawy.

Diagnostyka pneumatycznych układów hamulcowych w pojazdach produkowanych seryjnie polega na sprawdzaniu realizowanych funkcji poprzez pomiary parametrów tego układu i porównaniu ich z parametrami wymaganymi. Próbom o najszerszym zakresie poddaje się układy hamulcowe pojazdów po ich wyprodukowaniu, modernizacji lub naprawie okresowej. Są to zarówno próby stacjonarne, po których przeprowadza się sprawdzenie działania hamulca w ruchu.

Funkcjonujący w kraju system diagnozowania stanu układów hamulcowych zgodnie z normą [26] określa program prób odbiorczych hamulca pneumatycznego PN dla wagonów towarowych, wagonów pasażerskich i pojazdów trakcyjnych. Program ten, oprócz oględzin sprawdzających poprawność wykonania i montażu układu oraz sprawdzenia szczelności instalacji pneumatycznej wagonu, wymaga stacjonarnych prób funkcjonalnych hamulca PN polegających na sprawdzeniu:

 drożności przewodu głównego,

 czasów napełniania zbiornika pomocniczego i zbiornika sterującego,

 czułości i nieczułości hamulca na odpowiednie spadki ciśnienia w przewodzie głównym,

 największych wartości ciśnień cylindrowych, ciśnienia zaskoku w nastawieniu

"Towarowy" oraz czasów napełniania i opróżniania cylindrów hamulcowych we wszystkich nastawieniach hamulca,

 wartości ciśnienia z zaworu lub zaworów ważących w stanie próżnym wagonu,

 zdolności hamulca do hamowania i odhamowania stopniowego zwłaszcza w stanie próżnym wagonu,

 działania przyspieszacza hamowania nagłego,

 działania hamulca bezpieczeństwa,

 poprawności działania odluźniacza,

 skoku tłoka i działania nastawiacza przekładni hamulcowej.

Próby stacjonarne pneumatycznego układu hamulcowego wagonu przewidziane w normie [26] wykonuje się po podłączeniu wagonu do układu umożliwiającego sterowanie

34

hamulcem PN poprzez zadawanie wartości i gradientu ciśnienia w przewodzie głównym.

Najprostszym rozwiązaniem takiego układu jest główny zawór maszynisty zaopatrzony w manometry przewodów zasilającego i głównego, zasilany ze stacjonarnej sieci sprężonego powietrza i podłączony do przewodu głównego badanego wagonu. Próby stacjonarne wagonów wykonuje się wówczas na specjalnym stanowisku odbiorczym.

Próby o mniejszym zakresie wykonuje się podczas przeglądów okresowych przewidzianych procedurami eksploatacyjnymi użytkowników. Najczęściej natomiast sprawdza się działanie układu hamulcowego pojazdu znajdującego się w składzie pociągu jednak zakres tych prób jest najmniejszy. Próby te wykonuj się np. dla wagonów towarowych w oparciu o minimalną procedurę prób diagnostycznych układu hamulca wagonu przedstawioną w karcie UIC 543-1 [15].

W karcie tej przedstawiono procedury i określono wymagane wartości oraz odchyłki dopuszczalne parametrów, które w zasadzie są zgodne z wymaganiami zawartymi w kartach UIC 540 i 547 [16,17], obowiązującymi dla nowych i modernizowanych pojazdów. Część wymaganych wartości i odchyłek jest poszerzona, gdyż celem minimalnych prób (diagnostyki eksploatacyjne wagonów) jest jedynie kontrola istotnych parametrów hamulca zapewniających bezpieczną eksploatację pojedynczego wagonu w pociągu. Procedury minimalnych prób hamulca wagonu podzielono na kontrolę części mechanicznej i części pneumatycznej.

W pkt. 1.2.2 karty UIC 543-1 są opisane procedury minimalnych prób hamulca dla części pneumatycznej, które obejmują badania:

 szczelności instalacji pneumatycznej hamulca wagonu (szczelność przewodu głównego),

 szczelności obwodu cylindra hamulcowego (szczelność cylindra, max wartość ciśnienia),

 czułości (zadziałania) hamulca na spadek ciśnienia w przewodzie głównym 0,6 bar/6 s,

 nieczułości hamulca (brak zadziałania) na spadek ciśnienia w przewodzie głównym 0,6 bar/120 s,

 zdolności luzowania hamulca (kontrola szczelności zbiornika sterującego – stabilność ciśnienia cylindrowego w czasie oraz zdolność do prawidłowego luzowania ciśnienia w cylindrze),

35

 pomiar czasu napełniani i luzowania cylindra oraz pomiar wartości max ciśnienia w cylindrze (dla symulowanych różnych stanów obciążenia wagonu),

 kontrolę szczelności przyłączy pomiarowych (po zakończonych próbach) We wszystkich wyżej wymienionych próbach istotny wpływ na osiągane parametry mają przede wszystkim dwa podstawowe elementy układu pneumatycznego hamulca pojazdu: zawór rozrządczy i przekładnik ciśnienia. Prawidłowe działanie przekładnika ciśnienia, który bezpośrednio napełnia cylinder hamulcowy jest więc kluczowe dla spełnienia wymagań w w/w normatywach, a co za tym idzie spełnienia warunków bezpiecznej eksploatacji pojazdu.

Próby wymienione w karcie UIC 543-1 powinny być wykonywane za pomocą urządzenia do kontroli hamulca spełniającego następujące wymagania:

 zasilanie urządzenia ze stacjonarnej sieci sprężonego powietrza,

 sterowanie mikroprocesorowe,

 wyposażenie w niezbędne przetworniki do pomiaru ciśnień,

 samoczynna kalibracja do wybranego typu wagonu,

 samoczynne realizowanie prób zgodnie z programem określonym w karcie,

 wizualizacja i zapamiętywanie wyników prób,

 samoczynna ocena wyników bez możliwości ingerencji personelu

Przykładem urządzenia spełniającego wymagania karty UIC 543-1 jest system do badania układów hamulcowych wagonów towarowych HADIAG [8]. W systemie tym program prób wymagany w karcie UIC 543-1 jest programem minimalnym. System ten może realizować w sposób automatyczny próby wymagane w normie [26] oraz sprawdzanie odporności układu hamulcowego na przeładowanie. Możliwości te oraz wyposażenie systemu w czujnik przemieszczenia do pomiaru skoku tłoka sprawiają, że może być on wykorzystywany zarówno w zakładach produkcyjnych i naprawczych jak i przez użytkowników wagonów.

Najczęściej wykonywanym działaniem diagnostycznym dotyczącym układu hamulcowego wagonu jest codzienne stacjonarne i ruchowe sprawdzenie jego funkcjonowania w składzie pociągu. Zakres i sposób wykonania tych prób wynikają z procedur poszczególnych przewoźników kolejowych. Na przykład zgodnie z instrukcją [11] PKP Cargo podczas szczegółowej próby hamulca przed „wyprawieniem” pociągu w drogę: