ZESZYTY N A U K O W E POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: TRA N SPO RT z. 39
1999 N r kol 1438
Sylw ester M ARKUSIK, Czesław PYPNO, Maciej LISOW SKI
KLOCKI HAMULCOWE Z TWORZYW SZTUCZNYCH DO POJAZDÓW SZYNOWYCH
Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych i stanow iskow ych bitum icznych m ateriałów ciernych na okładziny ham ulcowe pojazdów szynowych. N owa para cierna: bitum iczny klocek ham ulcow y-stalow e koło wagonu, aby zapewnić jednakow e, ja k w przypadku klocków żeliwnych, warunki ham owania pojazdów szynowych, m usi w yka
zać się:
- stałym współczynnikiem tarcia w temperaturach pracy do T=400°C, - n iską ścieralnością w różnych warunkach klim atycznych,
- niską ceną zbytu.
PLASTIC BRAKE BLOCKS FOR RAILW AY VEHICLES
S u m m ary . In this article results o f laboratory and operating studies w ith new bitum inous frictional materials o f brake blocks have been presented. New frictional pair: bitum inous brake block - steel wagon wheel, in order to ensure equal braking conditions o f rail vehicles such as in case cast iron blocks, m ust prove:
- constant coefficient o f friction in temperatures o f working up to T=400 C,
- low attrition in various climatic conditions, speeds o f m oving o f w agon and im m ense pressure o f frictional pair on surface,
- low selling price.
1. W STĘP
Do najważniejszych param etrów urządzeń ham ulcowych w pojazdach szynowych należą:
- stałość w spółczynnika tarcia pom iędzy klockiem ham ulcow ym a kołem jezdnym ,
- trw ałość klocków i niezawodność ham owania w różnych, zwłaszcza ekstrem alnych w a
runkach pracy ham ulców,
- brak szkodliwego oddziaływ ania na środowisko.
182 S. Markusik, Cz. Pypno, M. Lisowski
Czynnym elem entem ham ulca w pojazdach szynowych, który wywołuje efekt hamowania, jest klocek, który współpracuje z pow ierzchnią toczną koła. W obecnie eksploatowanym tabo
rze kolejowym jako m ateriał na klocki ham ulcowe stosuje się żeliwo szare o podwyższonej zawartości fosforu:
- żeliwo PIO z 1% fosforu, - żeliwo P14 z 1,4% fosforu.
Stosowane je st również, zw łaszcza w wielu krajach Europy Zachodniej, żeliwo P30 (3%
fosforu), tzw. Samson. Zw iększona zawartość fosforu je st korzystna przy m niejszych obcią
żeniach cieplnych ham ulców , popraw ia bowiem znacznie ich trwałość eksploatacyjną. N ato
m iast w iększa praca ham ow ania (duże prędkości, duże naciski kół jezdnych na szyny, znaczna częstotliwość ham owania), w ym agają stosowania klocków ham ulcowych z m ałą zaw artością fosforu [3], Z drugiej strony wszystkie wstawki klocków ham ulcowych w ykonane z żeliwa szarego ze zw iększoną zaw artością fosforu cechują się pow ażną wadą, m ianow icie iskrzą przy dużej intensywności ham owania, będąc przypuszczalną przyczyną pożarów obszarów le
śnych. Także pow stający w czasie ich ścierania pył fosforowy je st posądzany o szkodliwy wpływ na środow isko (brązowy kolor otoczenia torów kolejowych). Natom iast klocki ham ul
cowe z m ałą ilością fosforu w ykazują się bardzo niską trwałością, którą najczęściej wyrażamy liczbą zaham owań układu ham ulcowego (od 2000 do 7500 zaham owań do czasu ich w ym ia
ny).
M ając na uw adze w ady obecnie stosowanych klocków żeliwnych, duże nadzieje należy pokładać w now ych m ateriałach ciernych. Próby zastosow ania żywicowych m ateriałów cier
nych na wykładziny ham ulcow e spełzły jednak na niczym, nie tylko ze względu na niską trwałość i w ytrzym ałość cieplną tych wykładzin, ale przede w szystkim na zawartość w nich azbestu. A bsolutny zakaz stosowania m ateriałów na bazie azbestu w Polsce (Dz.U. nr 113 z dnia 21.12.1994 r.), ale praktycznie również we wszystkich krajach europejskich nakazuje zwracanie uwagi na now e materiały na w ykładziny cierne. S ą to m ateriały bezazbestowe, ce
chujące się niskim zużyciem oraz dużą odpornością na działanie wysokich temperatur.
Ogólnie można stwierdzić, że:
- w iększość m ateriałów ciernych produkowanych przez firm y europejskie i hom ologowa
nych przez UIC nie zaw iera azbestu,
- okładziny z proszków spiekanych oraz bitum iczne rozpowszechniane są aktualnie na ko
lejach SNCF, DB i FS (wyprzedzając aktualne przepisy międzynarodowe),
- ham ulec klockow y z żeliw a szarego osiąga granice stosowania przy prędkościach 160 km/h w ruchu pasażerskim i prędkościach 100 km/h w ruchu towarowym, co zmusza do poszukiw ań innych materiałów ciernych.
2. BITU M ICZNE M ATERIAŁY CIERNE NA KLOCKI HAM ULCOW E
W spółczesne kom pozyty z przeznaczeniem na okładziny cierne, z których m ożna wykonać w stawkę ham ulcową, zasadniczo zaw ierają trzy grupy materiałów:
- składniki włókniste, - wypełniacze i modyfikatory, - środki wiążące.
K locki ham ulcow e z tw orzyw sztucznych 183
2.1. M ateriały cierne firm y G A M BIT w Lubawce
Do szczegółow ych badań w ytypow ano m ateriały cierne wyprodukow ane w Przedsiębior
stw ie G A M BIT w Lubawce k/ Kamiennej Góry. S ą to m ateriały cierne na bazie w łókien ara- m idow ych (KEV LA R) o nazw ie G am bit GC. W stawki ham ulcow e z tego m ateriału m ogą być prasow ane w dow olne kształty, a następnie łączone z bazą m etalow ą w kładki m etodą nitow a
nia bądź klejenia. Podstaw ow e param etry techniczne m ateriału G am bit GC uzyskane z badań laboratoryjnych prow adzonych przy prędkości v = 7 m/s sąn atępujące [1]:
- średni w spółczynnik tarcia (na sucho) p = 0,40,
- zużycie po 90 m in pracy 0,40 mm,
- tem peratura stosow ania [ C]:
a) ciągła praca 250 C,
b) praca chw ilowa 350 C.
- nacisk m aksym alny p ^ = 30 daN /cm 2 (3 Mpa)
K onstrukcję kom pletnego klocka z m ateriałem ciernym G am bit GC przedstaw iono na ry
sunku 1.
W skład m ateriału ciernego Gam bit składniki:
a) w łókna m ineralne (aramidowe) b) w ypełniacze sypkie
c) lepiszcze d) środki sieciujące e) inne w ypełniacze
2.2. W yniki badań laboratoryjnych
Badania laboratoryjne przeprow adzono na m ałych próbkach wyciętych z m ateriału cierne
go firm y G A M BIT GC. Badania wykonano w Instytucie Transportu Politechniki Śląskiej oraz u producenta m ateriału - w Przedsiębiorstwie GAMBIT.
W ykonano następujące badania:
1) badania w spółczynnika tarcia i ścieralności m etodą Schoppera, 2) badania zużycia na m aszynie trybologicznej - tester T-05,
3) badania w spółczynnika tarcia oraz zużycia m ikropróbek na m aszynie - tester T -0 1M, 4) w yznaczenie w spółczynnika tarcia i zużycia liniowego u producenta wykładzin na apara
cie C. Ranzi-CUN A .
ad 1) W spółczynnik tarcia badano w tem peraturze otoczenia oraz w tem peraturach podw yż
szonych na próbkach m ateriału ciernego o średnicy 16 m m i grubości 6 mm. Przeciwprób- k ą b y ł pierścień stalowy o średnicy 50 m m i grubości 15 m m , obracający się z prędkością 350 obr/m in. Pom iar odporności na ścieranie przeprowadzono za pom ocą aparatu Schoppe- ra-Schlobacha typu APGi.
ad 2) N a testerze T-05 badano skojarzenie m ateriałów typu rolka-klocek. Badania prowadzo
no przy prędkości obrotowej w rzeciona 20 obr/s, co daje średnią prędkość linow ą 2,2 m/s.
D roga tarcia w ynosiła 100 m, zaś nacisk 1 MPa. M ierzono siłę tarcia i tem peraturę próbki.
GC, który poddano badaniom , w chodzą następujące
~ 40%, - 30%,
~
15
%,~ 5%,
~ 10%.
5S
184 S. M arkusik, Cz. Pypno, M. Lisowski
Rys. 1. Konstrukcja klocka z materiałem ciernym Gambit GC Fig. 1. Construction o f brake block with frictional material Gambit GC
Klocki ham ulcow e z tw orzyw sztucznych . 185
280 285 295
temperatura [°C]
0,8 1,0
obciążenie |MPa)
i 0.5
C3 p rs
c 0 4
>■.
o
'8t/i
0 3
Rys. 3. Zależność współczynnika tarcia od obciążenia Fig 3. Frictional coefficient vs. load
.2 °'6
5 I °'S I
8. 0.4 to*
Rys. 2. Zależność współczynnika tarcia od temperatury Fig 2. Frictional coefficient vs. temperature
186 S. M arkusik, Cz. Pypno, M. Lisowski
Rys. 4. Zależność zużycia klocka od drogi hamowania Fig 4. Wear o f brake błock vs. braking distance
ad 3) N a testerze T-01M badano skojarzenie materiałów typu trzpień - tarcza. Trzpień z m ate
riału ciernego współpracował z obracającą się tarczą stalową. W ielkościam i zadawanym i w badaniach były: prędkość obrotowa przeciwpróbki, liczba obrotów (droga tarcia), nacisk na próbkę. Mierzono: siłę tarcia (znając nacisk określamy współczynnik tarcia), zm ianę dłu
gości próbki, tem peraturę okolic węzła tarcia i zużycie m asowe próbki,
ad 4) Do badań zastosow ano aparat C.Ranzi-CUNA, pracujący na zasadzie stałego momentu tarcia i przystosow any do odtwarzania ham owania ciągłego. Badania przeprowadzono przy trzech różnych prędkościach poślizgu próbki po bębnie. Tarcie próbki odbyw a się po bęb
nie żeliwnym.
Charakterystyki m ateriałów ciernych uzyskane w badaniach stanow iskowych przedsta
w iają rysunki 2, 3 ,4 .
2.3. W yniki b a d a ń stanow iskow ych
Badania przeprow adzone na naturalnej wielkości klockach i obręczy koła kolejowego m iały potw ierdzić popraw ność wstępnie wytypowanego i przyjętego po badaniach laborato
ryjnych gatunku materiału ciernego z Przedsiębiorstwa GAMBIT. M iały one w szczególności za zadanie:
a) sprawdzenie jakości połączenia klejonego pomiędzy żeliw ną w staw ką a w ykładziną cierną w warunkach rzeczywistych obciążeń wstawki oraz temperatury na powierzchni ciernej, b) określenie tem peratury powierzchni ciernych w rzeczywistych warunkach hamowania, c) oszacowanie zużycia liniowego wykładzin w trakcie hamowania,
d) ostateczny w ybór wykładziny ciernej do dalszych badań wstawek ham ulcowych w w a
runkach eksploatacyjnych.
Klocki ham ulcow e z tw orzyw sztucznych . 187
Badania procesu ham ow ania należało prowadzić z zachow aniem warunków odpow iadają
cych naturalnem u przebiegowi ham owań, jaki występuje w pociągach np. towarowych. W y
konyw ano je na specjalnym stanow isku badawczym, które um ożliw ia sym ulację rzeczyw i
stych warunków ham owania. Rysunek 5 przedstaw ia ogólny schem at tego stanowiska.
Badania m iały charakter porównaw czy, to znaczy poszczególne obserw ow ane procesy ha
m owania na różnych typach wstawek były przeprow adzane przy tych samych lub zbliżonych w artościach prędkości i naciskach jednostkow ych.
Rys. 5. Schemat stanowiska pomiarowego Fig. 5. Scheme o f research machine
3. W N IOSKI
N a podstaw ie dotychczasow ych badań wstawek ham ulcowych dla pojazdów szynowych z w ykładzinam i ciernym i z tworzywa sztucznego można przyjąć następujące wnioski:
• bazow a w staw ka ham ulcow a pow inna być w ykonana z żeliw a sferoidalnego Zs50007, natom iast m ateriał cierny z tw orzyw a „G am bit” GC-E,
• połączenie w ykładziny ciernej z bazow ą w staw ką żeliw ną należy wykonać klejem Chester M etal Super SHT lub klejem przenoszącym obciążenia w tem peraturach pow y
żej 300°C.
188 S. Markusik, Cz. Pypno, M. Lisowski
Literatura
1. Sprawozdanie z pracy naukowo-badawczej wykonanej w ramach projektu celowego
„W drożenie proekologicznych m ateriałów ciernych o wysokiej skuteczności ham owania i trwałości do pojazdów szynowych” . Zadanie nr 1 i 5. M aterial niepublikowany.
2. M arkusik S., Sitarz M.: Proekologiczne materiały cierne o wysokiej trwałości i skuteczno
ści ham owania dla pojazdów szynowych. Mat. Międz. K o n i Naukowej „T ransport'97”
O strawa - Katowice 1997.
3. Orlik A.: Zużycie i trwałość ham ulcowych wstawek ciernych. Trakcja i W agony 1990, nr 7.
Recenzent: D r hab. inż. M arek Sitarz Profesor Politechniki Śląskiej
Abstract
Brake blocks, w hich are currently used in braking systems, are m ade o f phosphoric cast iron. Their characteristic features are: low durability, noisiness during braking, contamination o f environm ent with cast iron wastes, moreover, they may result in fire caused by sparking (phosphorus). A new construction o f brake insert for rail vehicles has been created in Poland.
It can considerably lim it the above-mentioned disadvantages because; bitum inous material based on aramid is frictional stuff in it. New frictional pair: bitum inous brake block - steel wagon wheel, in order to ensure equal braking conditions o f rail vehicles such as in case cast iron blocks, m ust prove:
- constant coefficient o f friction in tem peratures o f working up to T=400 C;
- low attrition in various climatic conditions, speeds o f m oving o f wagon and im m ense pres
sure o f frictional pair on surface;
- low selling price.
In the suggested article, there will be results o f laboratory and operating studies with new bitum inous frictional materials o f brake blocks in rail vehicles.
Uwaga: Artykuł je st sponsorow any przez Kom itet Badań Naukowych, nr projektu 2146/C.T08-7/98.
