Nieiskrzące wstawki hamulcowe z żeliwa fosforowego do pojazdów szynowych

XIII KONFERENCJA N A U K O W A

„POJAZDY SZY N O W E ‘98”

ZN POLITECH NIK I ŚLĄ SKIEJ 1998 Seria: TRA N SPO RT z.33, nr kol. 1394

Manfred CH M URA W A Sylwester M ARKU SIK Czeslaw PYPNO

NIEISKRZĄCE WSTAWKI HAMULCOWE Z ŻELIWA FOSFOROWEGO DO POJAZDÓW SZYNOWYCH

Streszczenie. Stosowane w pojazdach szynowych wstawki do klocków ham ulco­

wych, w ykonane z żeliw a fosforow ego PIO i P14 z gładką pow ierzchnią cierną cechuje duża intensyw ność iskrzenia podczas ham owania. W artykule przedstaw iono nowe wstawki ham ulcow e z odpow iednio ukształtow aną nieciągłą pow ierzchnią cierną, która w yraźnie zm niejsza intensyw ność procesu iskrzenia, a pow stające nieliczne iskry w yga­

sza praw ie całkow icie.

NON - S P A R K IN G B R A K E SH O ES M A D E OF H O S F O R O ID A L C A ST IRON F O R R A IL W A Y V E H IC L E S

Sum m ary In railw ay vehicles there are implemented brake shoes m ade o f phosfo- roidal cast iron P 10, P 14 which have a feature o f sparking during braking.

In the paper it was presented new constructional solutions o f brake shoes w ith properly- shaped discontinuous frictional surface which significentelly decreased intensity o f sparking and the rest o f appearing sparks are lit off.

1. WSTĘP

C zynnym elem entem ham ulca w pojazdach szynowych, który w yw ołuje efekt hamowania, jest w staw ka cierna. Zgodnie z przepisam i kolejowym i wstawki w ykonuje się z żeliw a szare­

go [4,9,10,13] o zaw artości fosforu 1-H,5 %. Zawartość fosforu w żeliwie szarym podnosi jego w ytrzym ałość, ale jednocześnie przyczynia się do zw iększania intensyw ności iskrzenia.

Proces iskrzenia przy ham ow aniu pojazdów szynowych za pom ocą wstawek z żeliw a fosfo­

rowego w ystępuje zawsze, zatem problem ich stosowania polega na tym , aby proces ten ograniczyć do minim um . N owe rozwiązanie konstrukcyjne wstawek ham ulcow ych, przed­

stawione w niniejszym artykule, ogranicza proces iskrzenia do minimum. Istota ograniczania procesu iskrzenia polega na takim ukształtow aniu powierzchni ciernej w stawki, która przy­

czyni się do w ychw ytyw ania i w ygaszania palących się cząstek startego m etalu w specjalnie

24 M .C hm uraw ai inni

ukształtow anych row kach na powierzchni ciernej wstawki hamulcowej. Wstawka z celowo w yprofilow anym i row kam i może przyczynić się do zmniejszenia niebezpieczeństw a w znie­

cania pożarów w zdłuż szlaków kolejowych, zwłaszcza latem w lasach i na poboczach toro­

wisk, a także zm niejszy zanieczyszczenie otoczenia torów przez ograniczenie niskiej emisji żeliwnego ścieru ze w stawek ham ulcowych.

2. TY POW E W STA W K I HAM ULCOW E

O becnie stosuje się pow szechnie w taborze kolejowym PKP w stawki z żeliw a szarego PIO o zawartości fosforu ok. 1 % lub z żeliw a szarego P14 o zawartości fosforu ok. 1,5%.

N ajczęściej w układach ham ulcow ych na PKP używ a się wstawek o wielkości L = 250 mm do układów zdw ojonych lub L = 320 m m jako wstawek pojedynczych, w ykonanych z żeliwa PIO.

C harakterystyczną cechą tych wstawek jest jednolita i ciągła pow ierzchnia cierna (rys.l).

Powierzchnia ta posiada kształt pobocznicy w alca o długości L (wyróżnik wielkości) i szero­

kości b = 80 mm. W staw ka o gładkości i ciągłej powierzchni ciernej wykazuje dużą skłon­

ność do iskrzenia w czasie intensywnego ham owania [7,11,14]. Z analizy procesu powstawa­

nia strum ienia iskier w ynika, że powodem iskrzenia takich w stawek jest ciągłość ich po­

wierzchni ciernej, przez co w yrw ane w procesie ham ow ania cząstki metalu, a w szczególno­

ści rozpalone cząstki fosforu w ypadają z dużą energią ze wstawki na zew nątrz [15]. Stąd ob­

serwuje się próby w prow adzenia w ostatnich latach nieciągłości ciernej powierzchni wstawek, które m ogą się przyczynić do zm niejszenia intensywności iskrzenia podczas ham owania [7,8,11],

3. RO ZW IĄ ZA N IA K O N STRUKCY JNE W STAW EK Z ROW KAMI

Jednym z przykładów rozw iązania wstawki z nieciągłą pow ierzchnią cierną je st wstawka segm entow a [7], stosow ana w wagonach kolejow ych N iem ieckich Kolei Związkowych. Po­

siada ona dw a poprzeczne rowki przelotowe, dzielące pow ierzchnię cierną na trzy równe czę­

ści (rys.2). Innym przykładem może być w staw ka z czterem a poprzecznym i rowkami nie­

przelotow ym i [8], które dzielą pow ierzchnię cierną na szereg nierównych części (rys. 3).

W staw ka ta jednak nie spełnia w ym ogów próby kafarowej [10,13] ze względu na obniżenie wskaźnika w ytrzym ałości na zginanie o 47% w przekrojach poprzecznych w miejscu przebie­

gania rowków w stosunku do wstawki typowej.

W ym ienione w yżej wstawki z rowkami poddane badaniom laboratoryjnym w ykazują m niejsze iskrzenie w w yniku w prowadzenia poprzecznych row ków gaszących iskry. Jednak w dalszym ciągu po długotrw ałym ham owaniu lub przy dużej sile nacisku na klocek w ydo­

byw ają się na zew nątrz spod powierzchni ciernej wstawki znaczne snopy iskier. Poszukiwa­

nia innego, w ychw ytującego iskry kształtu rowka przyczyniły się do opracowania wstawki z rowkam i w kształcie litery V, które w porównaniu z prostym i rowkami poprzecznym i bar­

dziej skutecznie w ychw ytują i w ygaszają pow stające iskry (rys. 4).

Nieiskrzące w sta w k i h a m u lc o w e z żeliw a 25

Rys. 1. W staw ka do kolejow ych klocków ham ulcow ych o gładkiej i ciągłej pow ierzchni ciernej Fig. I . Brake shoe with even and continuous frictional surface

A - A

b<=-ffO

Rys. 2. W staw ka ham ulcow a segm entow a [7]

Fig. 2. Segm ented brake shoe [7]

ose

26 M .Chm uraw a i inni

A \

A l

1 1

1

-.I

1---Tl

T!

1 1

¡i 1 1 1 1

1

— h

1 1 1

i

Tl

L 1 -1 b=\

90

Rys. 3. W staw ka ham ulcow a segm entow a produkcji polskiej [8]

Fig. 3. Segm ented brake shoe made in Poland [8]

4. FIZY CZN E PRZESŁA N KI GA SZENIA ISKIER W ROW KACH N O W Y CH WSTAWEK HA M ULCOW YCH

N ow a oryginalna konstrukcja wstawek posiada przelotowe rowki w kształcie litery V.

Rowki o tym kształcie są relatyw nie dłuższe od poprzecznych, przez co skuteczniej zatrzy­

m ują tworzące się w trakcie ham owania iskry, szczególnie zbieżne rowki typu V (rys. 4).

Rowki tego typu dodatkowo ukierunkow ują strumień iskier, do środka w stawki w stronę na­

roża rowka, gdzie u legają zatrzym aniu i wygaszeniu. Przelotowe rowki w kształcie litery V usytuow ane są tak, że zw rot ostrza tych rowków je st w stosunku do siebie przeciwny i skierowany na zew nątrz krótszych boków wstawki. W ten sposób, niezależnie od kierunku obrotów koła wagonu, w yrw ane w trakcie procesu ham owania cząstki materiału ciernego są wyrzucane na zew nątrz wstawki i trafiają na swej drodze na szczelinę w postaci skośnego rowka, do której w padają pod wpływem sił grawitacji. Rozgrzane cząstki materiału ciernego trafiając na szczelinę posiadają jeszcze dużą energię kinetyczną, którą w ytracają na po­

w ierzchniach nachylonego w stosunku do kierunku ich prędkości rowka. Cząstki te w row ­ kach m uszą gw ałtow nie zm ienić kierunek swej prędkości, wskutek tego ich prędkość na dro­

dze o długości, odpow iadającej połowie długości rowka, spada praktycznie do zera.

Stosow anie w staw ek z poprzecznym i rowkami przelotowymi (rys. 2) lub rowkami nie­

przelotow ym i (rys. 3) zm niejsza iskrzenie, jednak nie na tyle, aby wyelim inow ać całkowicie proces w ydobyw ania się iskier z klocków ham ulcow ych podczas ham owania pociągów.

Nieiskrzące w sta w k i h a m u lc o w e z żeliw a 27

Rys. 4. W staw ka h am u lco w a z dw om a przelotow ym i row kam i w kształcie litery V [15]

Fig. 4. Brake shoe w ith tw o V shaped cavities [15]

Nowe rozw iązanie wstawki z przelotow ym i rowkami w kształcie litery V, według rysun­

ku 4, w porów naniu ze w staw kam i z rowkami prostym i charakteryzuje się następującym i ko­

rzystniejszymi cecham i:

- wyrwane podczas ham ow ania i w yrzucane na zewnątrz rozgrzane lub iskrzące cząstki mate­

riału wstawki - trafiają do skośnych rowków, które przeryw ają proces rozgrzew ania cząstek, rozpraszają ich energię kinetyczną oraz ukierunkow ują cząstki do naroża rowka, gdzie są w ychw ytywane i wygaszane;

- strumień startych i rozgrzanych cząstek, trafiając na skośne rowki, gw ałtow nie zm ienia kie­

runek ruchu, co dodatkow o zm niejsza jego energię kinetyczną i cieplną;

- efekt w ychw ytyw ania strum ienia rozgrzanych, startych cząstek w rowkach w kształcie litery V jest niezależny od kierunku obrotów ham owanego koła wagonu.

5. BADANIA PRO CESU ISK RZEN IA W STAW EK HAM ULCOW Y CH Z ŻELIW A FOSFO R OW EGO

Badania iskrzenia w stawek ham ulcow ych przeprow adzono przy zachow aniu właściwej dla taboru kolejow ego jednostkow ej mocy ham owania N, typow ych wartości jednostkow ego na­

cisku na koło p oraz najczęściej w ystępujących w ruchu kolejow ym czasów ham owania th [2,3,5,15].

Procesy iskrzenia w yw oływ ano i obserwowano na specjalnym stanow isku badawczym (rys. 5), które um ożliw iło sym ulację przebiegu ham owania na rzeczywistej wielkości koła jezdnego za po m o cą typow ej wstawki klocka ham ulcowego.

28 M .C h m u raw a i inni

Do badań iskrzenia w ybrano trzy rodzaje typow ych wstawek ham ulcow ych o w ielkości L = 320 mm (rys. 7):

- w staw kę gładką 1, bez row ków dylatacyjnych (por. rys. 1), - w stawkę z rozbieżnym i rowkam i dylatacyjnym i 2 typu V,

- w stawkę ze zbieżnym i rowkam i dylatacyjnym i 3 typu V (por. rys. 4).

Podczas badań pow tarzano wielokrotnie trwający około 20 s cykl ham owania, co odpow ia­

dało spotykanem u w eksploatacji intensyw nem u ham owaniu pociągów. W następstwie po­

w tarzanych ham ow ań i każdorazow ym rozwijaniu stosunkowo dużych mocy ham owania w staw ka i obręcz nagrzew ały się do tem peratur zbliżonych do w ystępujących w warunkach eksploatacji taboru kolejow ego (rys. 6).

S zczegółow ą analizę badanych procesów iskrzenia wstawek wykonanych z żeliwa fosfo­

rowego przedstaw iono w pracy [15]. W niniejszym artykule zaprezentowano kilka charakte­

rystycznych zaobserw ow anych procesów iskrzenia przy różnych rodzajach wstawek.

N a rysunku 8 przedstaw iono proces iskrzenia wstawki gładkiej 1 bez rowków przy dużej prędkości i dużych naciskach. W idoczny je st silny strumień iskier, swobodnie opuszczający pow ierzchnię cierną wstawki. Rysunek 9 przedstawia próbę iskrzenia wstawki 2 z rozbież­

nymi rowkam i typu V przy bardzo dużych naciskach. M ożna zauważyć charakterystyczny

Rys. 5. Schem at stanow iska w Instytucie Transportu Pol.Śl. do badań procesu iskrzenia w staw ek podczas ha­

m ow ania kola

Fig. 5. Schem e o f stand in Institute o f T ransport Silesian Techn.U niv. for testing sparking process o f brake shoes in braking o f wheel

Nieiskrzące w staw k i h a m u lc o w e z żeliw a 29

* j c l

'k

£

35

r

- 93p£t*

1 2 3 4 5 - 6 7 6

p r q d k o ś ć " o b u / o c t o w a k o t a f p j

Rys. 6. Przebieg nagrzew ania w staw ek przy trzech próbach ham ow ania koła dla różnych nacisków p i różnej prędkości obw odow ej V

Fig. 6. Course o f heating o f brake shoes at three tests o f braking the wheel for different pressures p and different circum ferential speed V

w s ta u / k a /. b e z rc ik v k o 'w

H / s ł a u / k a 3 , z r o u s k a m i t y p u V

126,3

Ci77*

Rys. 7. Zestaw trzech rodzajów badanych w staw ek po przeprow adzeniu prób iskrzenia Fig. 7. C om plet o f 3 types o f tested shoes after m aking sparking tests

30 M .C h m u raw a i inni

Rys. 8. Próba iskrzenia w staw ki 1 (gładkiej bez row ków ) przy dużej prędkości V3 = 6,89 m /s i dużych naciskach P u = 219,1 N /cm 2. W idoczny intensyw ny snop iskier, opuszczający sw obodnie w staw kę

Fig. 8. Test o f sparking brake shoe 1 (even without cavities) at high speed V3 =6,89 m /s and high pressures p,- =>

216 N /cm 2. N oticeable intensive tail o f sparks getting out the shoe

Rys. 9. Próba iskrzenia w staw ki 2 (z row kam i rozbieżnym i V) przy dużej prędkości V3 = 6,89 m/s i bardzo du­

żych naciskach p23 = 216,5 N /cm 2. C harakterystyczny wyrzut iskier na boki przez rozchylone na ze­

w nątrz rozbieżne row ki V

Fig. 9 T est o f sparking shoe 2 (divergent cavities V) at high speed V3 = 6,89 m /s and very big pressures p2j = 216,5 N /cm 2. It is characteristic run out o f sparks on sides through shaped outside cavities

Nieiskrzące w staw k i h am u lco w e z żeliw a

Rys. 10. Próba iskrzenia w staw ki 3 (z row kam i zbieżnym i V). C harakterystyczny w yraźny efekt w y ch w y ty w a­

nia i następnie g aszenia tw orzących się iskier we w nętrzu row ka typu V przy w zględnie dużej mocy ha­

m ow ania N 3 = 870 W /cm '

Fig. 10. Test o f sparking shoe 3 (convergent cavities). It is characteristic significant effect o f intersecting and extinguishing o f sparks inside V type cavity at relatively high pow er o f braking N j = 870 W /cm '

wyrzut relatyw nie mniejszej ilości iskier na boki przez rozchylone na zew nątrz rozbieżne rowki typu V. R ysunek 10 przedstaw ia iskrzenie wstawki 3 z rowkami zbieżnym i typu V przy dużej mocy ham owania, podczas której zaobserwowano charakterystyczny efekt w ychw yty­

wania i gaszenia tw orzących się iskier we wnętrzu rowka. Praktycznie poza obszarem w staw­

ki nie obserw uje się ju ż iskier.

Podczas pom iarów tem peratur w czasie sym ulacji iskrzenia stw ierdzono także, że wstawki z rowkami w kształcie litery V nagrzew ają się nieco wolniej od w stawek gładkich przy tych samych m ocach ham ow ania (por. rys. 6).

6. WNIOSKI

1. Wstawki do klocków ham ulcow ych, wykonane z żeliwa szarego o zawartości fosforu 1^1,5 %, m ają w yraźną tendencję do iskrzenia w procesie ham owania, przy czym proces tworzenia się iskier je st tym intensyw niejszy, im większa je st jednostkow a moc podczas ham ow ania oraz im w yższe są tem peratury w stawki i koła.

2. G łów ną przyczyną iskrzenia w czasie ham owania wstawek z żeliwa o zawartości fosforu 1-5-1,5% je st ciągła, nieprzerw ana powierzchnia cierna wstawki, która praktycznie unie­

m ożliwia w ychw ytyw anie i gaszenie palących się cząstek startego metalu.

32 M .Chm uraw a i inni

3. Istotnym czynnikiem , przyczyniającym się do znacznego zm niejszenia lub nawet całkow i­

tego w ygaszania pow stającego strum ienia iskier, są rowki wykonyw ane na powierzchni ciernej. Rowki dzielą tę powierzchnię na kilka części, przez co praktycznie przeryw ają proces tw orzenia się iskier, a zaistniałe w ychw ytują i gaszą w sobie.

4. Kształt i usytuow anie rowków na powierzchni ciernej ma decydujące znaczenie w procesie wychw ytyw ania i gaszenia strumieni iskier.

5. Do nieiskrzenia przyczyniają się szczególnie przelotowe zbieżne rowki w kształcie litery V, usytuow ane we w stawce tak, aby ich ostrza były skierowane w kierunku najbliższego krótszego boku.

6. W stawki z row kam i zbieżnym i w kształcie litery V relatywnie nagrzewają się w mniejszym stopniu niż wstawki gładkie bez rowków.

LITERATURA

1. M arczewski R., Płończak Z „ Podemski J.: Wagony towarowe. WKŁ, W arszawa 1975.

2. M arkusik S., Sitarz M.: Proekologiczne materiały cierne o wysokiej trwałości i skuteczno­

ści ham ow ania dla pojazdów szynowych. M at.M iędzynarodowej Konferencji Naukowej

„Transport 97”, O straw a-K atowice 1997.

3. N eum ann T.: W agony i ham ulce kolejowe. WKŁ, W arszawa 1976.

4. N orm a branżow a B N -85/3517-34: Wagony. Wstawki klocków ham ulcowych. Wyd. OBR Pojazdów Szynow ych. Poznań 1986.

5. N ow icki J.: W pływ w ybranych param etrów ham ulca i pociągu na skuteczność ham owa­

nia. Mat. XII Konf.Nauk. „Pojazdy szynowe” , Poznań-Rydzyna 1996.

6. Orlik A.: Zużycie i trw ałość ham ulcow ych wstawek ciernych. Trakcja i Wagony Nr 7/90.

7. Osuch K.: Tendencje światowe w rozwoju urządzeń ham ulcowych do w agonów kolejo­

wych. Trakcja i W agony Nr 7/90.

8. Patent RP nr 298032, grupa B61H5/00: Klocek ham ulcow y, zwłaszcza dla taboru kolejo­

wego. Biuletyn U rzędu Patentowego N r 19, W arszawa 19.04.1994.

9. Polek J.: W stawki ham ulcowe z żeliwa o podwyższonej zawartości fosforu. Trakcja i W a­

gony N r 10/78.

10. Polska N orm a P N -92/K -88151: Tabor kolejowy. Obsady, w stawki i kliny klocków ha­

mulcowych. W ym agania ogólne i badania. Wyd. Norm alizacyjne, W arszawa 1992.

11. Prospekt ZN TK Bydgoszcz: Nieiskrzące wstawki klocków hamulcowych. W ydany przez ZN TK w B ydgoszczy. W rzesień 1994.

12. Przepisy UIC 541-1, 541-3, 541-4: Hamulce. Przepisy dotyczące budowy różnych ele­

m entów ham ulców . Wyd. UIC z 1973 r„ zm ienione w 1977 r.

13. Przepisy UIC 832: W arunki techniczne dostawy wstawek do klocków ham ulcowych z żeliw a fosforowego. W ydanie 1, UIC 1962.

14. N ow icki J„ Piechowiak T. i in.: Sym ulacja procesów ham owania pociągów dla opraco­

wania metod i racjonalizacji urządzeń ham ulcowych. Pol.Poznańska. Temat 03.09 w CPRBP 02.19. 5 etapów w latach 1986-1990. Poznań 1990.

Nieiskrzące w staw k i h a m u lc o w e z żeliw a . 33

15. Markusik S., C hm uraw a M., Pypno Cz.: Badania skuteczności nieiskrzenia nowej kon­

strukcji wstawek, stosow anych w kolejow ych ham ulcach klockowych. Praca nauk.-bad. o symbolu N B -159/R M 10/97 Instytut Transportu Pol.Śl. Katowice 1997 (niepublikowana).

Recenzent: Prof.dr hab.inż. Jan Gronowicz

Abstract

In railway vehicles there are im plem ented brake shoes m ade o f phosforoidal cast iron P 10, P 14 w hich have a feature o f sparking during braking. The reason o f sparking is continu­

ous and even surface od these shoes. That is why there were trials to introduce non- continuous o f frictional surface o f shoes. In the paper it was presented new constructional solutions o f brake shoes w ith properly shaped discontinuous frictional surface. Discontinuity of that surfaces is m ade by introducing perpendicular straight or angular cavities. These lon­

gitudinal cavities significentally decrease intensity o f sparking o f shoes especially V shaped cavities w hich additionally intercept sparks and lights them o ff in corners.