Zgryźliwość kojarzy mi się z radością, która źle skończyła.
Grzegorz M. Szymański
Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu
Wojciech Sawczuk
Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu
OCENA GRUBOŚCI OKŁADZINY CIERNEJ
TARCZOWEGO HAMULCA KOLEJOWEGO NA
PODSTAWIE ANALIZY CZASOWO-WIDMOWEJ
SYGNAŁÓW DRGANIOWYCH
Streszczenie
: W artykule przedstawiono nową metodę oceny grubości okładzin ciernych
tarczowego hamulca kolejowego bazującą na wynikach parametryzacji mapy czasowo-
widmowej a(t,f) drgań generowanych przez elementy składowe hamulca. Jako narzędzie
selekcji czasowo-widmowej sygnału drganiowego zaproponowano zastosowanie metod analizy
czasowo-częstotliwościowej (JTFA). Zarysowano algorytm metody i zamieszczono przykład
ilustrujący zastosowanie uśrednianej synchronicznie krótkoczasowej transformacji Fouriera
(STFT) do ekstrakcji składowych sygnału związanych z procesem hamowania. W wyniku
parametryzacji mapy a(t,f), uzyskano miary sygnału współzmiennicze z grubością okładziny
hamulcowej.
Słowa kluczowe
: wagon kolejowy, hamulec tarczowy, diagnostyka wibroakustyczna
1.
WPROWADZENIE
W większości produkowanych pojazdów szynowych podstawowym hamulcem
roboczym jest hamulec tarczowy, który ze względu na szereg zalet zastępuje klasyczny
hamulec klocowy. Do podstawowych zalet hamulca tarczowego należy zaliczyć stały
przebieg średniego współczynnika tarcia „µ”, wynoszący 0,35, w całym zakresie prędkości
oraz lepsze warunki odprowadzenia ciepła, powstałego podczas hamowania do atmosfery
[2]. Do niewielu wad hamulca tarczowego zalicza się brak możliwości kontroli stanu pary
ciernej w całym procesie eksploatacji. Jest to szczególnie zauważalne w wagonach
kolejowych, w których tarcze hamulcowe zamocowane są na osi zestawu kołowego.
W celu sprawdzenia zużycia okładzin ciernych i tarcz hamulcowych, konieczne jest
wykorzystanie kanału rewizyjnego dla przeprowadzenia kontroli.
1
Ze względu na rozbudowany układ hamulcowy wagonu oraz lokomotywy, składający
się najczęściej z 8 indywidualnych cylindrów hamulcowych, utrudnione jest zastosowanie
jednego systemu diagnostycznego do oceny zużycia wszystkich par ciernych. Najbardziej
zaawansowanym układem do diagnostyki hamulca tarczowego jest system do wizyjnej
kontroli i diagnostyki opracowany w Instytucie Pojazdów Szynowych TABOR w Poznaniu
[2]. Układ diagnozujący pokazany na rysunku 1 dostarcza pełnych informacji na temat
zużycia okładzin ciernych oraz tarcz hamulcowych w każdym momencie eksploatacji.
Opracowane rozwiązania ze względu na skomplikowany i kosztowny układ pomiarowy
składający się z kamery cyfrowej i oprogramowania do przetwarzania obrazu, po udanych
próbach na stanowisku badawczym, jak na razie nie znalazł zastosowania w przemyśle
kolejowym.
Oświetlenie
Video
Potwierdzenie
Obiekt
Przesłona
kamery
Frame Grabber
Pamięć Flash
Wyzwalanie
Ogranicznik
prędkości
próbkowania
Przesuwnik
fazowy
Monitor
Rys. 1. Zasada dziania systemu wizyjnego HARD soft [1]
W wagonach kolejowych, rozpowszechnione są układy sygnalizujące proces hamowania
oraz luzowania, widoczne dla obsługi wagonu ze środka jak i z zewnątrz pojazdu.
Wspomniane układy umożliwiają podczas przejazdu pociągu sprawdzenie, w którym z
wagonów jest uszkodzony układ hamulcowy.
Celem badań jest wykorzystanie sygnału drganiowego obsad okładzin do oceny zużycia
okładzin ciernych hamulca tarczowego podczas badań poligonowych na wagonie
136AMg.
2. WIBROAKUSTYCZNA DIAGNOSTYKA TARCZOWEGO
HAMULCA KOLEJOWEGO
Jako wektor sygnału do oceny stanu technicznego urządzeń wykorzystywane są
parametry procesów towarzyszących, roboczych oraz parametry procesów
wykorzystywanych w badaniach nieniszczących (np. ultradźwięki). Wielkościami
opisującymi procesy robocze stosowanymi w diagnostyce są: moc, moment obrotowy i
2
reakcyjny, chwilowa prędkość kątowa itp.; są one stosowane jako uogólnione parametry
stanu technicznego.
Parametry procesów towarzyszących (drgania, hałas, procesy termiczne, zużycia itp.) są
stosowane do diagnozowania szczegółowego stanu technicznego obiektu oraz lokalizacji
niezdatności. Do najczęściej wykorzystywanych procesów towarzyszących w diagnostyce
należą procesy wibroakustyczne (drgania i hałas).
W pracy [3] Sawczuk i Szymański opisali możliwości zastosowania wybranych miar
punktowych charakteryzujących sygnały drganiowe do oceny stanu technicznego pary
ciernej hamulca tarczowego. Badania autorzy przeprowadzili na stanowisku
bezwładnościowym umożliwiającym symulację rzeczywistych warunków hamowania
zgodnie z zadanym programem.
Autorzy pracy [4] zastosowali analizę szeregów czasowych sygnałów drgań do
wyznaczenia czasu hamowania, który porównali z czasem zmierzonym przez
oprzyrządowanie stanowiska bezwładnościowego.
Dokonując analizy przebiegów czasowych dla zadanych grubości okładzin,
zaobserwowali występowanie drgań samowzbudnych dla okładzin zużytych do grubości
15mm. Zjawisko drgań samowzbudnych może mieć związek ze zmianą własności
dynamicznych układu spowodowanej zmianą masy obsady z okładziną, co jest szczególnie
widoczne pod koniec procesu hamowania.
W pracy [5] autor zweryfikował regresyjne modele diagnostyczne, wyznaczone na
podstawie badań stanowiskowych i poligonowych. Na podstawie analizy
przeprowadzonych badań stwierdził, że istnieje możliwość diagnozowania zużycia
okładzin ciernych hamulca tarczowego wykorzystując wybrane parametry opisujące proces
tarcia oraz sygnał drganiowy generowany przez obsadę z okładziną cierną. Opracował
algorytmy diagnozowania pary ciernej hamulca tarczowego.
Na podstawie analizy bibliograficznej stwierdzono, że nie ma obecnie prac dotyczących
oceny grubości okładziny ciernej tarczowego hamulca kolejowego na podstawie analizy
czasowo-widmowej sygnałów drganiowych.
2. METODYKA BADAŃ
Badania poligonowe przeprowadzono podczas jazd próbnych wagonu w składzie
pociągu na trasie Poznań-Rzepin. Obiektem badań był układ hamulcowy wagonu
pasażerskiego 136AMg wyposażono w wózek typu MD 523. Widok wózka MD 523
z zamocowanymi przetwornikami drgań do układu dźwigniowego hamulca tarczowego
przedstawia rysunek 2.
Do akwizycji sygnałów drgań zastosowano zestaw pomiarowy, składający się z:
−
piezoelektrycznych przetworników drgań B&K typ 4504A, 3szt.,
−
kasety pomiarowej typu B&K 3560 C,
−
oprogramowania systemu PULSE 12.5.
Schemat toru pomiarowego drgań na wózku MD 523 wagonu, przedstawiono na
rysunku 3.
Do badań wykorzystano przetworniki drgań typu 4504 firmy Brüel&Kjær. Liniowe
pasmo przenoszenia przetworników wyniosło 13 kHz. Podczas badań diagnostycznych
3
rejestrowano sygnały w paśmie od 0,1 Hz do 10 kHz. Do analizy wyników drgań istotne
zmiany sygnału występuje do 6 kHz. Częstotliwość próbkowania wynosiła 32 kHz,
co oznacza, że pasmo poddane analizie zgodnie z zależnością Nyquista wyniosło 16 kHz.
1
2
3
4
5
Rys. 2. Widok miejsc zamocowania przetworników drgań do układu dźwigniowego hamulca tarczowego
wózka Minden-Deutz MD 523 wagonu 136AMg: 1- układ dźwigniowy hamulca tarczowego, 2- przetwornik
drgań, 3- obsada okładziny (imak), 4- tarcza hamulcowa, 5- okładzina cierna
Oprogramowanie systemu
PULSE 12.5
Tor 1
Okładzina G1 o grubości
35mm
Kaseta pomiarowa
typu B&K 3560 C
Tor 2
Baza
danych
Tor 3
Okładzina G3 o grubości
15mm
Okładzina G2 o grubości
25mm
Rys. 3. Schemat torów pomiarowych drgań okładzin ciernych na wózku Minden-Deutz MD 523
wagonu 136AMg
4
3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ
Analizie poddano sygnały drgań zarejestrowane w trzech wzajemnie prostopadłych
kierunkach dla różnych grubości okładzin ciernych. Orientację kierunków pomiaru drgań
względem tarczy hamulcowej przedstawiono na rysunku 4.
Rys. 4. Orientacja kierunków drgań obsad okładzin; 1-badana tarcza hamulcowa,
2-obsada okładziny, 3- czujnik drgań
Przeanalizowano sygnały zarejestrowane w trakcie procesu hamowania od prędkości 60
km/h do 40 km/h. Przykładowy przebieg czasowy sygnału drganiowego pokazano na
rysunku 5.
Rys. 5. Przykładowy przebieg czasowy sygnału przyspieszeń drgań obsad okładzin hamulcowych
podczas hamowania
5
zanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl hannaeva.xlx.pl
Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu
Wojciech Sawczuk
Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu
OCENA GRUBOŚCI OKŁADZINY CIERNEJ
TARCZOWEGO HAMULCA KOLEJOWEGO NA
PODSTAWIE ANALIZY CZASOWO-WIDMOWEJ
SYGNAŁÓW DRGANIOWYCH
Streszczenie
: W artykule przedstawiono nową metodę oceny grubości okładzin ciernych
tarczowego hamulca kolejowego bazującą na wynikach parametryzacji mapy czasowo-
widmowej a(t,f) drgań generowanych przez elementy składowe hamulca. Jako narzędzie
selekcji czasowo-widmowej sygnału drganiowego zaproponowano zastosowanie metod analizy
czasowo-częstotliwościowej (JTFA). Zarysowano algorytm metody i zamieszczono przykład
ilustrujący zastosowanie uśrednianej synchronicznie krótkoczasowej transformacji Fouriera
(STFT) do ekstrakcji składowych sygnału związanych z procesem hamowania. W wyniku
parametryzacji mapy a(t,f), uzyskano miary sygnału współzmiennicze z grubością okładziny
hamulcowej.
Słowa kluczowe
: wagon kolejowy, hamulec tarczowy, diagnostyka wibroakustyczna
1.
WPROWADZENIE
W większości produkowanych pojazdów szynowych podstawowym hamulcem
roboczym jest hamulec tarczowy, który ze względu na szereg zalet zastępuje klasyczny
hamulec klocowy. Do podstawowych zalet hamulca tarczowego należy zaliczyć stały
przebieg średniego współczynnika tarcia „µ”, wynoszący 0,35, w całym zakresie prędkości
oraz lepsze warunki odprowadzenia ciepła, powstałego podczas hamowania do atmosfery
[2]. Do niewielu wad hamulca tarczowego zalicza się brak możliwości kontroli stanu pary
ciernej w całym procesie eksploatacji. Jest to szczególnie zauważalne w wagonach
kolejowych, w których tarcze hamulcowe zamocowane są na osi zestawu kołowego.
W celu sprawdzenia zużycia okładzin ciernych i tarcz hamulcowych, konieczne jest
wykorzystanie kanału rewizyjnego dla przeprowadzenia kontroli.
1
Ze względu na rozbudowany układ hamulcowy wagonu oraz lokomotywy, składający
się najczęściej z 8 indywidualnych cylindrów hamulcowych, utrudnione jest zastosowanie
jednego systemu diagnostycznego do oceny zużycia wszystkich par ciernych. Najbardziej
zaawansowanym układem do diagnostyki hamulca tarczowego jest system do wizyjnej
kontroli i diagnostyki opracowany w Instytucie Pojazdów Szynowych TABOR w Poznaniu
[2]. Układ diagnozujący pokazany na rysunku 1 dostarcza pełnych informacji na temat
zużycia okładzin ciernych oraz tarcz hamulcowych w każdym momencie eksploatacji.
Opracowane rozwiązania ze względu na skomplikowany i kosztowny układ pomiarowy
składający się z kamery cyfrowej i oprogramowania do przetwarzania obrazu, po udanych
próbach na stanowisku badawczym, jak na razie nie znalazł zastosowania w przemyśle
kolejowym.
Oświetlenie
Video
Potwierdzenie
Obiekt
Przesłona
kamery
Frame Grabber
Pamięć Flash
Wyzwalanie
Ogranicznik
prędkości
próbkowania
Przesuwnik
fazowy
Monitor
Rys. 1. Zasada dziania systemu wizyjnego HARD soft [1]
W wagonach kolejowych, rozpowszechnione są układy sygnalizujące proces hamowania
oraz luzowania, widoczne dla obsługi wagonu ze środka jak i z zewnątrz pojazdu.
Wspomniane układy umożliwiają podczas przejazdu pociągu sprawdzenie, w którym z
wagonów jest uszkodzony układ hamulcowy.
Celem badań jest wykorzystanie sygnału drganiowego obsad okładzin do oceny zużycia
okładzin ciernych hamulca tarczowego podczas badań poligonowych na wagonie
136AMg.
2. WIBROAKUSTYCZNA DIAGNOSTYKA TARCZOWEGO
HAMULCA KOLEJOWEGO
Jako wektor sygnału do oceny stanu technicznego urządzeń wykorzystywane są
parametry procesów towarzyszących, roboczych oraz parametry procesów
wykorzystywanych w badaniach nieniszczących (np. ultradźwięki). Wielkościami
opisującymi procesy robocze stosowanymi w diagnostyce są: moc, moment obrotowy i
2
reakcyjny, chwilowa prędkość kątowa itp.; są one stosowane jako uogólnione parametry
stanu technicznego.
Parametry procesów towarzyszących (drgania, hałas, procesy termiczne, zużycia itp.) są
stosowane do diagnozowania szczegółowego stanu technicznego obiektu oraz lokalizacji
niezdatności. Do najczęściej wykorzystywanych procesów towarzyszących w diagnostyce
należą procesy wibroakustyczne (drgania i hałas).
W pracy [3] Sawczuk i Szymański opisali możliwości zastosowania wybranych miar
punktowych charakteryzujących sygnały drganiowe do oceny stanu technicznego pary
ciernej hamulca tarczowego. Badania autorzy przeprowadzili na stanowisku
bezwładnościowym umożliwiającym symulację rzeczywistych warunków hamowania
zgodnie z zadanym programem.
Autorzy pracy [4] zastosowali analizę szeregów czasowych sygnałów drgań do
wyznaczenia czasu hamowania, który porównali z czasem zmierzonym przez
oprzyrządowanie stanowiska bezwładnościowego.
Dokonując analizy przebiegów czasowych dla zadanych grubości okładzin,
zaobserwowali występowanie drgań samowzbudnych dla okładzin zużytych do grubości
15mm. Zjawisko drgań samowzbudnych może mieć związek ze zmianą własności
dynamicznych układu spowodowanej zmianą masy obsady z okładziną, co jest szczególnie
widoczne pod koniec procesu hamowania.
W pracy [5] autor zweryfikował regresyjne modele diagnostyczne, wyznaczone na
podstawie badań stanowiskowych i poligonowych. Na podstawie analizy
przeprowadzonych badań stwierdził, że istnieje możliwość diagnozowania zużycia
okładzin ciernych hamulca tarczowego wykorzystując wybrane parametry opisujące proces
tarcia oraz sygnał drganiowy generowany przez obsadę z okładziną cierną. Opracował
algorytmy diagnozowania pary ciernej hamulca tarczowego.
Na podstawie analizy bibliograficznej stwierdzono, że nie ma obecnie prac dotyczących
oceny grubości okładziny ciernej tarczowego hamulca kolejowego na podstawie analizy
czasowo-widmowej sygnałów drganiowych.
2. METODYKA BADAŃ
Badania poligonowe przeprowadzono podczas jazd próbnych wagonu w składzie
pociągu na trasie Poznań-Rzepin. Obiektem badań był układ hamulcowy wagonu
pasażerskiego 136AMg wyposażono w wózek typu MD 523. Widok wózka MD 523
z zamocowanymi przetwornikami drgań do układu dźwigniowego hamulca tarczowego
przedstawia rysunek 2.
Do akwizycji sygnałów drgań zastosowano zestaw pomiarowy, składający się z:
−
piezoelektrycznych przetworników drgań B&K typ 4504A, 3szt.,
−
kasety pomiarowej typu B&K 3560 C,
−
oprogramowania systemu PULSE 12.5.
Schemat toru pomiarowego drgań na wózku MD 523 wagonu, przedstawiono na
rysunku 3.
Do badań wykorzystano przetworniki drgań typu 4504 firmy Brüel&Kjær. Liniowe
pasmo przenoszenia przetworników wyniosło 13 kHz. Podczas badań diagnostycznych
3
rejestrowano sygnały w paśmie od 0,1 Hz do 10 kHz. Do analizy wyników drgań istotne
zmiany sygnału występuje do 6 kHz. Częstotliwość próbkowania wynosiła 32 kHz,
co oznacza, że pasmo poddane analizie zgodnie z zależnością Nyquista wyniosło 16 kHz.
1
2
3
4
5
Rys. 2. Widok miejsc zamocowania przetworników drgań do układu dźwigniowego hamulca tarczowego
wózka Minden-Deutz MD 523 wagonu 136AMg: 1- układ dźwigniowy hamulca tarczowego, 2- przetwornik
drgań, 3- obsada okładziny (imak), 4- tarcza hamulcowa, 5- okładzina cierna
Oprogramowanie systemu
PULSE 12.5
Tor 1
Okładzina G1 o grubości
35mm
Kaseta pomiarowa
typu B&K 3560 C
Tor 2
Baza
danych
Tor 3
Okładzina G3 o grubości
15mm
Okładzina G2 o grubości
25mm
Rys. 3. Schemat torów pomiarowych drgań okładzin ciernych na wózku Minden-Deutz MD 523
wagonu 136AMg
4
3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ
Analizie poddano sygnały drgań zarejestrowane w trzech wzajemnie prostopadłych
kierunkach dla różnych grubości okładzin ciernych. Orientację kierunków pomiaru drgań
względem tarczy hamulcowej przedstawiono na rysunku 4.
Rys. 4. Orientacja kierunków drgań obsad okładzin; 1-badana tarcza hamulcowa,
2-obsada okładziny, 3- czujnik drgań
Przeanalizowano sygnały zarejestrowane w trakcie procesu hamowania od prędkości 60
km/h do 40 km/h. Przykładowy przebieg czasowy sygnału drganiowego pokazano na
rysunku 5.
Rys. 5. Przykładowy przebieg czasowy sygnału przyspieszeń drgań obsad okładzin hamulcowych
podczas hamowania
5