* Drinż.ZbigniewCichocki,ZakładPojazdówSzynowych,InstytutKolejnictwa.** Inż.ZbigniewJeleśniański,drinż.PawełUrbańczyk,LaboratoriumBadańTaboru,InstytutKolejnictwa.

ZBIGNIEWCICHOCKI*,ZBIGNIEWJELEŚNIAŃSKI**, PAWEŁURBAŃCZYK**

HAMULECKLOCKOWY–ZACHOWANIEPARCIERNYCHŻELIWO–STAL,KOMPOZYT–STALWWARUNKACH

SKRAJNYCHOBCIĄŻEŃCIEPLNYCH

SHOEBRAKE–BEHAVIOUROFFRICTIONPAIRS CAST-IRON–STEEL,COMPOSITE–STEEL

UNDEREXTREMETHERMALCONDITIONS

S t r e s z c z e n i e

Wartykuleopisanowpływwysokichobciążeńcieplnychnastanwstawekhamulcowychwyko-nanychzżeliwaimateriałówkompozytowych.

Słowa kluczowe: wstawka hamulcowa, test św. Gotarda

A b s t r a c t

In thepaperan influenceofhigh thermal loadson theconditionofcast-ironandcompositeshoe-brakeinsertshasbeenshown.

Keywords: brake insert, St Gothard test

54

Oznaczenia

gp – grubośćwstawkihamulcowejprzedtestemśw.Gotarda[mm]gk – grubośćwstawkihamulcowejpoteścieśw.Gotarda[mm]∆g – liniowezużycieściernewstawkihamulcowejwczasietestuśw.Gotarda[mm]∆gśr – średnieliniowezużycieściernewstawkihamulcowej,dlabadanegowagonu,wcza-

sietestuśw.Gotarda[mm]T1–8 – temperaturakołanr1–8[ºC]T1.1 – temperaturawstawkihamulcowejnr1.1[ºC]

1. Wstęp

Wpowszechniestosowanymwkolejnictwiehamulcuklockowymźródłemsiłyhamują-cejjestsiłatarciamiędzywstawkąklockahamulcowegoikołem.Hamulectenstosowanyjestwkolejnictwieodjegopoczątkówiwklasycznymwykonaniuposiadawstawkizżeliwaszarego.Wzrostprędkościkurowaniapociągóww ruchu towarowym iprzedewszystkimwruchupasażerskimwymusiłwprowadzenieinnychrodzajówhamulców,którezapewnia-łybybezpiecznezatrzymaniepociągunawynikającejzodstępówsygnałowychdrodzeha-mowania. Jednocześnie prowadzonebyłypracenadusprawnieniemhamulcaklockowegoobejmującemiędzyinnymidobórwłaściwychmateriałównawstawkihamulcowe.Praceteprowadzonebyłydwukierunkowo.Zjednejstronyoptymalizowanoskładżeliwanawstawkipoprzezwprowadzanie różnegorodzajuskładnikówstopowych,azdrugiej stronyposzu-kiwanomateriałówniemetalowych,któremogłybyzastąpićżeliwo.Pracenadwstawkaminiemetalowymidoprowadziływefekciedouzyskaniawstawek,któredopuszczonodosto-sowaniaiktóresąobecniecorazbardziejrozpowszechnione.

2. Wymagania stawiane materiałom ciernym używanym do produkcji wstawek hamulcowych

Szczegółowaanalizawarunkówpracyparyciernejwstawka–kołopozwalasformułowaćpodstawowekryteria dotyczące tworzywciernychprzeznaczonychdo produkcjiwstawekhamulcowychpojazdówszynowych.Zzasadydziałaniahamulcaklockowegowynika, żemateriałwstawkihamulcowejpowiniensięcharakteryzowaćnastępującymiwłasnościami: – wysokąodpornościąnazużycieścierne, – małymwpływemnazużyciepowierzchnitocznejkół, – możliwiestałąwartościąwspółczynnikatarcia,niezależnieodprędkościpociąguiwarun-kówatmosferycznych,

– odpornościąnadziałaniewytwarzanegowczasiehamowaniaciepła, – dobrąprzewodnościącieplnąwarunkującąwłaściweodprowadzanieciepła, – dostatecznąwytrzymałościąmechaniczną, – brakiemniekorzystnegooddziaływanianastanpowierzchnitocznejkół, – brakiemszkodliwegooddziaływanianaśrodowiskoi infrastrukturękolejowąpowstają-cychpodczashamowaniaproduktówzużycia,

– możliwieniskąceną.

55

Stosowaneobecnienawstawkihamulcowemateriały,tojestżeliwoP10iróżnegorodza-jumateriałyniemetalowezwanekompozytowymi,wróżnymstopniuspełniajątewymaga-nia.Istotneróżnicedotyczązjawiskcieplnychzachodzącychpodczashamowaniahamulcemzwstawkamikompozytowymiiżeliwnymi.

Obowiązujące obecnie przepisy wynikające z Dyrektywy Parlamentu EuropejskiegoiRady2008/57/WEwsprawieinteroperacyjnościsystemukoleiweWspólnocieiDecyzjiKomisji 2009/107/WEwymagają przeprowadzenia badań odporności cieplnej układu ha-mulcowegopojazduprzedjegodopuszczeniemdoruchu.OdmomentuwejściawżycietegowymoguPracowniaHamulcówLaboratoriumBadańTaboruInstytutuKolejnictwaprowadzitakiebadania.Niniejszyartykułprezentujewyniki takichbadańwagonówwęglarekopo-dobnych cechach konstrukcyjnych, z których jednawyposażona byławewstawki z żeli-waP10,adrugawdopuszczonedostosowaniawstawkikompozytowetypuK(owysokimwspółczynnikutarcia).

3. Badania odporności hamulca na obciążenia cieplne

Zgodnie zTSIWAGukład hamulcowypowinien być skonstruowany tak, aby pojazdmógłporuszaćsięnawszystkichistniejącychliniachtranseuropejskiegosystemukoleikon-wencjonalnych.

Układhamulcowypowinienzatrzymaćwagonzaładowanyiutrzymaćprędkośćwagonubezjakichkolwiekuszkodzeńtermicznychalbomechanicznychwnastępującychwarunkach:1.Dwakolejnehamowanianagłeodprędkościmaksymalnejdozatrzymanianatorzepro-

stymipoziomymprzyminimalnymwietrzeisuchychszynachdlapojazdumaksymalnieobciążonego.

2.Utrzymanieprędkości80km/hnatorzeoprzeciętnymnachyleniu21‰idługości46km(odcinkiemreferencyjnymjestzjazdzprzełęczyśw.GotardamiędzyAiroloiBiasca).Test św.Gotarda umożliwia symulacjęwarunków panujących podczas długotrwałego

hamowaniaciągłego.Wczasietestusiłahamującaregulowanajestwtakisposób,abyreali-zowanamochamowaniawynosiłaconajmniej45kWnakoło.

Podczasbadańwykonywanesąpomiary: – prędkości, – drogi, – siłynahakuwagonubadanego, – temperaturykółzestawówkołowych, – ciśnieniapowietrzawcylindrzehamulcowymiinnychpunktachukładupneumatycznegohamulca,

– liniowegozużyciaściernegowstawekhamulcowych.Ponadtowykonywanajestszczegółowadokumentacjafotograficznastanuwstawekha-

mulcowychikółzarównoprzedrozpoczęciem,jakteżpozakończeniubadańodpornościnaobciążeniacieplne.

BadaniaodpornościukładuhamulcowegonaobciążeniacieplnewykonywanesąwPra-cowniHamulcówLaboratoriumBadańTaboruInstytutuKolejnictwazgodniezwymagania-miprzepisówTSI[1,2].

56

4. Obiekty badań

Przedstawionewniniejszymartykule obserwacje dotycząwynikówbadań odpornościukładuhamulcowegonaobciążeniacieplneprzeprowadzonychdlaklasycznychwagonówtowarowychwęglarekonastępującychpodstawowychcechach: – liczbaosiwagonu:4, – liczbawózków:2, – liczbaklockówhamulcowych:16, – liczbacylindrówhamulcowych:1, – maksymalnynaciskzestawukołowegonator:22,5t, – prędkośćmaksymalnawstanieładownym:100km/h, – dostosowaniesiłyhamującejdomasypojazdu:samoczynne,ciągłe, – materiał cierny wstawek hamulcowych: żeliwo P10 lub dopuszczone do stosowaniawstawkikompozytowetypuK.

5. Temperatury kół zestawów kołowych rejestrowane podczas testu św. Gotarda

Wywiązującesięwparzeciernejwczasiehamowaniaciepłopowinnobyćskutecznieod-prowadzane.Miarąjakościtegoodprowadzaniasąmaksymalnetemperatury,jakieosiągajązestawykołowewwynikuhamowaniahamulcemklockowym.Wtabelach1i2zestawionowynikipomiarówtemperaturkół(wpobliżuichpowierzchnitocznej)wchwilizakończeniatestu św.Gotardadlawagonuzewstawkamiżeliwnymi iwagonuzewstawkami typuK.Obapomiarybyływykonywanewpodobnychwarunkach,dotycząwagonówopodobnychcharakterystykachkonstrukcyjnychitechnicznych.

T a b e l a 1

Temperatury kół wagonu węglarki wyposażonego we wstawki kompozytowe w chwili zakończenia testu św. Gotarda

T1 T3 T6 T8[ºC]

356,0 367,8 334,1 285,9

T a b e l a 2

Temperatury kół i jednej ze wstawek wagonu węglarki wyposażonego we wstawki żeliwne w chwili zakończenia testu św. Gotarda

T1.1 T1 T6 T7[ºC]

496,5 287,9 329,9 334,9

57

Analizującwynikizamieszczonewtabelach1i2,jakrównieżwynikipozostałychprze-prowadzonych przez Instytut Kolejnictwa badań, można stwierdzić, że temperatury kółwspółpracującychpodczas testu św.Gotardazewstawkamikompozytowymi sąwyraźniewyższeodtemperaturykółwagonuwyposażonegowewstawkiżeliwne.Różnicetewynosząodkilkudziesięciudonawet100ºCiwynikajązfaktu,żewstawkikompozytowewprzeci-wieństwiedożeliwnychsłaboprzewodząciepłoitylkoniewielkaczęśćciepłatarciawydzie-lanegopodczashamowaniamożebyćodprowadzonaprzezwstawkihamulcowe.

6. Stan kompozytowych wstawek hamulcowych po teście św. Gotarda

Kompozytowewstawkihamulcowecharakteryzująsiędużąwrażliwościąnaoddziały-waniewysokichobciążeńcieplnych,któremogąspowodować: – zmianęwłaściwościciernychmateriałuwstawek, – uszkodzeniamechanicznewstawek, – destrukcjęwstawek.Najczęściej spotykanymi uszkodzeniami wstawek kompozytowych stwierdzanymi po

przeprowadzeniutestuśw.Gotardasą: – pęknięciapromieniowewstawek,wszczególnościpęknięcianawskrośne, – wykruszeniawstawek, – odpadaniefragmentówmateriałuciernego, – odbarwieniemateriałuwstawki, – złuszczaniesięmateriałuciernego.Ponadtomożnastwierdzić,żezużycieściernekompozytowychwstawekhamulcowych

podczastestuśw.Gotardajestwyraźniewiększeodzużyciawczasieeksploatacji.Wczasietestu trwającegoniecoponad30minut liniowezużycie ściernewstawekkompozytowychnajczęściejzawierasięwprzedziale3–30mm.Wtabeli3przedstawionoprzykładwynikówpomiarugrubościizużyciakompozytowychwstawekhamulcowychpodczastestuśw.Go-tardaprzeprowadzonegodlawagonuwęglarki.Mieszcząsięonewtymprzypadkuwprze-dziale6–19mm.

Narysunkach1i2przedstawionoprzykładowezdjęciakompozytowychwstawekhamul-cowychpozakończeniubadańodpornościukładuhamulcowegonaobciążeniacieplne.Narysunku1widzimy(odlewejstrony):strefęprzegrzania,obwodowezłuszczeniamateriałuciernegoiwykruszeniaobwodowemateriałuciernego.Natomiastnarys.2przedstawiono:pęknięciapromieniowenawskrośneistrefęprzegrzaną,wstawkęzodpadniętymfragmentemmateriałuciernegoorazsiatkępęknięćnapowierzchniciernej.

58

Rys.1.Kompozytowewstawkihamulcowepoteścieśw.Gotarda

Fig.1.Compositeshoe-brakeinsertsaftertheStGothardtest

Rys.2.Kompozytowewstawkihamulcowepoteścieśw.Gotarda

Fig.2.Compositeshoe-brakeinsertsaftertheStGothardtest

59Ta b e l a 3

Liniowe zużycie ścierne kompozytowych wstawek hamulcowych podczas testu św. Gotarda dla wagonu węglarki

Nrwstawki

Przedtestemgp[mm]

Poteściegk[mm]

Zużycie∆g[mm]

1.1 60 42 181.2 59 40 192.1 59 45 142.2 59 49 103.1 59 47 123.2 60 43 174.1 60 50 104.2 59 49 105.1 59 47 125.2 60 49 116.1 59 51 86.2 59 45 147.1 59 47 127.2 58 47 118.1 59 53 68.2 58 44 14Średniezużyciewstawki∆gśr[mm] 12

7. Stan żeliwnych wstawek hamulcowych po teście św. Gotarda

Żeliwnewstawkihamulcoweodznaczająsiędużąodpornościąnaoddziaływaniewyso-kichobciążeńcieplnych.Zregułynieodnotowujesiępoważniejszychuszkodzeńwstawekżeliwnychwynikającychztegotypuobciążeń.Sporadyczniestwierdzasiępęknięciawsta-wek (szczególnieniektórych ichodmian).Nie zauważono też trwałegowpływuobciążeńcieplnychnawłaściwościciernewstawekżeliwnych.

Najczęściejpozakończeniu testuśw.Gotardadlawagonuwyposażonegowewstawkiżeliwnestwierdzasię: – pęknięciapromieniowewstawek(sporadycznieigłówniedlawstawekzotworami), – odbarwieniemateriałuwstawki.Co ciekawe, ustalono, że wstawki żeliwne, które podczas normalnej eksploatacji zu-

żywają się kilkakrotnie szybciej od wstawek kompozytowych, w czasie testu św. Go-tarda zużywają się mniej intensywnie od swoich kompozytowych odpowiedników. Li-niowe zużycie ściernewstawek żeliwnychw czasie tego testuwynosi kilkamilimetrów.Wtabeli4przedstawionoprzykładwynikówpomiarugrubości izużyciażeliwnychwsta-wek hamulcowych podczas testu św. Gotarda przeprowadzonego dla wagonu węglarki. Jakwidaćnarys.5,poteścieśw.Gotardawstawkajeszczeniebyławpełnidotarta.

60Ta b e l a 4

Liniowe zużycie ścierne klasycznych żeliwnych wstawek hamulcowych podczas testu św. Gotarda dla wagonu węglarki

Nrwstawki

Przedtestemgp[mm]

Poteściegk [mm]

Zużycie∆g[mm]

1.1 58 56 21.2 58 57 12.1 60 57 32.2 58 55 33.1 58 56 23.2 59 58 14.1 59 59 04.2 59 59 05.1 57 55 25.2 59 59 06.1 59 56 36.2 59 59 07.1 59 59 07.2 60 59 18.1 60 57 38.2 60 58 2

Średniezużyciewstawki∆gśr[mm] 1

Narysunkach3–5pokazanoprzykładowezdjęciażeliwnychwstawekhamulcowychpozakończeniubadańodpornościukładuhamulcowegonaobciążeniacieplne.Jedynymstwier-dzonym uszkodzeniem było pęknięcie promieniowe sięgające od powierzchni ciernej dootworuwstawki.Spowodowanezostałokoncentracjąnaprężeńwywołanąwprowadzeniemotworu,leczzdrugiejstronyotwórtenzabezpieczawstawkęprzeddalsząpropagacjąpęk-nięcia.Pęknięcietowidocznejestnarys.3–5.

61

Rys.3.Pęknięciepromienioweżeliwnejwstawkihamulcowejpoteścieśw.Gotarda

Fig.3.Theradialcrackofcast-ironshoe-brakeinsertafterStGothardtest

Rys.4.Pęknięciepromienioweżeliwnejwstawkihamulcowejpoteścieśw.Gotarda

Fig.4.Theradialcrackofcast-ironshoe-brakeinsertafterStGothardtest

Rys.5.Żeliwnawstawkahamulcowapoteścieśw.Gotarda

Fig.5.Thecast-ironshoe-brakeinsertafterStGothardtest

62

8. Wnioski

Analiza przedstawionych wyników przeprowadzonych w Instytucie Kolejnictwa badań odporności na obciążenia cieplne układów hamulcowych wagonów towarowych pozwala sformułować następujące wnioski: – temperatury kół zestawów kołowych w trakcie hamowania z użyciem wstawek kompozy-

towych typu K są o kilkadziesiąt do 100°C wyższe niż w przypadku wstawek żeliwnych, – kompozytowe wstawki hamulcowe cechują się znacznie większą wrażliwością na wpływ

obciążeń cieplnych w porównaniu ze wstawkami żeliwnymi, – w warunkach wysokich obciążeń cieplnych wstawki żeliwne (w przeciwieństwie do nor-

malnej eksploatacji) cechują się znacznie mniejszym od wstawek kompozytowych zuży-ciem ściernym,

– w warunkach wysokich obciążeń cieplnych żaden z porównywanych typów wstawek ha-mulcowych: żeliwnych i kompozytowych nie spełnia w zadowalającym stopniu wszyst-kich wymagań wymienionych w punkcie 2 niniejszego artykułu.W trakcie opisywanego testu św. Gotarda nie można dokładnie zbadać wpływu tego

rodzaju hamowania na koła zestawów kołowych (mierzy się jedynie ich temperaturę oraz obserwuje stan powierzchni i powłoki lakierniczej). Wyższe obciążenia termiczne obser-wowane w przypadku wstawek typu K mogą powodować niekorzystne zmiany własności warstwy wierzchniej na powierzchniach tocznych kół. Ocena wpływu tego typu obciążeń na stan kół wymaga jednak przeprowadzenia długotrwałych badań symulacyjnych lub eksplo-atacyjnych.

L i t e r a t u r a

[1] 2006/861/WE: Decyzja Komisji z dnia 28 lipca 2006 r. dotycząca technicznej specyfi-kacji dla interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu „tabor kolejowy – wagony towarowe” transeuropejskiego systemu kolei konwencjonalnych, Bruksela, 28 lipca 2006.

[2] 2009/107/WE: Decyzja Komisji z dnia 23 stycznia 2009 r. zmieniająca decyzje 2006/861/WE i 2006/920/WE w sprawie technicznych specyfikacji interoperacyjności w zakresie podsystemów transeuropejskiego systemu kolei konwencjonalnych, Bruk-sela, 23 stycznia 2009.