TRAKCJA

Pary cierne
Para cierna jest zespołem elementów mechanicznych, przystosowanym do sztucznego wytwarzania zjawiska tarcia i siły hamowania pociągu. Najważniejsze zadanie w tym zespole spełniają dwa elementy cierne, współpracujące ze sobą na powierzchni styku ciernego, który powstaje pod działaniem siły docisku. Hamulce tego typu noszą nazwę hamulców ciernych. Podstawowymi typami hamulców ciernych są hamulce klockowe, tarczowe, i szynowe.

Rys 2.1 Postacie par ciernych [1]
a – hamulec klockowy, b – hamulec tarczowy, c – hamulec szynowy
1 – element obrotowy, 2 – element dociskany, 3 - szyna

W hamulcach klockowych i tarczowych parę cierną tworzy element obrotowy z dającym się do niego dociskać w miarę potrzeby drugim elementem ciernym, który jest połączony przegubowo z ramą wózka lub nadwozia pojazdu. W hamulcach klockowych elementem obrotowym pary ciernej są zestawy kołowe pojazdu. Elementem, który dociskany jest do zestawu są klocki, które występują w trzech zasadniczych postaciach.

Rys 2.2 Postacie klocków hamulcowych [1]
a – jednowstawkowy, b – dwuwstawkowy, c – podwójny
1 – wstawka cierna, 2 – obsada wstawki, 3 – uchwyt klocka

W klocku jednowstawkowym w obsadzie osadzona jest jedna wstawka cierna. Klocek dwuwstawkowy w jednej obsadzie ma osadzone dwie wstawki cierne. Klocek podwójny jest zespołem dwóch klocków jednowstawkowym połączonych przegubowo wspólnym uchwytem. Za pomocą wieszaków na przegubach sworzniowych klocki zostają połączone z ramą wózka lub nadwozia pojazdu.

Fot 2.3 Wstawka cierna klocka dwuwstawkowego stosowana w elektrycznych lokomotywach towarowych serii ET22

W hamulcach tarczowych element obrotowy pary ciernej tworzy specjalna tarcza, obsadzona spoczynkowo na zestawie kołowym. Z tarczą obrotową współpracują szczęki, na których zamocowane są klocki wykonane ze spieków ceramicznych. Siłę tarcia z tarczy obrotowej na koła przenosi oś zestawu. W hamulcach szynowych jeden z elementów pary ciernej znajduje się poza pojazdem. Elementem tym jest szyna. Dociskanym elementem pary ciernej jest blok siłowy z umieszczonymi wewnątrz elektromagnesami, który jest zawieszony nad główką szyny. Siła hamowania wstąpi po opuszczeniu bloku i włączeniu obwodu zasilania, co spowoduje powstanie siły elektromagnetycznej dociskającej blok do szyny.

Fot 2.4 Nowoczesny hamulec tarczowy, w którym tarcza stanowi jednocześnie element koła w elektrycznym wagonie silnikowym serii EN81 [9]

Fot 2.5 Tarcza hamulcowa zamontowana na zestawie kołowym z systemem SUW2000 [10]

Praca par ciernych zależy od prędkości i nacisku przypadającego na jednostkę powierzchni styku elementów ciernych. Dość ważne znaczenie ma temperatura występująca jako czynnik pochodny pracy tarcia. Przebieg pracy tarcia oraz z użycia zależy w dużej mierze od materiału, z którego wykonano elementy cierne. W hamulcach klockowych stosowane są żeliwne wstawki cierne, obecnie wypierane przez tańsze w eksploatacji wstawki kompozytowe. Wykładziny cierne w hamulcach tarczowych wykonuje się z tworzywa sztucznego oraz spieków ceramicznych ceramicznych współpracują z żeliwną lub staliwną tarczą obrotową. Własności pary ciernej charakteryzuje współczynnik tarcia μt. Wartość współczynnika tarcia dla wstawek ciernych wykonanych z żeliwa w miarę wzrostu prędkości początkowo gwałtownie opada, następnie spadek staje się łagodniejszy.

Rys 2.5 Wykres współczynnika tarcia w zależności od prędkości [1]
1 – wstawka cierna żeliwna, 2 – element cierny wykonany z tworzywa sztucznego (kompozytu)

Zwiększenie nacisku jednostkowego zmniejsza wartości współczynnika tarcia w całym zakresie prędkości względnej. Współczynnik tarcia dla wstawek wykonanych elementów tworzywa sztucznego ma bardziej łagodny przebieg oraz większy współczynnik tarcia dla dużych prędkości.

Dzięki pracy tarcia elementów ciernych energia kinetyczna poruszającego się pojazdu jest zamieniana na energię cieplną. Ilość powstającego ciepła zależy od nacisku oraz prędkości względnej elementów ciernych. Ciepło, które wydzieli się na skutek tego procesu, pochłaniają oba elementy pary ciernej. Przez ich powierzchnie zewnętrzne ciepło odprowadzane jest do atmosfery. Podział strumienia cieplnego oraz wynikowa temperatura zależą przede wszystkim od właściwości cieplnych materiałów ciernych.

Materiał pary ciernej	λ W/mK	g kg/m³	c J/kgK
Żeliwo	50	7200	440
Stal węglowa	57,7	7800	503
Kompozyt	0,492	1770	1040

Tabela 1 - Własności fizykomechaniczne pary ciernej

Lp.	Materiał cierny	Wsp. tarcia μ	Max. Nacisk jedn. MPa	Max temp. °C		Zastosow. hamulca
Lp.	Materiał cierny	Wsp. tarcia μ	Max. Nacisk jedn. MPa	chwilowa	trwała	Zastosow. hamulca
1	Al₂TiO₅	~0,4	3,0	1000	500	tarczowe
2	C₂-NiCr	~0,3	1,0	800	400	tarczowe
3	Cu-Fe	0,29-0,32	2-2,8	500-550	300-350	tarczowe
4	Żeliwo-stal	0,15-0,2	~1,0	300	200	promieniowe

Tabela 2 - Charakterystyki hamulcowych materiałów ciernych

Rys 2.6 Kształtowanie się temperatur elementów pary ciernej w hamulcu klockowym [1]
1 – ze wstawką żeliwną, 2 – ze wstawką kompozytową

Rysunek 2.5 przedstawia przykładowe kształtowanie się temperatur elementów pary ciernej podczas hamowania wagonu z taką samą prędkością. W przypadku pary ciernej ze wstawką żeliwną temperatura wstawki jest wyższa od temperatury koła, a dla wstawki z tworzywa sztucznego sytuacja jest odwrotna. Aby zapewnić właściwy przebieg tarcia i zużycia elementów par ciernych w warunkach powstającego ciepła stosuje się różne rozwiązania konstrukcyjne.

Rys 2.7 Przystosowanie elementów ciernych do odbioru ciepła [1]
a – tarcza hamulcowa, b, c – wykładzina i wstawka cierna z nacięciami

W hamulcach tarczowych intensywne odprowadzanie ciepła powstającego na powierzchni styku ułatwiają specjalne kanały wentylacyjne oraz żebra rozmieszczone promieniowo na obrotowej tarczy ciernej. Ożebrowanie tarczy nie ma na celu zwiększenie powierzchni chłodzenia a tym samym obniżenie temperatury powstającej w węźle ciernym. Do obniżenia temperatury i zapewnieniu bardziej sprzyjających warunków przebiegowi tarcia i zużycia sprzyja podzielenie na części wstawek ciernych i wykładzin oraz stosowanie nacięć lub otworów na powierzchni trących. Dzięki temu powstały klocki dwuwstawkowe i podwójne, stosowane w układach hamulcowych taboru o dużych prędkościach jazdy.

Fot 2.8 Zestaw kołowy wagonu przystosowanego do dużych szybkości, widoczne nacięcia w klocku podwójnym [11]

Fot 2.9 Klocki hamulca dwuwstawkowego z nacięciami stosowane w lokomotywach

Siłownik
Jak już wspomniano w punkcie 1.3, siłownik służy do zmiany położenia względem siebie elementów pary ciernej oraz do zmiany wartości ich wzajemnego docisku odpowiednio do wymaganej siły hamowania. Siłownik jest urządzeniem wykonanym w postaci cylindra z uszczelnionym wewnątrz tłokiem. W układach hamulcowych pojazdów szynowych są stosowane siłowniki pneumatyczne jednostronnego działania, czyli takie, w których komora robocza jest usytuowana tylko z jednej strony tłoka. W działaniu siłowników wykorzystuje się właściwość sprężonego powietrza do szybkiego wypełniania przestrzeni roboczej.

Rys 2.10 Schemat działania siłownika hamulcowego [1]
1 – zawór wlotowy, 2 – zawór wylotowy, 3 – tarcza tłokowa, 4 – sprężyna powrotna

Zawór wlotowy i wylotowy służy do zmiany ciśnienia powietrza w komorze roboczej siłownika. Podczas wypełniania komory roboczej siłownika sprężone powietrze wywiera parcie na tarczę tłokową, pokonując opory ruchu zmusza tłok do wykonania suwu roboczego. Siła tłokowa na wyjściu siłownika określana jest wzorem:

(3)

ps – ciśnienie powietrza w siłowniku
At – powierzchnia tłoka
R – opory ruchu tłoka

Na opory ruchu tłoka składają się tarcie w mechanizmie oraz siła sprężyny powrotnej. Ruch powrotny tłoka do położenia wyjściowego następuje pod wpływem działania sprężyny po wypuszczeniu sprężonego powietrza z komory roboczej do atmosfery. Siła tłokowa Fs jest czynnikiem umożliwiającym włączenie do działania hamulca pociągu przez wywołanie docisku par ciernych, bądź wyłączenie hamulca przez zwolnienie tego docisku. Wartość docisku elementów zależy od wartości ciśnienia panującego w komorze roboczej siłownika.

Rys 2.11 Budowa siłownika hamulcowego [1]

Podstawowe własności techniczne układów hamulcowych zależą od charakterystyki dynamicznej siłownika, czyli od przebiegu zmian ciśnienia w komorze roboczej w czasie. Czas napełniania i opróżniania siłowników decyduje przede wszystkim o efektywności hamulca.

Rys 2.12 Charakterystyka dynamiczna siłownika
a – o krótkim czasie napełniania, b – o długim czasie napełniania

Na rysunku 2.12 przedstawiono typowe charakterystyki dynamiczne siłownika. Charakterystyka o krótkim czasie napełniania – wzrost ciśnienia do wartości największej dotyczy pociągu pasażerskiego, czas ten wynosi od 3 do 6 sekund, Charakterystyka o dłuższym czasie napełniania – z tzw. ciśnieniem wstępnym psw - dotyczy pociągu towarowego, czas ten waha się w granicach od 18 do 30 sekund.

Charakterystyka dynamiczna uzależniona jest od rozdzielacza powietrza, który pośredniczy w procesie hamowania i odhamowania. Charakterystykę otrzymuje się na sygnał otwarcia zaworu wlotowego, umieszczonego na kanale prowadzącym ze zbiornika pomocniczego, bez przerywania procesu do momentu osiągnięcia w komorze roboczej siłownika maksymalnego ciśnienia.
Opróżnianie komory roboczej natomiast uzyskujemy na sygnał otwarcia zaworu wylotowego, dla siłowników o krótkim lub wydłużonym czasie proces ten przebiega w sposób ciągły aż do osiągnięcia wartości zerowej ciśnienia w komorze roboczej.

Rys 2.13 Charakterystyka opróżniania siłownika
1 – dla pociągu pasażerskiego, 2 – dla pociągu towarowego

Przekładnia siły tłokowej
Przekładnia siłowa hamulca jest przegubowym mechanizmem dźwigniowym. Przeniesienie siły tłokowej siłownika na oddalone pary cierne następuje poprzez zastosowanie przestrzennie rozbudowanego układu mechanicznego. O stopniu jego rozbudowy decyduje liczba par ciernych współpracująca z jednym siłownikiem. Wyróżnia się rozwiązania przekładni tłokowej: centralne i członowe.
Przekładnie centralne przenoszą siłę z jednego siłownika do wszystkich par ciernych występujących w układzie pojazdu. W przekładni członowej jeden siłownik wywiera nacisk tylko na część par ciernych. W takim układzie występuje kilka siłowników, z których każdy współpracuje z osobnym członem przekładni.

Fot 2.14 Wózek lokomotywy elektrycznej serii EP/EU07 – zastosowana przekładnia członowa (2 pary siłowników)

Z chwilą przylgnięcia do siebie elementów par ciernych pod wpływem wzrostu ciśnienia powietrza w siłowniku, w elementach przekładni pojawiają się naprężenia i odkształcenia sprężyste. Uwidocznione jest to w przesunięciu końca napędzanej dźwigni oraz zwiększonym skoku siłownika.

Nastawiacz skoku tłoka
Skok tłoka siłownika podczas suwu roboczego do chwili zetknięcia się pary ciernej bez naciski zależy od średniego skoku elementów ciernych.

(4)

St – skok tłoka
ip – wartość przełożenia
Sc – skok elementów ciernych

W procesie hamowania następuje stopniowe zużywanie się elementów ciernych. Zużycie po pewnym czasie osiąga dość znaczną wartość przede wszystkim w hamulcach klockowych wyposażonych w żeliwne wstawki cierne. Następuje wtedy wzrost skoku wstawek ciernych a tym samym niedopuszczalny wzrost skoku tłoka siłownika. Nastawiacze skoku tłoka stosuje się w celu utrzymania wartości skoku tłoka siłownika w granicach dopuszczalnych. Zasada działania nastawiaczy opiera się na skracaniu lub wydłużaniu długości cięgła, co powoduje skorygowanie kąta odchylenia dźwigni przekładni a tym samym utrzymanie skoku wstawek ciernych i tłoka siłownika w zadanych z góry granicach.

Rys 2.15 Schemat umiejscowienia nastawiacza skoku tłoka w przekładni siłowej hamulca [1]
1 – nastawiacz, 2 – drążek sterujący, 3 – ramię oporowe, 4 – siłownik, 5 – elementy przekładni

W układach hamulcowych lokomotyw i wagonów silnikowych są stosowane nastawiacze jednostronnego działania. Korygują one skok tłoka siłownika tylko wtedy, gdy występuje zawyżony sok elementów ciernych.

Rys 2.16 Schemat struktury przyrządowej nastawiacza skoku tłoka jednostronnego SAB (typ C) zabudowanego w siłowniku [1]

Fot 2.17 Siłownik z wbudowanym nastawiaczem stosowany na wózku lokomotywy

Zdjęcia, obrazki, rysunki:
[1] Kalinkowski A., Orlik A – „Wagony kolejowe i hamulce” WKŁ Warszawa 1981
[9] Maciej Górowski
[10] Maciej Koplin
[11] Michał Pawliczek

Logowanie

Zapomniane hasło?
Wyślemy nowe, kliknij TUTAJ.

Toplisty

Toplista stron kolejowych 2

Zdjęcia miesiąca

Zdjęcie TOP z miesiąca WRZESIEŃ 2008