zeus04
2009-03-16 19:06:07 UTC
Pojazdy Szynowe nr. 2 z 2006
dr inż. Marian Kaluba
Instytut Pojazdów Szynowych " TABOR "
Hamulec klockowy i niektóre aspekty cieplnych uszkodzeń kół
W najbliższej przyszłości hamulce tarczowe i klockowe będą nadal podstawową
formą układów hamulcowych sterowanych pneumatycznie w pojazdach szynowych.
Hamulce tarczowe pozostaną przede wszystkim hamulcami realizującymi duże
moce hamowania. W zastosowaniach w wagonach towarowych jak również w
pojazdach o prędkościach maksymalnych do 120 km/h i na większe prędkości w
ściśle określonych warunkach brzegowych, hamulec klockowy jest nadal
interesujący ze względu na niskie koszty produkcji i niskie koszty
eksploatacji. W artykule przedstawiono czynniki mające wpływ na zakres
stosowalności hamulca klockowego i warunki brzegowe jego stosowania,
szczególnie w aspekcie różnych rodzajów materiałów wstawek hamulca
klockowego (żeliwnych i kompozytowych), oraz uszkodzeń cieplnych kół.
1. Wstęp
Aktualnie nie można zrezygnować z hamulców pneumatycznych w pojazdach
trakcyjnych komunikacji regionalnej i dalekobieżnej a przede wszystkim w
pociągach ciągnionych przez lokomotywy. Przy tym sprężone powietrze, jako
medium, jest konieczne nie tylko do wytworzenia siły hamowania, ale również
jest używane w klasycznym wykonaniu hamulca pneumatycznego jako czynnik
sterowania hamulcami w całym pociągu. Szczególnie w długich pociągach z
powodu skończonych prędkości rozchodzenia się fali hamowania w przewodzie
głównym, powstają problemy wynikające z coraz późniejszego wejścia do pracy
hamulców wzdłuż pociągu, co prowadzi do wydłużenia drogi hamowania a dla
małych prędkości pociągu do pojawienia się znacznych sił wzdłużnych, które
powodować mogą niejednokrotnie wykolejenia. Zmniejszenie tych wad
realizowane jest od dawna przez zastosowanie w hamulcach UIC nastawienia
"pospieszny", "osobowy" czy "towarowy" (w zależności od potrzeb
eksploatacyjnych), albo przez zastosowanie hamulców sterowanych elektrycznie
(hamulce EP w zespołach trakcyjnych i pociągach na duże prędkości).
Dodatkowo współczesne pojazdy trakcyjne są dzisiaj wyposażane w hamulec
elektrodynamiczny (ED), aby:
- uzyskana energia elektryczna podczas hamowania (z energii kinetycznej)
mogła być wykorzystana do napędu innych pojazdów lub ich napędów
pomocniczych
- ograniczyć stosowanie hamulców ciernych sterowanych pneumatycznie tak,
by zmniejszyć zużycie par ciernych (wstawek hamulca klockowego, powierzchni
tocznej kół, okładzin ciernych i tarcz hamulcowych) poprzez zmniejszenie do
minimum energii rozpraszanej przez te układy.
Dzięki temu zwiększa się wielokrotnie żywotność par ciernych, a co za tym
idzie zmniejsza się bardzo istotnie koszty eksploatacji.
Mimo stosowania hamulców elektropneumatycznych i elektrodynamicznych, z
hamulca pneumatycznego nadal nie można zrezygnować ze względów
bezpieczeństwa. Nie tylko dlatego, że awaria tych hamulców nie jest
wykluczona, ale również dlatego, że względnie proste jest wykazanie
właściwego bezpieczeństwa pojazdu z hamulcem ciernym w ramach wymaganych
dzisiaj warunków dopuszczenia pojazdów do ruchu. Hamulec cierny sterowany
pneumatycznie służy, jako nieodzowny hamulec zapewniający bezpieczeństwo
pociągu w hamowaniach służbowych, nagłych, uruchamianych w nagłych
przypadkach przez pasażerów i wymuszonych innymi układami (SHP, czuwak czy
radiostop), jak również jako hamulec postojowy. Dodatkowo stosowany jest we
wszystkich liniowych lub manewrowych lokomotywach jako dobrze stopniujący
się hamulec dodatkowy. Klasyczną formą hamulca sterowanego pneumatycznie
jest hamulec klockowy, który na początku był stosowany w postaci
impregnowanych klocków drewnianych, który jednak bardzo wcześnie z powodu
niewystarczającej odporności na temperaturę i niskie współczynniki tarcia na
"mokro" został zastąpiony klockami żeliwnymi. W trakcie wielu dziesiątków
lat eksploatacji zwiększano odporność tych klocków (wstawek) na zużycie
poprzez podniesienie zawartości fosforu. Dalsze poszukiwania wstawek o małym
zużyciu (wyższej żywotności eksploatacyjnej) i o bardziej stałym przebiegli
współczynnika tarcia w funkcji prędkości, stały się przed 25 laty powodem
rozwoju w Europie wielu rodzajów klocków z tworzyw kompozytowych (o różnych
parametrach użytkowych). Znalazły one szerokie zastosowanie w pojazdach
szynowych, jakkolwiek budziły na początku wiele wątpliwości i zastrzeżeń,
które wynikały przede wszystkim z konieczności wdrożenia nieco innej
techniki prowadzenia pociągów. Wstawki z tworzyw kompozytowych są
powszechnie stosowane od wielu lat w pojazdach trakcyjnych i wagonach
osobowych (lokomotywy manewrowe, zespoły trakcyjne starego typu np. S-Bahn w
DB, wagony osobowe Federacji Rosyjskiej), a ostatnio wdrażane są w wagonach
towarowych w całej Europie. Pociągi z tymi wstawkami eksploatowane są w
każdych warunkach klimatycznych, a wieloletnie doświadczenia kolei
europejskich w ich stosowaniu stały się podstawą do opracowania przez
podkomisję hamulcową UIC (5T "Hamulce") obowiązujących wytycznych ich
bezpiecznego eksploatowania [1]. Głównym powodem wdrażania do wagonów
towarowych wstawek z tworzyw kompozytowych jest konieczność zredukowania
hałasu pojazdów szynowych (pociągów), zwłaszcza podczas jazdy i hamowania.
Rozwiązanie to znalazło duże zainteresowanie jako rozwiązanie alternatywne w
stosunku do hamulca tarczowego, gdyż oba rozwiązania w równym stopniu
skutecznie eliminują hałas toczenia i hamowania pojazdu, przy czym hamulec
klockowy jest bardziej interesujący ze względu na bardzo niskie koszty
produkcji i niskie koszty eksploatacji. Mimo to hamulec tarczowy jest
dzisiaj dominującą formą budowy hamulca w wagonach osobowych i pojazdach
trakcyjnych wszędzie tam, gdzie wymagane są duże moce hamowania, które
występują w taborze dalekobieżnym, poruszającym się z coraz większymi
prędkościami (200 km/h i więcej).
2. Obciążenia cieplne i mechaniczne hamowanego koła
Procesem hamowania pojazdu jest zamiana jego energii kinetycznej w inne
postacie energii w celu zmniejszenia jego prędkości lub zatrzymania. Energia
kinetyczna pojazdu zamieniana jest w układach ciernych hamulca na
następujące postacie energii:
- ciepło
- odkształcenia sprężyste i plastyczne
- drgania
- nośność hydrodynamiczną
- przenikanie i pochłanianie molekuł par ciernych
- topnienie,
- rekrystalizację
- rozpad i powstawanie związków chemicznych zarówno na powierzchni tarcia
jak i w głębi materiałów itp.
Im większy jest udział energii cieplnej w stosunku do innych rodzajów
energii, tym materiał cierny jest bardziej odporny na zużycie. Zdecydowana
większość energii pojazdu w procesie hamowania jest zamieniana na energię
cieplną. Energia ta rozpraszana jest w skończonym czasie (hamowania),
prowadząc do powstania dużych mocy hamowania realizowanych przez parą
cierną. Na rys. 1 pokazano przykładowe przebiegi chwilowych mocy hamowania
dla różnych pojazdów szynowych podczas hamowania nagłego (do zatrzymania)
realizowane przez jedno koło lub tarczę.
Powstały w tym procesie strumień cieplny (będący mocą hamowania) dzieli się
na dwa główne strumienie: wpływający do koła i do wstawki (lub tarczy i
okładziny).
Współczynnik rozdziału strumienia cieplnego dla koła hamowanego wstawką
hamulca klockowego wynosi [2]:
[ciach]
Dla parametrów geometrycznych i cieplnych hamulca klockowego żeliwnego
pojazdów szynowych współczynnik alfa k wynosi około 0,7; to znaczy, że około
70% energii cieplnej wpływa do koła (a około 30% do wstawki). Dla hamulca
klockowego kompozytowego, przede wszystkim ze względu na mniejszy
współczynnik przewodności wstawki, współczynnik alfa k wynosi około 0,8.
Mimo korzystniejszego współczynnika rozdziału strumienia cieplnego dla
wstawek żeliwnych, wstawki kompozytowe lepiej współpracując (większą
powierzchnią rzeczywistą kontaktu) z powierzchnią koła nie prowadzą do
istotnie większych temperatur miejscowych koła, gdyż bardziej równomiernie
wprowadzają ciepło do koła.
Wstawka z żeliwa nagrzewając się w niewielkiej warstwie podczas pierwszych
kilkunastu sekund hamowania doznaje odkształcenia na skutek pojawiającego
się gradientu temperatury, który powoduje
wewnętrzne naprężenia termiczne. Odkształcenie to powoduje bardzo istotne
zmniejszenie powierzchni kontaktu rzeczywistego wstawki z kołem. W kole
natomiast powstający gradient temperatury po promieniu koła prowadzi do
wytworzenia się naprężeń termicznych ściskających. Maksymalne naprężenia
pojawiające się na powierzchni tocznej koła na skutek nagrzewania dla bardzo
dużych prędkości i dużych opóźnień pojazdu mogą osiągnąć nawet ponad 400
N/mm2 [4].
Na rys.2 pokazano fotografię powierzchni tarcia wstawki po hamowaniach
nagłych, na którym widać wyraźne zmniejszenie się rzeczywistej powierzchni
kontaktu.
Odkształcenie wstawki prowadzi do zwiększenia jednostkowego strumienia
cieplnego (kW/cm2) wpływającego zarówno do wstawki jak i do koła. Prowadzi
to do powstania miejscowych wysokich temperatur na powierzchni tocznej kół,
co w powiązaniu z dużą twardością żeliwa prowadzi do pojawienia się zjawiska
niestabilności termosprężystej zogniskowanej (tzw. miejscowych przegrzań -
hot spot). W takiej sytuacji miejscowe temperatury na powierzchniach
ciernych wstawki i koła mogą przekraczać 1000 stopni C. Tak wysokie
temperatury wywołują intensywne iskrzenie a niekiedy nawet zapłon produków
zużycia, co powodować może pożary terenów przytorowych. Zjawisko takie
pokazano na fotografii na rys 3. Wstawki kompozytowe nie odkształcają się
tak jak wstawki żeliwne, a przy właściwie dobranej twardości do wymaganego
zakresu zastosowania nie wywołują zjawiska niestabilności termosprężystej
zogniskowanej koła, dzięki czemu temperatury miejscowe i ich gradienty w
kole są wielokrotnie niższe podczas hamowania i nie stwarzają zagrożenia
pożarowego. Przykładową zależność granicznej twardości okładziny
kompozytowej w funkcji prędkości pojazdu nie powodującej niestabilności
termosprężystej zogniskowanej pokazano na rys.4 [3].
Wstawki kompozytowe nie prowadzące do niestabilności termosprężystej
zogniskowanej koła wywołują niższe miejscowe temperatury w kole i tym samym
niższe naprężenia cieplne.
Podczas toczenia się kół po szynie w miejscu styku koła i szyny pojawiają
się naprężenia zwane naprężeniami kontaktowymi. Naprężenia te, występujące
na niewielkim obszarze koła, również są ściskające (tak jak naprężenia
termiczne) i osiągają znaczne wartości. Na skutek toczenia się kół po szynie
wartość tych naprężeń zależy od prędkości, nacisku koła na szynę i od
średnicy koła. Przekraczają one granicę plastyczności materiału koła na
głębokości kilku milimetrów. Naprężenia zredukowane w tym obszarze są
porcjonalne do
[ciach]
przede wszystkim od prędkości jazdy, Q - obciążeniem koła, a D - średnicą
koła. Naprężenia te osiągają wartość około 350 N/mm2 [4]. Dodatkowo koła
obciążone są stycznymi siłami od poślizgów wzdłużnych, poprzecznych i
krętych.
3. Graniczna obciążalność koła hamowanego hamulcem klockowym i najczęściej
spotykane uszkodzenia powierzchni tocznej kół
Obciążenia cieplne i mechaniczne materiału koła wyznaczają granicę
stosowalności hamulca klockowego pokazaną na rys.5 [4].
Superpozycja wyżej opisanych obciążeń prowadzi bowiem do przekroczenia
granicy plastyczności na powierzchni tocznej oraz kilka milimetrów pod
powierzchnią toczną koła. Przekroczenia te powodują (już po kilkudziesięciu
intensywnych hamowaniach) pojawienie się siatki termicznych pęknięć
pokazanej na rys.6, a po dalszej eksploatacji wykruszanie się materiału
obręczy kół z powierzchni tocznej tzw. pitting kół, pokazany na rys.7.
Zjawiska te pojawiają się zarówno we współpracy ze wstawkami żeliwnymi jak i
ze wstawkami kompozytowymi. W przypadku wstawek żeliwnych obserwacja
początkowych pęknięć termicznych jest utrudniona ze względu na zacieranie
ich przez klocek (rowkowanie koła i permanentne tworzenie się połączeń
adhezyjnych żeliwnych produktów zużycia z materiałem koła), ale drugi etap
uszkodzeń tzw. pitting kół jest zjawiskiem powszechnie występującym w
lokomotywach i wagonach intensywnie eksploatowanych z większymi
prędkościami.
Wprowadzanie ciepła przez wstawkę podczas hamowania nie jest jedynym źródłem
wprowadzania obciążeń cieplnych kół. Dużo bardziej groźne okazują się
poślizgi kół po szynie [4] w trakcie zarówno rozruchu jak i hamowania. Na
rys. 8 pokazano przegrzanie miejscowe wywołane poślizgiem; granatowa obwódka
niewielkiego płaskiego miejsca (na zdjęciu czarno białym widoczna jako
ciemna obwódka w obszarze płaskiego miejsca) wskazuje na przekroczenie
temperatury około 450°C.
Uszkodzenia w postaci wykruszeń materiału z powierzchni tocznej koła (tzw.
Pitting koła) na skutek takiego obciążenia mogą się pojawić już po paru
miesiącach niewłaściwej eksploatacji (np. po intensywnych rozruchach i
hamowaniach w warunkach pogorszonej sezonowo przyczepności kół) bez
stwierdzenia wyraźnych płaskich miejsc na kołach. Uszkodzenia takie
obserwuje się często na lokomotywach, napędnych kołach zespołów trakcyjnych,
ale również na wagonach osobowych wyposażonych w hamulec tarczowy!
W celu ograniczenia takich uszkodzeń kół, w pojazdach hamowanych klockami i
intensywnie eksploatowanych, montuje się nowoczesne układy przeciwpoślizgowe
zarówno przy rozruchu jak i podczas hamowania, zmienia się materiał kół na
bardziej odporny na pękania kruche i o większej wytrzymałości, rejestruje
się każde bardzo intensywne hamowanie po którym wykonuje się płytkie
przetoczenie [5]. Dzięki takim działaniom niektórym zarządom kolejowym udało
się istotnie wydłużyć przebiegi lokomotyw hamowanych hamulcem klockowym.
Przykład lokomotywy elektrycznej S252 hiszpańskich kolei RENFE pokazuje, że
przy pomocy takich eksploatacyjnych działań prewencyjnych z zakresu
eksploatacji i technicznych warunków utrzymania taboru, żywotność kół może
przekroczyć milion kilometrów przebiegu lokomotywy [6].
Mimo to, opisane wyżej uszkodzenia kół stanowią do dziś bardzo poważny
problem w eksploatacji taboru kolejowego, szczególnie w zarządach, które nie
partycypują w rozwoju nowych rozwiązań konstrukcyjnych i nowych materiałów
wdrażanych do eksploatacji, oraz nie wdrażają nowych technik eksploatacji.
4. Zakończenie
Hamulce klockowe i tarczowe w najbliższej przyszłości będą nadal powszechnie
stosowanymi rodzajami hamulców, przy czym ich zakres stosowania w zależności
od technicznej i ekonomicznej przewagi coraz bardziej będzie się rozdzielał.
Dla pojazdów bez napędu i z niewielkimi wymaganiami co do mocy hamowania (do
około 450 kW na zestaw kołowy), hamulec klockowy jest konstrukcyjnie
najprostszym i zasadnym rozwiązaniem, szczególnie dla wagonów towarowych.
Rozwój wstawek kompozytowych o niskim współczynniku tarcia, podobnym do
wstawek z żeliwa szarego zapewni zmniejszenie hałasu w wagonach towarowych i
innych pojazdach o prędkości maksymalnej (do 120 km/h) poprzez prostą
wymianę wstawek bez dużych nakładów.
Dla dużych mocy hamowania (do 800 kW na zestaw kołowy) - i w przyszłości być
może również dla jeszcze większych - stosowane będą hamulce tarczowe, gdyż
tylko one są w stanie skutecznie i w dłuższym czasie (eksploatacji)
zagwarantować odprowadzenie ciepła bez niedopuszczalnych (niebezpiecznych)
naprężeń w kołach (szczególnie przy powierzchni tocznej). W pojazdach
trakcyjnych na większe prędkości (120-200 km/h), które wyposażone są
dodatkowo w hamulce dynamiczne dużej mocy uwzględniane obliczeniowo w
ogólnej skuteczności hamowania pojazdu (co jest dzisiaj przypadkiem
powszechnym), otwartym jest pytanie czy hamulcem bezpieczeństwa powinien być
hamulec tarczowy na kołach lub na osiach (lub wałach), czy jednak hamulec
klockowy ze względu na swoją prostotę i niskie koszty eksploatacji. Z tego
powodu, że hamulce pneumatyczne nie muszą być często używane w tego typu
pojazdach, należałoby zalecać stosowanie hamulca klockowego. W takim
przypadku musi być jednak zagwarantowane, by po każdym intensywnym hamowaniu
(nagłym i zbliżonym do pełnego) z hamulcem klockowym, nastąpiło w krótkim
czasie po tym zdarzeniu, niezbyt głębokie przetoczenie powierzchni tocznej
kół. Określenie tych hamowań przez sterownik mikroprocesorowy pojazdu jest
dzisiaj tak samo proste do zrealizowania jak "inteligentne" sterowanie
hamulcem dynamicznym z niewielkim uzupełnieniem go przez hamulec klockowy,
spełniający rolę "hamulca czyszczącego", działającego w celu kondycjonowania
powierzchni tocznej kół, by utrzymać wysoki współczynnik przyczepności
koło-szyna, zapewniający dużą siłę pociągową pojazdu. Wydaje się więc, że
hamulec klockowy ze wstawkami żeliwnymi lub kompozytowymi będzie jeszcze
długo stosowany w pojazdach szynowych o parametrach mieszczących się w
granicach stosowalności tego hamulca.
Literatura:
dr inż. Marian Kaluba
Instytut Pojazdów Szynowych " TABOR "
Hamulec klockowy i niektóre aspekty cieplnych uszkodzeń kół
W najbliższej przyszłości hamulce tarczowe i klockowe będą nadal podstawową
formą układów hamulcowych sterowanych pneumatycznie w pojazdach szynowych.
Hamulce tarczowe pozostaną przede wszystkim hamulcami realizującymi duże
moce hamowania. W zastosowaniach w wagonach towarowych jak również w
pojazdach o prędkościach maksymalnych do 120 km/h i na większe prędkości w
ściśle określonych warunkach brzegowych, hamulec klockowy jest nadal
interesujący ze względu na niskie koszty produkcji i niskie koszty
eksploatacji. W artykule przedstawiono czynniki mające wpływ na zakres
stosowalności hamulca klockowego i warunki brzegowe jego stosowania,
szczególnie w aspekcie różnych rodzajów materiałów wstawek hamulca
klockowego (żeliwnych i kompozytowych), oraz uszkodzeń cieplnych kół.
1. Wstęp
Aktualnie nie można zrezygnować z hamulców pneumatycznych w pojazdach
trakcyjnych komunikacji regionalnej i dalekobieżnej a przede wszystkim w
pociągach ciągnionych przez lokomotywy. Przy tym sprężone powietrze, jako
medium, jest konieczne nie tylko do wytworzenia siły hamowania, ale również
jest używane w klasycznym wykonaniu hamulca pneumatycznego jako czynnik
sterowania hamulcami w całym pociągu. Szczególnie w długich pociągach z
powodu skończonych prędkości rozchodzenia się fali hamowania w przewodzie
głównym, powstają problemy wynikające z coraz późniejszego wejścia do pracy
hamulców wzdłuż pociągu, co prowadzi do wydłużenia drogi hamowania a dla
małych prędkości pociągu do pojawienia się znacznych sił wzdłużnych, które
powodować mogą niejednokrotnie wykolejenia. Zmniejszenie tych wad
realizowane jest od dawna przez zastosowanie w hamulcach UIC nastawienia
"pospieszny", "osobowy" czy "towarowy" (w zależności od potrzeb
eksploatacyjnych), albo przez zastosowanie hamulców sterowanych elektrycznie
(hamulce EP w zespołach trakcyjnych i pociągach na duże prędkości).
Dodatkowo współczesne pojazdy trakcyjne są dzisiaj wyposażane w hamulec
elektrodynamiczny (ED), aby:
- uzyskana energia elektryczna podczas hamowania (z energii kinetycznej)
mogła być wykorzystana do napędu innych pojazdów lub ich napędów
pomocniczych
- ograniczyć stosowanie hamulców ciernych sterowanych pneumatycznie tak,
by zmniejszyć zużycie par ciernych (wstawek hamulca klockowego, powierzchni
tocznej kół, okładzin ciernych i tarcz hamulcowych) poprzez zmniejszenie do
minimum energii rozpraszanej przez te układy.
Dzięki temu zwiększa się wielokrotnie żywotność par ciernych, a co za tym
idzie zmniejsza się bardzo istotnie koszty eksploatacji.
Mimo stosowania hamulców elektropneumatycznych i elektrodynamicznych, z
hamulca pneumatycznego nadal nie można zrezygnować ze względów
bezpieczeństwa. Nie tylko dlatego, że awaria tych hamulców nie jest
wykluczona, ale również dlatego, że względnie proste jest wykazanie
właściwego bezpieczeństwa pojazdu z hamulcem ciernym w ramach wymaganych
dzisiaj warunków dopuszczenia pojazdów do ruchu. Hamulec cierny sterowany
pneumatycznie służy, jako nieodzowny hamulec zapewniający bezpieczeństwo
pociągu w hamowaniach służbowych, nagłych, uruchamianych w nagłych
przypadkach przez pasażerów i wymuszonych innymi układami (SHP, czuwak czy
radiostop), jak również jako hamulec postojowy. Dodatkowo stosowany jest we
wszystkich liniowych lub manewrowych lokomotywach jako dobrze stopniujący
się hamulec dodatkowy. Klasyczną formą hamulca sterowanego pneumatycznie
jest hamulec klockowy, który na początku był stosowany w postaci
impregnowanych klocków drewnianych, który jednak bardzo wcześnie z powodu
niewystarczającej odporności na temperaturę i niskie współczynniki tarcia na
"mokro" został zastąpiony klockami żeliwnymi. W trakcie wielu dziesiątków
lat eksploatacji zwiększano odporność tych klocków (wstawek) na zużycie
poprzez podniesienie zawartości fosforu. Dalsze poszukiwania wstawek o małym
zużyciu (wyższej żywotności eksploatacyjnej) i o bardziej stałym przebiegli
współczynnika tarcia w funkcji prędkości, stały się przed 25 laty powodem
rozwoju w Europie wielu rodzajów klocków z tworzyw kompozytowych (o różnych
parametrach użytkowych). Znalazły one szerokie zastosowanie w pojazdach
szynowych, jakkolwiek budziły na początku wiele wątpliwości i zastrzeżeń,
które wynikały przede wszystkim z konieczności wdrożenia nieco innej
techniki prowadzenia pociągów. Wstawki z tworzyw kompozytowych są
powszechnie stosowane od wielu lat w pojazdach trakcyjnych i wagonach
osobowych (lokomotywy manewrowe, zespoły trakcyjne starego typu np. S-Bahn w
DB, wagony osobowe Federacji Rosyjskiej), a ostatnio wdrażane są w wagonach
towarowych w całej Europie. Pociągi z tymi wstawkami eksploatowane są w
każdych warunkach klimatycznych, a wieloletnie doświadczenia kolei
europejskich w ich stosowaniu stały się podstawą do opracowania przez
podkomisję hamulcową UIC (5T "Hamulce") obowiązujących wytycznych ich
bezpiecznego eksploatowania [1]. Głównym powodem wdrażania do wagonów
towarowych wstawek z tworzyw kompozytowych jest konieczność zredukowania
hałasu pojazdów szynowych (pociągów), zwłaszcza podczas jazdy i hamowania.
Rozwiązanie to znalazło duże zainteresowanie jako rozwiązanie alternatywne w
stosunku do hamulca tarczowego, gdyż oba rozwiązania w równym stopniu
skutecznie eliminują hałas toczenia i hamowania pojazdu, przy czym hamulec
klockowy jest bardziej interesujący ze względu na bardzo niskie koszty
produkcji i niskie koszty eksploatacji. Mimo to hamulec tarczowy jest
dzisiaj dominującą formą budowy hamulca w wagonach osobowych i pojazdach
trakcyjnych wszędzie tam, gdzie wymagane są duże moce hamowania, które
występują w taborze dalekobieżnym, poruszającym się z coraz większymi
prędkościami (200 km/h i więcej).
2. Obciążenia cieplne i mechaniczne hamowanego koła
Procesem hamowania pojazdu jest zamiana jego energii kinetycznej w inne
postacie energii w celu zmniejszenia jego prędkości lub zatrzymania. Energia
kinetyczna pojazdu zamieniana jest w układach ciernych hamulca na
następujące postacie energii:
- ciepło
- odkształcenia sprężyste i plastyczne
- drgania
- nośność hydrodynamiczną
- przenikanie i pochłanianie molekuł par ciernych
- topnienie,
- rekrystalizację
- rozpad i powstawanie związków chemicznych zarówno na powierzchni tarcia
jak i w głębi materiałów itp.
Im większy jest udział energii cieplnej w stosunku do innych rodzajów
energii, tym materiał cierny jest bardziej odporny na zużycie. Zdecydowana
większość energii pojazdu w procesie hamowania jest zamieniana na energię
cieplną. Energia ta rozpraszana jest w skończonym czasie (hamowania),
prowadząc do powstania dużych mocy hamowania realizowanych przez parą
cierną. Na rys. 1 pokazano przykładowe przebiegi chwilowych mocy hamowania
dla różnych pojazdów szynowych podczas hamowania nagłego (do zatrzymania)
realizowane przez jedno koło lub tarczę.
Powstały w tym procesie strumień cieplny (będący mocą hamowania) dzieli się
na dwa główne strumienie: wpływający do koła i do wstawki (lub tarczy i
okładziny).
Współczynnik rozdziału strumienia cieplnego dla koła hamowanego wstawką
hamulca klockowego wynosi [2]:
[ciach]
Dla parametrów geometrycznych i cieplnych hamulca klockowego żeliwnego
pojazdów szynowych współczynnik alfa k wynosi około 0,7; to znaczy, że około
70% energii cieplnej wpływa do koła (a około 30% do wstawki). Dla hamulca
klockowego kompozytowego, przede wszystkim ze względu na mniejszy
współczynnik przewodności wstawki, współczynnik alfa k wynosi około 0,8.
Mimo korzystniejszego współczynnika rozdziału strumienia cieplnego dla
wstawek żeliwnych, wstawki kompozytowe lepiej współpracując (większą
powierzchnią rzeczywistą kontaktu) z powierzchnią koła nie prowadzą do
istotnie większych temperatur miejscowych koła, gdyż bardziej równomiernie
wprowadzają ciepło do koła.
Wstawka z żeliwa nagrzewając się w niewielkiej warstwie podczas pierwszych
kilkunastu sekund hamowania doznaje odkształcenia na skutek pojawiającego
się gradientu temperatury, który powoduje
wewnętrzne naprężenia termiczne. Odkształcenie to powoduje bardzo istotne
zmniejszenie powierzchni kontaktu rzeczywistego wstawki z kołem. W kole
natomiast powstający gradient temperatury po promieniu koła prowadzi do
wytworzenia się naprężeń termicznych ściskających. Maksymalne naprężenia
pojawiające się na powierzchni tocznej koła na skutek nagrzewania dla bardzo
dużych prędkości i dużych opóźnień pojazdu mogą osiągnąć nawet ponad 400
N/mm2 [4].
Na rys.2 pokazano fotografię powierzchni tarcia wstawki po hamowaniach
nagłych, na którym widać wyraźne zmniejszenie się rzeczywistej powierzchni
kontaktu.
Odkształcenie wstawki prowadzi do zwiększenia jednostkowego strumienia
cieplnego (kW/cm2) wpływającego zarówno do wstawki jak i do koła. Prowadzi
to do powstania miejscowych wysokich temperatur na powierzchni tocznej kół,
co w powiązaniu z dużą twardością żeliwa prowadzi do pojawienia się zjawiska
niestabilności termosprężystej zogniskowanej (tzw. miejscowych przegrzań -
hot spot). W takiej sytuacji miejscowe temperatury na powierzchniach
ciernych wstawki i koła mogą przekraczać 1000 stopni C. Tak wysokie
temperatury wywołują intensywne iskrzenie a niekiedy nawet zapłon produków
zużycia, co powodować może pożary terenów przytorowych. Zjawisko takie
pokazano na fotografii na rys 3. Wstawki kompozytowe nie odkształcają się
tak jak wstawki żeliwne, a przy właściwie dobranej twardości do wymaganego
zakresu zastosowania nie wywołują zjawiska niestabilności termosprężystej
zogniskowanej koła, dzięki czemu temperatury miejscowe i ich gradienty w
kole są wielokrotnie niższe podczas hamowania i nie stwarzają zagrożenia
pożarowego. Przykładową zależność granicznej twardości okładziny
kompozytowej w funkcji prędkości pojazdu nie powodującej niestabilności
termosprężystej zogniskowanej pokazano na rys.4 [3].
Wstawki kompozytowe nie prowadzące do niestabilności termosprężystej
zogniskowanej koła wywołują niższe miejscowe temperatury w kole i tym samym
niższe naprężenia cieplne.
Podczas toczenia się kół po szynie w miejscu styku koła i szyny pojawiają
się naprężenia zwane naprężeniami kontaktowymi. Naprężenia te, występujące
na niewielkim obszarze koła, również są ściskające (tak jak naprężenia
termiczne) i osiągają znaczne wartości. Na skutek toczenia się kół po szynie
wartość tych naprężeń zależy od prędkości, nacisku koła na szynę i od
średnicy koła. Przekraczają one granicę plastyczności materiału koła na
głębokości kilku milimetrów. Naprężenia zredukowane w tym obszarze są
porcjonalne do
[ciach]
przede wszystkim od prędkości jazdy, Q - obciążeniem koła, a D - średnicą
koła. Naprężenia te osiągają wartość około 350 N/mm2 [4]. Dodatkowo koła
obciążone są stycznymi siłami od poślizgów wzdłużnych, poprzecznych i
krętych.
3. Graniczna obciążalność koła hamowanego hamulcem klockowym i najczęściej
spotykane uszkodzenia powierzchni tocznej kół
Obciążenia cieplne i mechaniczne materiału koła wyznaczają granicę
stosowalności hamulca klockowego pokazaną na rys.5 [4].
Superpozycja wyżej opisanych obciążeń prowadzi bowiem do przekroczenia
granicy plastyczności na powierzchni tocznej oraz kilka milimetrów pod
powierzchnią toczną koła. Przekroczenia te powodują (już po kilkudziesięciu
intensywnych hamowaniach) pojawienie się siatki termicznych pęknięć
pokazanej na rys.6, a po dalszej eksploatacji wykruszanie się materiału
obręczy kół z powierzchni tocznej tzw. pitting kół, pokazany na rys.7.
Zjawiska te pojawiają się zarówno we współpracy ze wstawkami żeliwnymi jak i
ze wstawkami kompozytowymi. W przypadku wstawek żeliwnych obserwacja
początkowych pęknięć termicznych jest utrudniona ze względu na zacieranie
ich przez klocek (rowkowanie koła i permanentne tworzenie się połączeń
adhezyjnych żeliwnych produktów zużycia z materiałem koła), ale drugi etap
uszkodzeń tzw. pitting kół jest zjawiskiem powszechnie występującym w
lokomotywach i wagonach intensywnie eksploatowanych z większymi
prędkościami.
Wprowadzanie ciepła przez wstawkę podczas hamowania nie jest jedynym źródłem
wprowadzania obciążeń cieplnych kół. Dużo bardziej groźne okazują się
poślizgi kół po szynie [4] w trakcie zarówno rozruchu jak i hamowania. Na
rys. 8 pokazano przegrzanie miejscowe wywołane poślizgiem; granatowa obwódka
niewielkiego płaskiego miejsca (na zdjęciu czarno białym widoczna jako
ciemna obwódka w obszarze płaskiego miejsca) wskazuje na przekroczenie
temperatury około 450°C.
Uszkodzenia w postaci wykruszeń materiału z powierzchni tocznej koła (tzw.
Pitting koła) na skutek takiego obciążenia mogą się pojawić już po paru
miesiącach niewłaściwej eksploatacji (np. po intensywnych rozruchach i
hamowaniach w warunkach pogorszonej sezonowo przyczepności kół) bez
stwierdzenia wyraźnych płaskich miejsc na kołach. Uszkodzenia takie
obserwuje się często na lokomotywach, napędnych kołach zespołów trakcyjnych,
ale również na wagonach osobowych wyposażonych w hamulec tarczowy!
W celu ograniczenia takich uszkodzeń kół, w pojazdach hamowanych klockami i
intensywnie eksploatowanych, montuje się nowoczesne układy przeciwpoślizgowe
zarówno przy rozruchu jak i podczas hamowania, zmienia się materiał kół na
bardziej odporny na pękania kruche i o większej wytrzymałości, rejestruje
się każde bardzo intensywne hamowanie po którym wykonuje się płytkie
przetoczenie [5]. Dzięki takim działaniom niektórym zarządom kolejowym udało
się istotnie wydłużyć przebiegi lokomotyw hamowanych hamulcem klockowym.
Przykład lokomotywy elektrycznej S252 hiszpańskich kolei RENFE pokazuje, że
przy pomocy takich eksploatacyjnych działań prewencyjnych z zakresu
eksploatacji i technicznych warunków utrzymania taboru, żywotność kół może
przekroczyć milion kilometrów przebiegu lokomotywy [6].
Mimo to, opisane wyżej uszkodzenia kół stanowią do dziś bardzo poważny
problem w eksploatacji taboru kolejowego, szczególnie w zarządach, które nie
partycypują w rozwoju nowych rozwiązań konstrukcyjnych i nowych materiałów
wdrażanych do eksploatacji, oraz nie wdrażają nowych technik eksploatacji.
4. Zakończenie
Hamulce klockowe i tarczowe w najbliższej przyszłości będą nadal powszechnie
stosowanymi rodzajami hamulców, przy czym ich zakres stosowania w zależności
od technicznej i ekonomicznej przewagi coraz bardziej będzie się rozdzielał.
Dla pojazdów bez napędu i z niewielkimi wymaganiami co do mocy hamowania (do
około 450 kW na zestaw kołowy), hamulec klockowy jest konstrukcyjnie
najprostszym i zasadnym rozwiązaniem, szczególnie dla wagonów towarowych.
Rozwój wstawek kompozytowych o niskim współczynniku tarcia, podobnym do
wstawek z żeliwa szarego zapewni zmniejszenie hałasu w wagonach towarowych i
innych pojazdach o prędkości maksymalnej (do 120 km/h) poprzez prostą
wymianę wstawek bez dużych nakładów.
Dla dużych mocy hamowania (do 800 kW na zestaw kołowy) - i w przyszłości być
może również dla jeszcze większych - stosowane będą hamulce tarczowe, gdyż
tylko one są w stanie skutecznie i w dłuższym czasie (eksploatacji)
zagwarantować odprowadzenie ciepła bez niedopuszczalnych (niebezpiecznych)
naprężeń w kołach (szczególnie przy powierzchni tocznej). W pojazdach
trakcyjnych na większe prędkości (120-200 km/h), które wyposażone są
dodatkowo w hamulce dynamiczne dużej mocy uwzględniane obliczeniowo w
ogólnej skuteczności hamowania pojazdu (co jest dzisiaj przypadkiem
powszechnym), otwartym jest pytanie czy hamulcem bezpieczeństwa powinien być
hamulec tarczowy na kołach lub na osiach (lub wałach), czy jednak hamulec
klockowy ze względu na swoją prostotę i niskie koszty eksploatacji. Z tego
powodu, że hamulce pneumatyczne nie muszą być często używane w tego typu
pojazdach, należałoby zalecać stosowanie hamulca klockowego. W takim
przypadku musi być jednak zagwarantowane, by po każdym intensywnym hamowaniu
(nagłym i zbliżonym do pełnego) z hamulcem klockowym, nastąpiło w krótkim
czasie po tym zdarzeniu, niezbyt głębokie przetoczenie powierzchni tocznej
kół. Określenie tych hamowań przez sterownik mikroprocesorowy pojazdu jest
dzisiaj tak samo proste do zrealizowania jak "inteligentne" sterowanie
hamulcem dynamicznym z niewielkim uzupełnieniem go przez hamulec klockowy,
spełniający rolę "hamulca czyszczącego", działającego w celu kondycjonowania
powierzchni tocznej kół, by utrzymać wysoki współczynnik przyczepności
koło-szyna, zapewniający dużą siłę pociągową pojazdu. Wydaje się więc, że
hamulec klockowy ze wstawkami żeliwnymi lub kompozytowymi będzie jeszcze
długo stosowany w pojazdach szynowych o parametrach mieszczących się w
granicach stosowalności tego hamulca.
Literatura: