بخشی از مقاله
مطالعه میدانی جهت بهبود سیستم ترمز JZ-7 لکوموتیوهای مدل DF8Bi و تحلیل نتایج آن
چکیده
نسل جدید لکوموتیوهای وارد شده به ایران لکوموتیوهای DF8Bi چینی میباشند که در حال حاضر 31 دستگاه از این لکوموتیوها به مالکیت شرکت های راه آهن حمل و نقل و نماد ریل گستر در ناوگان حمل و نقل ریلی کشور بهره برداری میشوند. از مهمترین تجهیـزات در تـامین ایمنـی ضمن حرکت در یک وسیله نقلیه سامانه ترمز آن است که باید بتواند وسیله متحرک را تحت هر شرایطی در محـدوده مسـافت مشخصـی متوقـف نماید. لکوموتیوهای مدل DF8Bi مجهز به سیستم ترمز JZ-7 بوده که از نظر عملکرد سامانه ترمز هنگامیکه لکوموتیو منفرد یا بدون قطـار سـیر می نماید ضعیف می باشند و مسافت ترمز آن بیشتر از مقدار مجاز است. در این تحقیق با انجام تستهای عملی در طول خط و اندازه بـرداریهـای میدانی سایش چرخ، اثرات تعویض جنس کفش ترمز متالورژی پودر با دو ضریب چسبندگی 0.205 و 0.236 و همچنـین کفـش ترمـز کامپوزیـت بررسی شده و اثربخش بودن این تغییر با مقایسه طول مسافت ترمز و اندازهگیری نرخ سایش چرخ در هر نوع کفش ترمز مورد بررسی قـرار گرفتـه است. نتایج اندازه گیری های میدانی نشان می دهد استفاده از کفش ترمز متالورژی پودر باعث افزایش نرخ تیزی پروفیل می گـردد بطوریکـه ارتفـاع فلنچ لکوموتیوی که مجهز به کفش ترمز کامپوزیتی بوده است بعد از طی مسافت 70.000 کیلومتر برابر 29.3 میلی متر بـوده در صـورتیکه ارتفـاع فلنچ لکوموتیوی که مجهز به کفش ترمز متالورژی پودر بوده است در همان مسافت و شرایط کاری برابر 30.1 میلی متر انـدازهگیـری شـده اسـت. برای دو نوع کفش ترمز متفاوت، در سرعت 100 کیلومتر بر ساعت و در شیب 10 در هزار در شرایط مشابه، مسافت ترمز با کفش ترمز کـامپوزیتی 700 متر، مسافت ترمز با کفش ترمز متالورژی پودر با ضریب چسبندگی 0.205 برابر 1491 متر و مسافت ترمز با کفش ترمـز متـالورژی پـودر بـا ضریب چسبندگی 0.236 برابر 752 متر اندازه گیری شد که نشاندهنده بازدهی تقریباً برابر کفش ترمز متالورژی پودر با ضریب چسبندگی 0.236 و کفش ترمز کامپوزیت میباشد.
کلمات کلیدی: سیستم ترمز JZ-7، کفش ترمز متالورژی پودر، کفش ترمز کامپوزیت، مسافت ترمز، ارتفاع فلنچ
مقدمه
وجود یک سیستم ترمز کارا و ایمن از جمله ضروریات آغاز یک سفر ریلی است. تعداد المانهای حفاظتی در این بخش نیز موید این ادعاسـت. یکی از فاکتورهای کلیدی سیر یک قطار بر اساس آرایش لکوموتیوها و واگن ها ، مسافت ترمزی آن می باشد. به طور خاص این فاکتور جهت حفظ ایمنی سیر و جلوگیری حوادث در سیستم حمل و نقل ریلی نقش حیاتی بر عهده دارد.
نسل جدید لکوموتیوهای وارد شده به ایران لکوموتیوهای DF8Bi چینی مجهز به سیستم ترمز JZ-7 می باشند که در حال حاضر 31 دسـتگاه از این لکوموتیوها به مالکیت شرکت راهآهن حمل و نقل و شرکت نماد ریل گستر در ناوگان حمل و نقل ریلی کشور بهره برداری میشوند. متأسفانه لکوموتیوهای مذکور از نظر عملکرد سامانه ترمز هنگامیکه لکوموتیو منفرد یا بدون قطار سیر مینماید ضعیف می باشند و خـط ( مسـافت) ترمـز آن بیشتر از مقدار انتظار راهآهن جمهوری اسلامی ایران است. بدین دلیل راهآهن ایران بمنظور حفظ ایمنی در تردد ناوگان حمل و نقـل ریلـی کشـور محدوده سرعت سیر مجاز را برای این لکوموتیو کاهش داده که از پیامدهای این موضوع میتـوان بـه کـاهش سـرعت سـیر در خطـوط مواصـلاتی راه آهن، کاهش بهره وری در حمل و نقل ریلی، کاهش بازدهی شرکت خصوصی مالک لکوموتیوها و در نهایت خسارات مالی که به صـنعت حمـل و نقل ریلی کشور وارد خواهد شد اشاره نمود.
راهآهن جمهوری اسلامی ایران، اقدامات متعددی در رابطه با جایگزینی کفش ترمز های کامپوزیتی به جای کفش ترمزهای چدنی انجام داده که طی تلاشهای کارشناسان این مرکز، تغییراتی در سیستم ترمز لکوموتیوها و واگنهای مسافری و باری صورت گرفته است. اما به دلیل اینکه ضریب اصطکاک کامپوزیت بیشتر از چدن است در این تحقیقات سعی شده تا با تغییر در سیستم اهرم بندی ترمز لکوموتیو، اثرات این افزایش اصطکاک را جبران کرده تا به چرخ و ریل آسیبی وارد نشود. اطلاعات و نتایج این تحقیقات بطور شایسته منعکس نشده و در مجلات و همایشهـا مـورد بحـث قرار نگرفته و تنها در برخی اسناد فنی، این تغییرات ثبت گردیده است. اصغر نصر و همکارانش [1] در مقالهای با عنوان: "هماهنگسـازی عملکـرد سیستم ترمز واگنهای روسی و کنوری در راه آهن ایران" بر روی زمان ترمزگیری واگنها با سیستم ترمزهای متفاوت بحث نموده و با تغییراتـی در سوپاپ های ترمز روسی اختلاف زمان ترمز گیری را به حداقل خود رسـاندهانـد. حمیدرضـا جاهـد مطلـق و همکـارانش[2] در مقالـهای بـا عنـوان: "پارامترهای مؤثر بر سایش چرخ و ریل" به عوامل مؤثر بر سایش چرخ و ریل اشاره نموده و جنس کفش ترمز را یکی از عوامل مهم و تعیین کننده در سایش چرخ دانستهاند. چاندرا و همکاران[3] در مقالهای بـا عنـوان: " Development of Iron Based Brake Friction Material by Hot "Powder Pre-form Forging Technique used for Medium to Heavy Duty Applications با ارائـه عکـسهـای متـالوگرافی و تشـریح فرآیند تولید کفش ترمزهای متالورژی پودر به مزایای استفاده از متالورژی پودر مانند: رفع مشکل اتصال کفش ترمز بـه صـفحه پشـتی و دانسـیته پایینتر آن اشاره داشتهاند. با ورود لکوموتیوهای مدل DF8Bi، نسل جدید کفش ترمز با عنوان متالورژی پودر به ایران وارد شده که در این تحقیق به برخی خصوصیات آن میپردازیم.
بررسی روشهای بهبود سیستم ترمز JZ-7
کاهش مسافت ترمز لکوموتیو به روشهای زیر قابل مطالعه و اجراست :[4]
1. تعویض سیستم ترمز: تعویض سیستم ترمز به معنای تغییر تمام مدار ترمز از ابتدا (تولید هوای فشرده) تا انتها (سیلندر ترمز) میباشد. طراحی یک سیستم ترمز با توجه به مشخصات فنی شامل وزن، فاصله بین محوری، تعداد سیلندر ترمز و ... صورت میپذیرد. لذا تعویض سیستم ترمز، علاوه بر صرف هزینه، زمان (توقف ناوگان جهت تعویض سیستم ترمز) و ... بعلت نامشخص بودن نتیجه از نظر فنی و مهندسی مردود میباشد.
تغییر اهرمبندی ترمز: وظیفه اهرم بندی ترمز این است که نیروهای تولید شده در سیلندر ترمز را افزایش داده و بطور یکنواخت و متعادل به کفش ترمز منتقل نماید. نوع ساخت و عملکرد اهرمبندی ترمز به مواردی همچون: نوع وسیله نقلیه (لکوموتیو، واگن کشش، واگن مسافری، باری و...)، مدل ترمز (ترمز دیسکی یا کفش ترمزی) و اندازه لقی (فواصل تنظیم) بستگی دارد. [5]
2. تغییر جنس کفش و افزایش قدرت ترمزی: یکی از عوامل تأثیر گذار در مسافت ترمز لکوموتیو، ضریب اصطکاک و چسبندگی بین کفش ترمز و چرخ میباشد. موضوع ضریب اصطکاک کفش ترمز بارها در مجامع علمی مورد بحث قرار گرفته و در مجلات علمی مقالاتی در این رابطه به چاپ رسیده است. به نظر میرسد تغییر در جنس کفش ترمز و بالطبع تغییر در ضریب اصطکاک بین چرخ و کفش ترمز، راه حل مناسبی برای کاهش مسافت خط ترمز باشد.
تست عملی خط ترمز لکوموتیو DF8Bi
بمنظور بهبود سیستم ترمز JZ-7 لکوموتیو DF8Bi و افزایش قدرت ترمز و بالطبع درصد وزن ترمز، و مقایسه تأثیر جنس کفش ترمز بروی مسافت ترمز، سه نوع کفش ترمز از جنس کامپوزیت، متالورژی پودر L با ضریب اصطکاک 0.206 و متالورژی پودر M با ضریب اصطکاک 0.236 بطور جداگانه بروی لکوموتیو نصب و تست ترمز بطور عملی انجام شد. بمنظور بررسی اثرات هر کدام از کفشترمزها، ابعاد پروفیل چرخ دائماً اندازهبرداری شد.
تست ترمز برای سه نوع کفش ترمز ذکر شده، در شرایط زیر انجام گرفت:
-1 سرعت تست 100 کیلومتر بر ساعت
-2 فشار سیلندر ترمز 4.5 بار (ترمز سریع)
-3 شیب و فراز مسیر 10‰ -4 اندازه گیری مسافت ترمز با استفاده از متر نواری
-5 انجام تست در کمترین سرعت باد -6 ریل و چرخها کاملاً خشک و عاری از مواد چرب (گازوئیل-روغن و ... )
-7 انجام تمام تستها در محدوده راهآهن هرمزگان
نتایج تست برای سه نوع کفش ترمز مطابق جدول 1 میباشد:
جدول:1 نتیجه تست ترمز عملی با سه نوع کفش ترمز [4]
جنس کفش ترمز متالورژی پودر L متالورژی پودر M کامپوزیت
مسافت ترمز (متر) 1491 752 700
مطالعه میدانی سایش چرخ ناشی از تغییرجنس کفش ترمز
هندسه (پروفیل) چرخ یکی از عوامل رفتار سایشی به ویژه در ناحیههای لبه و غلتشگاه بوده و در تعیین شرایط خروج از خط تأثیرگذار است.[6] در شکل 1 نمونهای از پروفیل چرخ S1002 و پارامترهای آن نشان داده شده است.
شکل :1 پروفیل چرخ [7] S1002
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است Sh ارتفاع و Sd ضخامت پروفیل چرخ میباشد. یکی از عوامل تأثیر گذار بروی سایش چرخ، جنس کفش ترمز میباشد. کفش ترمز بروی ارتفاع فلنج یا Sh تأثیر گذار است. بعد از انجام تست عملی و اطمینان از اثر بخش بودن روش تغییر جنس کفش ترمز جهت بهبود قدرت سیستم ترمز JZ-7، بمنظور بررسی اثرات هر کدام از کفش ترمزهای تست شده بروی ارتفاع پروفیل چرخ، دو لکوموتیو که یکی مجهز به کفش ترمز کامپوزیت و دیگری مجهز به کفش ترمز متالورژی پودر میباشند بطور میدانی و مستمر از نظر سایش ارتفاع پروفیل چرخ اندازهگیری و ثبت میشوند. لکوموتیو شماره 60-3011 مجهز به کفش ترمز متالورژی پودر M و لکوموتیو شماره 60-3056 مجهز به کفش ترمز کامپوزیتی است.
در آغاز اندازهبرداری کیلومتراژ و ارتفاع اولیه پروفیل چرخ لکوموتیوها ثبت شده و برای اندازهگیری ارتفاع پروفیل از کولیس مرکب بهرهگیری خواهد شد. چرخهای یک سمت لکوموتیو با شمارههای 1L تا 6L و چرخ های سمت دیگر با شمارههای 1R تا 6R همانطور که در شکل 2 نشان داده شده نامگذاری و ثبت شده است. بمنظور کاهش خطای اندازهگیری توسط کولیس مرکب، هر چرخ به چهار قسمت برابر تقسیم و در هر بار اندازهگیری هر چهار منطقه اندازهگیری شده و میانگین چهار عدد بعنوان ارتفاع پروفیل ثبت میشود. در شکل 3 نحوه شمارهگذاری چرخ در لکوموتیو 60-3056 نشان داده شده است.
