Modelarea unei frâne disc la vagoane de călători

1. Un model al frânei disc pentru vagoanele de călători

1.1. Prezentarea sistemului de frânare a vagoanelor de călători

1.1.1. Introducere în problematica frânării vagoanelor de mare viteză

Frânele automate actuale permit frânarea rapidă, uniformă şi sigură a tuturor vagoanelor

din tren de către un singur agent (mecanicul de pe locomotivă).

Instalaţia de frână a unui vagon se compune din mecanismul de acţionare care produce

efortul de frânare, timoneria de frână care transmite efortul de frânare la roţi şi elementele

de fricţiune (sabot-roată, garnitură-disc, patină-şină) care creează forţa de frecare.

Principalele probleme constructive ale frânelor sunt ridicate de vitezele tot mai

mari de circulaţie, care îngreunează oprirea pe distanţele de frânare obişnuite. Fenomenele

cel mai greu de contracarat care apar la viteze mari sunt:

a. scăderea coeficientului de frecare (dintre bandajul roţii şi sabotul de frână sau dintre

discurile de frână şi plăcile de fricţiune) la viteze mari;

b. dezvoltarea unei mari cantităţi de căldură în timpul frânărilor de la mare viteză

Pentru prima problemă soluţia constă în principal din creşterea forţelor de frânare

la viteze mari. Comandarea forţelor de frânare trebuie să evite blocarea roţilor, fenomen

care apare atunci când forţa de frânare aplicată depăşeşte aderenţa disponibilă. Cea mai

simplă rezolvare constă din variaţia presiuni în cilindrul de frână: presiune sporită la

vitezele mari respectiv presiune redusă la vitezele mai mici, la care pericolul blocării

roţilor este sporit. Vagoanele de călători trebuie dotate obligatoriu cu dispozitive

electronice speciale ABS (antiblocatoare). Din cauza fenomenelor complexe care se

manifestă în timpul frânărilor comanda fiecărei osii este individualizată. O altă soluţie este

utilizarea de frâne suplimentare electromagnetice la viteze mari.

Disiparea rapidă a unei cantităţi cât mai mari de energie poate fi obţinută prin

diferite măsuri constructive: utilizarea de frâne suplimentare electromagnetice, frâne

autoventilate, utilizarea unor materiale deosebit de rezistente la căldură, suplimentarea

numărului de discuri de frână de pe o osie, etc.

În ambele cazuri s-a ajuns în timp la realizări tehnologice de vârf şi se poate

anticipa că în viitor creşterea performanţelor se va obţine în primul rând prin dotarea cu

inteligenţă a echipamentelor de frânare, astfel încât resursele tehnologice să fie exploatate

la maxim.

1.1.2. Cilindrul de frână şi comanda sa

Frâna principală a unui vagon de călători de mare viteză este de obicei de tip disc,

cu acţionare pneumatică. Forţa de frânare este obţinută într-un cilindru alimentat cu

aer sub presiune de către un distribuitor de aer, prin intermediul unei electrovalve speciale.

În continuare se prezintă datele tehnice ale unui cilindru de frână tipic (UB de 10”)

utilizat la boghiul Minden-Deutz.

- suprafaţa pistonului A: 0,05064506 m2;

- forţa de rapel medie Fr: 1500 N;

- presiunea de serviciu P: 3,8 bar.

47

Soluţia clasică de reglare a presiunii, folosită de exemplu de către firma Knorr

pentru frâna KE-GPR, constă din utilizarea unui regulator de presiune bipoziţional cu

histerezis. Componentele unei astfel de instalaţii sunt: distribuitorul de aer, releul de

presiune, două rezervoare de alimentare (de 75 l respectiv 125 l), ventilul de alimentare

întârziată, acceleratorul de frânare rapidă, dispozitivul ABS şi cilindrul.

Regulatorul este de tip centrifugal, pus în mişcare de osia vagonului. Regimurile de

frânare sunt alese astfel ca forţa maximă de frânare să fie de 160% din greutatea vagonului

la viteze mari respectiv 70% din greutatea vagonului la viteze mici. Pragurile de comutare

sunt reglate la 50 km/h respectiv 70 km/h.

Presiunea maximă în cilindrul de frână se ridică până la 3,8daN/cm2 la frânările puternice

şi 1,7daN/cm2 la frânările obişnuite. Atât la frânările puternice cât şi la cele

obişnuite, releul de presiune produce mai întâi o presiune de 0,4daN/cm2 în cilindrul de

frână, necesară aplicării saboţilor pe bandaje şi apoi permite creşterea presiunii la valoarea

corespunzătoare frânării efectuate.

Dispozitivul ABS al frânei KE-GPR constă dintr-un regulator centrifugal montat

pe fiecare osie. O masă învârtitoare se roteşte solidar cu osia la pornire, la mersul uniform

şi la încetinirea normală produsă de frânări. La apariţia blocării osia este decelerată brusc

dar masa regulatorului continuă să se rotească, acţionând o supapă de siguranţă care pune

cilindrul de frână în legătură cu atmosfera, reducându-se astfel forţa de frânare.

1.1.3. Timoneria de frână

Timoneria este alcătuită din bare şi leviere şi are următoarele obiective:

amplificarea forţei, transmiterea ei la discuri şi distribuirea uniformă a forţei de apăsare la

toate garniturile. Mărimile care caracterizează timoneria sunt amplificarea i şi

randamentul η.

1.1.4. Frâna cu disc

Cea mai des utilizată frână este frâna disc. Forţa de frecare se dezvoltă între

discurile de frânare montate pe osia vagonului şi garniturile de frecare pe care se aplică

forţele produse în cilindrul de frână şi transmise prin timonerie. După poziţia acestor piese

frânele pot fi cu discurile montate pe osia vagonului (în diferite poziţii şi în număr variabil)

sau cu disc dublu montat pe fiecare roată.

O problemă ridicată de frâna disc este variaţia coeficientului de frecare μ cu viteza

relativă dintre disc şi garnitură de frecare v, variaţie prezentă în ciuda eforturilor firmelor

producătoare de a o elimina. Măsurarea directă a dependenţei μ(v) este extrem de greu de

realizat din cauza condiţiilor de funcţionare şi de montare ale frânei. De aceea, în

formulele de calcul ale distanţei de frânare utilizate de UIC (de exemplu formula

Munchner), μ apare ca un coeficient mediu μs=0,35 în cazul frânărilor rapide. Pe lângă

aceasta μ este influenţat şi de alţi factori cum ar fi: montarea elementelor frânei, uzura,

temperatura, etc.