Yüksek hızlı trenlerde kullanılan fren balatalarının aşınma davranışlarının incelenmesi
Investigation of the wear behavior of brake pads used in high speed trains
Yazar: AKSHIN MAHAMMADZADE
Danışman: DOÇ. DR. ŞERAFETTİN EKİNCİ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering

Özet:
Günümüzde demiryolu ulaşımında güven, hız ve konfor taleplerinin artması yüksek hızlı trenlerin kullanılmasını zorunlu kılmıştır. Trenlerde yükün ve hızın artması yüksek hızlı trenlerde kullanılan fren balatasında aşınma sorunlarının oluşmasına neden olmuştur. Yüksek hızlı trenin artan frenleme hızının neden olduğu yüksek sıcaklık, fren balatasının aşınma bölgesindeki yapısının ve bileşiminin değişmesine neden olur. 
Bu çalışmada hızlı trenlerde kullanılan bakır esaslı fren balatasını 1800 m sabit kayma mesafesinde, 1, 1.5, 2 ve 2.5 m/s hızlarda, 25 oC, 200 oC, 300 oC, 400 oC sıcaklıklarda ve 40 N, 60 N ve 80 N yük altında Pin-on-Disk test düzeneği kullanılarak aşınma davranışları incelenmiştir. Pin-on-Disk cihazında, 40 N yük ve 1 m/s hızda gerçekleştirilen aşınma testleri, bakır bazlı fren balatasının 350 km/saat hızında çalışan yüksek hızlı trenlere karşılık gelmektedir. Deneyler, farklı hızlarda ve yüklerde bakır bazlı fren balatasının aşınma davranışını incelemek için diğer parametrelerle birlikte yapılmıştır. Deneyler sonucunda sürtünme katsayısı ve aşınma oranı bulunmuştur. Numunelerin yoğunluk, sertlik, değerleri belirlenmiştir. Balata numunesinin yüzey özelliklerini incelemek için Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. 
Deneyler sonucunda, balata numunesi 25 oC sıcaklıkta yapılan testlerde ortalama sürtünme katsayısının 0.311-0.423, aşınma oranının 1.74-2.88x10-8.(cm3.N-1.m-1), 200 oC sıcaklıkta yapılan testlerde ortalama sürtünme katsayısının 0.355-0.45, aşınma oranının 2.11-3.93x10-8.(cm3.N-1.m-1), 300 oC sıcaklıkta yapılan testlerde ortalama sürtünme katsayısının 0.36-0.621, aşınma oranının 2.4-5.51x10-8.(cm3.N-1.m-1), 400 oC sıcaklıkta yapılan testlerde ise ortalama sürtünme katsayısının 0.4-0.67, aşınma oranının 3.21-6.8x10-8.(cm3.N-1.m-1) aralığında olduğu tespit edilmiştir. Sonuçta sıcaklığın artmasıyla sürtünme katsayısı ve aşınma oranı artmış, yükün artışına paralel olarak sürtünme katsayısı ve aşınma oranının ise azaldığı gözlemlenmiştir. Sürtünme yüzeyleri arasında, bakırın yumuşaması nedeniyle, abrasif aşınmadan adhezif aşınmaya geçilerek malzeme transferi oluşmuştur

Abstract:
The increasing demands for safety, speed, and comfort in railway transportation have made the use of high-speed trains necessary. However, the increased load and speed in trains have led to wear problems in the brake pads used in high-speed trains. The high temperatures caused by the increased braking speed of high-speed trains result in changes in the structure and composition of the brake pad in the wear area.
In this study, the wear behavior of copper-based brake pads used in high-speed trains was investigated using a Pin-on-Disk test setup. The tests were conducted at a fixed sliding distance of 1800 m under different conditions, including speeds of 1 m/s, 1.5 m/s, 2 m/s, and 2.5 m/s, temperatures of 25°C, 200°C, 300°C, and 400°C, and loads of 40 N, 60 N, and 80 N. Additionally, wear tests were performed using a Pin-on-Disk apparatus with a 40 N load and 1 m/s speed, which corresponds to the operating conditions of high-speed trains at 350 km/h. The experiments aimed to examine the wear behavior of copper-based brake pads at various speeds and loads, in conjunction with other parameters. As a result of the experiments, the coefficient of friction and wear rate were determined. The density and hardness values of the samples were also determined. Scanning Electron Microscopy (SEM) was used to examine the surface characteristics of the brake pad samples.
The experiments revealed that in tests conducted at 25°C, the average coefficient of friction ranged from 0.311 to 0.423, and the wear rate ranged from 1.74 to 2.88x10-8. (cm3.N-1.m-1). At 200°C, the average coefficient of friction ranged from 0.355 to 0.45, and the wear rate ranged from 2.11 to 3.93x10-8. (cm3.N-1.m-1). At 300°C, the average coefficient of friction ranged from 0.36 to 0.621, and the wear rate ranged from 2.4 to 5.51x10-8. (cm3.N-1.m-1). Finally, at 400°C, the average coefficient of friction ranged from 0.4 to 0.67, and the wear rate ranged from 3.21 to 6.8x10-8. (cm3.N-1.m-1). It was observed that as the temperature increased, both the coefficient of friction and wear rate increased, while with an increase in load, the coefficient of friction and wear rate decreased. Due to the softening of copper, a transition from abrasive wear to adhesive wear and material transfer occurred between the friction surfaces.