Tren setlerinde frenleme sistemi ve kompozit fren balatalarının termo-mekanik sonlu elemanlar analizine dayalı incelenmesi
Investigation of braking system and composite brake pads in train sets based on thermo-mechanical finite element analysis
Yazar: ABDÜLKADİR ÜNAL
Danışman: PROF. DR. NİHAT AKKUŞ
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Demir yolu taşıtları = Railway vehicles  ; Fren balatası = Brake lining ; Fren sistemleri = Brake systems ; Yolcu taşımacılığı = Passenger transportation

Özet:
Fren sisteminin temel amacı aracın hızının sabit tutulması, yavaşlatılması veya durdurulmasının sağlanmasıdır. Bu nedenle fren sistemi sadece demiryolu araçları için değil tüm deniz, kara ve hava taşıtları için de önemli ve hayati sistemlerden birisidir. Bu yönüyle bakıldığında demiryolu araçlarının fren sistemi temelde karayolu araçlarının fren sistemine benzese de, demiryolu araçlarında birden fazla araç birbirine bağlı olduğu için bu araçların fren sistemi daha karmaşıktır.

Demiryolu araçlarında frenleme adezyona dayalı frenleme ve adezyona dayalı olamayan frenleme olmak üzere iki çeşittir. Geleneksel demiryolu aracı fren sistemleri büyük ölçüde tekerlek ve ray arasındaki adezyona bağlıdır. Adezyona dayalı olmayan frenler, tekerleklerin raylara temas ettiği noktada sürtünme kullanmaz ve hava direncini artırmak için araca paneller monte etmeyi veya araçtan raya doğrudan basınç uygulamayı içerir.

Adezyona dayalı frenler sürtünme frenleri ve dinamik frenler olmak üzere ikiye ayrılırlar. Sürtünme frenleri ise teker sürtünmeli frenler, disk frenler, teker/disk frenler olmak üzere üçe ayrılmaktadır. Dinamik frenler ise elektro dinamik frenler, dönen Eddy Current frenler ve hidrolik frenler olmak üzere üçe ayrılır. Dinamik frenlerin temel amacı sürtünmeli frenlerde meydana gelen aşınmayı önlemek amacıyla aracın hızını düşürmek yardımıyla sürtünme frenlerine yardım etmektir.

Günümüzde kullanılan sürtünme frenleri prensip olarak 1869 yılında George Westinghouse tarafından bulunan ve bir kolun çekilmesiyle aynı anda trenin tüm frenlerini etkinleştirmek için basınçlı hava kullanan fren sistemine dayanmaktadır. Bu havalı frende her vagon birbirine bağlı bir hava deposu içermekte ve fren kolu çekildiğinde depolardaki basınçlı hava fren silindirine bırakılmakta ve sürtünme elemanları sürtünme yüzeylerine doğru bastırılmaktadır. Bunun sonucunda aracın kinetik enerjisi ısı enerjisine dönüşmekte ve aracın yavaşlaması veya durması sağlanmaktadır. 


Bu çalışmada fren sürtünme elemanlarında yüksek sıcaklıklarda meydana gelen fren solma problemi hem fren balatalarında kullanılan malzeme yönünden hem de sürtünme elemanlarında meydana gelen sıcaklık dağılımının anlaşılması yönünden incelenmiştir. Bu amaçla öncelikle kok tozu içeren bir disk balata geliştirilmiş ve bu disk balata hem gerçek yol şartlarında hem de sonlu elemanlar analizi yöntemiyle test edilmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır.

Demiryolu aracı fren pedlerinin üretilmesi için değişik hacimlerde kok tozu içeren küçük boyutlu numuneler geliştirilmiştir. Bu numuneler dinamometre cihazı aracılığıyla değişik sıcaklıklarda test edilmiş ve sürtünme katsayısı değerleri elde edilmiştir. Bu numuneler arasından optimum özellikler sergileyen fren pedi tespit edilmiş ve dizel tren setinde (DMU) test edilmek amacıyla gerçek boyutlarda prototipler üretilmiştir. Daha sonra bu prototiplere gerçek demiryolu koşullarında fren testleri yapılmış ve frenleme mesafeleri elde edilmiştir. Fren testleri sırasında disklerde meydana gelen sıcaklık artışları da bir termokupl sensör aracılığıyla ölçülmüştür. Frenleme mesafelerinden teorik hesaplamalar yöntemiyle prototip pedlerin sürtünme katsayıları bulunmuştur. Dinamometre sonuçları, teorik hesaplamalar ve DMU testleri kok tozunun özellikle aşırı sıcaklıklarda fren solma problemine karşı sürtünme katsayısının kararlılığında ve aşınma oranında iyileştirici etkiler gösterdiği sonucuna varılmıştır.

Daha sonra üretilen fren pedleri yol testleri koşullarında sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmiştir. Sonlu elemanlar yönteminde elde edilen sonuçlar yol testlerinde elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmış ve sonuçların büyük oranda birbirleriyle uyumlu olduğu sonucuna varılmıştır. Böylece sonlu elemanlar yönteminin fren tasarımında dinamometre ve yol testlerinden önce kullanılabileceği ve böylelikle zamandan ve paradan tasarruf sağlanabileceği sonucu ortaya çıkmıştır.

Abstract:
The main purpose of the braking system is to keep the speed of the vehicle constant, to slow down or to stop it. Because of these reasons, the braking system foremost important and vital systems not only for railway vehicles but also for all sea and road vehicles. From this point of view, although the braking system of railway vehicles is basically similar to the braking system of road vehicles, the braking system of these vehicles is too complex because multiple vehicle is connected in railway vehicles.

There are two types of braking in railway vehicles: adhesion-based braking and non-adhesive braking. Conventional rail vehicle braking systems depend heavily on the adhesion between the wheel and the rail. Non-adhesive brakes do not use friction at the point where the wheels contact the rails and involve mounting panels on the vehicle or applying direct pressure from the vehicle to the rail to increase air resistance.

Adhesion brakes are divided into friction brakes and dynamic brakes. Friction brakes are divided into three as wheel friction brakes, disc brakes and wheel/disc brakes. Dynamic brakes are divided into electro-dynamic brakes, rotating Eddy Current brakes and hydraulic brakes. The main purpose of the dynamic brakes is to assist the friction brakes by reducing the speed of the vehicle in order to prevent the wear on the friction brakes.

The friction brakes used today are principally based on the braking system invented by George Westinghouse in 1869, which uses compressed air to activate all of the train's brakes simultaneously with the pull of a lever. In this air brake, each wagon contains an air tank connected to each other, and when the brake lever is pulled, the compressed air in the tanks is released into the brake cylinder and the friction elements are pressed against the friction surfaces. As a result, the kinetic energy of the vehicle is converted into heat energy and the vehicle is slowed down or stopped.

In this study, the brake attenuation problem that occurs in brake friction elements at high temperatures has been investigated both in terms of the material used in the brake pads and in terms of understanding the temperature distribution occurring in the friction elements. For this purpose, first of all, a disc pad containing coke dust was developed and this disc pad was tested both in real railway conditions and by finite element analysis method and the results were compared.

Small sized samples containing different volumes of coke powder were developed for the production of railway vehicle brake pads. These samples were tested at different temperatures with a dynamometer device and friction coefficient values were obtained. Among these samples, the brake lining with optimum properties was determined and real-size prototypes were produced to be tested on the railway vehicle. Then, brake tests were performed on these prototypes under real railway conditions and braking distances were obtained. Temperature increases in the discs during the brake tests were also measured by a thermocouple sensor. The friction coefficients of the prototype linings were found by the method of theoretical calculations from the braking distances. It was concluded that the dynamometer results, theoretical calculations and railway tests showed that the coke powder showed improvement effects on the stability of the friction coefficient and the wear rate, especially against the brake weakening problem at high temperatures.

Afterward, the brake linings were modeled using the finite element method under railway test conditions. The results obtained in the finite element method were compared with those obtained in the railway tests. The outcomes were strongly compatible with each other. Thus, it has been concluded that the FEA can be used in brake design before dynamometer and railway tests, thus saving time and money.