ilustracnyČlánok pojednáva o renovácii brzdových bubnov električiek typu T3 metódou MAG. Cieľom experimentu opísanom v tomto článku bolo potvrdiť alebo vyvrátiť potrebu použitia prídavného materiálu na zváranie vysokopevných ocelí k vytvoreniu nového funkčného povrchu brzdových bubnov.


V experimente sa porovnali návary troch rozličných prídavných materiálov od troch rozličných výrobcov. V rámci experimentu počas prevádzky vozidla bolo jednoznačne dokázané, že na návary bubnov plne postačuje prídavný materiál na zváranie mäkkých ocelí.

Úvod
Vozidlá T3 (titulný obr.) bývalého ČKD Praha patrili donedávna k najviac zastúpenému typu električiek v Bratislave. Vozidlá majú dva podvozky, pričom každý z nich má dve hnacie nápravy. Podvozky sú zároveň najzložitejšími elektromechanickými časťami týchto vozidiel a z nich pochádza aj najviac súčiastok, ktoré sa kompletne renovujú tavným naváraním. Medzi renovované súčiastky patria aj brzdové bubny električiek. Tieto, čo do počtu kusov, sú najčastejšie renovovanými súčiastkami.

obr2
Obr. 2. Renovovaný brzdový bubon namontovaný na opravenom TM bez brzdového obloženia ale už s kardanovým hriadeľom. Na bubne vidieť ventilačné otvory s rebrami.

 

Konštrukcia brzdového systému
Každú nápravu vozidla T3 poháňa jeden jednosmerný trakčný motor (ďalej len TM), ktorý je pri nízkych rýchlostiach pod 5 km/h priamo brzdený elektromechanickou brzdou. Pri vysokých rýchlostiach brzdenie prebieha elektrodynamicky. Pri zošliapnutí brzdového pedála sa prestáva TM napájať trakčným prúdom a stáva sa z neho dynamo. K vlastnému brzdeniu dochádza výrobou elektrického prúdu. Vyrobený prúd sa likviduje v odporníkoch. Účinok tohto brzdenia je tým väčší, čím sú otáčky rotora TM vyššie. Pri nízkych otáčkach je nulový, preto pri rýchlosti pod 5 km/h sa do činnosti zapája elektomechanická brzda. Táto pozostáva z brzdového bubna uchyteného cez medzikus na čap hriadeľa TM (viď. obr. 2 ÷ 3).

obr3
Obr.3. Časť zostavy elektromechanickej brzdy hriadeľ TM, medzikus, brzdový bubon a príruba kardanového hriadeľa.

 

Bubon z vonkajšej strany obopínajú brzdové čeľuste, uchytené jedným koncom k štítu TM (viď. obr. 5). Brzdový pedál ovláda čeľuste po aktuátor elektricky. Následne od aktuátora pákovým mechanizmom, ktorý ich zatvára alebo otvára, čím zabrzďujú alebo odbrzďujú vozidlo. Aktuátor sa skladá z elektromagnetickej cievky, jadra a silnej proti pôsobiacej pružiny. Brzdový pedál na treťom stupni brzdy teda pri rýchlosti pod 5 km/h vypne napájací prúd elektromagnetu v aktuátore. Týmto sa uvoľní tlak jadra elektromagnetickej cievky na silnú pružinu, ktorá cez pákový prevod, čeľuste, brzdový bubon, hriadeľ s kardanovými spojkami (viď. obr. 2 a 4) a prevodovku zastaví vozidlo. Pri uvoľnení pedálu dôjde k opačnému efektu, k odbrzďovaniu.
Funkčná brzdná plocha o rozmere Ø 280 x 74 mm sa nachádza na obvode bubna a brzdové čeľuste obopínajú bubon z vonkajšej strany (viď. obr. 5) v tvare dvoch polmesiacov s vnútorným brzdovým obložením. Na obvode bubna smerom od TM sa nachádzajú otvory, ktorých priečne steny, resp. rebrá, vytvárajú ventilačný účinok a pomáhajú chladiť TM a vlastný bubon počas prevádzky.

obr4
Obr. 4. Brzdový bubon označ. YYY osadený na TM s namontovanými čeľusťami Vpravo hore je mechanizmus otvárania a zatvárania bŕzd. Vľavo dole zas miesto uchytenia čeľustí o statorový štít motora. V strede je medzikus s poisťovacou maticou.

 

Opis problému
Počas prevádzky vozidla je potrebné zabezpečiť rovnaký brzdný účinok u všetkých štyroch bŕzd na vozidle pri rozličnom zaťažení a rýchlosti vozidla. Základnou príčinou nedostatočného účinku bŕzd môže byť opotrebenie povrchu brzdových bubnov, brzdového obloženia, znečistenie trecích plôch obložení a bubnov, zmeny pracovných vôlí v pákových prevodoch brzdového systému. Preto každé vozidlo, ktoré sa podrobuje pravidelnej prehliadke po odjazdení jedného roka, je vybavené novými, prípadne opravenými brzdami. Oprava spočíva vo výmene brzdových bubnov, brzdového obloženia a vo vypúzdrení otvorov mechanizmu otvárania brzdových čeľustí. Opotrebované bubny sa štandardne menia za renovované tavným naváraním.

obr5
Obr.5 TM spolu s renovovaným bubnom v opravenom podvozku.

 

Brzdové čeľuste sú po výmene obloženia zabrusované na stolici (viď. obr. 6) na rozmer D = Ø 280. Robí sa tak z toho dôvodu, aby brzdové obloženie obopínalo brzdový bubon čo najdokonalejšie a brzdový účinok bol čo najväčší.

obr6
Obr. 6. Zabrusovanie povrchu brzdového obloženia na stolici vyrobenej v dielňach DPB a.s.

 

Z dôvodov zabezpečenia kvalitného povrchu brzdových bubnov a tým bezpečnej prevádzky- schopnosti bŕzd, bolo v minulosti rozhodnuté, že bubny sa budú navárať nízkolegovaným prídavným materiálom (ďalej len PM), prednostne drôtom LNM MoNiVa, určeným na zváranie vysokopevných ocelí.
Bubon je podľa STN 42 2712 mangánová oceľ na odliatky. Je normalizačne žíhaný pri teplotách 870 ÷ 900 °C a popustený na vzduchu pri teplotách 620 ÷ 670 °C.

Postup pri renovácii bubnov
Renovácii použitého brzdového bubna predchádza jeho demontáž z TM v následnom osústružení jeho funkčného povrchu na hodnotu cca D = Ø 278,9 – 279,2 mm, odmastení, upnutí do polohovadla a v tavnom navarení nového povrchu. Po navarení sa opätovne osústruží na potrebnú mieru. Pri prvom aj druhom osústružení a pri upnutí do polohovadla sa bubon pomocou prípravkov vycentruje. Po upnutí bubna do polohovadla sa len priklopí upevnený horák, zapne polohovadlo a spustí naváranie. Počas navárania sa bubon plynule otáča a upnutý horák sa kontinuálne posúva, čím sa vytvorí neprerušovaný návar (viď obr.7÷8). V drvivej väčšine postačuje jeden návar, aby aj po finálnom osústružení bolo možné dosiahnuť potrebného priemeru D = Ø 280 mm.
Naváranie sa robí v ochrannej atmosfére zmesného plynu 82% Ar a 18% CO2, teda metódou MAG. Použitie uvedeného plynu odporúča výrobca PM.
To, či by mohli vzniknúť v podnávarovej oblasti zakalené štruktúry a z toho vyplývajúce prípadné necelistvosti, bol urobený prepočet uhlíkového ekvivalentu podľa odporučenia IIW na základe chemického zloženia ocele bubna. Pre tento druh ocelí ho popisuje STN EN 1011-2: 2003. Chemické zloženie ocele skúšaného bubna je uvedené v tab. č. 1. a bolo zistené chemickým rozborom materiálu ocele bubna.

obr7
Obr. 7. Proces navárania bubna v polohovadle
tab1
Tab. č. 1. Chemické zloženie ocele bubna
rov1

 

Hodnota Cekv = 0,42 %, percento obsahu uhlíka v oceli C = 0,19 hm %, aktuálna hrúbka steny bubna h = 16 mm sú predpokladom, že pred naváraním nebolo potrebné použiť predhrev.
Smer navárania bol tzv. dozadu, v polohe PA, polarita bola jednosmerná s + pólom na elektróde, priemer drôtu D = Ø1,2 mm. Celkový tepelný príkon sa pohyboval v rozmedzí 0,17 ÷ 0,21 kJ/mm. Na zisťovanie necelistvostí sa použila VT (vizuálna metóda) a PT (penetračná metóda) pomocou sprejov. Žiadne necelistvosti neboli zistené.
Možno konštatovať, že návary brzdových bubnov podľa vyššie uvedeného postupu spĺňajú technologické požiadavky ohľadom kvality vyhotovenia návaru.

Experiment
Cieľom experimentu bolo zistiť rozdielnosť opotrebenia bubnov počas prevádzky pri použití bubnov renovovaných rôznymi prídavnými materiálmi (PM) a týmto potvrdiť alebo vyvrátiť opodstatnenosť používania k návarom drahých PM.
Na experiment boli vybraté už použité ale ešte nerenovované bubny. Tieto sa prvotne opracovali (viď. tab. 2 a obr. 8) a navarili za približne rovnakých podmienok, ktoré sú uvedené v predchádzajúcej stati.

obr8
Obr. 8. Brzdový bubon s označením XXX po prvom opracovaní funkčného povrchu
tab2
Tab. 2. Označenie brzdových bubnov

 

Z dôvodu vyššej preukaznosti pri porovnávaní opotrebení bol na prvú nápravu prvého podvozka namontovaný bubon s označením XXX navarený PM na zváranie mäkkých ocelí. (viď. tab. 2). Prvá náprava prvého podvozka je najviac zaťažená zotrvačnými silami pri brzdení vo- zidla. Rozhodnutie navariť prvý bubon PM Ultramag vychádzalo aj zo skutočnosti, že oceľ bubnov je podľa STN 42 2712 mäkká oceľ(viď. tab. 1) s feriticko - perlitickou štruktúrou a s medzinárodným označením GS – 21Mn5. Druhý bubon s označením YYY sa navaril PM LNM MoNiVa a tretí s označením ZZZ-1 PM A 1625 (viď. tab. 2). Štvrtý bubon s označením ZZZ-2 bol opotrebovaný viac než ostatné a na dosiahnutie potrebného priemeru musel byť naváraný dvomi vrstvami. Vzhľadom k tomu, že k dispozícii boli len tri druhy PM (viď. tab. 3) bol navarený kombináciou PM. Na prvú vrstvu sa použil PM A 1625 na druhú vrstvu PM LNM MoNiVa. Jednotlivé charakteristiky PM sú uvedené v tab. 3.

tab3
Tab. č. 3. Použité prídavné materiály

 

Chemické zloženie a mechanické vlastnosti jednotlivých PM sú uvedené v tabuľkách č. 4 a 5. Na obr. 9 je zobrazený bubon označený ako YYY s čerstvo navareným povrchom.
Následne po naváraní boli bubny finálne opracované na požadovanú mieru. Zároveň sa na stolici obrúsili brzdové čeľuste s novými obloženiami, ktoré spolu s renovovanými bubnami boli namontované na vozidlo ev. č. 7825. Takto renovované bubny sa následne odskúšali v reálnej prevádzke. Po ukončení experimentu sa porovnalo ich opotrebenie premeraním ich priemerov.

tab4
Tab. 4. Typické chemické zloženie zvarového kovu podľa výrobcov jednotlivých PM
tab5
Tab. 5. Mechanické vlastnosti zvarového kovu udávané výrobcami jednotlivých PM
obr9
Obr. 9. Povrch čerstvo navareného bubna označený ako YYY


Opotrebenie bubnov z pohľadu použitého PM.
Vozidlo T3 ev. č. 7825 za necelý rok (jedenásť a pol mesiaca) najazdilo celkove 45.174,5 km. Po tejto dobe sa bubny zdemontovali z vozidla. Boli premerané ich priemery (viď. tab. č. 6) a tvrdosti za účelom ich porovnania. Pri opotrebovaných bubnoch sa trikrát premeriaval ich priemer na určenie jeho priemernej hodnoty. Bolo to nutné z toho dôvodu, že funkčná plocha bubna bola narušená viacerými lokálne prehriatymi miestami s oterom materiálu, ryhami a inými vplyvmi abrazívneho opotrebovania (viď. obr. 10). Podľa nameraných výsledkov je opotrebenie malé (viď. tab. 6).

tab6
Tab. 6. Priemery brzdových bubnov po odjazdení 45 174,5 km

 

Malé rozdiely mohli vzniknúť aj nepresnosťou pri meraní vďaka spomínaným vplyvom opotrebenia na rozmery bubnov.
Je možné konštatovať, že rozdiely v opotrebovaní bubnov sú minimálne (viď. tab. 6) a nezávisia od použitého PM.

obr10
Obr. 10. Typický povrch brzdového bubna po odjazdení 45 174,5 km

 

Opotrebenie bubnov z pohľadu tvrdosti návaru.
Bolo rozhodnuté porovnať návary bubnov aj z hľadiska tvrdosti a tým nepriamo oteruvzdornosti. Tvrdosť sa merala v priečnych rezoch ako aj na povrchu bubna. Na účely merania tvrdosti boli z jednotlivých bubnov vyrezané kúsky materiálu, (viď. obr. 10÷11), ktoré sa klasickými postupmi na prípravu metalografických vzoriek spracovali do podoby vzoriek určených aj na meranie tvrdosti. Tvrdosť vzoriek sa merala od funkčného povrchu bubna cez návar, teplom ovplyvnenú oblasť (ďalej len TOO) až do tepelne neovplyvnenej oblasti základného materiálu (ZM). Vzdialenosť vpichov bola 0,25 mm. Merala sa prístrojom Buehler 1100 Vickersovou metódou so zaťažením HV0,2 a dobou zaťaženia 8 sekúnd. Priebeh jednotlivých tvrdostí môžeme sledovať na obr. 14÷18 a v tabuľke 7. Obr. 19 zobrazuje sumárny pohľad na priebeh nameraných tvrdostí u jednotlivých bubnov.

obr11a obr12
Obr. 11 a 12. Výrezy z bubnov na prípravu vzoriek

 

Čo sa ale týka povrchu bubna, ktorý je v kontakte s brzdovým obložením, tak najvyššiu povrchovú tvrdosť dosahujú bubny označené ZZZ – 1 a ZZZ – 2. Oba majú rovnakú povrchovú tvrdosť 270 HV0,2. Prvý je navarený PM A1625 a druhý kombináciou PM. Druhú najvyššiu povrchovú dosahuje bubon označený YYY s 244 HV0,2 a je navarený PM LNM MoNiVa. Najnižšiu povrchovú tvrdosť dosahuje bubon označený XXX s 214 HV0,2 navarený PM Ultramag (viď tab. 7).

obr13
Obr. 13. Brzdový bubon označený ako ZZZ – 1 po vyrezaní kúska materiálu na vzorku

 

Napriek tomu, že nameraná povrchová tvrdosť u bubna označeného YYY je o 12,50 % nižšia ako u bubnov označených ZZZ – 1 a ZZZ – 2 a u bubna označeného XXX je o 26,17 % nižšia, neprejavuje sa tento rozdiel v povrchovej tvrdosti bubnov na ich opotrebení markantným rozdielom. Jediným rozdielom je len to, že u bubna označeného ZZZ – 2, je voči ostatným väčšia hrúbka návaru a tým aj nižšie položená TOO oblasť v ZM (viď. obr. 17 a 18).
Celkove sa dá sa konštatovať, že v našom prípade namerané hodnoty povrchových tvrdostí bubnov nemali výraznejší vplyv na ich opotrebenie.
Ako vidieť z meraní tvrdostí, tak najvyššie hodnoty na priečnych rezoch, ktoré boli namerané v TOO prechode a v zvarovom kove (ďalej len ZK) nepresiahli 277 HV0,2 čo svedčí o neprítomnosti základných štruktúr.

tab7
Tab. 7. Namerané tvrdosti brzdových bubnov
obr14
Obr. 14. Priebeh tvrdosti na vzorke z bubna označeného XXX
obr15
Obr. 15. Priebeh tvrdosti na vzorke z bubna označeného YYY
obr16
Obr. 16. Priebeh tvrdosti na vzorke z bubna označeného ZZZ – 1
obr17
Obr. 17. Priebeh tvrdosti na vzorke z bubna označeného ZZZ – 2
obr18
Obr. 18. Celkový priebeh tvrdostí na vzorkách bubnov

 

Kontrola necelistvostí
Prípadné necelistvosti sa kontrolovali aj na mikroštruktúrach jednotlivých návarov. Táto je zdokumentovaná na obr. 19÷24. ZM bubnov má feriticko – perlitickú štruktúru zodpovedajúcu dodanému stavu 5 (viď. obr. 21 a 23). V prechode návarov sa necelistvosti nezistili (viď. obr. 19, 20 a 22). Došlo k zhrubnutiu zrna bez vzniku zakalených štruktúr, čo potvrdilo aj meranie tvrdosti (viď. tab. 7 a obr. 14 ÷ 18).

obr19 obr20
Obr. 19. ZK bubna označeného XXX Obr. 20. ZK a TOO bubna označeného XXX
obr21 obr22
Obr.21. ZM bubna označeného XXX Obr.22. ZM a TOO bubna označeného YYY
obr23 obr24
Obr.23. ZM bubna označeného YYY Obr.24. ZK bubna označeného ZZZ – 1

 

Zhodnotenie vlastného procesu navárania
V prípade, ak by sme porovnávali proces navárania a kvalitu naváraného povrchu, tak PM typu A 1625 horel veľmi pokojným oblúkom, návar sa dobre roztekal a jeho vizuálna kvalita bola výborná. Týmto PM navarený bubon mal aj hladší povrch po sústružení na finálny priemer než tomu bolo u ostatných PM. Čo sa ale týka jednotkovej ceny, tak tento PM vychádza ako najdrahší. Zhruba tretinu z jeho ceny stojí PM LNM MoNiVa. V tomto porovnaní najlacnejším PM je Ultramag ktorého jednotková cena je len 7,6 % z ceny PM A 1625.

tab8
Tab. 8. Jednotkové ceny jednotlivých PM

 

Záver – zhrnutie
Brzdové bubny napriek svojej nespornej dôležitosti pri zabezpečovaní bezpečnej prevádzky vozidla na základe vyššie uvedených zistení plne postačuje navárať drôtom Ultramag na zváranie mäkkých ocelí. Nebol totiž zistený žiaden markantný rozdiel medzi PM na mäkké nízkolegované ocele čo sa týka opotrebovania povrchu bubnov. Použitie nízkolegovaných PM tak, ako bolo v tomto prípade zdokumentované a to LNM Moniva a A 1625 (oba sú určené na zváranie vysokopevných ocelí) je v tomto prípade neopodstatnené a zbytočné.

Bubny by bolo potrebné po naváraní vyžíhať v peci na odstránenie vnútorných napätí. U tohto druhu ocelí sa teplota žíhania na odstránenie napätí po naváraní pohybuje 30 ÷ 50 °C pod teplotou popúšťania čo predstavuje ohrev na 590 ÷ 620 °C. Totiž zvyškové napätia sa v bubnoch akumulujú aj prevádzkou vozidla, keď počas brzdenia dochádza u nich k ohrevu na pomerne vysoké teploty (viď. obr. 10). Mnohé bubny sa nedali použiť, nakoľko po viacnásobnom návaraní a používaní došlo u nich k deformáciám ich tvaru a nezhodovali sa rozstupy dier pre skrutky na bubnoch s dierami pre nadväzujúce súčiastky. Žiaduce by bolo aj vyvažovanie bubnov, nakoľko nevyvážená hmota potom spôsobuje poškodzovanie drážok pre pero na čapoch trakčných elektrických motorov. To, že bubny boli po výrobe vyvážené, dokazujú aj z vnútornej strany privarené vyvažovacie telieska od výrobcu.

TEXT/FOTO Ing. Tomáš Világoš, IWE, prof. Ing. Pavol Sejč PhD., IWE

Poďakovanie
Autori článku si dovoľujú poďakovať pánom Ing. Jurajovi Mesíkovi, vedúcemu technického odboru divízie El. dráhy, Ing. Petrovi Plunárovi, vedúcemu prevádzky PÚDE, p. Silvesterovi Hanuliakovi, hlavnému majstrovi prevádzky PÚDE, za umožnenie vykonania tohto experimentu, za realizáciu experimentu p. Gejzovi Molnárovi, vedúcemu pracovnej skupiny v obrobni za zabezpečenie opracovania bubnov, p. Alojzovi Hlavatému – zváračovi za naváranie, vedúcemu pracovnej skupiny p. Rudolfovi Schüllerovi za správnu montáž jednotlivých bubnov na dané podvozky, p. Štefanovi Absolonovi za obrúsenie brzdových obložení a p. Ing. Ondrejovi Chrenovi za nakreslenie obrázku.

Prehľad literatúry
[1] Ptáček, L. a kolektív: Náuka o materiálu I. a II. Vydavateľ: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o. Brno, ISBN: 80-7204-2831-1 (2.opr. a rozš. vyd.), 2002
[2] Hrivňák, I.: Zváranie a zvariteľnosť materiálov. Vydavateľstvo Citadela ISBN 978-80-89628-18-6 (2. vyd.), 2013
[3] Bernasovský, P.: Prípady havárií zváraných konštrukcií. Vydavateľ: VUZ - PISR Bratislava 2017, ISBN 978-80-88734-77-2, 2017