Dynamic Braking Performance of Co810 and K-type Composite Brake Shoes on Zacens Tank Wagons: Field Tests to UIC 544-1

Öz

This study aims to comparatively evaluate the braking performance of two different composite brake shoes used in freight wagons on Zacens-type tank wagons. Braking is of critical importance in this type of wagon, which is often preferred for the transport of dangerous goods. Within the scope of the study, dynamic braking tests were conducted on the Eskişehir–Kütahya railway line under loaded and empty conditions, in accordance with the UIC 544-1 standard. During the tests, the braking distance, brake cylinder outlet pressure, brake shoes and wheel temperatures, and braked mass ratio were evaluated for both brake shoes under same load scenarios and speeds. According to the test results, both the Co810 and K-Type Composite brake blocks successfully met the limit values specified in the UIC 544-1 standard in the dynamic brake tests conducted under the same loading and speed scenarios. At 100 km/h in empty condition, the Co810 brake block yielded a result very close to the limit value at 485,06 m, while at 120 km/h it remained above the reference value at 689,89 m. Under the same conditions, the K Type Composite brake shoe achieved shorter braking distances below the limits at both speeds, with values of 430,61 m and 623,28 m, respectively. When fully loaded, both brake blocks showed similar performance; the Co810 brake block reached 629,01 m (623 m reference), while the K-type brake block reached 605,10 m (602 m reference). The braking weight percentage λ (lambda) values, which indicate braking effectiveness, remained within the TSI WAG and UIC 544-1 limits in all scenarios. Under empty conditions, values ranging from 98,96% to 102,23% were obtained for the Co810 brake shoe, and from 112.73% to 115.19% for the K-type composite brake shoe. These results show that the K-type composite brake shoe stands out with shorter braking distances, but both brake shoes demonstrate braking performance that complies with international regulations. In addition, the tests were found to be valid in terms of temperature, wear effect, and braking repeatability in the brake shoes. In conclusion, both brake shoes have proven their suitability for use on Zacens-type wagons.

Anahtar Kelimeler

• Tank Wagons
• Dynamic Brake Test
• Freight Wagons
• UIC 544-1
• Co810
• K Type Composite Brake Shoes

Zacens Tank Vagonlarında Co810 ve K-tipi Kompozit Fren Pabuçlarının Dinamik Frenleme Performansı: UIC 544-1'e Göre Saha Testleri

Öz

Bu çalışma, yük vagonlarında kullanılan iki farklı kompozit fren pabucunun (sabo) Zacens tipi sarnıç vagon üzerindeki frenleme performanslarını karşılaştırmalı olarak değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Tehlikeli maddelerin taşınmasında sıklıkla tercih edilen bu tip vagonlarda, frenleme kritik öneme sahiptir. Çalışma kapsamında, UIC 544-1 standardına uygun şekilde, Eskişehir – Kütahya demiryolu hattında tam dolu ve tam boş yükleme koşullarında dinamik fren testleri gerçekleştirilmiştir. Testlerde, her iki sabo için aynı yükleme senaryosu ve aynı hızlarda, fren mesafesi, fren silindiri çıkış basıncı, sabo ve teker sıcaklıkları ile fren ağırlığı oranı değerlendirilmiştir. Test sonuçlarına göre, Gerçekleştirilen dinamik fren testlerinde hem Co810 hem de K Tipi Kompozit sabolar, UIC 544-1 standardında belirtilen sınır değerleri aynı yükleme ve hız senaryolarında başarıyla karşılamıştır. Boş durumda 100 km/h hızda Co810 sabosu 485,06 m ile sınır değere çok yakın sonuç verirken, 120 km/h’de 689,89 m ile referans değerin üzerinde kalmıştır. K Tipi Kompozit sabo ise aynı koşullarda sırasıyla 430,61 m ve 623,28 m değerleri ile her iki hızda da sınırların altında, daha kısa frenleme mesafeleri elde etmiştir. Tam dolu durumda ise her iki sabo da benzer performans göstermiş; Co810 sabosu 629,01 m (623 m referans), K Tipi sabo ise 605,10 m (602 m referans) değerine ulaşmıştır. Frenleme etkinliğini gösteren fren ağırlığı yüzdesi λ (lambda) değerleri, tüm senaryolarda TSI WAG ve UIC 544-1 limitleri içinde kalmıştır. Boş koşullarda Co810 sabosu için %98,96–%102,23, K Tipi Kompozit sabo için ise %112,73–%115,19 aralığında değerler elde edilmiştir. Bu sonuçlar, K Tipi Kompozit sabonun daha kısa fren mesafeleriyle öne çıktığını, ancak her iki sabonun da uluslararası düzenlemelere uygun fren performansı sergilediğini göstermektedir. Ayrıca testlerin, sabolarda ki sıcaklık, aşınma etkisi ve frenleme tekrarlanabilirliği açısından da geçerli olduğu tespit edilmiştir. Sonuç olarak, her iki fren pabucu da Zacens tipi vagonlar için kullanılabilirliğini ispatlamıştır.

Anahtar Kelimeler

• Sarnıç Vagonlar
• Dinamik Fren Testi
• Yük Vagonları
• UIC 544-1
• Co810 sabo
• K Tipi Kompozit Sabo

Kaynakça

1. [1] Vrtanoski, G., & Smileski, T. “Dynamic Testing of Innovative Railway Brake System for Freight Wagons”, International Journal of Engineering, 17, 847–854.
2. [2] Mustafa Günay, Mehmet Erdi Korkmaz, Ramazan Özmen, "An investigation on braking systems used in railway vehicles", Engineering Science and Technology, an International Journal, Volume 23, Issue 2, 2020, Pages 421-431, https://doi.org/10.1016/j.jestch.2020.01.009.
3. [3] UIC 544-1. “Brakes – braking performance of railway vehicles,” International Union of Railways (UIC), 2021
4. [4] Panchenko, S., Gerlici, J., Lovska, A., Ravlyuk, V., Dižo, J., & Harušinec, J., “Study on the Strength of the Brake Pad of a Freight Wagon under Uneven Loading in Operation”. Sensors, 24(2), 463. https://doi.org/10.3390/s24020463
5. [5] Karagöz N. “Bir yük vagonunun frenlenmesi sonucu tekerleğin sürtünme yüzeyinde oluşan maksimum sıcaklığın deneysel olarak incelenmesi”. Sivas Cumhuriyet Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü. Doktora Tezi, 83s, Sivas
6. [6] Zhang, Y., Liu, Z., & Stichel, S., “Study on the Braking Distance of Composite Brake Blocks Covered with Ice for Freight Trains in Winter”, Proceedings of the IMechE Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 237(9), 1050–1059. DOI: 10.1177/09544097231151474
7. [7] N. Karagöz, H.İ. ACAR, “Dinamik fren kullanımının yük vagonu tekerleklerine gelen ısıl yüke etkisinin gerçek işletme şartlarında deneysel olarak incelenmesi,” Demiryolu Mühendisliği, no. 12, pp. 43-51, July. 2020. doi: 10.47072/demiryolu.746023.
8. [8] Pablo Monreal-Pérez, Jorge González, Alicia Iraizoz, Unai Bilbao, Isabel Clavería,"Effect of the steel fiber length on the friction performance and wear mechanism of railway brake shoes", Tribology International, Volume 172, 2022, 107589,https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.107589.

9. [9] N. Karagöz, H. İ. Acar, ve B. Selçuk, “Pik Döküm ve Kompozit Fren Pabucu Kullanılan Yük Vagonunda Uzun Süreli Frenlenme Sonucu Tekerlekte Açığa Çıkan Isı Dağılımının Sayısal Analiz Metodu ile İncelenmesi”, Demiryolu Mühendisliği, sy. 12, ss. 64–72, Temmuz2020, doi: 10.47072/demiryolu.746008.
10. [10] Kurčík, Pavol & Gerlici, Juraj & Lack, Tomáš & Suchánek, Andrej & Harušinec, Jozef. (2019). “Innovative solution for test equipment for the experimental investigation of friction properties of brake components of brake systems”. Transportation Research Procedia. 40. 759-766. 10.1016/j.trpro.2019.07.107.
11. [11] A. Akkuş, “Demiryolu Araçlarında Kullanılan Fren Sabolarının (Pabuçlarının) Aşınma Miktarlarının ve Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi”, Demiryolu Mühendisliği, sy. 3, ss. 84–91, Haziran2016.
12. [12] Inagamov, A. vd. “Study on Friction of the Brake Shoe of a Freight Car”. V International Scientific Conference “Construction Mechanics, Hydraulics and Water Resources Engineering”. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202340105036
13. [13] A. Ünal, O. Demirdalmış, “Tren setlerinin fren disklerinde meydana gelen aşınma problemine karşı kompozit balata kompozisyonlarında nitril kauçuk kullanımının etkilerinin araştırılması,” Demiryolu Mühendisliği, sy. 21, ss. 61-71, Ocak 2025. doi: 10.47072/demiryolu.1536926
14. [14] M. Yeğin, “Yük vagonlarında kullanılan fren sabolarının (pabuçları) aşınma miktarlarının ve mekanik özelliklerinin deneysel olarak incelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Cumhuriyet Üniversitesi, Sivas, Türkiye, 2015.
15. [15] N. Karagöz ve H. İ. Acar, “Dinamik Fren Kullanımının Yük Vagonu Tekerleklerine Gelen Isıl Yüke Etkisinin Gerçek İşletme Şartlarında Deneysel Olarak İncelenmesi”, Demiryolu Mühendisliği, sy. 12, ss. 43–51, Temmuz2020, doi: 10.47072/demiryolu.746023.
16. [16] A. Ünal, N. Akkus, S. T. Kandil, “Demiryolu aracı disk balatalarının tasarımında yüksek sıcaklığın neden olduğu fren zayıflama probleminin belirlenmesi için sonlu elemanlar yöntemi yaklaşımı,” Demiryolu Mühendisliği, no. 15, pp. 134-144, Jan. 2022. doi: 10.47072/demiryolu.1027982
17. [17] A. Ünal ve O. Demirdalmış, “Tren Setlerinin Fren Disklerinde Meydana Gelen Aşınma Problemine Karşı Kompozit Balata Kompozisyonlarında Nitril Kauçuk Kullanımının Etkilerinin Araştırılması”, Demiryolu Mühendisliği, sy. 21, ss. 61–71, Ocak2025, doi: 10.47072/demiryolu.1536926.
18. [18] UNECE ve OTIF, Tehlikeli Malların Demiryolu ile Uluslararası Taşımacılığına İlişkin Düzenlemeler (RID), Birleşmiş Milletler Avrupa Ekonomik Komisyonu ve OTIF Yayını, 2025.
19. [19] TCDD Taşımacılık A.Ş., Zacens Tipi Sarnıç Vagonu Dinamik Fren Testi Hk. (Sayı: E-74000474-201.01.99-776103, 05.05.2025). Yük Dairesi Başkanlığı, Ankara, 2025.
20. [20] European Commission, Commission Regulation (EU) No 321/2013 on the technical specification for interoperability relating to the subsystem “rolling stock — freight wagons” of the rail system in the European Union (TSI WAG), Official Journal of the European Union, L 104, Apr. 18, 2013.
21. [21] European Commission, Commission Regulation (EU) No 1302/2014 on the technical specification for interoperability relating to the subsystem “rolling stock — locomotives and passenger rolling stock” of the rail system in the European Union, Official Journal of the European Union, L 356, Dec. 12, 2014, as last amended by Commission Implementing Regulation (EU) 2023/1694 of Aug. 10, 2023
22. [22] Ulaştırma ve Altyapı Bakanlığı. Tehlikeli Maddelerin Demiryolu ile Taşınması Hakkında Yönetmelik. Resmî Gazete (26 Temmuz 2016, Sayı: 29783), 2016.
23. [23] UIC, Yükleme Talimatları Cilt 1: Eşyanın Vagonlara Yüklenmesi ve Emniyete Alınmasına İlişkin Uygulama Esasları, Paris, 01 Nisan 2021, s. 2.
24. [24] Wang, X., et al., “The service life prediction for brake pads of freight wagons,” Tribology International, 149, 105652, 2020.
25. [25] Bosso, N., Magelli, M. & Zampieri, N. “A numerical method for the simulation of freight train emergency braking operations based on the UIC braked weight percentage”. Rail. Eng. Science 31, 162–171 (2023). https://doi.org/10.1007/s40534-022-00296-9
26. [26] Zhang Y, Liu Z, Stichel S. Study on the braking distance of composite brake blocks covered with ice for freight trains in winter. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2023;237(8):1050-1059. doi:10.1177/09544097231151474
27. [27] Türk Standardları Enstitüsü (TSE), Resmi Yazı: Ar-Ge Amaçlı Test Verisi Kullanımı (E-13687466-000-166595), Ankara, Türkiye, 29 Temmuz 2025.
28. [28] Türkiye Raylı Sistem Araçları Sanayii A.Ş. (TÜRASAŞ), Resmi Yazı: Test Raporlarının Kullanılması Hk. (E-32973889-000-348583), Eskişehir, Türkiye, 05 Ağustos 2025.