Pobierz ten numer w pdf
Transkrypt
Pobierz ten numer w pdf
prof. dr hab. inż. Omelian Płachtyna dr inż.Roman Żarnowski mgr inż. Zbigniew Kłosowski Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Układy napędowe z silnikiem indukcyjnym oraz falownikiem, sterowanym bez PWM, zasilane z sieci trakcyjnej W artykule przedstawiono przegląd układów napędowych możliwych do zastosowania w trakcji elektrycznej. Porównano cechy silnika trakcyjnego wielouzwojeniowego z silnikami zasilanymi konwencjonalnie, omówiono moment elektromagnetyczny w stanie ustalonym kilku układów napędowych. 1. Wprowadzenie Impulsem do elektryfikacji trakcji długodystansowej o wysokim napięciu znamionowym, stały się napędy o dopuszczalnie małych w takich okolicznościach stratach w liniach. Maszyna asynchroniczna, a w szczególności niezawodny silnik indukcyjny był kiedyś, i jest dziś „koniem pociągowym” trakcji. Jednakże, początkowo niewyszukane systemy trójfazowe oferowały skromną liczbę oszczędnych ekonomicznie prędkości i wkrótce zostały zdeklasowane przez napędy oparte na silniku komutatorowym. Ostatecznie, za wyjątkiem kilku przypadków, trakcja oparta na silnikach trójfazowych przy zasilaniu z sieci AC lub DC powróciła w latach siedemdziesiątych otrzymując niejako „drugie życie”. Sukces ekonomiczny transportu opartego o nową technologię napędów trójfazowych rósł, przekroczył granice państw i aż 17 różnych bezpiecznych systemów kolejowych jest używanych obecnie w całej Europie [6]. Toteż temu zagadnieniu poświęca się ciągle wiele uwagi. W chwili obecnej opracowano wiele elektrycznych układów napędowych z silnikami indukcyjnymi. Można tu wyróżnić dwa kierunki: - układy z falownikami sterowanymi z użyciem PWM lub sterowaniem wektorowym, - układy z zastosowaniem falowników wielopoziomowych (kaskadowych). W układach z PWM występuje pewna znaczna zawartość wyższych harmonicznych, które oddziałują na silnik indukcyjny, zmuszając projektantów układów do tzw. „deratingu”. Przy czym wpływ tych harmonicznych na moment elektromagnetyczny jest stosunkowo mały. Jednakże w bieżącym czasie badania nad topologią falowników przynoszą rozwiązania, które pozwalają na łączenie falowników wielopoziomowych w układy kaskadowe. Poprawna praca takiego falownika może odbywać się pod warunkiem zasilania ze źródeł izolowanych [5]. Dlatego alternatywą dla falownika 3-poziomowego PWM [1], który charakteryzuje się niskim czasem MTBF (mean time between failures) POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 byłoby zastosowanie falownika kaskadowego bez PWM. Toteż interesujący jest ten drugi kierunek, polegający na zastosowaniu falowników kaskadowych do napędów, do których autorzy mogą zaliczyć rozwiązania własne przedstawione dalej. 2. Aspekt energetyczny systemu zasilania Przy zasilaniu siników trakcyjnych, z tych samych powodów co pierwotnie, to jest minimalizacji strat, stosuje się różne strategie. Aby zrozumieć strategie zasilania silników AC stosowane przez poszczególne firmy należy krótko przeanalizować pracę łączników półprze-wodnikowych zainstalowanych w urządzeniach (falownikach) stosowanych w trakcji elektrycznej. Wiadomo, że łączniki w nich stosowane, nie mają idealnych charakterystyk, dlatego rozpraszają część energii, którą przewodzą. Jeśli rozpraszają jej zbyt wiele, mogą same ulec uszkodzeniu, lub doprowadzić do uszkodzenia innych elementów układu. Dlatego projektując układ należy rozważyć jak te straty zminimalizować. Podczas przejścia ze stanu nieprzewodzenia do stanu przewodzenia obserwuje się pewien czas opóźnienia włączenia łącznika td(on) [2] po którym następuje czas narastania tri. Tylko wtedy, gdy cały prąd Io łącznika płynie przez łącznik dioda wsteczna jest przeciwnie spolaryzowana, a napięcie na łączniku spada do małej ustalonej wartości Uon w czasie tfv. Występują znaczne wartości chwilowe tych wielkości w czasie przełączania tc(on). (1) tc(on) = tri+ tfv Nawet uproszczona analiza przebiegu strat mocy chwilowej dowodzi, że rozpraszanie mocy chwilowej odbywa się głównie podczas włączania i wyłączania łączników. Te straty mocy można opisać przybliżoną równością (2) (2) Ps = 0,5UdI0fs(tc(on) + tc(off)) 1 Jest to ważny wynik, ponieważ pokazuje, że straty w łącznikach półprzewodnikowych zmieniają się liniowo w zależności od częstotliwości przełączeń i czasów przełączania. Oznacza to, że jeśli dostępny jest łącznik o krótkich czasach przełączania, to możliwa jest praca przy wyższej częstotliwości, pożądanej ze względu na mniejsze filtry napięcia wyjściowego układu, jak i brak nadmiernych strat w nim. Innymi znacznymi stratami w łącznikach są straty powstałe w stanie przewodzenia (3) Pon = UonI0fston Na podstawie powyższych rozważań można wnioskować, że napięcie przełączania i częstotliwość powinny być tak małe jak to jest technicznie uzasadnione. Są jeszcze inne liczne warunki, których ze względu na charakter tego artykułu nie rozważa się. W trakcji o napięciu 3 kV DC silniki AC są zasilane z falowników sterowanych z użyciem PWM przy częstotliwości fPWM = 300 Hz celem ograniczenia strat w falowniku [2, 5]. Jednakże występujące wtedy straty w stosunku do znanych różnego typu, są dodatkowo większe do 80 %. W trakcji o napięciu 15 lub 25 kV AC (Niemcy) stosuje się fPWM ≤ 2000 Hz, przy napięciu członu pośredniczącego UDCLink ≤ 1000 V, a straty dodatkowe wskutek występowania wyższych harmonicznych napięcia i prądu w maszynie w tym przypadku dochodzą do 20 % mocy znamionowej silnika. Przykładowo, według informacji producenta, w stosowanych przez ABB falownikach częstotliwość fPWM wynosi 1700 Hz, a wykorzystując low voltage principle stosuje się układ obniżający napięcie tak, że UDCLink = 400 V. Straty dodatkowe są wtedy bardzo małe i nie przekraczają 10 % mocy znamionowej silnika. Straty w sieciach przesyłowych osiągają wartość do 10 % mocy znamionowej silnika. Co gorsze, nie wszystkie te straty można wyznaczyć analitycznie, chociaż można je wyznaczać na drodze modelowania matematycznego układów. Powyżej napisane prowadzi do wniosku, że ograniczanie strat dodatkowych zmusza nas do stosowania wyższej częstotliwości fPWM, albo zmniejszenia napięcia UDCLink poniżej 1000 V. Wysoka wartość stromości napięcia du/dt w układach z PWM powoduje nierównomierny rozkład napięcia wewnątrz uzwojeń, wytwarzając szczególnie duży spadek napięcia na pierwszych kilku zwojach. Przepięcia te uszkadzają izolację międzyzwojową, obliczaną tradycyjnie na 20 V (jedna warstwa emalii) [8]. Fakt ten, jak i inne opisane dalej mogą przyczyniać się do atrakcyjności układów kaskadowych falowników (bez PWM). 3. Analiza poszczególnych układów (bez PWM) Dalej analizuje się silnik indukcyjny z kaskadowym falownikiem napięcia mogący pracować w sieci DC (rys. 1). Ten przypadek wymaga zastosowania liniowego przekształtnika impulsowego (choppera), który jednak w sposób zasadniczy obniża sprawność napędu jako całości [3, 7]. Napięcie z układu ma wysoką jakość parametrów poprzez to, że wyeliminowano z niego najbardziej znaczące harmoniczne. Na rysunku 1 i następnych celowo, dla przejrzystości, pominięto informacje o układach sterowania. Faktycznie we wszystkich tych układach występują przekształtniki impulsowe na wejściu lub zamiennie prostowniki sterowane. Napięcie silnika i częstotliwość falowników są regulowane zgodnie z zasadą U/f = const. Rys. 1. Układ falownika kaskadowego zasilającego silnik indukcyjny, korzystny dla silnika Falownik 2VI (rys. 1) zasila napięciem wyjściowym spóźnionym w stosunku do falownika 1VI o 30 º transformator, który także wnosi opóźnienie o 30 º. Przekształtnikowe układy napędowe dużej mocy mimo rozwoju energoelektroniki mają ograniczone możliwości zwiększania mocy. Dzieje się tak ze względu na dopuszczalne wartości maksymalne prądów obciążenia przekształtników. a) Rys. 2. Sposób kształtowania napięcia na silniku (z rys. 1), przy czym ud stanowi przyłożone do układu napięcie stałe, -a) aspekt teoretyczny, -b) napięcie badane [7] 2 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 b) Dlatego zastosowanie silnika dwuuzwojeniowego (stojana) pozwala na obniżenie napięć i prądów fazowych, obniżając wymagania dotyczące falowników. Schemat układu przedstawiono na rysunku 3. Układ napędowy nie zawiera transformatorów sumujących, jednakże silnik jest skomplikowany ponieważ sumowanie pól elektromagnetycznych odbywa się w nim. Ma on również podniesioną masę ze względu na podwójne uzwojenia wykonane z miedzi. Jest to rozwiązanie techniczne, w którym nie ma w momencie elektro-magnetycznym wpływu 6. harmonicznej. Tu falowniki generują fale napięcia przesunięte względem siebie o kąt 30 º elektrycznych i zasilają uzwojenia przesunięte także o ten kąt w przestrzeni. Napięcia fazowe mają przebieg taki jak napięcie ua1 z rysunku 2. Układ ten jest nieomal równoważny (skutkiem energetycznym) układowi z rysunku 1. Straty mocy wywołane wyższymi harmonicznymi w układzie z transformatorem (rys.1) przenoszą się do silnika, a w momencie elektromagnetycznym silnika, nie występuje 6. harmoniczna wskutek złożonego sumowania pól harmonicznej 5. i 7. Praktycznym sposobem w napędach trakcyjnych, w których występują wózki parami, jest ten jaki przedstawiono na rysunku 4. Falowniki, podobnie jak poprzednio, generują fale napięcia przesunięte względem siebie o 30 º elektrycznych. Wtedy także w momencie nie występuje wpływ 6. harmonicznej. W tej sytuacji można porównywać schematy napędowe z rysunków 1, 3 i 4 ze względu na jakość momentu elektromagnetycznego. Rys. 3. Schemat zasilania silnika dwuuzwojeniowego. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Rys. 4. Układ mechaniczno-elektryczny do napędu trakcyjnego, w którym występują wózki parami. Dla linii trakcyjnej AC autorzy proponują układ stanowiący ich rozwiązanie własne [9] przedstawione na rysunku 5. W tym przypadku silnik jest klasyczny, prosty. Przebiegi momentu w stanie ustalonym są takie jak silnika z rysunku 1. Rys. 5. Sposób zasilania silnika w celu uniknięcia w momencie elektromagnetycznym wpływu 6 harmonicznej Istota układu przejawia się w tym, że układ ten jest zasilany czterema napięciami stałymi, z których pierwsze ma wartość względną równą 1 i zasila poprzez równoległą baterię kondensatorów falownik trójfazowy, a pozostałe trzy napięcia o wartości względnej równej 1/? 3 każde, zasilają poprzez równoległe trzy baterie kondensatorów trzy jednofazowe falowniki napięcia, które z kolei dodają swoje napięcia do napięć fazowych falownika trójfazowego. Trójfazowy falownik napięcia kształtuje napięcie fazowe, które w przedziale kątów 0 ÷ π przebiega następująco: w przedziale 0 ÷ π/3 napięcia mają wartość 1/3ud, w przedziale π/3 ÷ 2π/3 napięcia mają wartość 2/3ud, w przedziale 2π/3 ÷ π napięcia mają wartość 1/3ud. Dla kątów większych od π funkcja przebiega antysymetrycznie. 3 W przedziale kątów 0 ÷ π każdy z jednofazowych falowników napięcia kształtuje napięcia o następującym przebiegu: w przedziale 0 ÷ π/6 napięcia mają wartość 0, w przedziale π/6 ÷ 5π/6 napięcia mają wartość 1/? 3ud, w przedziale 5π/6 ÷ π napięcia mają wartość 0. Dla kątów większych od π funkcje przebiegają antysymetrycznie. Reasumując, można przyjąć, że napięcie na silniku (rys. 5) przebiega jak napięcie u1 z rysunku 2b. Wyeliminowanie z napięcia harmonicznych 5. i 7. skutkuje wyeliminowaniem z momentu wpływu 6. harmonicznej. Wada układu z rysunku 1 i rysunku 5, duża masa, w napędzie trakcyjnym nie jest oczywista, ponieważ lokomotywa powinna mieć pewną masę, a tę powiększa transformator. Niejako upraszczając ten układ dochodzi się do rozwiązania, które przedstawiono na rysunku 6. ~ 1R CH 1 1V I = ~ ~ ~ a1 b1 c1 Rys. 8. Schemat układu zasilania silnika, w którym wyeliminowano z napięcia harmoniczne rzędu 5, 7, 11, 13 oraz 17 i 19 a z momentu silnika harmoniczne rzędu 6, 12, 18 [7]. Transformator T3 połączony jest w tzw. przedłużony trójkąt Układ (rys. 10) stanowi silnik wielou-zwojeniowy bardziej rozbudowany w stosunku do silnika z rysunku 3. M 2R CH 2 2V I = ~ ~ ~ ~ ~ ~ a2 b2 c2 Rys. 6. Inny w stosunku do sposobu z rysunku 5 sposób zasilania silnika w celu ograniczenia w momencie elektromagnetycznym wpływu 6. harmonicznej W układzie następuje ograniczenie wpływu 6. i 12. harmonicznej. Nie eliminuje się w nim całkowicie tego wpływu. W tym wypadku wynika to z przebiegu napięcia fazowego na silniku. Rys. 9. Przebieg napięcia na silniku z rysunku 8 (z badań eksperymentalnych falownika kaskadowego z rys. 8 [7]) Rys. 7. Przebieg napięcia fazowego na uzwojeniu silnika w przypadku zasilania silnika jak na schemacie z rysunku 6 Przebieg napięcia na silniku z rysunku 8 przedstawiono na rysunku 9. Układem, w którym wyeliminowano z momentu harmoniczne 6. i 12. jest układ z rysunku 8, równoważny pod względem zawartości harmonicznych w momencie elektromagnetycznym układowi z rysunku 10. 4 Rys. 10. Schemat silnika wielouzwojeniowego, w którego momencie elektromechanicznym nie wystąpią harmoniczne rzędu 6, 12 i 18 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 W silniku kolejne uzwojenia zasilane są napięciami fazowymi przesuniętymi w czasie i przestrzeni, jak to wyjaśniono na rysunku 10. Wprawdzie układ nie zawiera transformatorów, to jednak jest on skomplikowany ze względu na złożoną budowę silnika, w którym odbywa się sumowanie pól od poszczególnych faz. 4. Wnioski Ponieważ każdy element elektroniczny obniża MTBF, więc powinno być ich w układzie możliwie najmniej. Wyeliminowanie transformatorów z układu skutkuje stratami w skomplikowanym silniku. W zaprezentowanych układach występuje zminimalizowana liczba łączników półprzewodnikowych w obwodach mocy, a eliminacja z góry określonych harmonicznych z momentu elektroma-gnetycznego czyni je konkurencyjnymi w stosunku do układów z PWM. Zapewniają one dobrą jakość momentu elektromagnetycznego i są wykonalne. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Literatura [1] Lipiński L., Miszewski M., Żarnowski R., Nowoczesne asynchroniczne napędy przekształtnikowe dla pasażerskich pojazdów trakcyjnych na napięcie 3 kV prądu stałego. WE, 2007, nr 6 [2] Mohan N., Unlead T.M., Robbins W.P., Power electronics. Converters, Applications and Design. J. Wiley & Sons, 2003 [3] Płachtyna O., Żarnowski R., Wielopoziomowy falownik w zastosowaniu do silnika indukcyjnego lub autonomicznej prądnicy indukcyjnej albo synchronicznej. PEMiNE Rytro, 2010 [4] Plakhtyna O., Gientkowski Z., Żarnowski R., AC Converter Drive System with Cascaded Inverter Compatible with Motor and Utility Grid. 5th International Conference-Workshop-CPE Gdynia, 2007 [5] Skvarenina T. L., The Power Electronics Handbook. Industrial Electronics Series CRC Press. Washington, 2000 [6] Steimel A., Electric traction – Motive Power and Energy Supply. Oldenburg Industrieverlag GmbH, 2008 [7] Żarnowski R., Analiza i badania układu autonomicznej prądnicy indukcyjnej z kaskadowym falownikiem napięcia. Rozprawa doktorska, Akademia Morska Gdynia, 2010 [8] Niekorzystny wpływ przekształtników na izolację silników. Wiadomości Elektrotechniczne 2003, Nr 1-2 na podstawie art. IEEE Power Engineering Review, 2002 nr 1 [9] Płachtyna O., Żarnowski R.: Zgłoszenie patentowe do UPRP Nr P.380141/07, Układ trójfazowego kaskadowego falownika napięcia 5 dr inż. Marian Kaluba dr inż. Tadeusz Jakubowski Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Układ aktywnego sterowania zawieszeniem pneumatycznym pojazdów szynowych W artykule omówiono aktualny zakres prac zrealizowanych w ramach projektu celowego nr. 6ZR6 2009C/07185 „System zawieszenia pneumatycznego wagonów osobowych, zespołów trakcyjnych i lekkich pojazdów szynowych z układem aktywnego sterowania”. Przedstawiono i uzasadniono celowość wprowadzenia w przyszłości mikroprocesorowego sterowania zawieszeniem pneumatycznym przeznaczonego dla pojazdów szynowych. Opisano badane sprężyny pneumatyczne oraz zaprezentowano zbudowane w IPS Tabor stanowisko do ich wszechstronnych badań. 1. Opis stanu dotychczasowego Dotychczasowe układy usprężynowania pneumatycznego pojazdów szynowych składają się z siłowników pneumatycznych i układu sterowania ciśnieniem w zawieszeniu pneumatycznym (rys.1) opartym na tak zwanych zaworach pneumatycznych poziomu. Zawory te zasilane są sprężonym powietrzem z przewodu zasilającego najczęściej poprzez układ ograniczający maksymalne ciśnienie w tym zawieszeniu (np. poprzez reduktor ciśnienia). Zawór poziomu jest zaworem napełniająco-opróżniającym sterowanym położeniem dźwigni połączonej mechanicznie z wózkiem poprzez regulacyjną śrubę rzymską z dwoma przegubami kulistymi. Zawór posiada pewną stałą histerezę i zmienną zdolność napełniania i opróżniania w funkcji wychylenia kątowego jego ramienia (rys. 2). Rys.1 Dotychczas stosowany system sterowania napełniania sprężyny pneumatycznej w pojazdach Rys. 2 Histereza i przebieg zmienności natężenia przepływu zaworka napełniającego i opróżniającego zaworu poziomu w funkcji wychylenia kątowego jego ramienia 6 Zawór poziomu montowany jest na podwoziu pojazdu i poprzez ramię dźwigni oraz regulacyjną śrubę rzymską połączony jest z ramą wózka. Dzięki temu po zasileniu zaworu poziomu sprężonym powietrzem następuje napełnianie sprężyny pneumatycznej (siłownika pneumatycznego) do momentu aż nie osiągnie ona zadanej (wyregulowanej długością śruby rzymskiej) wysokości. Zmiana obciążenia pudła prowadzi do zmiany wysokości sprężyny i tym samym do jej napełniania lub opróżniania przez zawór poziomu sterowany położeniem kątowym ramienia dźwigni. Dzięki temu bez względu na obciążenie pojazdu poziom podłogi pojazdu znajduje się na stałej wysokości względem główki szyny, z dokładnością wynikającą z histerezy ugięcia niezbędnej do otwarcia zaworka napełniającego lub opróżniającego. 2. Układ mikroprocesorowego sterowania ciśnieniem zawieszenia pneumatycznego Docelowe sterowanie mikroprocesorowe zawieszenia pneumatycznego pojazdu składać się będzie z czujnika ultradźwiękowego lub laserowego umieszczonego wewnątrz sprężyny pneumatycznej do pomiaru jej wysokości, sterownika zawieszenia (CPU), zaworu elektropneumatycznego napełniającego i opróżniającego sprężynę, a w przyszłości również innych czujników mierzących stan pojazdu podczas jazdy (rys. 3). Sterowanie mikroprocesorowe umożliwi sterowanie wysokością sprężyny tak by niezależnie od wartości obciążenia sprężyny (pojazdu) jej wysokość pozostawała stała. Ponadto umożliwi wyeliminowanie zużywających się mechanicznych elementów zawieszenia, takich jak zawór poziomu sterowany ramieniem dźwigni oraz śruby rzymskiej z przegubami kulistymi. Dodatkowo dzięki zastoso-waniu mikroprocesorowego sterowania ciśnieniem w sprężynach pneumatycznych zawieszenia pojazdu szynowego z elektrycznym pomiarem wysokości sprężyny, układ może zapewniać podczas eksploatacji: POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Rys. 5. Wielkość histerezy w funkcji prędkości pojazdu Rys. 3. Ogólny układ sprężyny pneumatycznej sterowanej mikroprocesorowo − zmienną regulowaną wysokość podłogi pojazdu (możliwość automatycznego dopasowania się wysokości pudła do zróżnicowanej wysokości peronów), − realizację sztucznej wymuszonej przechyłki pojazdu w łuku w funkcji zmierzonego przyspieszenia dośrodkowego (poprawa komfortu i możliwość zwiększenia prędkości maksymalnej pojazdu w łuku), − możliwość wprowadzenia zmiennej histerezy zawieszenia pneumatycznego ( rys.4) w zależności od parametrów dynamicznych zmierzonych podczas jazdy pojazdu np. prędkości (rys.5) czy przyspieszeń (rys.6). Na przykład dla prędkości V=0 km/h histereza może wynosić ± 1 mm, a dla innych prędkości może być regulowana i zmieniać się np proporcjonalnie do prędkości. Rys. 6. Zmiana wysokości sprężyny pneumatycznej w funkcji przyspieszenia dośrodkowego wego co najmniej w zakresie 8 – 16 ton masy pudła pojazdu przypadającego na jeden siłownik (sprężynę). W związku z powyższym do realizacji przyjęto dwa rodzaje sprężyn pneumatycznych: o średnicy około 600 mm i o średnicy 800 mm (rys. 7). Rys. 7. Widok ogólny przyjętych do realizacji sprężyn pneumatycznych Rys.4. Histereza i charakterystyka natężenia przepływy powietrza przez elektrozawór sterowany mikroprocesorowo 3. Elementy zawieszenia pneumatycznego pojazdu W ramach projektu opracowano dwa siłowniki (sprężyny) pneumatyczne pokrywające zapotrzebowanie obciążeń stosowanych w pojazdach szynowych. Zgodnie z podstawowymi parametrami charakteryzującymi przedmiot wdrożenia opracowane siłowniki powinny pokryć zapotrzebowanie obciążenia pionoPOJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Sprężyna o średnicy 600 mm (dla lekkich pojazdów szynowych) może realizować następujące obciążenia: − przy ciśnieniu 200 kPa około 5 650 kg, − przy ciśnieniu 400 kPa około 11 300 kg. Sprężyna o średnicy 800 mm może realizować następujące obciążenia: − przy ciśnieniu 200 kPa około 10 000 kg, − przy ciśnieniu 400 kPa około 20 000 kg. Zakłada się, że dla obu sprężyn pneumatycznych następujące podstawowe parametry: − maksymalne dopuszczalne ciśnienie 700 kPa, − maksymalne ciśnienie robocze 500 kPa, − minimalne ciśnienie robocze 100 kPa, − maksymalne ugięcie pionowe około 60 mm, − maksymalne odbicie pionowe około 160 mm 7 W ramach projektu opracowano dokumentację techniczną sprężyny pneumatycznej o średnicy około 600 mm i dokumentację techniczną sprężyny pneumatycznej o średnicy 800 mm spełniające wyżej podane wymagania. W skład dokumentacji obu sprężyn pneumatycznych wchodzą „miechy pneumatyczne” o wyżej wymienionych średnicach i zunifikowane specjalne sprężyny gumowo-metalowe oparcia awaryjnego. Sprężyny te wykorzystywane są w pojeździe w przypadku awaryjnego sprężystego oparcia pudła na ramie wózka, na skutek awarii układu zawieszenia pneumatycznego w pojeździe. Unifikacja sprężyn gumowo-metalowych polega na tym, że sprężyny dla obu średnic miecha składają się z dwu zunifikowanych wymiarowo elementów gumowych. Sprężyna gumowo-metalowa sprężyny pneumatycznej o średnicy 600 mm składa się tylko z dwu elementów gumowych zwulkanizowanych ze stożkowymi tulejami stalowymi, a sprężyna gumowo-metalowa sprężyny pneumatycznej o średnicy 800 mm składa się z trzech elementów gumowych przy czym dwa z nich są identyczne jak w sprężynie pneumatycznej o średnicy 600 mm. Wyżej wymieniona dokumentacja techniczna została opracowana w oparciu o wymagania zawarte w aktualnie obowiązującej normie PN-EN 13597 „Kolejnictwo – Gumowe elementy zawieszenia – Gumowe przepony sprężyn zawieszenia pneumatycznego” listopad 2003 (norma europejska: EN13597:2003 „ Railway applictions – Rubber suspension components – Rubber diaphragms for pneumatic suspension springs”). W ramach projektu firma „Intergum” opracowała dokumentację oprzyrządowania, form i technologię wytwarzania sprężyn pneumatycznych, w oparciu o dokumentację techniczną sprężyn opracowaną przez IPS Tabor. Wykonane przez firmę „Intergum” oprzyrządowanie i formy posłużyły do wykonania prototypowych sprężyn pneumatycznych do przewidzianych w projekcie badań, które są przeprowadzane na opracowanym i wykonanym przez IPS stanowisku do badań. W ramach realizowanego zadania wytypowano do badań układu: czujnik pomiaru odległości, dobrano sterownik mikroprocesorowy do sterowania zawieszeniem pneumatycznym oraz wytypowano zawór elektropneumatyczny napełniająco-opróż-niający do badań układu i opracowano niezbędne oprogramowanie do przeprowadzenia prób na stanowisku badawczym. Dla docelowego układu wytypowano ciśnieniowy (do 6 bar) czujnik ultradźwiękowy do pomiaru wysokości UP56-211118 firmy Sick mocowany wewnątrz sprężyny pneumatycznej, natomiast do badań zakupiono czujnik ultradźwiękowy MIKROSONIC typ mic+35/IU/TC firmy Introl. Czujnik ten podczas badań jest zamocowany pomiędzy płytami sprężyny pneumatycznej. Do 8 badań wytypowano sterownik mikroprocesorowy RSSA 8iA 10o24 10i24 wyprodukowany przez IPS Tabor i zawór napełniająco-opróżniający 7ZH 510000-1-00 również produkcji IPS Tabor. Stanowisko do badań zawieszenia opracowano w zakresie funkcjonalnym oraz w celu możliwości zrealizowania badań zgodnie z wymaganiami określonych w normie PN-EN 13597 „Kolejnictwo – Gumowe elementy zawieszenia – Gumowe przepony sprężyn zawieszenia pneumatycznego”, których celem jest potwierdzenie możliwości spełnienia przez wykonane zawieszenie pneumatyczne postawionych założeń. 4. Stanowisko do badań sprężyn pneumatycznego zawieszenia Na rys. 8 przedstawiono projekt stanowiska do badań badań gumowych elementów zawieszenia zgodnie z normą PN-EN 13597 oraz aktywnego układu zawieszenia pneumatycznego. Rys. 8. Stanowisko do badań sprężyn pneumatycznych POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Stanowisko umożliwia wytworzenie wymaganych obciążeń i ugięć w kierunku pionowym i poprzecznym a także umożliwia wzajemne przemieszczenia promieniowe i obrót podstaw sprężyny. Do realizacji obciążeń pionowych i poprzecznych służą dwa siłowniki serwo-hydrauliczne (2 i 3) typu PL 160N firmy Instron o zakresie ±160 kN i skoku ±125 mm. Przegubowo zamontowany siłownik poziomy (3) umożliwia realizację przemieszczeń poprzecznych podstawy sprężyny oraz przy w przypadku połączenia dolnej płyty (5) z cięgłem (11) zapewnia jej obrót (rys. 11) - wymagany dodatkowo programem prób . Obciążenia osiowe i poprzeczne mierzone są dynamometrami tensometrycznymi (4) typu PM 160GL2 firmy Instron o zakresie ±160 kN współpracującymi ze wzmacniaczami pomiarowymi serii 8800. W celu zapewnienia warunków pracy odpowiadającym pracy sprężyn pneumatycznych zamon-towanych pomiędzy pudłem i ramą wózków na pojazdach szynowych, oraz w celu spełnienia wymagań w/w normy podczas badań gumowych elementów zawieszenia, płytę dolną (5), na której zamontowano sprężynę (1) zawieszono na wieszakach (7) o długości około czterech metrów. Zapewnia to zachowanie wystarczającej równoległości płyty dolnej do płyty górnej (6) w trakcie realizacji obciążeń i przemieszczeń poprzecznych pomiędzy płytami, wywołanymi siłownikiem (3). Natomiast dla zachowania równoległego położenia płyty górnej względem płyty dolnej podczas obciążeń i przemieszczeń w kierunku pionowym i poprzecznym (wywołanych podczas badań siłownikiem pionowym 2 i siłownikiem poziomym 3), płytę górną sprężyny pneumatycznej połączono z dwoma płytami bocznymi (10) i z równoległymi sztywnymi wahaczami (8 i 9) stanowiącymi wspólnie czworobok przegubowy. Ogólny widok zrealizowanego stanowiska do badań sprężyn pneumatycznych przedstawiono na rys.9 i 10. Na stanowisku można też dokonywać pomiarów przemieszczeń w kierunku pionowym i poziomym, pomiarów ciśnienia w sprężynie pneumatycznej, pomiarów wysokości sprężyny oraz rejestracji tych parametrów w funkcji czasu. Na stanowisku można również przebadać układ mikroprocesorowego sterowania wysokością sprężyny pneumatycznej, którego schemat blokowy pokazano na rys. 12. Rys. 9. Ogólny widok stanowiska do badań sprężyn pneumatycznych Rys. 10. Fragment stanowiska badawczego z badaną sprężyną pneumatyczną Rys. 11. Sprężyna w trakcie badań oddziaływania na nią przemieszczeń poprzecznych i obrotowych POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 9 Rys.12. Układ mikroprocesorowego sterowania wysokością sprężyny pneumatycznej na stanowisku badawczym 10 5. Zakończenie Na przedstawionym stanowisku badawczym przebadano już sprężynę pneumatyczną o średnicy 800 mm zgodnie z wymaganiami zawartymi w normie PN-EN 13597 oraz wykonano część zaplanowanych prób z zastosowaniem sterowania mikroprocesorowego. Wykonana w ramach wymienionego na wstępie projektu celowego sprężyna pneumatyczna o średnicy 800 mm spełniła wymagania wyżej wymienionej normy. Badania będą kontynuowane w 2012 roku i obejmą także sprężynę o średnicy około 600 mm. Przeprowadzenie badań w całym zakresie i dla obydwu rodzajów sprężyn oraz analiza uzyskanych wyników pozwoli na ostateczną, całościową ocenę badanego układu aktywnego sterowania zawieszeniem pneumatycznym dla pojazdów szynowych. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 dr hab. Agnieszka Merkisz-Guranowska Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” inż. Hanna Stawecka Politechnika Poznańska Recykling kolejowych wagonów towarowych na przykładzie Polski W artykule przedstawiono zagadnienia związane z recyklingiem towarowych wagonów kolejowych. Mimo braku regulacji prawnych związanych z zagospodarowaniem pojazdów szynowych recykling jest prowadzony z uwagi na korzyści ekonomiczne, które można czerpać z odzysku części i podzespołów wykorzystywanych jako części zamienne oraz z odzysku surowców wtórnych. W artykule opisano możliwości zagospodarowania wagonów towarowych wycofywanych z użytku na przykładzie Polski. Przedstawiono skalę zjawiska, istniejącą infrastrukturę oraz proces demontażu i recyklingu na przykładzie największego polskiego przewoźnika towarowego PKP Cargo. 1. Wprowadzenie Rozwój gospodarczy, oprócz pozytywnych aspektów takich jak podnoszenie poziomu jakości życia społeczeństw, pociąga za sobą także negatywne skutki dla człowieka i środowiska naturalnego. Jednym z tych skutków są odpady generowane między innymi przez środki transportu zarówno na etapie produkcji, eksploatacji jak i wycofania z użytku. Sposobem na ograniczenie tego negatywnego wpływu jest odzysk, czyli gospodarcze wykorzystanie odpadów. Rosnąca świadomość ekologiczna we współczesnych społeczeństwach, wprowadzane regulacje prawne mające na celu ograniczanie ilości odpadów przeznaczonych do składowania, ale również korzyści ekonomiczne jakie można uzyskać z utylizacji zużytych produktów powodują, że tworzenie sieci recyklingu odpadów stało się ważnym problemem, szczególnie w krajach rozwiniętych. W 2010 roku na całym świecie było eksploatowanych 2679,1 tys. wagonów towarowych, z tego 907,4 tys. w Europie. Ilość ta uległa zmniejszeniu od 2000 roku o 626,2 tys. sztuk w skali świata, w tym w Europie o 592,6 tys. wagonów [1]. Zmniejszenie ilości wagonów wynikało z faktu kasacji wagonów zużytych technicznie o znacznie mniejszych możliwościach przewozowych ładunków od wagonów towarowych wprowadzanych do eksploatacji w ostatnich kilkunastu latach, zwłaszcza w Europie i krajach wysoko rozwiniętych. Wycofywanie z użytku wagonów niezależnie od tego czy następuje w celu zastąpienia ich bardziej efektywnymi jednostkami czy zmniejszenia taboru powoduje konieczność ich odpowiedniego zagospodarowania. Środki transportu kolejowego są cennym źródłem materiałów, których recykling przynosi wymierne korzyści ekonomiczne. Wagony towarowe, podobnie jak inne środki transportu zbudowane są z różnych materiałów takich jak: stal, żeliwo, inne metale, drewno, kompozyty, malarskie powłoki ochronne, guma, POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 elastomery, brezenty, smary. Odzysk tych materiałów z jednej strony przyczynia się do ograniczenia zapotrzebowania na surowce pierwotne, a z drugiej strony zmniejsza zagrożenie dla środowiska naturalnego związane z niewłaściwym zagospodarowaniem głównie poprzez unikanie zanieczyszczenia ziemi i wód gruntowych substancjami niebezpiecznymi wykorzystanymi w ich budowie. W tej sytuacji, wtórne wykorzystanie wycofywanych z eksploatacji wagonów towarowych jest wyzwaniem zarówno dla przewoźników podejmujących decyzje o ich wycofaniu, jak i producentów wagonów oraz administracji państwowej. 2. Uregulowania prawne Kwestie recyklingu środków transportu zostały uregulowane wyłącznie w przypadku pojazdów samochodowych i to tylko samochodów osobowych i dostawczych o masie całkowitej do 3,5 tony. Z uwagi na to, że ilość odpadów powstających w wyniku wycofania z użytku taboru kolejowego jest znacznie mniejsza niż ilość odpadów z wycofanych z eksploatacji samochodów, zarówno władze międzynarodowe jak i krajowe, do chwili obecnej nie uregulowały kompleksowo problematyki recyklingu pojazdów szynowych. Jedynym dokumentem odnoszącym się do recyklingu pojazdów szynowych jest Kodeks (Karta) Międzynarodowego Związku Kolei (UIC – International Union of Railways). Karta nr 345 E zatytułowana „Specyfikacje środowiskowe dla nowych pojazdów szynowych” [2] została wydana w czerwcu 2006 roku. Dokument ten odnosi się do aspektów ekoprojektowania i uwzględnienia na etapie projektowania oddziaływań środowiskowych generowanych przez pojazdy szynowe w trakcie całego cyklu życia. Karta UIC 345 E określa, że już na początku projektowania pojazdu 11 szynowego producenci powinni stosować metodę REPID 2003, umożliwiającą uwzględnienie w procesie konstruowania takich aspektów jak: recykling materiałowy, efektywne zarządzanie zasobami, unikanie powstawania odpadów, uzyskiwanie jak najwyższego poziomu odzysku. Mimo tego, że nie wprowadzono regulacji prawnych dotyczących odzysku wycofanych pojazdów szynowych, producenci i uczestnicy rynku przewozów kolejowych powinni wspierać europejską politykę w zakresie zagospodarowania odpadów. Jako punkty odniesienia powinny posłużyć standardy przemysłu samochodowego. Jednym z postulatów jest uwzględnianie w projektowaniu nowych pojazdów szynowych wymaganych poziomów odzysku i recyklingu określonych w Dyrektywie 2000/53/EC Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 18 września 2000 roku w sprawie pojazdów wycofanych z eksploatacji [3]. Zgodnie z wspomnianą dyrektywą wymagane poziomy odzysku powinny wynieść do 2015 roku 85%, a od 2015 roku 95% masy pojazdu. Ponadto do 2015 roku maksymalnie 5% masy może zostać poddane odzyskowi energii (spalenie w celu wykorzystania energii zawartej w materiałach), a 80% masy powinno zostać poddane recyklingowi (recykling produktowy lub materiałowy). Od 2015 roku wskaźnik recyklingu zostanie podwyższony do 85%, a maksymalnie 10% masy będzie mogło zostać spalone w celu odzysku energii. W karcie 345 E postuluje się także wykorzystanie metody obliczeniowej zdolności pojazdów drogowych do recyklingu i odzysku, zawartej w normie ISO 22628, jako wzoru dla sektora kolejowego. 3. Skala problemu w Polsce W Polsce w grudniu 2010 roku eksploatowano łącznie 89270 wagonów towarowych. Dla porównania w tym samym okresie eksploatowano 7885 wagonów do przewozu pasażerów [4]. W ciągu pięciu lat liczba wagonów towarowych zmniejszyła się o prawie 14%, a wagonów osobowych o 11%. Strukturę rodzajową wagonów towarowych eksploatowanych na koniec 2010 roku w Polsce przedstawiono w tabeli 1. Struktura rodzajowa wagonów towarowych eksploatowanych w Polsce na koniec 2010 roku [4] Tabela 1 12 Wagony towarowe 89 270 Wagony kryte 5 818 Wagony węglarki 58 572 Wagony platformy 11 976 Wagony cysterny 7 329 Wagony pozostałe 5 575 W wyniku dokonanej w PKP w 1998 roku analizy posiadanych wagonów towarowych, uwzględniającej ilość według rodzajów, wiek wagonów, ich rozwiązania konstrukcyjne, techniczne zużycie oraz kształtujące się zmiany rodzajowe w kolejowym rynku przewozowym, opracowano program wycofania z użytku (kasacji) wagonów towarowych [6]. W programie tym założono wycofanie z użytku 27536 wagonów towarowych, ale w wyniku modyfikacji programu, liczba wagonów przeznaczonych do likwidacji uległa zwiększeniu. W latach 2003-2010 PKP Cargo wycofało z użytku 32609 wagonów (tab.3). Największą liczbę wagonów wycofano z eksploatacji w 2010 roku, kiedy poddano recyklingowi 6305 wagonów. Począwszy od 2011 roku skala likwidacji wagonów ma być mniejsza i będzie wahać się od kilkuset do około 2 tysięcy wagonów rocznie. Na 2011 rok zaplanowano kasację 1805 wagonów towarowych. W przypadku pozostałych przewoźników kolejowych obecnych na polskim rynku przewozu ładunków nie występował dotychczas proces recyklingu wagonów. Dysponują oni stosunkowo młodym taborem, w części dzierżawionym lub leasingowanym. Problem recyklingu wagonów towarowych w tych przedsiębiorstwach w większej skali zacznie występować pod koniec obecnej dekady. 4. Zagospodarowanie wycofanych wagonów towarowych przez PKP Cargo Wobec braku międzynarodowych jak i krajowych uregulowań prawnych w zakresie recyklingu wagonów towarowych, największy polski przewoźnik kolejowy dokonuje kasacji wagonów w oparciu o własne, wewnętrzne uregulowania, stworzone na bazie wieloletnich doświadczeń, a także w oparciu o przepisy prawne z zakresu ochrony środowiska. Pierwszym dokumentem regulującym sprawy likwidacji i recyklingu wagonów towarowych w spółce PKP Cargo było Zarządzanie nr 36 Zarządu PKP Cargo S.A. z 9 października 2002 roku w sprawie zasad i trybu wycofywania wagonów towarowych z eksploatacji ze względu na ich stan techniczny, likwidacji wagonów jako środków trwałych i kasacji wagonów wycofanych z eksploatacji [7]. W wyniku zdobytego w ciągu kilku lat obowiązywania powyższego zarządzania doświadczenia i wiedzy, opracowano nowy dokument pt. Zasady likwidacji wagonów”, który został wdrożony uchwałą nr 422/2009 Zarządu PKP Cargo S.A. z 20 sierpnia 2009 roku [8]. Zasady te wyznaczają tok postępowania od momentu zgłoszenia wagonu do wycofania z eksploatacji aż do zakończenia procesu jego fizycznej likwidacji. Likwidacja wagonów obejmuje całokształt czynności z punktu widzenia przewoźnika, czyli właściciela wagonu, związanych z wycofaniem wagonu z eksploatacji. Zasady definiują także czynności powiązane z likwidacją wagonów jak np. kasacja wagonu, czyli POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Struktura wiekowa wagonów towarowych należących do PKP Cargo w 2010 roku [5] Tabela 2 Średni wiek wagonu w latach Liczba Udział % do 5 lat 6 – 10 lat 11 – 15 lat 16 – 20 lat 21 – 25 lat 26 – 30 lat > 30 lat Średni wiek wagonu 38 061 54,97 1 651 62 1 852 1 22 699 6 976 4 820 24,3 Węglarki budowy specjalnej 11 150 16,10 959 2 093 749 0 590 713 6 046 24,5 Kryte budowy normalnej 3 806 5,50 0 0 0 176 1 452 840 1 338 28,7 Kryte budowy specjalnej 2 092 3,02 1 214 751 103 455 68 500 21,3 Platformy budowy normalnej 6 066 8,76 0 0 102 348 2 007 1 506 2 103 27,6 Platformy budowy specjalnej 5 102 7,37 145 76 373 28 2 275 551 1 654 25,8 747 1,08 0 0 60 0 404 201 82 24,6 Specjalne 1 701 2,46 0 0 0 0 0 1 651 50 29,2 Cysterny 34 0,05 0 0 0 0 0 0 34 41,0 Służbowe 486 0,70 0 0 0 0 202 9 275 38,1 Razem 69 245 100,0 2 756 2 445 3 887 656 30 084 12 515 16 902 Udział [%] 100,0 3,98 3,53 5,61 0,95 43,45 Rodzaj wagonu Węglarki budowy normalnej Z otwieranym dachem 18,07 25,1 24,41 Struktura wagonów towarowych wycofanych z użytku przez PKP Cargo w latach 2003-2010 [5] Tabela 3 Typ wagonu Wagony kryte budowy normalnej Wagony platformy budowy normalnej Wagony węglarki budowy specjalnej Wagony z dachem odchylnym Wagony chłodnie Wagony węglarki budowy normalnej 2003 Wagony platformy budowy specjalnej Wagony kryte budowy specjalnej Razem POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Ogółem 416 782 709 798 342 894 1315 1628 6884 76 157 207 146 103 305 309 934 2237 23 42 34 135 492 318 434 781 2259 1 50 86 78 13 4 2506 3457 2321 2217 832 Wagony cysterny Wagony specjalne 2004 4 1 231 2207 1775 2785 18100 1 1 2 8 1695 187 205 181 19 69 66 152 2574 50 5 23 10 2 162 5 23 280 27 5 1 1 1 4843 4725 1795 3958 3906 3577 3500 35 6305 32609 13 całokształt działań formalnych, technicznych i organizacyjnych, mających na celu fizyczną likwidację wagonu towarowego. W zakres kasacji wagonu wchodzą: − rozbiórka oraz cięcie wagonu z pozyskaniem: sprawnych części, zespołów, podzespołów, elementów i materiałów oraz złomu, − rozliczenie odzyskanych części, materiałów oraz złomu, rozliczenie odpadów i ubytków, przygotowanie wymaganych dokumentów. Kasacja obejmuje zatem demontaż wagonów, segregację części oraz odpadów do ponownego wykorzystania, a także odpadów do składowania i przekazanie ich odpowiednim jednostkom. Proces likwidacji wagonów towarowych określony w Zasadach likwidacji wagonów obejmuje następujące fazy: 1. Tryb zgłoszenia wagonów do wycofywania z eksploatacji ze względu ma stan techniczny. 2. Komisyjne oględziny wagonu zgłoszonego do wycofywania ze względu na stan techniczny. 3. Decyzja o wycofaniu wagonu z eksploatacji. 4. Przekazanie wagonów do fizycznej likwidacji. 5. Kasacja wagonów. 6. Rozliczenie kasacji wagonów. Po ocenie wagonów komisja kasacyjna ostatecznie ustala listę podzespołów i części nadających się do dalszego wykorzystania w eksploatacji, które należy odzyskać z kasowanego wagonu. Lista ta w szczególności obejmuje: wózki, zestawy kołowe, urządzenia cięgłowe, zderzaki, resory, zawór rozrządczy. Części te podlegają tzw. recyklingowi produktowemu, czyli są traktowane jako części zamienne do wykorzystania w trakcie obsługi serwisowej wagonów będących w eksploatacji bezpośrednio lub po przeprowadzeniu procesu regeneracji. Wagony są następnie przekazywane do demontażu. Demontaż może być przeprowadzany albo w zakładzie należącym do spółki PKP Cargo zajmującym się kasacją wagonów albo w uprawnionym do tego podmiocie zewnętrznym na podstawie umowy lub jeżeli transport wagonów nie jest możliwy w miejscu ich postoju. W miejscu postoju wagonu demontaż przeprowadzany jest albo przez pracowników spółki lub przez pracowników innych przedsiębiorstw na podstawie zawartej umowy. Spółka PKP Cargo posiada wymagane pozwolenia na wytwarzanie odpadów i gospodarowanie nimi oraz zbiórkę i składowanie surowców wtórnych, powstających w wyniku kasacji wagonów, ich przeglądów i napraw oraz wymiany w nich podzespołów [5]. Niezależnie od miejsca wykonywania demontażu kasacja wagonów powinna być przeprowadzona z należytą starannością, w szczególności, jeżeli chodzi o odzyskiwanie zespołów i podzespołów, segregację złomu, drewna i odpadów oraz minimalizację ubytków, z zachowaniem obowiązujących przepisów 14 BHP, przeciwpożarowych i ochrony środowiska. Kasacja powinna być prowadzona w taki sposób, aby nie była możliwa odbudowa wagonu, a żaden zespół lub podzespół zakwalifikowany na złom, nie mógł zostać ponownie wykorzystany w innym wagonie. Cel ten uzyskuje się poprzez przecięcie palnikiem głównych części konstrukcji. Podczas kasacji każdego wagonu istnieje obowiązek pocięcia wagonu na złom klasy W1, N5 (zestawy kołowe), N10 oraz ZZ8 w taki sposób, aby uzyskać jak największą ilość złomu klasy W1. Złom odzyskany z kasowanego wagonu należy posegregować na klasy i przechowywać w postaci posegregowanej do momentu jego odbioru. Odzyskane z kasowanych wagonów części zamienne i podzespoły przewidziane do dalszego obrotu materiałowego oraz złom w ustalonych klasach, cenach i wadze przekazywane są do magazynu. Ważnym zapisem ujętym w Zasadach likwidacji wagonów jest zapis, zgodnie z którym podczas rozliczenia kasowanego wagonu w ogólnym bilansie dopuszcza się maksymalnie do 5% ubytków łącznej masy w stosunku do łącznej masy wagonu ustalonej przed jego kasacją w wyniku ważenia bądź szacowania. 5. Miejsca przeprowadzania recyklingu wagonów w Polsce W Polsce funkcjonuje około 10 niezależnych przedsiębiorstw zajmujących się demontażem oraz recyklingiem materiałowym wagonów kolejowych oraz 11 zakładów należących do grupy PKP Cargo (rys.1). Rys.1. Lokalizacja przedsiębiorstw zajmujących się recyklingiem wagonów wycofanych z użytku POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Główny obszar działalności przedsiębiorstw nie należących do PKP Cargo obejmuje inną działalność niż zagospodarowanie pojazdów szynowych. Zajmują się one przede wszystkim naprawą i modernizacją taboru kolejowego, zagospodarowaniem złomu i surowców wtórnych (w tym samochodów wycofanych z eksploatacji), a nawet produkcją wagonów. Są to przedsiębiorstwa takie jak: − Wagon Ostrów S.A. w Ostrowie Wielopolskim, − Zakłady Naprawcze Taboru Kolejowego „Łapy” S.A. w Łapach, − Zakłady Naprawcze Taboru Kolejowego „Paterek” S.A. w Paterku k/Nakła nad Notecią, − Fabryka Wagonów „Gniewczyna” S.A. w Gniewczynie Łańcuckiej, − Przedsiębiorstwo Przerobu Złomu Metali „Segromet” Sp. z o.o. w Sokołowie Podlaskim, − Złomowanie, Recykling, Autozłom, Surowce Wtórne Olmet Sp. z o.o. w Tarnowskich Górach, − Punkt Skupu Surowców Wtórnych Kazimierz Bandzmer w Lęborku, − „Złomstal FHU Podczasy S.” w Imbramowicach, − Inverta – Bocar Sp. z o.o. w Tarnowskich Górach. Z kolei w Grupie PKP Cargo recyklingu wagonów towarowych dokonuje się w 11 wydzielonych organizacyjnie podmiotach zajmujących się przede wszystkim naprawą i serwisowaniem taboru, ale świadczących także usługi złomowania i recyklingu wagonów w 15 miejscowościach zlokalizowanych na obszarze całego kraju [5]. Są to: − PKP Cargo Wagon – Jaworzyna Śląska Sp. z o.o., − PKP Cargo Wagon – Kraków Sp. z o.o. (wykonująca usługi w zakresie wagonów towarowych w Krakowie – Prokocimiu i Krakowie – Nowej Hucie), − PKP Cargo Wagon – Szczecin Sp. z o.o., − PKP Cargo Wagon – Tarnowskie Góry Sp. z o. o., − PKP Cargo Wagon – Toruń Sp. z o.o. (wykonująca usługi w zakresie wagonów towarowych w Toruniu i Inowrocławiu – Rąbinku), − PKP Cargo Tabor – Czerwieńsk Sp. z o.o. , − PKP Cargo Tabor – Karsznice Sp. z o.o., − PKP Cargo Tabor – Ostrów Wielkopolski Sp. z o.o., 6. Zakres recyklingu W przypadku wagonów kolejowych możliwe są dwie metody recyklingu: ręczna i zmechanizowana. Należy jednak pamiętać, że wykorzystując metodę zmechanizowaną nie ma możliwości zastosowania pełnej mePOJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 chanizacji tak jak przy demontażu taśmowym stosowanym w stacjach demontażu samochodów wycofanych z eksploatacji. Ręczny demontaż jest konieczny zawsze w celu pozyskiwania zespołów, elementów i części nadających się do dalszego użytku lub regeneracji (recykling produktowy). Demontaż mechaniczny ma na celu przyspieszenie operacji związanych z cięciem i transportem elementów i służy do odzyskiwania surowców wtórnych (recykling materiałowy). Proces recyklingu produktowego rozpoczyna się od zdemontowania wózków, zderzaków i elementów cięgłowych oraz elementów aparatury hamulcowej. Po demontażu podzespołów dokonuje się wzrokowej oceny elementów pod względem braku pęknięć, pokrzywień, przerdzewiałych miejsc i przydatności do bezpośredniego ponownego wykorzystania lub regeneracji. W przypadku stwierdzenia uszkodzenia ramy wózka (pęknięcia, przerdzewiałe miejsca, pokrzywienia), przy jednoczesnym potwierdzeniu przydatności omaźnicowanych zestawów kołowych lub samych osi posiadających znaki cechowania określających ich rok produkcji, dokonuje się demontażu wózka, przeznaczając ramę na złom, a zestawy kołowe z maźnicami lub osie do dalszego użytkowania. Analogicznie postępuje się, gdy uszkodzone są zestawy kołowe lub osie, a rama jest nieuszkodzona. W przypadku demontażu wózka wymontowuje się trójkąty hamulcowe stwierdzając ich przydatność do dalszego użytku lub przeznaczając na złom. Zdemontowane zderzaki z wkładami elastomerowymi, w przypadku stwierdzenia braku mechanicznych uszkodzeń lub pęknięć elementów metalowych przeznacza się do regeneracji. Części i podzespoły wykorzystywane w recyklingu produktowym to najczęściej: wózki, ramy wózków, zestawy kołowe, ostoje wagonu, urządzenia cięgłowe, zderzaki, resory, trójkąty hamulcowe, kurki końcowe, systemy hamulcowe, zawory rozrządcze hamulca, zawory ważące. Pozyskanie powyższych zespołów i części do napraw, modernizacji i produkcji nowych wagonów towarowych ma istotny wpływ na opłacalność procesu recyklingu. Odzyskane produkty z wycofywanych z użytku wagonów stanowią średnio w zależności od rodzaju wagonu od 18,9% do 28,4% przeciętnej masy wagonów [9]. Po wyselekcjonowaniu i wymontowaniu części i podzespołów nadających się do dalszego użytkowania, kolejnym etapem jest odzysk materiałów. Najpierw w celu uniemożliwienia ponownego, nielegalnego wprowadzenia do ponownego obiegu elementów przeznaczonych do likwidacji, dokonuje się przynajmniej jednokrotnego przecięcia ostoi wagonu i ramy wózków, a kasowane zestawy kołowe zostają uszkodzone przez ukośne nacięcie czopa osi na szerokości i głębokości nie mniejszej niż 40 mm oraz jednomiejscowe nacięcie obrzeży kół na głębokości nie mniejszej niż 40 pod kątem 900 [9]. Następnie przy15 stępuje się do pocięcia wszystkich pozostałych elementów w tym pudła wagonu. Operacja ta może być przeprowadzona ręcznie przy pomocy palników lub mechanicznie z wykorzystaniem wielofunkcyjnych, głównie mobilnych, maszyn i urządzeń. Do mechanicznego demontażu można wykorzystywać między innymi wielofunkcyjną maszynę wyposażoną w nożyce do cięcia złomu, chwytak, płytę magnetyczną oraz hak ładunkowy. Do transportu wewnętrznego złomu można stosować samojezdną ładowarkę hydrauliczną, urządzenie często wykorzystywane w przedsiębiorstwach zajmujących się skupem i obrotem złomu. W wyniku recyklingu materiałowego wagonów towarowych, największą odzyskiwaną masę stanowi złom stalowy zaliczany zgodnie z polską normą PN – 85/H – 15000 do następujących klas: − W1 – złom stalowy kawałkowy wsadowy niestopowy o największych wymiarach 1000 x 500 x 500 mm o grubości 6 mm i powyżej oraz maksymalnej masie 2000 kg; koła i obręcze kolejowe o średnicy do 1100 mm, − N10 – złom stalowy pomieszany niewsadowy niestopowy. Niezależnie od powyższych dominujących klas złomu uzyskuje się także niewielkie ilości złomu wysokiej klasy oznaczonego symbolem W1R oraz złomu żeliwnego oznaczonego symbolem ZZ8. Udział uzyskiwanego złomu klasy W1R zależnie od rodzaju wagonu stanowi od 0,2% do 4,6% całkowitej masy wagonu, a udział złomu żeliwnego stanowi od 0,1% do 0,4% ogólnej masy wagonu (tab.4). Ponadto w wyniku złomowania niektórych elementów wyposażenia wagonu towarowego m.in. kurka końcowego uzyskuje się nieznaczne ilości złomu metali kolorowych jak np. mosiądzu czy aluminium. Ilości te maksymalnie mogą wynosić kilka kilogramów. W procesie utylizacji wagonów towarowych odzyskuje się także materiały, które nie są wykorzystywane w recyklingu materiałowym, ale są wykorzystywane jako źródło energii (tzw. odzysk energii). Do tych materiałów należą głównie drewno oraz w niewielkich ilościach smary i elementy gumowe, elastomerowe oraz brezenty. Udział drewna w masie wagonu w zależności od rodzaju wagonu wynosi od 2,7% do 11,4% masy wagonu. W procesie zagospodarowania wagonów towarowych oprócz odzysku produktów i materiałów nadających się do ponownego użycia, powstają odpady, które podlegają wyłącznie składowaniu. Odpady te to między innymi skorodowane powłoki malarskie, zabrudzenia i zanieczyszczenia pochodzące z przewożonych towarów i ładunków. 7. Podsumowanie Mimo, że nie istnieją w obszarze pojazdów szynowych regulacje prawne odnoszące się do recyklingu wycofanego z eksploatacji taboru, odpowiednie zagospodarowanie tego typu odpadów jest koniecznością wynikającą z ogólnych zasad gospodarowania odpadami. Do tej pory główną motywacją do przeprowadzania recyklingu były korzyści ekonomiczne jakie można czerpać z odzysku metali lub sprzedaży podzespołów nadających się do dalszego wykorzystania. Należy liczyć się jednak z tym, że zwłaszcza w krajach rozwiniętych, gdzie wdrażana jest polityka zrównoważonego rozwoju, problematyka recyklingu pojazdów szynowych stanie się przedmiotem zainteresowania, a docelowo ścisłych regulacji prawnych. Udział procentowy złomu w ogólnej masie wagonów towarowych wycofanych z użytku przez PKP Cargo w 2011 r. [5] Tabela 4 Przeciętna masa wagonu w kg Złom stalowy W1 Złom stalowy N10 Złom stalowy W1R Złom żeliwny ZZ8 18554 60,2% 8,9% 1,2% 0,3% 18518 56,5% 8,1% 0,2% 0,4% Wagon kryty budowy normalnej 4 osiowy 21139 47,9% 9,8% 0,4% 0,3% Wagon kryty budowy normalnej 2 osiowy Wagon platforma budowy normalnej 4 osiowa Wagon węglarka budowy specjalnej 2 osiowa Wagon platforma budowy normalnej 2 osiowa Wagon węglarka budowy specjalnej 4 osiowa 14128 55,2% 11,5% 0,5% 0,2% 21705 66,6% 1,5% 0,4% 0,1% 11780 60,6% 9,3% 4,6% 0,2% 10327 66,0% 1,2% 0,0% 0,1% 28000 68,9% 9,0% 1,2% 0,3% Rodzaj wagonu Węglarka budowy normalnej z podłogą metalową - 4-osiowa Węglarka budowy normalnej z podłogą drewnianą-4 osiowa 16 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Odpowiednie zagospodarowanie wycofanych pojazdów szynowych, w tym wykorzystanie produktów i surowców pozyskanych w drodze recyklingu przyczynia się bowiem do: − zmniejszenia zanieczyszczenia środowiska naturalnego, − zmniejszenia zużycia surowców pierwotnych, − obniżenia kosztów produkcji i napraw wyrobów, − zmniejszenia kapitałochłonności i energochłonności produkcji. Osiągnięcie wysokich poziomów recyklingu i odzysku wymaganych dla pojazdów samochodowych nie stanowi problemu w przypadku zagospodarowania wagonów towarowych, natomiast będzie stanowić problem w przypadku pojazdów trakcyjnych oraz wagonów przeznaczonych do przewozu osób. Zagwarantowanie odpowiedniego poziomu odzysku możliwe będzie wyłącznie wtedy, kiedy wymagania związane z demontażem i recyklingiem będą uwzględniane na etapie konstruowania pojazdów szynowych. Trzeba wprowadzić system nowoczesnych modułowych technologii zapewniających łatwą budowę pojazdów i jednocześnie ułatwiony demontaż (zapewnienie łatwego i prostego rozdziału materiałów przy kasacji pojazdu). Poza tym istotny jest także dobór materiałów i udostępnienie przez producentów odpowiedniej dokumentacji pojazdów. W Polsce istnieje odpowiednia baza techniczna umożliwiająca fizyczną utylizację pojazdów szynowych. Należy jednak liczyć się z inwestycjami w wyposażenie techniczne niezbędne do przeprowadzenia procesu recyklingu produktowego i materiałowego pojazdów szynowych zwłaszcza zespołów trakcyjnych. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Literatura: [1] International Union of Railways , Railway Statistics Synopsis 2000- 2009, www.uic.org [2] Kodeks UIC 345 E pt. Specyfikacje środowiskowe dla nowych pojazdów szynowych, International Union of Railways, Wydanie 1, 1.06.2006. [3] Dyrektywa 2000/53/EC Parlamentu Europejskiego i Rady z 18 września 2000 w sprawie pojazdów wycofanych z eksploatacji, Dziennik oficjalny OJ269, 21.10.2000. [4] Transport Wyniki Działalności w 2010 roku, Główny Urząd Statystyczny, Warszawa 2011. [5] Materiały informacyjne PKP Cargo S.A. [6] Polityka inwestycyjna PKP w zakresie taboru trakcyjnego i wagonowego na lata 1999-2010, Kraków 1998. [7] Zarządzenie nr 36 Zarządu PKP Cargo S.A. z 9 października 2002 roku w sprawie zasad i trybu wycofywania wagonów towarowych z eksploatacji ze względu na ich stan techniczny, likwidacji wagonów jako środków trwałych i kasacji wagonów wycofanych z eksploatacji. Dokumenty wewnętrzne PKP Cargo S.A. [8] Zasady likwidacji wagonów. Regulamin PKP Cargo S.A. z 20 sierpnia 2009. Dokumenty wewnętrzne PKP Cargo S.A. [9] Materiały przedsiębiorstw przeprowadzających demontaż wagonów towarowych m.in. Wagon Ostrów w Ostrowie Wlkp., Tabor Szynowy w Opolu, spółki grupy PKP Cargo, Olmet w Tarnowskich Górach, Złomstal FHU Podczasy S. w Imbramowicach, Segromet w Sokołowie Podlaskim. 17 dr inż. Marek Sobaś Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Przedswięwzięcia zwiększające prognozowaną żywotność osi zestawów kołowych w skali Unii europejskiej W artykule przedstawiono metody zwiększenia bezpieczeństwa i niezawodności osi zestawów kołowych na przykładzie wagonów towarowych. Poruszono istotne problemy związane z projektowaniem osi zestawów kołowych zespołów trakcyjnych dalekobieżnych, gdzie zaproponowano bardziej ostrożne podejście do przyjmowania naprężeń dopuszczalnych, wynikających z bardzo dużego przebiegu kilometrowego. Artykuł został opracowany w ramach projektu badawczo-rozwojowego Nr R 10 004806/2009 pt. „Mikroprocesorowy system diagnostyczny głównych systemów trakcyjnego pojazdu szynowego uwzględniający ocenę bieżącą i prognozowanie stanów”, finansowanego z budżetu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Projekt badawczy własny nr N N509 pt. ”Prognozowanie stanu technicznego głównych systemów pojazdu szynowego na podstawie analizy zmian wartości charakterystycznych parametrów podzespołów”. 1. WSTĘP Problematyka związana z rozwojem technologii wytwarzania osi zestawów kołowych została przedstawiona w opracowaniach [4,8,12]. Bardzo duża rolę odgrywa wprowadzenie normy europejskiej PN-EN 13261+A1:2011 [19], która zastąpiła dotychczas obowiązująca kartę UIC 811-1 [15] oraz PN-93/K-91045 [20]. Zwiększa się również rola diagnostyki w niezawodnej eksploatacji zestawów kołowych [6,7,9,10,11,13,14,16,19,22]. Niezależnie od wzrastającego nacisku położonego na jakość technologii wytwarzania po katastrofie kolejowej pociągu towarowego, ciągnącego wagony towarowe-cysterny w Viareggio (Włochy) podjęto w Europie szeroko zakrojoną akcję prewencyjną, mającą na celu zapobieżenie podobnym wypadkom oraz mających na celu zwiększenie bezpieczeństwo eksploatacji osi zestawów kołowych. Ww. akcję uzasadniano również faktem zwiększającej się liczby wypadków wagonów towarowych w skali europejskiej, wynikających ze źle utrzymanych zestawów kołowych. Współpraca w tym temacie została podjęta roku przez Europejską Agencję Kolejową (niem. „Europäische Eisenbahnagentur”- ERA), krajowe urzędy transportu kolejowego, odpowiedzialne za bezpieczeństwo ruchu kolejowego oraz przedsiębiorstwa kolejowe (koleje państwowe oraz prywatne, właściciele wagonów oraz producenci, zrzeszone w UIP). Ww. grupa Joint Sektor Group opracowała program roboczy, mający na celu zwiększenie bezpieczeństwa eksploatacji wagonów towarowych i został on zatwierdzony przez Unię Europejską i krajowe urzędy transportu kolejowego. Celem programu rozwiniętego przez JSG jest eliminacja zagrożeń eksploatacyjnych na podstawie przeprowadzonej kontroli 18 wizualnej i dalsza optymalizacja opanowania możliwego ryzyka w eksploatacji zestawów kołowych w eksploatacji zestawów kołowych europejskich wagonów towarowych, których łączny przebieg kilometrowy wynosi ok. 50 miliardów kilometrów w ciągu roku. Grupa JSG skupiała członków następujących organizacji kolejowych: ⇒ Związku Kolei Europejskich - CER ⇒ Związku Prywatnych Przedsiębiorstw Przewozowych Ładunków - EFRA ⇒ Związku Prywatnych Właścicieli Wagonów Towarowych - UIP ⇒ Związku Operatorów Transportu Kombinowanego - UIRR ⇒ Związku Producentów Zestawów Kołowych UNIFE. 2. OPIS PROGRAMU PRZEZ JSG OPRACOWANEGO Program roboczy składa się z trzech zakresów działań. Zakres I. Opracowanie Katalogu Wizualnej Kontroli Uszkodzeń Osi Zestawów Kołowych tzw. EVICKatalog (ang. European Visual Inspection Catologue), opisuje lub przedstawia przykładowe referencyjne uszkodzenia mechaniczne lub uszkodzenia spowodowane procesami korozji osi zestawów kołowych. Kontrola wizualna osi jest przewidziana naprawach lub przeglądach wagonów towarowych w warsztacie, jeśli wagon znajduje się na kanale lub jest podniesiony. Zestawy kołowe, które wykazują wady niedopuszczalne, należy wyłączyć z eksploatacji i przeprowaPOJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 dzić naprawę przy użyciu badań nieniszczących. Skatalogowane kryteria uszkodzeń EVIC są obligatoryjne od 1.04.2010. Okres trwania programu jest ograniczony tzn.: • standardowe wagony towarowe muszą być sprawdzone co 6 lat • wagony przewożące ładunki niebezpieczne, które są eksploatowane w agresywnym środowisku muszą być sprawdzone w co 4 lata. Katalog uszkodzeń EVIC musi być przekazany warsztatom naprawczym przez właścicieli, zlecającym przeglądy osi zestawów kołowych i są one zobowiązane do przekazywania informacji o wykonanych przeglądach. Joint Sektor Group opracował specjalny dokument z danymi, które podlegają kontroli. W celu wdrożenia i kontroli programu wyznaczono w poszczególnych krajach krajowe gremia Joint EVIC Bodies, do których zadań należało przetłumaczenie katalogu EVIC na język danego kraju oraz organizacja szkoleń dla zainteresowanych organizacji kolejowych, właścicieli i warsztatów naprawczych. Katalog EVIC został przetłumaczony na 11 języków krajów, zrzeszonych w Unii Europejskiej. Przeprowadzono około 50 kursów szkoleniowych z udziałem 750 uczestników. Od czasu startu programu zostało przebadanych 180 000 osi wagonów towarowych w krajach członkowskich Unii Europejskiej. Struktura kontroli w poszczególnych krajach Unii Europejskiej jest przedstwiona w tabeli 1. Z danych przedstawionych w tabeli 1 widoczna jest wiodąca rola kolei niemieckich we wdrażaniu nowego systemu kontrolnego. Łącznie zostało przebadanych 93 607 osi zestawów kołowych wagonów towarowych, co stanowi 70% łącznej ilości przebadanej w ramach kolei krajów członkowskich Unii Europejskiej. Zaskakujący jest przy tym fakt pozytywnie zweryfikowanych osi zestawów kołowych, wynoszących 44126, co stanowi zaledwie 33% łącznej ilości przebadanej w ramach kolei krajów członkowskich Unii Europejskiej. Znacznie lepszy wyniki takiej kontroli mogą odnotować przewoźnicy, których koleją podstawiającą są koleje francuskie, przy zastrzeżeniu że kontroli poddano znacznie mniejszą ilość osi zestawów kołowych. Struktura wyników kontrolowanych osi zestawów kołowych wagonów towarowych 86 właścicieli w 12 krajach Unii Europejskiej jest przedstawiona na rys.1. 100000 80000 60000 40000 20000 0 inne O.K X C inne) osie wykluczone z eksploatacji z innych powodów wynik badań nieniszczących pozytywny X) natychmiastowe wykluczenie osi z eksploatacji C) wynik badań pozytywny, osie dopuszczone do dalszej eksploatacji. OK) Rys.1. Wyniki kontrolowanych osi zestawów kołowych wagonów towarowych w krajach Unii Europejskiej Struktura kontroli osi zestawów kołowych 86 właścicieli wagonów towarowych w 12-tu krajach Unii Europejskiej w ujęciu ilościowym wg [1] Tabela 1 L.p. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 1) 2) Kraj Unia Europejska Austria Belgia Szwajcaria Czechy Niemcy Estonia Francja Węgry Włochy Polska Słowacja Słowenia Ilość sprawdzanych wagonów Osie zestawów kołowych 34 356 133 184 980 459 1976 19 23 632 66 3372 271 1768 829 966 18 3713 1873 6639 76 93607 161 12396 989 6780 3253 3645 52 wykluczone z eksploatacji z innych powodów wynik badań nieniszczących pozytywny, dalsza eksploatacja POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Inne1) 11033 1582 293 7200 0 1820 2 82 35 10 9 3) 4) Wynik negatywny „X”3) Dalsza eksploatacja do następnej kontroli „C”4) 68983 3082 50176 1301 1871 2706 76 44126 90 9522 580 3971 2723 1893 34 264 2 192 0 2140 12 110 2 309 44 5 2 566 0 3348 0 40141 59 944 405 2418 451 1737 7 Wynik pozytywny „OK.”2) natychmiastowe wykluczenie z eksploatacji dalsza eksploatacja aż do następnej kontroli wg katalogu EVIC 19 Struktura wyników kontrolowanych osi zestawów kołowych wagonów towarowych w Polsce jest przedstawiona na rys.2. bardzo szczegółowych badań nieniszczących np. badań ultradźwiękowych. Na bazie porównań i ocen grupa JSG zobowiązała się do wdrażania dalszych przedsięwzięć technicznych. Realizacja programu jest przewidziana na 12 miesięcy i będzie koordynowana w ramach danego państwa i wdrażana, przy czym odpowiednie należy zebrać odpowiednie pliki danych i przekazać dalej po 6-ciu miesiącach. Program jest uzgadniany zarówno przez Unię Europejską jak również krajowe urzędy i rozpoczął się w czerwcu 2010 roku. Zakres III: Opiera się na propozycji opracowania danych do przeprowadzenia przeglądów zestawów kołowych. Propozycja ta została zgłoszona na posiedzeniu Europejskiej Agencji Kolejnictwa (ERA) w dniu 22.06.2010. Za pomocą odpowiedniej metodyki można dokonać szybkiej identyfikacji wad materiałowych i ułatwić ustalenia przyczyn wypadków kolejowych. Łącznie należy zarejestrować 47 parametrów dla różnych części składowych zestawów kołowych. Dalej należy zdefiniować badania nieniszczące, które należy wykonać na zestawie kołowym w zależności od sytuacji. System został wprowadzony od sierpnia 2010 roku. Licząc od tej daty muszą być wszystkie dane rejestrowane i wtedy niniejsze dane muszą być rejestrowane na bieżąco we wszystkich w krajach Unii Europejskiej. Od 01.01.2012 dane muszą być rejestrowane w elektronicznym systemie przetwarzania danych. 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 inne O.K X C inne) osie wykluczone z eksploatacji z innych powodów wynik badań nieniszczących pozytywny X) natychmiastowe wykluczenie osi z eksploatacji C) wynik badań pozytywny, osie dopuszczone do dalszej eksploatacji. Rys.2. Wyniki kontrolowanych osi zestawów kołowych wagonów towarowych w Polsce w ramach Unii Europejskiej OK) Na uwagę zasługują dobre wyniki, kontroli przeprowadzonej w Polsce. Porównując bardzo podobne ilości przebadanych zestawów kołowych w Austrii, Słowacji oraz w kraju wg tych samych kryteriów najwięcej zestawów kołowych zostało zakwalifikowanych do dalszej eksploatacji po stwierdzeniu pozytywnego wyniku badań ultradźwiękowych. Zakres II: Zakres ten programu opracowanego przez JSG jest dostarczenie dowodu, że wizualna inspekcja osi zestawów kołowych eliminuje w sposób niezawodny możliwe ryzyko eksploatacyjne. Z wszystkich czterech zakresów kwalifikacyjnych (oznaczonych „X”, „OK.”, „inne” oraz „C“) wytypowano 24 000 osi zestawów kołowych wagonów towarowych, które przeszły z wynikiem pozytywnym lub nie zostały zakwalifikowane na zgodność z kryteriami EVIC do 3. NOWOCZESNE ZASADY PROJEKTOWANIA ZESTAWÓW KOŁOWYCH Struktura kontroli osi zestawów kołowych 86 właścicieli w 12-tu krajach Unii Europejskiej w ujęciu procentowym wg [1] Tabela 2 L.p. Kraj Ilość sprawdzanych wagonów Osie zestawów kołowych Inne1) Wynik pozytywny „OK.”2) Wynik negatywny „X”3) Dalsza eksploatacja do następnej kontroli „C”4) [%] 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 1) 2) Unia Europejska Austria Belgia Szwajcaria Czechy Niemcy Estonia Francja Węgry Włochy Polska Słowacja Słowenia 34 356 133 184 8,28 51,72 2,31 37,67 980 459 1976 19 23 632 66 3372 271 1768 829 966 18 3713 1873 6639 76 93607 161 12396 989 6780 3253 3645 52 42,6 0 4,41 0 8,61 0 14,68 2,02 1,20 0,99 0,27 17,3 35,03 99,89 40,75 100 47,13 55,90 76,81 58,64 58,56 77,24 51,93 65,38 7,11 0,106 2,89 0 2,28 7,45 0,88 0,20 4,55 1,24 0,13 3,84 15,24 0 50,42 0 42,88 36,64 7,61 40,95 35,66 12,80 47,65 13,46 osie wykluczone z eksploatacji z innych powodów wynik badań nieniszczących pozytywny 20 3) 4) natychmiastowe wykluczenie osi z eksploatacji wynik badań pozytywny, osie dopuszczone do dalszej eksploatacji. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Doświadczenia eksploatacyjne zespołów trakcyjnych, przystosowanych do wysokich prędkości, zwłaszcza ICE w DB AG dostarczyły nowego materiału bazowego do analiz osi pod względem wytrzymałościowym. Przebieg kilometrowy zespołów trakcyjnych dalekobieżnych wynosi około 500 000 km w skali rocznej (ok. 1370 km w przeliczeniu na dzień, ok. 57 km w przeliczeniu na jedną godzinę).. Dla porównania przebieg zespołów trakcyjnych ruchu lokalnego wynosi około 100 000 km w skali rocznej. Jak okazuje się z praktyki eksploatacyjnej przy takim intensywnym przebiegu już podczas 21 dni jest osiągnięta bazowa wartość cykli 107 cykli. Zakładając średnią średnicę toczną koła 0,900 m, wynika że oś jest obciążona 350 cyklami w przebiegu przeliczeniowym na jeden kilometr, co daje 484 000 cykli obciążeń na jeden dzień. Z takich przeliczeń wynika, że zakładając 30-letnią żywotność otrzymuje się łączny przebieg, wynoszący 15 milionów kilometrów, co odpowiada 109 cykli obciążeń (100x107 cykli obciążeń). Z tego wynika, że zakładana wartość 107 cykli obciążeń jest w praktyce wielokrotnie przekraczana (nawet 100 razy). W związku z tym wytrzymałość eksploatacyjna takich elementów jak osie nabiera szczególnego znaczenia i zależy od wielu czynników, które są wymienione na rys.3. OBCIĄZENIE EKPLOSTACYJNE dek wytrzymałości co wyznacza krzywa o pochyleniu k2, szczególnie to odczuwa się przy połączeniach wtłaczanych (na odsadzeniach kół, łożysk, kół przekładni i tarcz hamulcowych) i przy występowaniu korozji ⇒ warunek wytrzymałości zmęczeniowej dla osi jest spełniony, jeśli współczynnik bezpieczeństwa S, definiowany jako stosunek pomiędzy naprężeniem dopuszczalnym oraz naprężeniem rzeczywistym. wynikającym z eksploatacji jest większy od 1.; w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych stosunek ten może być mniejszy w wyniku działania ekstremalnego naprężenia, spowodowanego wystąpienia maksymalnej siły podczas przejazdu przez łuk toru. Żywotność przy zmiennej amplitudzie naprężeń i wynikającym z tego układu naprężeń jest opisana przez krzywą Gassnera, która została zastosowana w budowie części pojazdów szynowych w latach 80-tych. Krzywa Gassnera jest przedstawiona na rys.4. KONSTRUKCJA WYTRZYMAŁOŚĆ EKSPLOATACYJNA WARUNKI OTOCZENIA MATERIAŁ I WYKONANIE Rys. 4. Określenie amplitudy naprężenia ZAPEWNIENIE JAKOŚCI, WYKRYWANIE WAD, KONSERWACJA Rys.3. Schemat blokowy czynników mających wpływ na wytrzymałość eksploatacyjną osi zestawów kołowych wraz z ich wzajemnymi powiązaniami Z przeprowadzonych badań naukowych i doświadczeń praktycznych znane są ograniczenia prostego opisu wytrzymałości zmęczeniowej. Jako istotne ograniczenia należy wymienić: ⇒ najczęściej występujące obciążenia eksploatacyjne nie posiadają charakteru sinusoidalnego, lecz są to obciążenia o zmiennym przebiegu, a wskutek tego występuje mechanizm kumulacji uszkodzeń o odmiennym charakterze ⇒ na częściach występujących w eksploatacji nie można mówić o wytrzymałości zmęczeniowej w tradycyjnym ujęciu, wskutek czego po 106 lub 107 cykli obciążeń odnotowuje się dalszy spaPOJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 σa wg hipotezy ekwi- walentnych uszkodzeń wg [3] Została ona opracowana już w latach trzydziestych XX wieku i wykorzystana w projektowaniu lekkich konstrukcji w przemyśle lotniczym, a następnie wykorzystana również w budowie pojazdów. Również krzywa Gassnera została opisana przez rozproszenie i pochylenie k*. Krzywa Gassnera może być zastosowana do charakterystyki wytrzymałości zmęczeniowej przy określonych warunkach brzegowych oraz do oceny wytrzymałości eksploatacyjnej i żywotności przy znanym obciążeniu eksploatacyjnym. Przy przedłożeniu reprezentatywnego układu obciążeń jako układu do konstrukcji dla przewidywanej żywotności wywodzi się naprężenie ekwiwalentne dla uszkodzenia (rys.5). 21 Rys.5. Określenie naprężenia „ekwiwalentnego”, odpowiadającemu uszkodzeniu Naprężenie ekwiwalentne σa,äq, odpowiadające uszkodzeniu jest obciążeniem o przebiegu sinusoidalnym przy zdefiniowanej ilości cykli obciążeń Nv, które wywoła analogiczne uszkodzenie jak układ obciążeń z maksymalną wartością naprężenia σa,betr i ilości cykli obciążeń NB. Naprężenie ekwiwalentne σa,äq wyznacza się za pomocą hipotezy Palmgrena-Minera, przy czym wykorzystuje się pochylenie krzywej Wöhlera k2=2k11 lub k2=2k1-2, powyżej ilości cykli Nv na podstawie przedłożonych danych, zebranych doświadczeń i zależnie od mechanizmów uszkodzeń. Niniejszy sposób postępowania określa się jako projektowanie dopasowane do warunków eksploatacyjnych, przy czym jest zagwarantowane, że wykazana jest wymagana żywotność, przy której unika się przedwczesnego pęknięcia części decydujących o bezpieczeństwie, do jakich należą osie lub koła zestawów kołowych. Jako podstawę do uszkodzenia bierze się za podstawę „pęknięcie techniczne”, przy którym jest zachowana pełna funkcjonalność części (rys.6.) międzynaprawcze. W przeciwieństwie do tego przy częściach, wykazujących mniejsze wymiary („konstrukcja niedowymiarowana”) zwiększa się prawdopodobieństwo wystąpienia pęknięcia, przy określonych warunkach wytężenia materiału i prowadzi to do istotnie zmniejszonych okresów międzynaprawczych. Tak więc projektowanie osi zgodnie z obciążeniami eksploatacyjnymi nabiera również znaczenia ekonomicznego. Dotychczasowe wyniki uzyskane z badań oraz zdobytych doświadczeń z przemysłu pokazały, że występuje logarytmiczny związek pomiędzy żywotnością L i naprężeniem σ oraz pomiędzy średnicą przekroju osi d i żywotnością. Żywotność osi określa się z zależności: σ a*, B LX = LB * σ a ,betr Jako miarodajną dla żywotności osi przyjęto więc ilość cykli obciążeń NB≈109, odpowiadającą rzeczywistym warunkom eksploatacyjnym. Przyjęto założenie, że przy odpowiednim zaprojektowaniu osi (zwymiarowaniu osi) prędkość propagacji pęknięcia jest relatywnie mała i można przewidzieć normalne okresy: 22 k* (1) Zależność wymiarową wyznacza się z zależności: L d B = d X B LX 1 / n⋅k * (2) gdzie: Lx - oczekiwana żywotność przy występowaniu naprężenia eksploatacyjnego σ a*,betr LB - żywotność odpowiadająca projektowaniu σ a*,B - naprężenie, które jest w stanie przenieść konstrukcja osi, aby osiągnąć żywotność LB osi zestawu kołowego; dx - średnica rozpatrywanego przekroju osi n - wykładnik naprężenia (n=1÷2 dla wieńca i tarczy koła, n=3 dla osi zestawu kołowego) k* - wykładnik żywotności (k*=5÷8, zależny od gradientu naprężenia, stanu powierzchni i stanu obciążenia w rozpatrywanej strefie elementu konstrukcyjnego). Z oczekiwanej żywotności Lx i wymaganej żywotności projektowej LB można ustalić wymagane zmniejszenie naprężeń σ a*,betr względnie zwiększenie średnicy dx. Z drugiej strony z naprężenia Rys.6. Schematyczna ilustracja projektowania dostosowanego do warunków eksploatacji z odpowiednimi, miarodajnymi parametrami σ a*,betrt , które jest w stanie przenieść konstrukcja i ekwiwalentnego naprężenia σaäq, äq można określić oczekiwaną żywotność Lx w porównaniu do wymaganej żywotności projektowej LB: σ L X = L B a,betr σ a,aq k* (3) Wg tego wzoru, wyrażającego zależność pomiędzy żywotnością i naprężeniami, naprężenie większe o 10 % w stosunku do wartości naprężenia, które jest w stanie przenieść konstrukcja zmniejsza żywotność o POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 współczynnik wynoszący 2 przy współczynniku pochylenia krzywej k*=6. Zwiększenie naprężenia o 10% może być spowodowane zmniejszeniem średnicy przekroju osi o około 3%. Obliczenia osi tocznych oraz trakcyjnych zespołu trakcyjnego dalekobieżnego ICE TD zostały wykonane w oparciu odpowiednio o PN-EN 13103:2009 [17] oraz PN-EN 13104:2009 [18].Osie toczne były wykonane z materiału normalizowanego cieplnie EA1N (24CrMo4), natomiast osie trakcyjne z materiału ulepszanego cieplnie EA4T (34CrNiMo6). Naprężenia dopuszczalne przyjęto na podstawie ww. norm europejskich. Obydwa typy spełniały więc wymagania wytrzymałości zmęczeniowej we wszystkich strefach ze współczynnikami bezpieczeństwa S=σa,zul/σa,betr≥1 wg ww. norm. Oszacowanie żywotności wg metodyki projektowania wg widma z eksploatacji, przy założeniu przebiegu wynoszącego 15 milionów kilometrów prowadzi jednak do zupełnie innych rezultatów. Ponadto z pomiarów eksploatacyjnych ustalono, że uwzględnia się około 20% większe naprężenie w stosunku do obliczeń wg normy. Jeśli przyjąć, że dotychczasowy przebieg kilometrowy LX wynosił 3 miliony kilometrów (aż do ujawnionego pęknięcia w najbardziej wytężonym miejscu w łuku przejściowym), a wymagany wynosi LB=15 milionów kilometrów to wówczas stosunek obydwu przebiegów wynosi LB/LX=5. Jeśli przyjąć, że n=3 (dla osi) oraz k*=6 to wówczas zgodnie z zależnością (2): dx=d0⋅5(1/3×6)= 1.09⋅d0 (4) Oznacza to, że w krytycznych miejscach osi średnica powinna wzrosnąć o 9%, aby spełnić wymaganie żywotności LB=15 milionów kilometrów. Niniejszy wniosek dotyczył osi napędnej, co przełożyło się na zmianę średnicy osadzenia ze 179 mm z łukiem przejściowym 160 mm, na średnicę osadzenia 195 mm z łukiem przejściowym 174 mm. Z obliczeń wytrzymałościowych za pomocą metody elementów skończonych wynika, że największa koncentracja naprężeń występuje w strefie oznaczonej kolorem czerwonym, która jest przedstawiona na rys.7 (lewa strona). Na rys.8 jest przedstawiony przełom zmęczeniowy osi zespołu trakcyjnego ICE 3, który wystąpił po przebiegu 3 milionów kilometrów i po 7,7 latach eksploatacji (średni przebieg roczny ok. 390 000 km). W wyniku analizy pęknięcia osi, które wystąpiło w 2008 roku uznano, że jego przyczyną były zanieczyszczenia materiałowe, wynikające z procesu wytwarzania o długości ok. 0,9 mm, które przekroczyły dopuszczalną wartość. Pękniecie osi trakcyjnej innego zespołu trakcyjnego dalekobieżnego typu ICE 3 wystąpiło na trasie Nürnberg-Chemnitz w dniu 2.12.2002 po rocznej eksploatacji i przebiegu wynoszącym około 350 000 km, który doprowadził do wykolejenia, nie powodując POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Rys.7. Usytuowanie pęknięcia zmęczeniowego w łuku osi napędnej zespołu trakcyjnego ICE 3, które wystąpiło po 7,7 latach eksploatacji i przebiegu 3 milionów kilometrów (analiza wytrzymałościowa metodą elementów skończonych) Rys.8. Przełom zmęczeniowy osi napędnej zespołu trakcyjnego dalekobieżnego ICE 3, który wystąpił po 7,7 latach eksploatacji i przebiegu 3 milionów kilometrów ofiar wśród pasażerów. Przełom zmęczeniowy osi w strefie osadzenia koła został spowodowany korozją cierną w tym rejonie i jest przedstawiony na rys.9 i powstało w tym samym miejscu jak na rys.7. Graficzne przedstawienie wytrzymałości zmęczeniowej osi zestawów kołowych wg obliczeń zgodnie z normą PN-EN 13103 (osie toczne) [17] oraz PN-EN 13104 (osie trakcyjne) [18] w zależności od ilości cykli obciążeń znajduje się na rys.10. 23 Rys.9. Przełom zmęczeniowy osi napędnej zestawu kołowego zespołu trakcyjnego dalekobieżnego ICE po rocznym przebiegu 350 000 km Legenda: TRS - zestaw kołowy napędny (niem. Treibradsatzwelle) LRS - zestaw kołowy toczny (niem. Laufradsatazwelle) Rys.10. Oszacowanie wytrzymałości zmęczeniowej osi zespołu trakcyjnego ICE (osadzenie koła na osi) w zależności od ilości cykli obciążeń Jak wynika z przebiegu krzywej zmęczenia, naprężenia pomierzone są o ok. 30% wyższe aniżeli przedstawione w normie PN-EN13104:2009 [18]. Okazuje się, że w takim przypadku projektowanie zestawów kołowych wg normy musi prowadzić bezwzględnie do uszkodzeń, ponieważ wychodzi się z fałszywych założeń. Po przejściowym zatrzymaniu 19-tu zespołów trakcyjnych typu ICE-3 dokonano wymiany wszystkich osi. Nowe osie posiadały nieznaczną modyfikację geometryczną i były pokryte molibdenem. W wyniku dokonanych zabiegów konstrukcyjnych można było osiągnąć tylko 10 letnią żywotność. W związku z powyższym proponuje się: 24 ⇒ projektowanie obliczeniowe (konstrukcja) na podstawie obciążeń i danych obliczeniowych ⇒ sprawdzenie wytrzymałości za pomocą prób ⇒ sprawdzenie obciążeń na podstawie pomiarów na trasie ⇒ ostateczne ustalenie projektowanej konstrukcji, włączenie z planem przeglądów oraz kontroli międzynaprawczych. Jako dodatkowy środek zaradczy, zwiększający niezawodność kursujących dalekobieżnych pojazdów trakcyjnych, przystosowanych do wysokich prędkości należy uznać kontrolę za pomocą sensorów właściwości eksploatacyjnych, między innymi kół i osi. Ten nowoczesny i kontrowersyjny pogląd na odmienne podejście do projektowania osi jest oparty na przekonaniu, że każdy doświadczony inżynier powinien mieć świadomość, że normy obowiązujące w kolejnictwie odpowiadają najniższemu poziomowi technicznemu, który jest uzgodniony przez fachowców i odbiegają mocno aktualnego stanu technicznego. Metodyka obliczeń osi dla takich przypadków powinna być porównana z innymi metodykami, które choćby są stosowane w innych działach techniki, do których zalicza się budowę samolotów lub samochodów. W wyniku przedstawionego rozumowania zaleca się, aby na instalować odpowiednie sensory w nowoczesnych pojazdach szynowych, aby dokonywać kontroli własności dynamicznych układów biegowych, a w szczególności osi i kół zestawów kołowych. Dodatkowym wsparciem dla nowego podejścia do projektowania zestawów kołowych jest wielkość niezrównoważonego przyspieszenia w zależności od zastosowanej przechyłki na łukach toru. Wyniki te są zebrane w tabeli 3. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Wielkości niezrównoważonego przyspieszenia w kierunku poprzecznym w zależności od przechyłki toru dla osi napędnych i tocznych wg [5] Tabela 3 Współczynnik dynamiczny dla zestawu kołowego napędnego oraz prowadzącego zestawu kołowego tocznego Współczynnik dynamiczny dla nieprowadzącego zestawu kołowego tocznego Niedostateczność przechyłki Kąt Frouda Niezrównoważone przyspieszenie odśrodkowe I βqc aqc fy fy [mm] [rad] [m/s2] [-] [-] 100 0,0667 0,65378 2,625 2,250 130 0,0867 0,84991 2,019 1,731 150 0,1000 0,98067 1,750 1,500 153 0,1020 1,00028 1,716 1,471 160 0,1067 1,04604 1,641 1,406 168 0,1120 1,09834 1,563 1,339 180 0,1200 1,17680 1,458 1,250 183 0,1220 1,19641 1,434 1,230 240 0,1600 1,56906 1,094 0,938 275 0,1833 1,79789 0,955 0,818 300 0,2000 1,96133 0,875 0,750 306 0,2040 2,00056 0,858 0,735 Pojazd na przechyłce łuku toru jest przedstawiony na rys.11 aQC = q ⋅ β QC C C C Rys.11. Pojazd na przechyłce toru POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Rys.12. Schemat obciążenia zestawu kołowego siłami pionowymi oraz poprzecznymi 25 Pudło pojazdu wraz z ładunkiem, znajdujące się na przechyłce łuku toru jest poddane obciążeniu odśrodkowemu aQC = g?βQC. Poprzeczną siłę łożyskową można wyznaczyć ze wzoru: H = fy⋅a QC⋅m1 (5) gdzie: fy - współczynnik Frouda aqc - niezrównoważone przyspieszenie w kierunku poprzecznym m1 - masa przypadająca na czopy zestawu kołowego (włącznie z masą łożysk i korpusem maźnicy). Po wstawieniu aQC = g?βQC do wzoru (5) otrzymuje się: H = f y⋅ g⋅β QC⋅m1 (6) Siłę pionową P1 działającą na lewy czop osi zestawu kołowego wyznacza się z zależności: P1 = h 1 ⋅ f Z + 1 ⋅ f y ⋅ β QC ⋅ g ⋅ m1 b1 2 (7) Siłę pionową P2 działającą na prawy czop osi zestawu kołowego wyznacza się z zależności: P2 = h 1 ⋅ f Z − 1 ⋅ f y ⋅ β QC ⋅ g ⋅ m1 b1 2 (8) Analizując niezrównoważone przyspieszenia aqc w zależności od przechyłki toru, w raporcie ORE/ERRI B136/Rp.11/D [21] oraz PN-EN 13103:2009 [17] przyjęto wartość przyspieszenia poprzecznego dla osi tocznych β=0,15g=1,47 m/s2 natomiast w przypadku osi napędnych PN-EN 13104:2009 [18] wartość β=0,175g=1,71 m/s2.W przypadku bardzo dużych przechyłek toru, przeznaczonych dla pojazdów trakcyjnych z przechylnym pudłem niezrównoważone przyspieszenie jest znacznie większe aniżeli przyjęte w PN-EN 13103:2009 [17] oraz PN-EN 13104:2009 [18]. Widoczne to jest dla przechyłek toru o wartości większej niż 240 mm. W związku z powyższymożna wnioskować o trzech istotnych punktach, w których normy PN-EN 13103:2009 [17] oraz PN-EN 13104:2009 [18] posiadają istotne mankamenty, a mianowicie pominięcie: ⇒ masy zestawu kołowego ⇒ kołysania i ewentualnego przechyłu pudła ⇒ zbyt małe współczynniki bezpieczeństwa dla dopuszczalnych naprężeń przy bardzo dużych niedostatecznościach przechyłki. 4. AUTOMATYCZNY MONITORING ZESTAWÓW KOŁOWYCH WAGONÓW TOWAROWYCH Jednym z istotnych elementów zwiększenia niezawodności zestawów kołowych jest ich monitoring. Jak wynika niemieckich doświadczeń eksploatacyj26 nych kolei niemieckich około 100 000 wagonów towarowych jest w codziennej eksploatacji. Okres międzynaprawczy wynosi 6 lat i ma być wydłużony nawet do 8 lat. W przeciwieństwie do pojazdów trakcyjnych, których przeglądy są zależne od przebiegu kilometrowego, wagony towarowe podlegają naprawom okresowym, które są związane z określonymi czasookresami. Z tego też względu jest trudne do ustalenia jaki przebieg kilometrowy posiadają zestawy kołowe wagonów towarowych. W tej sytuacji Federalny Urząd Kolejnictwa (EBA) w Bonn wydał rozporządzenie jesienią 2009 roku, aby dokonać kontroli zestawów kołowych 4450 wagonów towarowych. Przeprowadzona kontrola wykazała wady, wpływające na bezpieczeństwo eksploatacyjne. W związku z powyższym powstał plan wdrożenia monitoringu zestawów kołowych, na podstawie którego można by zarejestrować przebieg kilometrowy. Przedsiębiorstwo Eureka Navigation Solutions AG w Monachium wraz z niemieckim koncernem Deutsche Telekom rozwinęło nowoczesny rozwiązanie RodoTAG. Rejestrator, miniaturowej wielkości można zainstalować w ciągu kliku minut za pomocą pasków taśm szybkomocujących (rys.13). Rys.13. Urządzenie RodoTAG, zamocowane na osi zestawu kołowego wagonu towarowego wg [2] Sensory zainstalowane są wewnątrz urządzenia i mierzą prędkość obrotową zestawu kołowego. Na podstawie takiego parametru można ustalić prędkość i przebieg wagonu. Urządzenie to jest przystosowane do następujących warunków eksploatacyjnych: ⇒ najniższa temperatura otoczenia: -40ºC ⇒ siły bezwładności wynoszące do 80g=785 m/s2 ⇒ orientacyjny czasookres eksploatacji: siedem lat. Jedną z zalet nowego urządzenia typu RodoTAG są jego zdolności komunikacyjne. Przekazywanie danych odbywa się za pomocą modułu GSM przez sieć radiową do centrali Deutsche Telekom gdzie podlegają POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 obróbce, a następnie są przekazywane do użytkownika wagonu lub do systemu komunikacyjnego T, zbudowanego przez filię firmy Deutsche Telekom. Istotną korzyścią wprowadzenia nowego systemu jest możliwość wdrożenia nowoczesnego sytemu konserwacyjno-naprawczego, który może się odbywać w zależności od rzeczywistych przebiegów kilometrowych wagonów towarowych. Jest to tym bardziej uzasadnione, że niektóre wagony towarowe mają bardzo małe przebiegi kilometrowe w skali rocznej, a inne z kolei posiadają znaczące przebiegi, wynoszące 150 000 km na rok. Z tego można wnioskować, że wagony towarowe o małym przebiegu nie będą podlegały wcześniejszemu, natomiast z większym przebiegiem zbyt późnemu przeglądowi. Wymiana zużytych części we właściwym czasie przyczynia się do zmniejszenia kosztów przeprowadzenia napraw i konserwacji. Wielu przewoźników kolejowych przetestowało nowy system w praktyce i wyposażyło swój tabor wagonowy w urządzenie RodoTAG już od września 2010 roku. Istotną zaletą nowego systemu jest nie tylko możliwość dokładnej rejestracji przebiegów kilometrowych, ale również możliwość automatycznej identyfikacji zestawów kołowych w miejscach naprawczych lub serwisowych. Wdrożenie nowego systemu wspomagają firmy telekomunikacyjne Eureka i Deutsche Telekom. 5. WNIOSKI Jak widać z przeprowadzonej analizy tendencji rozwojowych problem, związany z zasadami konstrukcji osi zestawów kołowych pojazdów szynowych jest wciąż problemem otwartym. Wynika to z trendów rozwojowych kolejnictwa europejskiego oraz światowego, polegającym na zwiększeniu efektywności przewozowej przez zwiększenie nacisków zestawów kołowych na tor oraz prędkości pojazdu. Jednoczesne zwiększenie prędkości pojazdów i ich przebiegów, niewątpliwie przyczyniło się do znaczącego przyrostu cykli obciążeń (tzw. „zakres gigacyklowy”). Zakres ten nie był wcześniej badany na stanowiskach stacjonarnych. Pęknięcia osi zestawów kołowych dalekobieżnych zespołów trakcyjnych wysokich prędkości są nowym doświadczeniem, które powinno być gruntownie przeanalizowane i uwzględnione w PN-EN 13103 [17] oraz PN-EN13104 [18]. Problem diagnostyki, przeglądów uzależnionych od faktycznego przebiegu kilometrowego jest też bardzo istotny, zwłaszcza dla takich pojazdów jak wagony towarowe. Próba skodyfikowania wad zestawów kołowych w formie katalogu uszkodzeń jest istotnym kierunkiem, zwiększającym bezpieczeństwo zestawów kołowych w eksploatacji. Jest to jeszcze jedne dowód na to, że o bezpieczeństwie i niezawodności osi zestawów kołowych decyduje aktualny stan techniczny, a nie wiek zestawów kołowych, jeśli nie jest on powiązany z przebiePOJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 giem kilometrowym. Jeśli przyjąć, że roczny przebieg kilometrowy wagonu towarowego wynosi 50 000 ÷100 000 km, to wówczas podczas 30 letniej eksploatacji można się spodziewać łącznego przebiegu 1,5÷3 milionów kilometrów. Przebieg ten jest 5÷10 razy mniejszy od zakładanego dla dalekobieżnych zespołów trakcyjnych wysokich prędkości. Należy wziąć również pod uwagę specyfikę transportu kolejowego ładunków, polegającego na tym że część przejazdów odbywa się w stanie próżnym lub częściowo załadowanym, co powoduje że nie można w takim przypadku mówić o pełnym cyklu obciążenia. Ww. metody, zmierzają jednak do ustalenia metodyki obliczeniowej oraz okresu pomiędzy kontrolami i naprawami w zależności od przebiegu kilometrowego, a nie „sztywno” określonych okresów międzynaprawczych. Jest to kolejna próba dopasowania konstrukcji do rzeczywistych warunków eksploatacyjnych. Z przedstawionej analizy różnych metod, służących do zwiększenia niezawodności zestawów kołowych i znajdujących się w eksploatacji wynika również ich dostosowanie do specyfiki pojazdu. Wagony towarowe posiadają znacznie mniejsze przebiegi kilometrowe aniżeli zespoły trakcyjne wysokich prędkości. Gruntowne rozpoznanie rzeczywistych przebiegów eksploatacyjnych oraz działających obciążeń pozwala na rzeczywiste prognozowanie faktycznej żywotności osi zestawów kołowych. Przedstawione podejście kładzie nacisk na doświadczalne zbieranie danych z eksploatacji, a nie bezkrytyczne przyjmowanie metodyki projektowania przedstawionej w normach europejskich, które podlegają zmianom w zależności od aktualnego poziomu technicznego, akceptowalnego z punktu widzenia państw członkowskich Unii Europejskiej. Z przedstawionych analiz wytrzymałości zmęczeniowej osi zestawów kołowych, wynika konieczność utrzymywania jej na jak najwyższym poziomie, którą można zapewnić stosując zabiegi technologiczne. Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] Engelmann J., Wirtgen J., Nicolin J.: Europäisches Aktionsprogramm für die Güterwagensicherheit. Eisenbahntechnische Rundschau Nr. 11/2010. Gökcek E., Behrends V.: Automatisches Radsatzmonitoring für Güterwagen. ETR-Eisenbahntechnische Rundschau Nr.11/2010 Grubisic V., Fischer V.: Sichere Bemessung von ICE-Radsatzwellen. Eisenbahntechnische Rundschau, Nr.1-2, 2011 Gumbiowski M., Poschmann I., Bowi M., Bardehle T.: Oberfläschenschutz von Radsätzen. Eisenbahningenieur Nr.9/2002. Hasslinger H.: Lastannahmen für Radsatzwellen– Bestandsanalyse. Eisenbahntechnische Rundschau. Nr. 12, 12.2009. Liedgens K.: Inspektionskonzept für Radsatzwellen bei der Hamburger Hochbahn. Eisenbahningenieur. Nr. 3/2010. 27 [7] [15] Karta UIC 811-1: Warunki techniczne na dostawę osi zestawów kołowych dla pojazdów trakcyjnych i wagonów. [16] Karta UIC 960: Kwalifikacja i certyfikacja personelu odpowiedzialnego za prowadzenie badań nieniszczących elementów zespołów pojazdów szynowych w procesie ich utrzymania.2-gie wydanie z grudnia 2001. [17] PN-EN 13103:2009: Kolejnictwo. Zestawy kołowe i wózki. Osie zestawów kołowych tocznych. Zasady konstrukcji. [18] PN-EN 13104:2009: Kolejnictwo. Zestawy kołowe i wózki. Osie zestawów kołowych napędnych. Zasady konstrukcji. [19] PN-EN 13261+A1:2011: Kolejnictwo. Zestawy kołowe i wózki. Osie. Wymagania dotyczące wyrobu. [20] PN-93/K-91045: Pojazdy trakcyjne. Osie zestawów kołowych. Wymagania i badania. [21] Raport ORE/ERRI B136/Rp.11/D: Zestawy kołowe z nasadzanymi łożyskami tocznymi. Konstrukcja, utrzymanie i standaryzacja. Obliczenie osi zestawów kołowych dla wagonów towarowych i osobowych. Utrecht, kwiecień 1979. [22] OR-9666: „Diagnostyka układów biegowych pojazdów tocznych i trakcyjnych. IPS „Tabor” Wrzesień 2010. 28 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Malkiewicz T.: Metaloznawstwo stopów żelaza. PWN Warszawa-Kraków. Wydanie III.1976. [8] Murawa F., Winkler M..: Randschichtbehandelte Radsatzwellen. Eisenbahningenieur Nr.7 /2007. [9] Richard A., Sander M., Wirxel M., Lebehahn J.: Ermittlung von Inspektionsinterwallen mittels Risswachstumsuntersuchungen. Eisenbahningenieur. Luty 2010. [10] Sobaś M.: Diagnostyka osi zestawów kołowych układów biegowych pojazdów trakcyjnych i tocznych. Pojazdy Szynowe nr 4/2010 [11] Sobaś M: Kryteria obiektywnej oceny prognozowanych stanów osi zestawów osi zestawów kołowych pojazdów trakcyjnych. Pojazdy Szynowe nr 1/2011. [12] Sobaś M: Zabiegi technologiczne zwiększające żywotność osi zestawów kołowych. Pojazdy Szynowe nr 4/2011 [13] EN 473: Kwalifikacja i certyfikacja personelu do badań nieniszczących. Ogólne zasady. Marzec 1993. [14] EN 45013: Ogólne wymagania dotyczące opinii i akredytacji placówek certyfikujących (ISO/IEC Tom 61:1996).1998. dr inż. Zygmunt Marciniak Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Wykorzystanie urządzeń hydrostatycznych w układach napędowych spalinowych pojazdów trakcyjnych typu autobus szynowy Artykuł jest poświęcony układom napędowym stosowanym od wielu lat w pojazdach szynowych pomocniczych i specjalnych. Zaprezentowano w nim ogólne opisy układów napędowych i wykorzystanych w nich urządzeniach hydrostatycznych w wózkach motorowych, pociągach sieciowych i do utrzymania sieci trakcyjnej oraz w pojazdach szynowo-drogowych. Wykorzystując doświadczenia zdobyte w projektowaniu układów napędowych pojazdów pomocniczych i specjalnych przedstawiono propozycje wykorzystania urządzeń hydrostatycznych w budowie układów napędowych możliwych do zastosowania w autobusach szynowych przeznaczonych do obsługi ruchu pasażerskiego na liniach drugorzędnych. W zakończeniu przedstawiono przewidywane korzyści wynikające z zastosowania układów napędowych. 1. Wstęp Ostatnie lata charakteryzują się ożywieniem na rynku przewozów pasażerskich na liniach lokalnych, podmiejskich i regionalnych. Prowadzone są obecnie próby reaktywowania przewozów na liniach nieużywanych od wielu lat, które wymagać będą szczegółowych przeglądów i napraw w szczególności torów i podtorza, peronów, wiat i ewentualnie budynków stacyjnych oraz układów związanych ze sterowaniem ruchem kolejowym i bezpieczeństwem ruchu. Do prób przejęcia tych linii i wprowadzenia do ruchu pociągów pasażerskich obsługiwanych najczęściej lekkimi pojazdami trakcyjnymi (autobusami szynowymi) dążą zarówno prywatni operatorzy kolejowi jak i działające na rynku przewozowym i powstające koleje regionalne finansowane z funduszy marszałkowskich. Przewoźnicy ci będą zapewne zainteresowani zakupem tanich, prostych w obsłudze i niezawodnych lekkich pojazdów o uproszczonej konstrukcji gwarantujących jednocześnie bezpieczeństwo eksploatacji dla przewożonych pasażerów i obsługi. Obecnie w kraju eksploatowane są lekkie pojazdy trakcyjne (autobusy szynowe) w których stosowane są następujące konfiguracje układów napędowych [1]: • spalinowe z przekładnią hydrauliczną (hydromechaniczną) • spalinowo-elektryczne z przekładnią elektryczną • elektryczne. Zdaniem autora należałoby rozważyć wdrożenia do eksploatacji również innych prostych i tanich lekkich pojazdów szynowych mających swój pierwowzór w autobusach drogowych wyposażonych w układy napędowe oparte na urządzeniach hydrostatycznych stosowanych ponadto w pociągach sieciowych, maPOJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 szynach torowych, wózkach motorowych oraz w niektórych konstrukcjach pojazdów szynowo-drogowych. Pozwoliłoby to również na zmniejszenie ceny pojazdu oraz obniżenie kosztów eksploatacyjnych. Do rozważenia jest również wprowadzenie tego typu układów dla autobusów szynowych wycofywanych z eksploatacji. W dalszej części artykułu postaramy się przedstawić koncepcje układów napędowych w oparciu o lekkie silniki spalinowe, pompy i silniki hydrostatyczne jako alternatywa do stosowanych obecnie układów napędowych autobusów szynowych. 2. Układy napędowe hydrostatyczne pojazdów pomocniczych, specjalnych oraz pojazdów szynowo-drogowych Układy napędów hydrostatycznych są stosowane przede wszystkim do napędu pojazdów pomocniczych i specjalnych takich jak wózki motorowe, pociągi sieciowe, pojazdy do utrzymania torów, pojazdy do utrzymania sieci i oświetlenia oraz pojazdy szynowodrogowe. Należy również zaznaczyć, że napędy hydrostatyczne stosowane są z powodzeniem w zagranicznych lekkich lokomotywach spalinowych przeznaczonych do prac manewrowych oraz prowadzenia pociągów osobowych (najczęściej w ruchu turystycznym) w trudnych terenach górskich i podgórskich. Obecnie w kraju napędy hydrostatyczne zastosowane zostały w pojazdach pomocniczych i specjalnych produkowanych przez Zakład Pojazdów Szynowych w Stargardzie Szczecińskim [8, 9. 10, 11] oraz w pojeździe szynowo-drogowym przeznaczonym do 29 oczyszczania infrastruktury tramwajowej opracowanym i wykonanym na bazie samochodu Iveco Eurocargo Model 140E18W przez Instytut Pojazdów Szynowych „Tabor” w Poznaniu [4]. Identyczne napędy w pojazdach szynowo-drogowych zostały zastosowane w samochodach Iveco produkowanych przez firmy „Astride” Costamasnaga S.A. i „Sivć” S.A. (Włochy) oraz w samochodach firmy Mercedes wykonanych przez Spezialfahrzeugaufbaut und Kabeltechnick GmbH z Halle (Niemcy) oraz Stadler – Fahrzeuge A G Bussnang (Szwajcaria) [3]. 2.1. Układ napędowy wózka motorowego WM15H.00 Układ napędowy wózka motorowego typu WM-15.00 składa się z silnika spalinowego, przystawki napędowej, przekładni osiowej oraz hydraulicznego układu napędu jazdy [10]. Wysokoprężny silnik spalinowy firmy Deutz o mocy 240 kW napędza poprzez koło zamachowe i sprzęgło podatne zespół pomp hydraulicznych wytwarzających ciśnienie w obwodach hydrauliki jazdy oraz hydrauliki roboczej pojazdu. Przekładnie osiowe zamontowane na obu zestawach kołowych są przekładniami dwustopniowymi kątowymi – pierwszy stopień tworzy para kół zębatych stożkowych, drugi natomiast para kół zębatych walcowych. Przekładnia jest zawieszona na ramie wózka za pośrednictwem elastycznego ciągła. Układ hydrauliczny napędu jazdy składa się z: • wysokociśnieniowej pompy tłokowo-osiowej o zmiennym wydatku i zmiennym kierunku tłoczenia • wysokociśnieniowych tłokowych silników hydraulicznych o zmiennej chłonności oleju, mocowanych za pośrednictwem przystawki napędowej do przekładni osiowej • chłodnicy powietrznej z wentylatorem napędzanym oraz zbiornika oleju • sterownika elektronicznego umożliwiającego w sposób automatyczny sterowanie wydatkiem pompy hydraulicznej z zależności od obciążenia oraz prędkości jazdy wózka • bloku zaworowego zabezpieczającego silnik spalinowy przed nadmiernym i niekontrolowanym wzrostem obrotów podczas hamowania hydraulicznego . Sterowanie jazdą wózka może być automatyczne lub ręczne. Zastosowany w wózku układ biegowy jest układem typowym dla wagonów towarowych dwuosiowych i umożliwia eksploatację pojazdu z prędkościami do 80 km/h. Widok ogólny wózka motorowego oraz układu napędowego przedstawiono na rys. 1. 30 a) b) Rys. 1 – Wózek motorowy typu WM-15H.00 (a) wraz z układem napędowym (b) 2.2. Układ napędowy pociągu sieciowego PS-00. M/B i pojazdu do utrzymania sieci i oświetlenia PUSiO.05 Hydrostatyczny układ napędowy pociągów sieciowych typu PS-00.M/B oraz pojazdu do utrzymania sieci i oświetlenia typu PUSiO.05 składa się z silnika spalinowego, przekładni osiowej oraz hydraulicznego układu napędu jazdy. W pojeździe typu PS-00.M/B zastosowano silnik spalinowy wysokoprężny firmy Deutz typu TCD 2015 V 064V o mocy 240 kW natomiast w pojeździe PUSiO.05 silnik spalinowy firmy Deutz typu TCD 2013 o mocy 181 kW [8, 11]. W obu pojazdach zabudowano ten sam typ przekładni osiowej typu P-35. Jest to dwustopniowa przekładnia zębata o kołach walcowych, zębach prostych oraz osiach równoległych i służy do przeniesienia napędu z silnika hydrostatycznego na koła jezdne oraz do rozłączenia napędu na czas transportu pojazdów w składzie pociągu lub holowania. Hydrauliczny układ napędu jazdy składa się z pompy hydraulicznej, dwóch silników hydrostatycznych, chłodnicy i zbiornika oleju oraz elektronicznego sterownika i jest identyczny jak dla wózka motorowego typu WM-15H.00. Sterowanie jazdą może odbywać się w sposób automatyczny, ręczny oraz za pośrednictwem fal radiowych. Układ jezdny obu pojazdów jest zbudowany z dwóch zestawów kołowych napędnych, które prowadzone są przez układ prowadników wzdłużnych. Układ zawieszenia jest jednostopniowy wykorzystujący sprężyny śrubowe oraz tłumiki hydrauliczne. Widok ogólny pojazdów PS-00.M/B i PUSiO.05 oraz zastosowanego w nich układu napędowego przedstawiono na rys. 2. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 a) a) b) b) Rys. 3 – Uniwersalny ciągnik szynowy typu UCS-40.00 (a) i zastosowany w nim układ napędowy (b) c) Rys. 2 – Pociąg sieciowy PS-00.M/B (a) i pojazd do utrzymania sieci i oświetlenia PUSiO. (b) oraz zastosowany w nich układ napędowy (c) 2.3. Układ napędowy uniwersalnego ciągnika szynowego UCS-40.00 Układ napędowy uniwersalnego ciągnika szynowego typu UCS-40.00 tworzą [9]: • wysokoprężny silnik spalinowy firmy Caterpillar typu C18 ACERT o mocy 522 kW • przekładnie osiowe dwustopniowe, zębate o kołach walcowych, zębach prostych i osiach równoległych (identyczne jak dla pojazdów PS00.M/B i PUSiO.05) • hydrauliczny układ napędu jazdy składający się z dwóch pomp hydraulicznych, czterech silników hydrostatycznych, dwóch chłodnic oleju, zbiornika oleju oraz elektronicznego sterownika jazdy. Układ biegowy ciągnika tworzą dwa dwuosiowe wózki typu 27TN i 27TNa zaprojektowane specjalnie dla maszyn torowych. Widok ogólny uniwersalnego ciągnika szynowego typu UCS-40.00 oraz zastosowanego w nim układu napędowego przedstawiono na rys. 3. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 2.4. Układ napędowy pojazdu szynowo-drogowego TC do oczyszczania infrastruktury tramwajowej Układ napędowy pojazdu szynowo-drogowego typu TC do oczyszczania infrastruktury tramwajowej składa się z pompy hydrostatycznej o zmiennej wydajności i zmiennym kierunku tłoczenia napędzanej z silnika spalinowego o mocy 134 kW bazowego samochodu Iveco Eurocargo [4]. Pompa hydrostatyczna napędza osiowe silniki hydrostatyczne pracujące w układzie szeregowym [5]. Silniki hydrostatyczne (bez hamulca, z hamulcem) przykręcane są bezpośrednio do wahaczy. Napęd z silników hydrostatycznych jest przekazywany na rolkę jezdną za pośrednictwem specjalnej tarczy łożyskowanej w wahaczu. Widok ogólny pojazdu szynowo-drogowego wraz z widokiem na przedni układ napędowy przedstawiono na rys. 4. a) Rys. 4 – Pojazd szynowodrogowy typu TC do oczyszczania infrastruktury tramwajowej (a) oraz jego przedni układ napędowy (b) b) 31 Prędkości eksploatacyjne przedstawionych pojazdów są niewielkie i nie przekraczają 80 km/h. Nie oznacza to, że w innej konfiguracji nie będzie można jej zwiększyć do około 100 ÷ 110 km/h, a więc wystarczającej dla lekkich pojazdów szynowych przeznaczonych do eksploatacji w ruchu pasażerskim na liniach drugorzędnych [6, 7]. 3. Koncepcje układów napędowych z wykorzystaniem urządzeń hydrostatycznych Eksploatacja układów napędowych hydrostatycznych w pojazdach pomocniczych pozwala na „optymizm” w ich zastosowaniu również w napędach lekkich pojazdów, zwanych autobusami szynowymi, przeznaczonych przede wszystkim do wykorzystania w ruchu pasażerskim na liniach drugorzędnych i wydzielonych. Wprowadzenie nowego typu napędu może dać następujące korzyści [2]: • obniżenia masy pojazdów w wyniku rezygnacji z ostrych wymagań wytrzymałościowych • uproszczenia układów pociągowo-zderznych (np. jak dla tramwajów) • wycofania z pojazdów części urządzeń związanych z bezpieczeństwem ruchu • rezygnacja ze skomplikowanych urządzeń rejestrujących • uproszczenia układu hamulca (możliwe zastosowanie hamulca pneumatycznego lub hydraulicznego) • uproszczenia układów sterowania i diagnostyki (w tym rezygnacja ze sterowania wielokrotnego). Nowe układy napędowe byłyby oparte o urządzenia (pompy i silniki) hydrostatyczne, które znalazły zastosowanie również w pomocniczych maszynach torowych i sieciowych [3 ÷ 11]. Pierwszy i drugi z układów zaprezentowanych na rys. 5 i 6 jest układem tradycyjnym z jedną pompą i dwoma silnikami hydrostatycznymi możliwym do zastosowania w lekkim pojeździe szynowym (jednoczłonowym autobusie szynowym) z wózkami dwuosiowymi. Rys. 6 –Układ napędowy z jedną pompą i dwoma silnikami hydrostatycznymi szybkoobrotowymi o zmiennej chłonności (napęd na jeden zestaw kołowy) 1 – silnik spalinowy; 2 – pompa hydrostatyczna; 3 – silnik hydrostatyczny; 4 – przekładnia osiowa; 5 – zestaw kołowy napędny; 6 – zestaw kołowy toczny. Natomiast trzeci (o konfiguracji podobnej dla pojazdów szynowo-drogowych) wymagać będzie przebudowy wózków trakcyjnych i zastosowania kół (rezygnacja z całkowitych osi) z indywidualnym napędem. Rys. 7 –Układ napędowy z silnikami hydrostatycznymi zamontowanymi na osiach kół 1 – silnik spalinowy; 2 – pompa hydrostatyczna; 3 – silnik hydrostatyczny. Biorąc pod uwagę możliwości pomp i silników hydrostatycznych można by było podjąć próbę wprowadzenia napędów hydrostatycznych (dla autobusów jednoi dwuczłonowych) z wykorzystaniem takich urządzeń. W układach tych możliwe byłoby do zastosowania przekładnie osiowe przedstawiono na rys. 8. Rys. 8 –Układ przekładni osiowych a – dwustopniowa (stożkowa i walcowa); b – jednostopniowa (stożkowa); c – jednostopniowa (walcowa); d – dwustopniowa (walcowa) Rys. 5 –Układ napędowy z jedną pompą i dwoma silnikami hydrostatycznymi szybkoobrotowymi o zmiennej chłonności: 1 – silnik spalinowy; 2 – pompa hydrostatyczna; 3 – silnik hydrostatyczny; 4 – przekładnia osiowa; 5 – zestaw kołowy toczny; 6 – zestaw kołowy napędny 32 4. Wstępny dobór urządzeń hydrostatycznych oraz określenie charakterystyki trakcyjnej Dla udowodnienia możliwości wykorzystania urządzeń hydrostatycznych w układzie napędowym typowego (eksploatowanego) autobusu szynowego przeprowadzono wstępną analizę i obliczenia symulacyjne dla następujących danych wyjściowych autobusu jednoczłonowego: – masa własna / z pasażerami 47/57 Mg – max. siła pociągowa 85 kN POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 • • • • • • max. prędkość eksploatacyjna 120 km/h przełożenie przekładni ≤ 7 promień koła 920 mm liczba osi 2 ÷ 4 moc silnika spalinowego 380 ÷ 400 kW prędkość obrotowa silnika spalinowego 600 ÷ 2100 obr/min. Wyniki analizy wykazały, że istnieje możliwość realizacji napędu hydrostatycznego z wykorzystaniem dwóch pomp hydrostatycznych typu A4V6 175/40 o mocy 346,3 kW oraz czterech silników hydrostatycznych typu A6VM280/71 firmy Rexroth Bosch [12, 13]. Uzyskane parametry dla autobusu jednoczłonowego z wózkami dwuosiowymi przedstawiono w tabeli 1, a charakterystykę trakcyjną na rys. 9. Rys. 11 – Propozycja układu napędowego autobusu szynowego jednoczłonowego z dwoma napędnymi wózkami dwuosiowymi :1 – silnik spalinowy; 2 – pompa hydrostatyczna; 3 – silnik hydrostatyczny; 4 – przekładnia osiowa; 5 – zestaw kołowy napędny; 6 – prądnica (alternator); 7 – sprężarka; 8 – sterownik mikroprocesorowy Dla autobusu szynowego dwuczłonowego proponujemy układ zdwojony przy czym moce pomp i silników hydrostatycznych będą dwukrotnie wyższe. Propozycję takiego układu napędowego w zastosowaniu do autobusu dwuczłonowego z dwoma dwuosiowymi wózkami napędowymi przedstawiono na rys. 12. Rys. 12 – Propozycja układu napędowego autobusu szynowego jednoczłonowego z dwoma napędnymi wózkami dwuosiowymi 1 – silnik spalinowy; 2 – pompa hydrostatyczna; 3 – silnik hydrostatyczny; 4 – przekładnia osiowa; 5 – zestaw kołowy napędny; 6 – zestaw kołowy toczny; 6 – prądnica (alternator); 8 – sprężarka; 9 – sterownik mikroprocesorowy Rys. 9 – Charakterystyka trakcyjna autobusu szynowego jednoczłonowego z wózkami dwuosiowymi Dobrane główne urządzenia hydrostatyczne układu napędowego przedstawiono na rys. 10, a propozycje układu napędowego dla autobusu jednoczłonowego na rys. 11. a) b) Rys. 10 – Główne urządzenia hydrostatyczne w proponowanym układzie napędowym hydrostatycznym a)– pompa hydrostatyczna typu A4VG 175/40 o mocy 364,3 kW; b) – silnik hydrostatyczny A6WM280/71 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Nie należy również wykluczyć innych konfiguracji układów napędowych np. w zastosowaniu do autobusów szynowych wyposażonych w wózki jednoosiowe. 5. Podsumowanie W pojazdach do przewozu pasażerów na liniach drugorzędnych wykorzystywane lekkie pojazdy szynowe (autobusy) wyposażone są najczęściej w przekładnie hydrauliczne, a następnie w przekładnie elektryczne, przy czym jednostką napędową pozostaje zawsze silnik spalinowy. Należy jednak zastanowić się nad innym rodzajem napędu wykorzystującego pompy i silniki hydrostatyczne. Byłoby to alternatywne rozwiązanie dla nowych rodzajów napędów, a jednocześnie uproszczenie układu w którym zastosowano by mniej skomplikowane i łatwiejsze w utrzymaniu urządzenia hydrostatyczne. Ponadto uproszczeń należy się spodziewać w innych systemach i układach pojazdów takich jak np.: układy sterowania, hamulcowe oraz obniżenia wymagań w zakresie wytrzymałości konstrukcji, urządzeń pociągowo-zderznych oraz układów związanych z bezpieczeństwem ruchu i rejestracją parametrów pracy pojazdu. 33 O wdrożeniu takich układów zarówno dla autobusów nowych jak i modernizowanych zdecyduje przede wszystkim rachunek ekonomiczny oraz zainteresowanie użytkowników takim rodzajem pojazdów do przewozu pasażerów. [6] [7] Literatura [8] [1] [2] [3] [4] [5] 34 Marciniak Z.: Propozycja układu napędowego dla krajowych autobusów szynowych do ruchu regionalnego Pojazdy Szynowe 2004, nr 2. Marciniak Z.: Układy napędowe lekkich pojazdów szynowych z wykorzystaniem urządzeń hydrostatycznych. Materiały XIX Konferencji Naukowej „Pojazdy Szynowe” Targanice/k. Andrychowa, 2010. Marciniak Z., Medwid M.: Pojazdy szynowodrogowe. Wydawnictwo Ośrodka BadawczoRozwojowego Pojazdów Szynowych, Poznań, 1999. Medwid M., Przepióra K.: Pojazd szynowodrogowy do oczyszczania infrastruktury tramwajowej. Pojazdy Szynowe, 2003, nr 4. Pomierski W.: Hydrostatyczny napęd jazdy oraz roboczy pojazdu szynowo-drogowego do oczyszczania infrastruktury tramwajowej. Pojazdy Szynowe 2004, nr 3 i 4. [9] [10] [11] [12] [13] Pomierski W.: Analiza wybranych hydrostatycznych napędów jazdy pod kątem ich własności trakcyjnych. Materiały Seminarium Technicom 05, Gdańsk 2005. Pomierski W.: Hydrostatyczny napęd jazdy i robocze w wybranych budowanych w kraju maszynach torowych. Materiały Seminarium PPM-T Gdańsk, 2006. Dokumentacja techniczno-ruchowa pociągu sieciowego typu PS-00.M/B, PS-00.M/B-80-0. Materiały ZPS Stargard Szczeciński. Dokumentacja techniczno-ruchowa i instrukcja obsługi uniwersalnego ciągnika szynowego typu UCS-40.00. Materiały ZPS Stargard Szczeciński. Dokumentacja techniczno-ruchowa – Instrukcja obsługi wózka motorowego typu WM-15H.00, WM-15H.00-80-0. Materiały ZPS Stargard Szczeciński. Dokumentacja techniczno-ruchowa – Instrukcja obsługi pojazdu utrzymania sieci i oświetlenia typu PUSiO.05, PUSiO.05-80-0. Materiały ZPS Stargard Szczeciński. Axial Piston Variable Pump A4VG. Katalog pomp hydrostatycznych firmy Rexroth Bosch. Axial Piston Variable Pump A4VM. Katalog silników hydrostatycznych formy Rexroth Bosch. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 dr inż. Stanisław Bocian mgr inż. Jerzy Frączek mgr inż. Mieczysław Stypka Instytut Pojazdów Szynowych "TABOR" Urządzenie symulujące pracę układu hamulcowego pojazdu szynowego W artykule omówiono urządzenie służące do symulacji w określonym zakresie pracy układu hamulcowego pojazdu szynowego. Omawiane urządzenie jest zbudowane na bazie odpowiednio oprogramowanego sterownika programowalnego PLC. Konfiguracja urządzenia jest realizowana przez program omówiony w [1], który w tym celu został rozbudowany o potrzebne funkcje. Układ pracuje w ramach komunikacyjnej sieci przemysłowej CANopen [2] wykorzystywanej obecnie w układach sterująco – pomiarowych pojazdów szynowych. Celem budowy tego urządzenia jest umożliwienie testowania w warunkach laboratoryjnych niektórych aspektów tworzonych układów sterujących hamulca. Artykuł powstał w wyniku realizacji Projektu Badawczego MN i SzW nr N N509 398236 „Mikrosystemy cyfrowe do inteligentnego, rozproszonego i współbieżnego sterowania pojazdami szynowymi”. 1. Wprowadzenie Niniejszy opis dotyczy urządzenia symulującego w określonym zakresie pracę układu hamulcowego pojazdu trakcyjnego. Urządzenie generuje dwa przebiegi prądowe w zakresie 4..20mA. Odpowiadają one przebiegom wyjściowym dwóch przetworników ciśnienia mierzących ciśnienia realizowane przez układ hamulcowy. Urządzenie symuluje układ hamulcowy wyposażony w sterownik pracujący w sieci CANopen. Oznacza to, że odbiera od układu nadrzędnego takie same zlecenia jak układ rzeczywisty (przez sieć CANopen) i na swoich wyjściach wytwarza przebiegi sygnałów odpowiadające rzeczywistym przebiegom ciśnień. Typowo są to ciśnienia: w przewodzie głównym i w cylindrze hamulcowym. Obecnie przebiegi są realizowane w sposób przybliżony czyli jako zmieniające się liniowo w czasie. Omawiane urządzenie jest zrealizowane na bazie sterownika programowalnego PLC firmy WAGO (p.2). Program sterownika Copn_s2 został napisany w środowisku WAGO – IO – Pro32 wersja 2.1. 2. Konfiguracja sprzętowa sterownika Urządzenie zbudowano z elementów wchodzących w skład systemu modułowego WAGO – I/O – SYSTEM 750 firmy WAGO. Niezbędny zestaw modułów, to: – 750-837 moduł sterownika programowalnego i węzła sieci CANopen [5] – moduł wyjść analogowych 0..20 mA – 750-552 (2 wyjścia 0..20mA) lub – 750-553 (4 wyjścia 0..20mA) – 750-600 moduł końcowy. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 3. Konfiguracja sterownika jako węzła sieci CANopen Omawiane urządzenie współpracuje z komputerem (lub sterownikiem) zewnętrznym za pośrednictwem sieci CANopen. W celu zapewnienia poprawnej współpracy elementy CANopen muszą być odpowiednio skonfigurowane. Do wykonania tego zadania można użyć dowolnego programu konfiguracyjnego CANopen. Szczególne ułatwienia zawiera program Copn_m [1]. Konfiguracja dotyczy głównie obiektów Pdo służących do wymiany informacji. Konfiguracja polega na wykonaniu odpowiednich zapisów w słowniku obiektów węzła CANopen za pomocą serwisu Sdo [1,2]. Oprogramowanie systemowe CANopen sterownika WAGO zawiera standardowy układ obiektów RPdo1..4 i TPdo1..4 [1]. Konfiguracja dodatkowych obiektów Pdo obejmuje przydzielenie tym obiektom identyfikatorów COB – ID. Identyfikatory te są przydzielane zgodnie z zasadą opisaną w [3], p.4.2. 4. Oprogramowanie sterownika Sterownik ma załadowany program WG_Copn_s2, który realizuje dwie funkcje. Funkcją główną jest symulacja sygnałów wyjściowych dwóch przetworników ciśnienia pracujących w układzie hamowania. Funkcją pomocniczą jest edycja i modyfikacja tablic zawierających dane dla realizacji funkcji głównej. 4.1. Symulacja przetworników ciśnienia Program steruje dwoma wyjściami analogowymi, prądowymi 4..20mA. Sygnały wyjściowe symulują sygnały wyjściowe dwóch przetworników ciśnienia. 35 Symulowane ciśnienia oznaczane są pMG i pMC (ciśnienie w przewodzie głównym i cylindrze hamulcowym). Przyjmuje się, że charakterystyka symulowanych czujników jest liniowa i przechodzi przez punkty: 0 kPa – 4 mA, 1000 kPa – 20 mA. Program steruje zmianami sygnałów wyjściowych zgodnie ze zleceniami odbieranymi przez sieć CANopen. Zlecenia informują o wymaganym typie badania oraz o położeniu nastawnika hamowania. Dla każdego typu badania jest określona na stałe liczba położeń nastawnika. Dla każdego położenia nastawnika są określone cztery wielkości: – wartość ciśnienia przy zwiększaniu stopnia hamowania [kPa] – wartość ciśnienia przy zmniejszaniu stopnia hamowania [kPa] – tempo zmiany ciśnienia [kPa/s] lub czas dojścia do ciśnienia [s] przy zwiększaniu stopnia hamowania – tempo zmiany ciśnienia [kPa/s] lub czas dojścia do ciśnienia [s] przy zmniejszaniu stopnia hamowania. Obecnie standardowy zestaw danych jest przygotowany pod kątem badań układu hamulcowego i obejmuje realizację pięciu typów badań: – HZ – hamulec zespolony – HD – hamulec dodatkowy – HN – hamowanie nagłe – PS – próba szczelności – WC – wyrównywanie ciśnień Program steruje zmianami sygnałów wyjściowych zgodnie ze zleceniami odbieranymi przez sieć CANopen. Zlecenia są przesyłane do sterownika za pomocą dwóch obiektów: Pdo5 i Pdo6. Są to zlecenia analogiczne do zleceń wysyłanych przez rzeczywisty układ sterujący hamulcem do sterownika wykonawczego hamulca. 4.2. Możliwości modyfikacji bazy danych sterownika W programie są zapisane tablice zawierające standardowe dane (ciśnienia i tempa zmiany lub czasy) dla wszystkich typów danych. Podczas pracy programu dane te mogą być edytowane i modyfikowane. Po zresetowaniu programu tablice przyjmują na powrót wartości standardowe. Powyższa edycja i modyfikacja bazy danych sterownika jest wykonywana za pomocą programu [1] pracującego na komputerze PC i również włączonego do sieci CANopen. W stosunku do wersji opisanej w [1] program został rozszerzony o funkcję umożliwiającą wygodną realizację powyższego zadania. Rys. 1 przedstawia okno programu, które pokazuje prawidłowe wartości ciśnienia. Rys. 2 przedstawia okno programu, które pokazuje nieprawidłowe wartości ciśnienia. Dodatkowo z poziomu tego programu (rys. 1 i 2), na karcie 'Sterowanie ręczne' można ustawiać dowolne stany wyjść symulatora i zlecać realizację przebiegów ciśnień. 36 Rys. 1. Zestaw danych dla próby z prawidłowymi wartościami ciśnień MG i MC. Rys. 2. Zestaw danych dla próby z nieprawidłowymi wartościami ciśnień MG i MC. 5. Przykład współpracy symulatora z rzeczywistym układem sterownia hamulcem Na rysunku 3 przedstawiony jest schemat blokowy współpracy symulatora ciśnień ze sterownikiem pneumatyki. W układzie tym można testować wybrane fragmenty algorytmu związane z próbami hamulcowymi. Dla przeprowadzenia wybranych prób układu pneumatycznego w założonym zakresie zaangażowane są następujące elementy układu sterowania: – sterownik główny lokomotywy (MASTER), – sterownik pneumatyki (SLAVE1), – symulator ciśnień tablicy pneumatycznej (SLAVE2), – symulator manipulatorów pulpitowych i paneli operatorskich, – komputer serwisowy. Magistrala CAN OPEN SYMULATOR CIŚNIEŃ TABLICY PNEUMATYCZNEJ SLAVE 2 WY ANALOG MC MG STEROWNIK PNEUMATYKI STEROWNIK GŁÓWNY SLAVE 1 MASTER WE ANALOG RS232 KOMPUTER SERWISOWY RS232 SYMULATOR MANIPULATORÓW PULPITOWYCH I PANELI OPERATORSKICH Rys. 3. Schemat blokowy współpracy symulatora ze sterownikiem pneumatyki POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Na rysunku 4 przedstawiona jest realizacja sprzętowa układu przedstawionego na rysunku 3. Rys 4. Schemat montażowy symulatora układu pneumatycznego lokomotywy W układzie na rysunku 4 zastosowano następujące sterowniki: 1. Master – sterownik mikroprocesorowy CPU 723–T + moduł 8 wyjść cyfrowych DOT701 + moduł 8 wejść cyfrowych DIT 701 2. Slave 1 – sterownik CPU 723–T + moduł 8 wyjść cyfrowych DOT701 + moduł 8 wejść analogowych AIT 701 + moduł 8 wejść cyfrowych DIT 701 3. Slave 2 – sterownik WAGO + moduł wejść cyfrowych + moduł wyjść cyfrowych + moduł 2 wyjść analogowych. Na rysunku 5 przedstawiono widok aplikacji Symulator Manipulatorów i Pulpitu za pomocą której możemy generować sygnały po RS232 odpowiadające wybranym stanom z manipulatorów lub z panelu. Umożliwia to wstępne testowanie algorytmów sterowników mikroprocesorowych bez rozbudowania układu. Właściwa weryfikacja algorytmów powinna być realizowana w układzie jak najbardziej zbliżonym do układu docelowego. Przy pomocy pól poniżej napisu „Generowanie stanu wejść cyfrowych” można wstawić stan 40 sygnałów binarnych odpowiadających potrzebnym dla danej próby sygnałom cyfrowym z manipulatorów lub z panelu. Przy pomocy pól poniżej napisu „Generowanie stanu wejść analogowych” można zadać wartości 8 sygnałów analogowych (ciśnień). W tabeli „ODEBRANE DANE” można obserwować na bieżąco wszystkie zmienne cyfrowe (wejściowe i wyjściowe) oraz analogowe z testowanego sterownika mikroprocesorowego, które równolegle zapisywane są na dysku komputera. Rys 5. Aplikacja Symulatora Manipulatorów i Pulpitu [6] POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Za pomocą powyższej aplikacji możemy przeprowadzić różne testy w zależności od potrzeb. Możemy programowo wybrać próbę ręczną i próbę automatyczną. Próba ręczna (PR_HZ) wymaga zmiany stopni hamowania hamulca zespolonego lub hamulca dodatkowego przez operatora a zmiany ciśnień realizowane są automatycznie według założonego programu przez SYMULATOR CIŚNIEŃ TABLICY PNEUMATYCZNEJ. Przy próbie automatycznej (PR_HZ) zmiany stopni hamowania hamulca zespolonego realizowane są automatycznie, a zmiany ciśnień realizowane są również automatycznie jak powyżej. Opisano przebieg próby hamulca zespolonego przy realizowaniu zestawu 1 (rys. 1) z prawidłowymi wartościami ciśnień w cylindrach hamulcowych MC i ciśnienia w przewodzie głównym MG oraz przy realizowaniu zestawu 2 (rys 2) z nieprawidłowymi wartościami ciśnień MC i MG. Sterownik główny otrzymuje sygnały z symulatora manipulatorów pulpitowych i panelu operatorskiego dotyczące rodzaju próby i sposobu jej przeprowadzenia. Sygnały te przesyłane są do sterownika pneumatyki, który realizuje odpowiedni algorytm wybranej próby i do symulatora ciśnień, który generuje przebiegi ciśnień według wywołanego scenariusza. Przebieg całej próby jest rejestrowany przez komputer serwisowy na dysku. Po zakończeniu próby zapisany plik umożliwia dokładną analizę próby i wyeliminowanie ewentualnych błędów algorytmu lub programu. Dla uproszczenia algorytmu przyjęto, że Próba PR_HZ składa się z 16 kroków. Przed końcem danego kroku (pojawia się sygnał FOCENA – Flaga Oceny) realizowana jest ocena częściowa próby (ocena danego stopnia) a po dojściu do ostatniego 16 kroku realizowana jest ocena końcowa. Ocena końcowa próby widoczna jest do momentu zakończenia próby czyli zmiany sygnału PR_HZ na 0. W tabeli 1 przedstawiono program działania hamulca zespolonego według którego realizowano próbę PR_HZ. Próba stopniowania hamulca zespolonego polega na zmianie kolejnych stopni hamowania od pozycji wyluzowanego hamulca (L – dla dia_ham1) do maksymalnego stopnia hamowania (tutaj przyjęto 7 stopni hamowania) i następnie z powrotem do pozycji LvJ (dia_ham2) „pozycja jazdy”. Daje to 16 kroków a w każdym z nich następuje zmiana stopnia hamowania oraz zmiana ciśnień. W każdym kroku realizowana jest przez sterownik pneumatyki ocena zarówno dla ciśnienia MC jak i dla ciśnienia MG. Nieprawidłowy stan jest zapamiętywany i po przejściu całej procedury generowana jest ocena negatywna dla danej próby. Ocena pozytywna jest wtedy gdy nie ma w kolejnych krokach żadnej oceny negatywnej. Na rysunku 6 przedstawiony jest przebieg sygnałów związanych z daną próbą. Na rysunku 7 przedstawiony jest przebieg próby z prawidłowymi ciśnieniami a na rysunku 8 przebieg z nieprawidłowymi ciśnieniami. 37 Tabela 1. Przykładowy program działania manipulatora hamulca zespolonego Stan zaworów elektropneumatycznych HS3 LvJ L HN HS2 Luzowanie 0 0 0 0 1 1 1 Jazda (stan gotowości) 0 0 0 0 0 1 1 I stopień 1 1 0 0 0 0 1 II stopień 1 0 1 0 0 0 1 III stopień 1 1 1 0 0 0 1 IV stopień 1 0 0 1 0 0 1 V stopień 1 1 0 1 0 0 1 VI stopień 1 0 1 1 0 0 1 VII stopień 1 1 1 1 0 0 1 Hamowanie stopniowe HS1 HS0 Funkcja hamulca zespolonego Hamowanie nagłe Stan dowolny 1 – zawór elektropneumatyczny wzbudzony 0 – zawór elektropneumatyczny nie wzbudzony Sygnały cyfrowe od zadajnika do sterownika pneumatyki biorące udział w próbie HZ HSO, HS1, HS2, HS3, LvJ,L,HN Rys 6. Przebieg sygnałów podczas próby hamulca zespolonego PR_HZ 38 Sygnały SLAVE2 dla rosnące st.Ham malejące st.Ham dia_ham 1 dia_ham 2 dia_ham 3 dia_ham 4 dia_ham 5 dia_ham 6 dia_ham 7 dia_ham 8 dia_ham 9 dia_ham 2 dia_ham 3 dia_ham 4 dia_ham 5 dia_ham 6 dia_ham 7 dia_ham 8 0 FOCENA – sygnał dla oceny danego stopnia hamowania, ocena realizowana jest po pojawieniu się zbocza dodatniego sygnału, korelacja pomiędzy sygnałem FOCENA o stopniami hamowania przedstawiona jest na rysunku 6. LvJ, L, HS0, HS1, HS2, HS3 – sygnały generowane automatycznie według tabeli 1 Dla lepszej widoczności przebiegi cyfrowe FOCENA, LvJ, L, HS0, HS1, HS2, HS3 i PR_HZ są przesunięte o 10 jednostek i pomnożone przez 5. Skala osi x wyrażona jest w cyklach sterownika mikroprocesorowego przy czym 1 cykl = 100 ms. Przedstawiony przebieg trwający 2500 cykli oznacza czas próby 250 s. Użyte skróty oznaczają: PR_HZ – wybór próby hamulca zespolonego OMG_N – ocena ciśnienia MG dla danego stopnia hamowania, w przypadku oceny negatywnej sygnał OMG_N=1 OMC_N – ocena ciśnienia MC dla danego stopnia hamowania, w przypadku oceny negatywnej sygnał OMC_N=1 OK_P – ocena końcowa próby, gdy jest pozytywna sygnał OK._P = 1 OK_N – ocena końcowa próby, gdy jest negatywna sygnał OK._N = 1 Na rysunku 7 przedstawiony jest przebieg próby hamulca zespolonego gdy wartości ciśnień dla odpowiednich stopni hamowania są prawidłowe i ocena końcowa próby jest pozytywna. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Podsumowanie W opracowaniu przedstawiono wykorzystanie SYMULATORA CIŚNIEŃ TABLICY PNEUMATYCZNEJ do testowania algorytmu prób hamulca zespolonego. Po dodaniu kolejnych wyjść analogowych do układu symulatora można włączyć do testowania dodatkowe sygnały ciśnień. Przez odpowiedni dobór testów zapisanych do symulatora można wszechstronnie sprawdzić działanie algorytmu diagnostyki tablicy pneumatycznej. Mimo, że końcowym sprawdzianem działania algorytmu są jego testy na obiekcie rzeczywistym, to jednak zastosowanie symulatora umożliwi wyeliminowanie błędów na etapie wcześniejszym. Literatura Rys 7. Przebieg próby hamulca zespolonego przy prawidłowej wartości ciśnień MC i MG Na rysunku 7 wszystkie wartości dla kolejnych przejść są prawidłowe i oceny kolejnych kroków OMC_N, OMG_N są równe 0. W przypadku gdy wszystkie oceny pośrednie są pozytywne to końcowa ocena też jest pozytywna. Na rysunku 8 wartości 2 stopni hamowania nie mają prawidłowej wartości ciśnienia MG i MC dla tych przypadków ocena pośrednia OMG_N i OMC_N ma wartość 1. W przypadku gdy tylko jedna ocena pośrednia ma wartość 1 to końcowa ocena jest negatywna [1] [2] [3] [4] [5] [6] Bocian S., Frączek J.: Program do badań układu sterująco – pomiarowego, pracującego w sieci CANopen, przeznaczonego do pojazdu szynowego, Poznań, IPS „TABOR”, Pojazdy Szynowe nr4/2008. Frączek J.: Koncepcja układu do badania algorytmów sterujących w pojazdach szynowych. Opisu układu sieciowego CANopen. Opracowanie OR–9200. Archiwum, IPS „TABOR”. Poznań maj 2009. Frączek J.: Koncepcja układu do badania algorytmów sterujących w pojazdach szynowych w oparciu o sieć CANopen. Program testowy algorytmów sterujących. Opracowanie OR–9280. Archiwum, IPS „TABOR”. Poznań styczeń 2010. Stypka M.: Urządzenie symulujące pracę układu hamulcowego pojazdu szynowego. Opracowanie OR– 9280. Archiwum, IPS „TABOR”. Poznań marzec 2010. Modular I/O system. CANopen 750–837. Manual. m083700e.pdf. WAGO Kontakttechnik GmbH, Hansastraße 27, D–32423 Minden, Version 1.0.0., 2005, www.wago.com Haba M.: Opracowanie własne. IPS „TABOR”. Poznań. Rys 8. Przebieg próby hamulca zespolonego przy nieprawidłowej wartości ciśnień MC i MG POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 39 dr inż. Wojciech Sawczuk Politechnika Poznańska Badanie współczynnika tarcia hamulca tarczowego W niniejszy artykule zaprezentowano metodykę badań oraz wyniki uzyskane na bezwładnościowym stanowisku po przeprowadzeniu badań ciernych na kolejowym hamulcu tarczowym. Na podstawie serii badań o charakterze trybologicznym przebadano pary cierne hamulca tarczowego i wyznaczono charakterystyki procesu hamowania w zależności od prędkości hamowania, docisku okładzin do tarczy hamulcowej oraz mas hamujących. Na podstawie wyników z ciernych badań stanowiskowych wyznaczono zależności współczynnika tarcia (chwilowego i średniego), w funkcji zużycia okładzin i prędkości początku hamowania. 2. Wyznaczenie minimalnej ilości hamowań do oceny statystycznej 1. Wstęp Ze względu na coraz większe prędkości jazdy pociągów pasażerskich i towarowych, hamulec tarczowy staje się podstawowym urządzeniem hamulcowym zarówno w wagonach, jak i w lokomotywach. Również szereg zalet tego rodzaju hamulca, jak np. stały przebieg współczynnika tarcia w funkcji prędkości w stosunku do tradycyjnego hamulca klockowego, uzasadnia jego stosowanie i to zarówno w pojazdach kolejowych, jak i w pojazdach szynowych komunikacji miejskiej. Mimo wielu zalet układu hamulcowego, zamocowanie tarcz hamulcowych na osi pomiędzy kołami zestawu kołowego znacznie utrudnia kontrolę zużycia pary ciernej tarcza-okładzina. Wymusza ono na obsłudze i pracownikach zakładów naprawczych wchodzenie pod wagon w celu zdiagnozowania układu hamulcowego, sprawdzenia poprawności jego działania, kontroli zużycia oraz przeprowadzenia niektórych napraw bieżących. W artykule przedstawiono zależności przebiegu współczynnika tarcia w funkcji wybranych grubości okładzin ciernych oraz innych parametrów hamowania uzyskanych po przeprowadzeniu stanowiskowych badań kolejowego hamulca tarczowego w Instytucie Pojazdów Szynowych TABOR w Poznaniu. Przed zasadniczymi badaniami stanowiskowymi, wykonano serię 25 hamowań do oceny statystycznej. Badanie miało na celu wyznaczenie minimalnej ilości powtórzeń, zapewniających otrzymanie wyników w zadowalającym przedziale ufności, wynoszącym 95%, przy przyjętym poziomie istotności, α=0,05, przy którym obserwuje się najmniejszy współczynnik zmienności. Analizie statystycznej poddano wartość średniego współczynnika tarcia ślizgowego µ, zmierzonych w 25 próbach przy niezmiennej prędkości początku hamowania wynoszącej 120 km/h. Pomiar został przeprowadzony po dotarciu okładzin zgodnie wymaganiami zawartymi w Karcie UIC 5413. Każde kolejne hamowanie było poprzedzone chłodzeniem tarczy na wolnym powietrzu poprzez jej swobodny obrót, przez co symulowano jazdę wagonu z prędkością 100km/h. Po obniżeniu temperatury tarczy do wartości 60°C przerywano jej chłodzenie i rozpoczynano kolejne hamowanie. Wyniki pomiaru wartości średniego współczynnika tarcia na homologowanym stanowisku kolejowego hamulca tarczowego przedstawia tab. 1. Wyniki pomiarów średniego współczynnika tarcia ślizgowego między okładziną a tarczą hamulca kolejowego Tab. 1 Nr hamowania 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 40 Średni współczynnik tarcia µ 0,344 0,338 0,339 0,337 0,343 0,340 0,338 0,340 0,345 0,340 Nr hamowania 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Średni współczynnik tarcia µ 0,339 0,341 0,338 0,339 0,341 0,335 0,335 0,337 0,335 0,333 Nr hamowania 21 22 23 24 25 Średni współczynnik tarcia µ 0,336 0,335 0,334 0,334 0,331 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 W celu wyznaczenie minimalnej liczby hamowań, wykorzystano zależności na następujące wzory statystyczne [2, 5]: 1. Wartość średnia: 1 x = n gdzie: i =1 xi (1 ) gdzie: xi – i-ta wartość zmiennej, x=1, 2, …, n, n – liczba hamowań. S = gdzie: x– n ∑ (x i =1 − x) 2 i (4) 1 L1−α – przedział ufności dla α=0,05, 2 W= (2 ) wartość średnia, i-ta wartość zmiennej, x=1, 2, …, n. xi – (−) 5. Współczynnik zmienności: 2. Odchylenie standardowe: 1 n x n ∑ 1 L1−α 2 1 = x − L1−α 2 x (+) = x + 3. Przedział ufności: 1 S L1−α = t (n −1;1−α ) ⋅ (3) 2 n gdzie: t – współczynnik testu t-studenta, n – liczba hamowań. S ⋅ 100% x (5) Po zastosowaniu zależności (1-5), otrzymano wyniki z obliczeń statystycznych z pomiaru średniego współczynnika tarcia µ, co przedstawiono w tab. 2. Rys. 1 prezentuje wartość współczynnika tarcia uzyskanego z danego hamowania oraz wartość średnią współczynnika tarcia z uwzględnieniem górnej i dolnej granicy przedziału ufności przy założonym poziomie istotności α=0,05. 4. Górna i dolna granica przedziału ufności: Wyniki obliczeń statystycznych wartości współczynnika tarcia µ między okładziną a tarczą hamulca kolejowego Tab. 2 Liczba pomiarów n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 x Odchylenie standardowe S Wsp. T-Studenta t Przedział ufności 0,341 0,340 0,340 0,340 0,340 0,340 0,340 0,340 0,340 0,340 0,340 0,340 0,340 0,340 0,340 0,340 0,339 0,339 0,339 0,339 0,339 0,338 0,338 0,338 0,00424 0,00321 0,00311 0,00311 0,00279 0,00267 0,00247 0,00288 0,00272 0,00261 0,00250 0,00248 0,00240 0,00233 0,00259 0,00276 0,00275 0,00285 0,00310 0,00307 0,00309 0,00315 0,00317 0,00342 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 12,706 4,303 3,182 2,776 2,571 2,447 2,365 2,306 2,262 2,228 2,201 2,179 2,160 2,145 2,131 2,120 2,110 2,101 2,093 2,086 2,080 2,074 2,069 2,064 Średnia POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 1 L1−α 2 Górna granica przedziału ufności x (+) Górna granica przedziału ufności x (-) 0,05391 0,01383 0,00989 0,00865 0,00716 0,00654 0,00585 0,00663 0,00614 0,00582 0,00550 0,00540 0,00519 0,00499 0,00552 0,00586 0,00580 0,00599 0,00649 0,00641 0,00642 0,00654 0,00655 0,00706 0,879765 0,545325 0,457898 0,409418 0,334464 0,297229 0,257448 0,281702 0,252333 0,231372 0,211925 0,202057 0,188677 0,176557 0,190372 0,197441 0,190773 0,192994 0,204546 0,197922 0,194491 0,194343 0,191162 0,202434 Współczynnik zmienności W[%] 1,244 0,945 0,916 0,915 0,819 0,786 0,728 0,845 0,798 0,767 0,734 0,729 0,706 0,684 0,761 0,814 0,809 0,841 0,915 0,907 0,912 0,932 0,936 1,012 41 Ws pó³czynnik tarcia, µ [-] 0,400 0,390 0,380 0,370 0,360 0,350 0,340 0,330 0,320 0,310 0,300 0,290 Wartoœæw spó³czynnika tarcia z kolejnego hamow ania 0,280 0,270 Wartoœæœrednia w s pó³czynnika tarcia 0,260 0,250 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Nr hamowania Rys.1. Przebieg współczynnika tarcia między okładziną a tarczą hamulcową oraz średnia jego wartość z 25 pomiarów Na rys. 2 jest przedstawiony procentowy przebieg współczynnika zmienności W wyznaczonego z pomiaru współczynnika tarcia, na podstawie którego możliwe było określenie liczby pomiarów. Badaniami została objęta tarcza hamulcowa o wymiarach 610×110 z wentylującymi łopatkami wykonana z żeliwa szarego oraz trzy komplety okładzin hamulcowych typu 200 FR20H.2 firmy Fenoplast. Do badań stanowiskowych zastosowano jedną parę okładzin nowych o grubości g1=35mm oraz dwie pary zużyte o grubości g2=25 mm i g3=15 mm. Badania zostały przeprowadzone na stanowisku hamulcowym bezwładnościowym, przedstawionym na rys. 3. Na stanowisku jest możliwe wykonanie badań kolejowego hamulca klockowego oraz hamulca tarczowego, odzwierciedlających rzeczywiste warunki, jakie występują podczas hamowania wagonu. a) Współczynnik zmienności, W [%] [%] Współczynnik zmienności, 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Nr hamowania b) Rys.2. Przebieg współczynnika zmienności dla 25 pomiarów współczynnika tarcia Na podstawie rys. 2, po wykonaniu 25 pomiarów stwierdzono, że akceptowalna liczba powtórzeń hamowań, zapewniających otrzymanie wyników średniego współczynnika tarcia w oczekiwanym przedziale ufności, przy przyjętym poziomie istotności α=0,05, wynosi 8 pomiarów. Dla 8 pomiarów uzyskano zadowalającą wartość współczynnika zmienności mimo, że jego najniższą wartość uzyskano dla 15 hamowań. Ze względu na wartości liczbowe współczynnika zmienności dla pomiarów średniego współczynnika tarcia, nie przekraczające 10%, zgodnie z [8], stwierdzono nieistotne zróżnicowanie statystyczne analizowanych wielkości. 3. Metodyka stanowiskowych badań ciernych hamulca tarczowego Badania dotyczące wyznaczenia charakterystyk procesu hamowania w zależności od zużycia okładzin ciernych zostały przeprowadzone w oparciu o założenia eksperymentu czynnego zgodnie z [4, 9, 10]. W czasie badań celowo i w określony sposób zmieniano parametry wejściowe (stanu układu hamulcowego) i obserwowano ich wpływ na zmianę parametru wyjściowego. 42 Rys. 3. Stanowisko hamulcowe do badań kolejowych układów hamulcowych (klockowych i tarczowych): a) widok części napędowej stanowiska, b) widok części pomiarowej stanowiska Badania stanowiskowe na hamulcach kolejowych, prowadzono zgodnie z programami zawartymi w karcie UIC 541-3. Każdy program badań odnosi się do specyficznych warunków pracy hamulca w czasie eksploatacji pojazdu. Do badań wybrano program badawczy C – szybka jazda. Parametrami sterowanymi w czasie badań trybologicznych były: - grubość okładziny ciernej: g1=35 mm, g2=25 mm i g3=15 mm, docisk okładziny do tarczy: p= 28 i 44kN, POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 - prędkość początku hamowania: v= 50, 80, 120, 160 i 200km/h, - masa hamująca przypadająca na jedną tarczę: M= 4.4 i 7.5t. Przed rozpoczęciem zasadniczych badań o charakterze trybologicznym, przeprowadzono serię hamowań docierającą okładziny cierne. Zgodnie bowiem z [7], hamowania wstępne należy prowadzić do chwili uzyskania odnowienia powierzchni ciernej okładziny przekraczającej 75% powierzchni przed docieraniem. Następnie rozpoczęto badania, w których parametrem wyjściowymi były współczynnik tarcia µ (chwilowy oraz średni). Na rys. 4 przedstawiono przebieg procesu badań na stanowisku hamulcowym z uwzględnieniem możliwych kombinacji hamowań. W czasie badań zmieniano grubości okładzin ciernych, prędkości hamowania, docisk okładzin ciernych do tarczy oraz masy hamujące. Podczas badań, dla każdej grubości okładziny, prędkości początku hamowania, docisku do tarczy i masy hamującej, wykonano po 8 powtórzeń. Uzasadnienie powyższej ilości prób omówiono w podpunkcie 2. W sumie, podczas badań trybologicznych wykonano 480 hamowań bez docierania okładzin ciernych. Wyniki z badań chwilowego współczynnika tarcia dla trzech okładzin (35, 25 i 15 mm) zostały przedstawione na rysunkach 5-8 z uwzględnieniem granicy górnej i dolnej chwilowego współczynnika tarcia dla pojazdów szynowych zawartego w karcie UIC 541-3 [7] dla kolejowego hamulca tarczowego. Po scałkowaniu wartości chwilowego współczynnika tarcia po drodze hamowania s, otrzymano wartość średnią współczynnika tarcia. Zależność średniego współczynnika tarcia dla tych samych parametrów hamowania, jak przy badaniu chwilowego współczynnika tarcia, przedstawiają rys. 9-12. Wyniki zostały odniesione do odchyłki górnej i dolnej średniego współczynnika tarcia wymaganego przez kartę UIC 541-3 [7]. 4. Wyniki badań Badanie współczynnika tarcia przeprowadzono na parze ciernej utworzonej z okładziny typu FR20H.2 wykonanej z materiału organicznego oraz tarczy hamulcowej Kovis z żeliwa szarego. Celem badania było wyznaczenie współczynników tarcia w zależności od grubości okładzin ciernych, nacisku N okładziny do tarczy oraz masy hamującej M. Tarcza hamulcowa Okładziny g1 Prędkość [km/h] v [km/h] 50 Rys. 5. Zależność chwilowego współczynnika tarcia od prędkości początku hamowania dla okładzin o grubości G1=35mm, G2=25mm i G3=15mm, przy nacisku na tarczę N=44kN i masie hamującej M=7,5t Docisk okładziny [kN] p [kN] Masa hamująca [t] Ilość prób p=28 M=4,4 80 g2 120 g3 160 8 p=44 M=7,5 200 Rys. 4. Schemat przebiegu badań z uwzględnieniem kombinacji hamowań POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 43 Rys. 6. Zależność chwilowego współczynnika tarcia od prędkości początku hamowania dla okładzin o grubości G1=35mm, G2=25mm i G3=15mm, przy nacisku na tarczę N=28kN i masie hamującej M=7,5t Rys. 9. Zależność średniego współczynnika tarcia od prędkości początku hamowania dla okładzin o grubości G1=35mm, G2=25mm i G3=15mm, przy nacisku na tarczę N=44kN i masie hamującej M=7,5t Rys. 7. Zależność chwilowego współczynnika tarcia od prędkości początku hamowania dla okładzin o grubości G1=35mm, G2=25mm i G3=15mm, przy nacisku na tarczę N=44kN i masie hamującej M=4,4t Rys. 10. Zależność średniego współczynnika tarcia od prędkości początku hamowania dla okładzin o grubości G1=35mm, G2=25mm i G3=15mm, przy nacisku na tarczę N=28kN i masie hamującej M=7,5t Rys. 8. Zależność chwilowego współczynnika tarcia od prędkości początku hamowania dla okładzin o grubości G1=35mm, G2=25mm i G3=15mm, przy nacisku na tarczę N=28kN i masie hamującej M=4,4t Rys. 11. Zależność średniego współczynnika tarcia od prędkości początku hamowania dla okładzin o grubości G1=35mm, G2=25mm i G3=15mm, przy nacisku na tarczę N=44kN i masie hamującej M=4,4t 44 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Rys. 12. Zależność średniego współczynnika tarcia od prędkości początku hamowania dla okładzin o grubości G1=35mm, G2=25mm i G3=15mm, przy nacisku na tarczę N=28kN i masie hamującej M=4,4t Podczas badań stanowiskowych stwierdzono, że zakresy wartości chwilowego współczynnika tarcia w funkcji prędkości początku hamowania dla trzech rozpatrywanych grubości okładzin ciernych w dużej części pokrywają się ze sobą. Jedynie różnice stwierdzono w obrębie górnej granicy wartości chwilowego współczynnika tarcia badanych okładzin. W przypadku okładziny nowej o grubości 35mm stwierdzono wyższą wartość współczynnika tarcia w całym zakresie prędkości początku hamowania względem okładzin o grubości 25 i 15mm przy docisku okładziny do tarczy z siła N=44kN i masą hamującą M=7,5t. W pozostałych przypadkach hamowań: docisk do tarczy N=28kN, masie hamującej M=7,5t, docisk do tarczy N=44kN, masa hamująca M=4,4t, oraz docisk do tarczy N=28kN i masa hamująca M=4,4t, obserwuje się wpływ grubości okładziny na obniżenie chwilowego współczynnika tarcia dopiero przy hamowaniach z prędkości powyżej 80km/h. Ponadto podczas badań stwierdzono, że poza hamowaniem z naciskiem okładziny do tarczy N=44kN i masie hamującej M=7,5, otrzymane wartości maksymalnego i minimalnego współczynnika tarcia mieszczą się w przedziale między górną i dolną granicą wartości chwilowego współczynnika tarcia zalecanego przez kartę UIC 5413 dla pary ciernej: żeliwna tarcza i okładzina z tworzywa sztucznego. Hamowania powyżej 160km/h dla powyższego przypadku (N=44kN i M=7,5t), powodują obniżenie wartości minimalnego współczynnika tarcia poniżej wartości dolnej granicy chwilowego współczynnika tarcia, co stwierdzono dla okładziny o grubości 25 i 15mm. Z zależności średniego współczynnika tarcia µm w funkcji prędkości początku hamowania wynika, że przy nowej okładzinie o grubości 35mm rejestruje się najwyższe wartości współczynnika w stosunku do okładzin o grubości 25 i 15mm. Zaobserwowano, że do prędkości hamowania wynoszącej 80km/h przebiegi współczynnika tarcia okładziny o grubości G1=35mm pokrywają się z przebiegami współczynnika tarcia dla okładziny o grubości G2=25mm (rys. 9, POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 10 i 12). Dalszy wzrost prędkości początku hamowania powoduje wzrost średniego współczynnika tarcia µ okładziny nowej względem pozostałych grubości okładzin, niezależnie od docisku okładziny do tarczy i zastosowanej masy hamującej. Po dokonaniu analizy statystycznej średnich współczynników tarcia stwierdzono, że przy założonym poziomie istotności α=0,05, istotne różnice średnich współczynników tarcia występują w przypadku okładzin o grubościach G1 oraz G3. W przypadku okładziny G2, niezależnie od prędkości początku hamowania, obserwuje się nachodzenie na siebie słupków błędu uzyskanych z okładziny G1 lub okładziny G3. Przy hamowaniu z dociskiem do tarczy N=44kN i masie hamującej M=7,5t (rys. 9), istotne różnice średnich współczynników tarcia okładzin G1 oraz G3, występują po hamowaniach z prędkości powyżej 120km/h. W przypadku hamowań z naciskiem na tarczę N=28kN, masie hamującej M=75kN (rys. 10) oraz naciskiem na tarczę N=44kN i masie hamującej M=4,4t (rys. 11), a także z dociskiem do tarczy N=28kN i masie hamującej M=4,4t (rys. 12) stwierdzono wyraźną zależność średniego współczynnika tarcia okładziny G1 względem G3 w całym zakresie prędkości początku hamowania. Podczas badań stanowiskowych zaobserwowano w kilku przypadkach obniżenie wartości średniego współczynnika tarcia, dla trzech rozpatrywanych grubości okładzin ciernych poniżej dolnej odchyłki średniego współczynnika tarcia. Przy dużych dociskach okładzin do tarczy i masach hamujących (N=44kN, M=7,5t), co przedstawiono na rys. 9 spadek mierzonego współczynnika poniżej wartości dolnej odchyłki średniego współczynnika tarcia okładzina G1 uzyskuje przy prędkości początku hamowania powyżej 160km/h, okładzina G2 przy 120km/h a okładzina G3 już przy 100km/h. Podczas hamowania z mniejszym dociskiem do tarczy (N=28kN i masie hamującej M=7,5t), obniżenie wartości współczynnika tarcia poniżej dolnej odchyłki zaobserwowano przy okładzinie G3 już przy hamowania z prędkości 120km/h (rys. 10). Większe dociski do tarczy N=44kN i małe masy hamujące M=4,4t (rys. 11) przyczyniają się do obniżenia współczynnika tarcia okładzin G2 oraz G3 przy hamowaniu z prędkości 160km/h. Hamowania z małym naciskiem na tarczę oraz masie hamującej (N=28kN i M=4,4), powoduje obniżenie wartości współczynnika tarcia poniżej dolnej odchyłki średniego współczynnika tarcia przy małych prędkościach początku hamowania (do 80km/h) oraz przy prędkościach dużych, powyżej 160km/h (rys. 12). Powyższe zależności stwierdzono tylko przy okładzinie ciernej o grubości G3=15mm. 45 5. Podsumowanie Literatura Przeprowadzone badania stanowiskowe dowiodły występowania istotnej zależności średniego współczynnika tarcia od zużycia okładziny tylko dla okładziny o grubości G3=15mm (okładzina o największym badanym zużyciu). Wartości pośrednie zużycia, np. dla grubości okładziny G2=25mm, nie pozwalają wnioskować o występowaniu zależności współczynnika tarcia od zużycia okładziny. Otrzymane wyniki współczynników tarcia okładzin o grubości G1 i G2 mieszczą się w przedziałach błędu statystycznego. Wykonane badania dowodzą, że pogarszający się stan pary ciernej, determinowany zużyciem tarczy hamulcowej i okładzin, ma tendencję do obniżania współczynnika tarcia zużywającej się okładziny aż do przekroczenia wartości dolnej jego odchyłki µm, co stwierdzono na okładzinach o grubościach G2 oraz G3 przy różnych prędkościach początku hamowania. Na obniżenie współczynnika tarcia, szczególnie przy hamowaniach z dużych prędkości (powyżej 160km/h) mogą mieć wpływ zarówno procesy termiczne oraz zjawisko powstawania warstwy trzeciej w styku okładziny z tarczą otrzymanej z produktów zużycia pary ciernej, opisane w pracach [1, 3, 11]. Dłuższe czasy hamowania powodują, że ze względu na trudności w odprowadzeniu zużytego materiału ciernego, na styku tarczy i okładziny powstaje dodatkowa warstwa zwiększająca poślizg okładziny względem tarczy hamulcowej, co zostało przedstawione w pracach [6, 12]. Badania współczynnika tarcia mogą ułatwić dobór pary ciernej, nie powodujące jego zmian w procesie eksploatacji bez przekroczenia dolnej odchyłki średniego współczynnika tarcia. Może mieć to istotny wpływ na bezpieczeństwo jazdy pociągu. Zużycie okładziny wpływa na wydłużenie drogi i czasu hamowania, co jest związane z obniżeniem się współczynnika tarcia między okładzina a tarczą i pogorszonymi warunkami współpracy okładziny ciernej z tarczą hamulcową. Zjawisko obniżenia średniego współczynnika tarcia poniżej dolnej odchyłki µm jest szczególnie ważne dla okładzin o małej grubości i podczas hamowań z dużych prędkości powyżej 120km/h. [1] 46 [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] Dżuła S, Urbańczyk P.: Wpływ zużycia elementów pary ciernej klocek hamulcowy – koło zestawu kołowego na siłę hamowania, XIV Konferencja Naukowa POJAZDY SZYNOWE 2000, Kraków, Arkanów, 9-13 październik 2000, t. 2, s. 231-242. Gajek L., Kałuszka M.: Wnioskowanie statystyczne – modele i metody. WNT, Warszawa, 2000. Gąsowski W., Kaluba M.: Trybologiczne badanie okładzin ciernych hamulca tarczowego pojazdów szynowych, Pojazdy Szynowe 1999 nr 1, s. 14-21. Jósko M.: Metodologiczne aspekty oceny przyczepności powłok regeneracyjnych metodą ultradźwiękową, Politechnika Poznańska – Rozprawy nr 372 (Praca habilitacyjna), Poznań 2002. Kadziński A.: Niezawodność pojazdów szynowych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 1992. Kaluba M.: Zużycie okładzin ciernych hamulca tarczowego pojazdów szynowych, Pojazdy Szynowe 1999 nr 4, s. 24-29. Karta UIC 541-3, Hamulec: hamulec tarczowy i okładziny hamulcowe, warunki ogólne dla prób na stanowisku badawczym, Wydanie 6-te listopad 2006. Krysicki W., Włodarski L.: Analiza matematyczna w zadaniach, Wydawnictwo PWN, Warszawa, 2007. Leszek W.: Badania empiryczne, Studia i rozprawy – Instytut Technologii Eksploatacji, Radom 1977. Mańczak K.: Technika planowania eksperymentu, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1976. Piec P.: Analiza zjawisk kontaktowych typu sick-slip w miejscu styku koła z klockiem hamulcowym, Monografia, Kraków 1995. Ścieszka S.F.: Hamulce cierne. Zagadnienia materiałowe, konstrukcyjne i tribologiczne, Wydawnictwo Gliwice-Radom 1998, s.15. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 inż. Roch Tarczewski Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Spójność pomiarowa jeden z determinantów wiarygodności wyników badań Wyniki badań będące źródłem obiektywnej wiedzy niezbędnej dla oceny wyrobu, winny być wiarygodne, dokładne i adekwatne. Jednym z podstawowych determinantów wiarygodności wyników badań jest wymaganie dotyczące zachowania przez laboratoria spójności pomiarowej stosowanej aparatury w odniesieniu do wzorców metrologicznych. Spełnianie tego wymagania sprowadza się w praktyce do właściwego nadzorowania i wzorcowania aparatury pomiarowej. Artykuł ma na celu przybliżenie pojęcia spójności pomiarowej decydentom i użytkownikom aparatury pomiarowej stosowanej w procesach badawczych, których wyniki są podstawą certyfikacji pojazdów szynowych. 1. Wstęp Naturalne dążenie do zachowania maksymalnej precyzji pomiarów, zostało sformalizowane w punkcie 5.6 normy [1] pod hasłem zapewnienia spójności pomiarowej. Nadano mu status wymagania systemowego, determinującego uzyskanie akredytacji przez laboratoria badawcze. Przez spójność pomiarową rozumie się udokumentowane formalnie powiązanie metrologiczne pomiędzy stosowanym w praktyce laboratoryjnej sprzętem pomiarowym a wzorcami wielkości mierzonej. Powiązanie to posiada zwykle charakter „łańcuszkowy” rozpoczynający się od wzorca o randze międzynarodowej, poprzez wzorce państwowe, regionalne do wzorca lokalnego i wreszcie do miernika użytkowego. Warto w tym miejscu przytoczyć podział metrologii na prawną i laboratoryjną. Metrologia prawna potwierdza przydatność przyrządu w zastosowaniach do czynności urzędowych, rozliczeń finansowych, ochrony zdrowia i ekologii [2]. Formalnym potwierdzeniem jest świadectwo legalizacji, określające spełnienie określonych wymagań w zakresie dokładności pomiaru. Metrologia laboratoryjna w zastosowaniu do badań naukowych i technicznych, opiera się na wzorcowaniu czyli spełnianiu spójności pomiarowej. Formalnym potwierdzeniem wzorcowania jest świadectwo, identyfikujące wzorzec oraz obiekt wzorcowania, zapisy wyników wskazań obu mierników oraz wyznaczoną niepewność rozszerzoną wzorcowania. Do wystawiania świadectw wzorcowania uprawnione są tylko akredytowane laboratoria wzorcujące [3]. 2. Nadzorowanie aparatury pomiarowej Określenie potrzeb w zakresie aparatury pomiarowej, następuje w oparciu o wymagania definiowane przez klientów w obszarze badań, wymagania normatywne i prawne, plany rozwojowe laboratorium, oferty dostawców, wymagania metrologiczne. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Laboratoria prowadzą rejestry kwalifikowanych dostawców wyposażenia pomiarowego i badawczego oraz na bieżąco monitorują ich oferty. W wyniku analiz sporządza się specyfikacje, określające nazwę, typ, rodzaj, wyposażenia, parametry techniczne, rodzaj wykonania, warunki pracy, wymagania metrologiczne (legalizacja, zatwierdzenie typu, wzorcowanie, sprawdzanie). Warunkiem profesjonalnego zarządzania wyposażeniem pomiarowym, jest jego nadzorowanie [4]. Dla zapewnienia identyfikacji, przyrząd otrzymuje numer identyfikacyjny, oznaczony trwale, jest wpisany do ewidencji wyposażenia, oraz posiada „Kartotekę wyposażenia.” W oparciu o instrukcje obsługi producenta, dokonuje się uruchomienia i testowania zakupionego przyrządu. Jeżeli uruchomienie i testowanie daje wynik pozytywny, laboratorium dokonuje kwalifikacji metrologicznej wyposażenia, ustalając częstość wzorcowania lub sprawdzania, zależnie od intensywności i warunków jego eksploatacji, sposobu wykorzystywania oraz dostępności odpowiednich wzorców. Wzorcowanie kluczowej aparatury np. wzorców kontrolnych, winno być wykonywane przez akredytowane laboratoria wzorcujące, co stanowi gwarancję zachowania spójności pomiarowej, wymaganej w punkcie 5.6 normy [1], [3]. Pozostała aparatura pomiarowa może być wzorcowana przez użytkownika a więc laboratorium badawcze, które winno posiadać potwierdzone kompetencje metrologiczne w ramach posiadanej akredytacji. Każdy rodzaj potwierdzenia metrologicznego niezależnie od wykonawcy usługi musi nosić cechy wzorcowania. Laboratorium prowadzi rejestr kwalifikowanych i akredytowanych dostawców usług metrologicznych. Rejestr jest aktualizowany, a dostawcy 47 usług okresowo oceniani wg kryteriów jakości, terminowości i kosztów usług. Laboratorium zamawia usługi żądając podania przy świadectwie odniesienia do wzorca (typ, nr identyfikacyjny), zapisów z wzorcowania oraz wyznaczenia niepewności. Świadectwo potwierdzenia metrologicznego identyfikujące wzorzec oraz zapisy i niepewność jest podstawą nadania wyposażeniu statusu zgodności (zielona nalepka), co jest odnotowywane w kartotece wyposażenia. Uruchomione i metrologicznie potwierdzone wyposażenie wraz z nalepką statusu i dokumentami towarzyszącymi może być stosowane w laboratorium. Bieżące nadzorowanie wyposażenia pomiarowego dla spełnienia wymagań punktu 5.6 normy [1] jest realizowane poprzez wzorcowanie (niezależnie od wymagań metrologii prawnej, które dotyczą wyposażenia, stosowanego w rozliczeniach finansowych, czynnościach urzędowych oraz testach medycznych i ochronie środowiska - legalizacja). Wzorcowanie (kalibracja) jest to zbiór operacji ustalających, w określonych warunkach, relacje między wartościami wielkości mierzonej, wskazywanymi przez obiekt wzorcowania a odpowiednimi wskazaniami wzorca [5]. Wzorcowanie wykonuje się także niezależnie od ustalonej częstości w przypadku stwierdzenia niesprawności wyposażenia lub podejrzenia co do poprawności jego pracy. W odniesieniu do przyrządów o drugorzędnym znaczeniu dla badań (np. wskaźniki pomocnicze) lub jeżeli klient nie wymaga wielkiej precyzji pomiaru, lub gdy wzorcowanie jest niemożliwe ze wzglądów fizycznych, organizacyjnych lub ekonomicznych, zamiast wzorcowania można dokonywać sprawdzanie [6], [7]. Sprawdzanie jest to zbiór czynności stwierdzających zgodność wskazań przyrządu sprawdzanego z wymaganiami określonymi wartością błędu granicznego podanego przez producenta. Polega ono na porównaniu wskazań miernika sprawdzanego z innym miernikiem wcześniej wzorcowanym /zielona nalepka/ lub uczestnictwie z wynikiem pozytywnym w badaniach porównawczych. Protokół potwierdzający pozytywny wynik sprawdzenia wg kryterium spełnienia wymagań (±2σ – podwójnego odchylenia standardowego) jest podstawą do nadania miernikowi statusu zgodności (zielona nalepka z napisem „sprawdzony”). Częstość sprawdzeń ustala użytkownik wg kryteriów jak przy wzorcowaniu. Przegląd techniczny dotyczy tej części wyposażenia Laboratorium, która nie podlega wzorcowaniu bądź sprawdzaniu (w tym też innym potwierdzeniom metrologii prawnej) ale może mieć wpływ na jakość prowadzonych badań oraz ich wyniki. 48 W zakres przeglądu technicznego urządzeń i maszyn, stanowisk badawczych i oprzyrządowań wchodzą: oględziny, sprawdzenie zużycia części, luzów i zabezpieczeń, sprawdzenie funkcjonalne, pomiary parametrów deklarowanych na zgodność z dokumentacją producenta, sprawdzenie stanu bezpieczeństwa. Każdy przegląd kończy się protokołem i jest odnotowywany w kartotece z której wynika zakres i częstość przeglądów. Przegląd jest wykonywany także niezależnie od ustalonej częstości w przypadku stwierdzenia niesprawności lub podejrzenia co do poprawności działania wyposażenia. Status wyposażenia sprawnego oznacza się zieloną nalepkę z naniesioną datą ważności. Status niezgodności oznacza się nalepką czerwoną, a status wyłączenia z eksploatacji (zawieszenia) nalepką żółtą. Przed rozpoczęciem badań dokonuje się pomiaru kontrolnego celem upewnienia się czy zastosowany przyrząd działa poprawnie. Pomiar wykonuje się zgodnie z zastosowaną procedurą pomiarową a z przeprowadzonego pomiaru sporządza się zapis potwierdzający pomiar kontrolny. Po zakończeniu badań dokonuje się pomiaru kontrolnego celem upewnienia się czy zastosowany przyrząd nadal działa poprawnie a z przeprowadzonego pomiaru sporządza się zapis potwierdzający pomiar kontrolny. Diagnozowanie wyposażenia niezgodnego polega na organoleptycznym lub pomiarowym stwierdzeniu przyczyny i zakresu niezgodności. Diagnozowanie kończy się protokołem podającym zalecenia w zakresie naprawy lub sugestie dotyczące likwidacji. 3. Proces wzorcowania przyrządu pomiarowego. Dla wykonania wzorcowania przyrządu pomiarowego, niezbędne jest znalezienie relacji pomiędzy działkami odczytowymi na jego skali a wskazaniami wzorca. Oba mierniki podłączone są do tego samego źródła wielkości mierzonej o regulowanej wartości (np. stabilizowanego źródła napięcia regulowanego). Nasuwa się pytanie, ile odczytów porównawczych wykonać? Odpowiedź zależy od dwóch czynników: liniowości charakterystyki przyrządów i od osobliwości wartości średniej, której rozrzut znacznie maleje ze wzrostem ilości pomiarów [6]. W praktyce wystarczające jest już wykonywanie do około 10 pomiarów na zakresie wskazań, jeżeli założyć, że wzorzec jest liniowy, a obiekt wzorcowania posiada także charakterystykę zbliżoną do liniowej. Przy obiektach nieliniowych ilość pomiarów należy zwiększyć tak, aby wiernie odwzorować charakterystykę miernika i uzyskać niepewność wzorcowania poniżej błędów granicznych obiektu, określonych przez wytwórcę. Praktycznie, przyjęta ilość pomiarów winna odpowiadać ilości działek znaczących(opisanych) na skali miernika, nie POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 pomijając zera. Wskazania obu mierników porównuje się, ustawiając wskazanie dla danej działki znaczącej na skali obiektu wzorcowanego i odczytuje się wskazanie wzorca. Dla uwiarygodnienia wzorcowania, dla każdej działki znaczącej należy wykonać więcej niż jedno porównanie (pomiar); narastająco i malejąco dla uwzględnienia histerezy oraz powtarzalności wskazań obiektu wzorcowanego. Przy dwukrotnym takim zabiegu, uzyskuje się cztery wartości, z których oblicza się wartość średnią. W porównywaniu wskazań wzorca N i obiektu wzorcowanego W, może być niekiedy przydatne wykorzystywanie ich cech indywidualnych. Wzorzec jest z zasady miernikiem o dużej stabilności wskazań, dobrej klasie dokładności i skali o dużej rozdzielczości, umożliwiającej precyzyjny odczyt. Obiekt wzorcowania, bywa zwykle miernikiem o mniejszej stabilności wskazań, gorszej klasie dokładności i skali o mniejszej rozdzielczości a więc także mniejszej dokładności odczytu. Zatem wydaje się być korzystnym, dokonywanie wyboru punktów wzorcowania na skali obiektu wzorcowanego (działek znaczących – zwykle grubszych i dokładnie zaznaczonych). Jest to szczególnie istotne w przypadku mierników analogowych, wskazówkowych – uchylnych. Wówczas odczyt na wybranych działkach znaczących skali obiektu wzorcowanego może być liczbą całkowitą, bardziej czytelną i jednoznaczną, wyrażaną w działkach lub jednostkach skali. W ten sposób, zadając wartość wskazań obiektowi wzorcowania, umożliwia się najdokładniejsze określenie jego wskazań rzeczywistych. Porównanie wskazań obiektu wzorcowanego i wzorca przedstawia rys.1 0 1 2 3 4 5 Obiekt (miernik wzorcowany) Działki znaczące na skali: 0-5 jednostek Działka elementarna 0,1 jednostki 0 1 9 2 7 W1 W2 0 Sygnał rosnący 0 1 9 3 2 0 3 2 Sygnał malejący 8 W3 W4 0 2 0 4 1 Wzorzec (miernik wzorcowy) Rys. 1. Przykładowa relacja pomiędzy miernikiem wzorcowym(cyfrowe pole odczytowe) a miernikiem wzorcowanym (skala analogowa) podczas wzorcowania. Odczyty wykonuje się dla każdej działki znaczącej na skali miernika wzorcowanego. Z wyników czterech pomiarów wzorcowania, odczytanych na wzorcu, a odnoszących się do wybranej działki znaczącej obiektu wzorcowanego, wyznacza się wartość średnią, a więc najbardziej zbliżoną do wartości poprawnej. Cała operacja odbywa się przez kolejne zadawanie wartości wskazania na kolejnych wybranych działkach skali obiektu wzorcowanego. Wyniki odczytów podlegają udokumentowaniu (zapis techniczny). Różnica wskazań określana jest jako POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 błąd systematyczny a wzięta ze znakiem przeciwnym jest zwana poprawką [6], [8]. Poprawka podlega także rozkładowi prawdopodobieństwa o charakterze przypadkowym [9] a więc posiada element niepewności, zatem: Pw = ( N − W ) ± U ( Pw ) (1) gdzie: Pw - poprawka – wartość dodana do wskazania miernika, w celu uzyskania wartości poprawnej N - wskazanie wzorca W - wskazanie obiektu wzorcowanego (wartość średnia z odczytów dla danego punktu skali). U(Pw) - niepewność rozszerzona wyznaczenia poprawki. Jest to wartość niepewności wypadkowej standardowej, u(Pw) pomnożona (rozszerzona) przez współczynnik rozszerzenia k, który uwzględnia bezpieczeństwo pomiaru ze względu na propagację rozrzutu wyników. Różne wartości współczynnika rozszerzenia podano w tabeli.1. Na podstawie zapisanych wyników wzorcowania wyznacza się najpierw niepewność standardową wyrażoną przez odchylenie standardowe wg metody A, następnie określa się pozostałe czynniki wpływające na niepewność wzorcowania w celu wyznaczenia złożonej niepewności standardowej [6] wg wzoru (2). Każdy czynnik wpływający na niepewność wzorcowania może posiadać inną propagację do której należy dobrać adekwatny rozkład prawdopodobieństwa. W tabeli 1 przedstawiono cztery przykładowe, najczęściej stosowane rozkłady z których trzy pierwsze należą formalnie do rozkładów innych niż statystyczne (metoda typu B) a czwarty jest rozkładem statystycznym- normalnym-Gaussa (metoda typu A). W przypadku małej ilości odczytów, zamiast rozkładu Gaussa korzystniej jest stosować rozkład Studenta z tabelą współczynników korygujących [9]. Niepewność wypadkową (złożoną) standardową dla poprawki u(Pw), wyznacza się jako sumę geometryczną niepewności standardowych, pochodzących od poszczególnych czynników wpływających na niepewność wzorcowaniana [6]. u ( Pw ) = u 2 (W ) + ........... + u 2 ( N ) ( 2) Na niepewność wypadkową standardową wzorcowania mogą mieć wpływ różne czynniki w tym zjawiska zewnętrzne i wewnętrzne o charakterze przypadkowym. Czynniki te nie zawsze dają się precyzyjnie zdefiniować i ująć liczbowo (np. wpływ zakłóceń elektromagnetycznych, zmian ciśnienia atmosferycznego, drgań). Dla przejrzystości procesu wzorcowania, zaleca się stosowanie tzw. budżetu niepewności [8]. 49 Tabela.1. Wybrane metody wyznaczania niepewności pomiaru Rozkład arc sin Przebieg funkcji rozkładu prawdopodobieństwa Współczynnik rozszerzenia na poziomie ufności p = 0,95 0,5 R u (W ) = 2 Rozkład prostokątny równomierny R2 12 0,5 R σ2 = u (W ) = Jeżeli rozrzut wyników w rozstępie R jest mały i równomierny w całym zbiorze wyników. 3 k = 1,65 Jeżeli rozrzut wyników w rozstępie R jest mały na skrajach zbioru i rośnie w środku zbioru wyników. R2 24 σ2 = 0,5 R u (W ) = 6 Rozkład normalny Metoda typu A Rozkład statystyczny k = 2,33 σ2 = ∑ (W −W )2 i n(n − 1) u (W ) = 0,5 R k=2 9 Preferencje Jeżeli rozrzut wyników w rozstępie R jest duży na skrajach zbioru i maleje w środku zbioru wyników. R2 8 σ2 = k = 1,34 Rozkład trójkątny Simpsona Metoda typu B Rozkłady prawdopodobieństwa inne niż statystyczne Metoda Jeżeli rozrzut wyników w rozstępie R jest duży w całym obszarze zbioru a przyczyny rozrzutu nie dają się jednoznacznie zdefiniować, posiadają zatem charakter przypadkowy. σ – odchylenie standardowe dla serii odczytów W – przedział zmienności wartości odczytywanej u(W) –niepewność wyznaczenia wartości poprawnej(oczekiwanej) R – rozstęp a, b – granice rozstępu (zbioru wyników) k – współczynnik rozszerzenia f(W) – funkcja rozkładu prawdopodobieństwa 50 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Tabela. 2. Przykład budżetu niepewności wzorcowania Czynniki wpływające na niepewność wzorcowania 2 Źródła niepewności 3 Definicja Sposób wyznaczania 4 5 Rozrzut (niepowtarzalność) wskazań obiektu wzorcowanego w obrębie wybranej działki znaczącej z odczytów podczas wzorcowania 1.Niestabilność ustroju pomiarowego obiektu. 2.Wpływ czynników przypadkowych trudnych do zdefiniowania Miarą rozrzutu jest odchylenie standardowe wyznaczenia wartości średniej (zbliżonej do poprawnej, oczekiwanej) Niedokładność odczytów na skali obiektu 1.Rozdzielczość skali odczytowej obiektu 2.Technika odczytu Wrażliwość na niestabilność sygnału wzorcowego do którego są przyłączone obydwa mierniki: obiekt i wzorzec Niepewność standardowa wypadkowa wzorca (miernika wzorcowego) Niestabilność wynikająca z konstrukcji lub wykonawstwa źródła sygnału wzorcowego Rozrzut wyników ze względu na u (d ) = wg tabeli 1 rozdzielczość skali odczytowej d – działka elementarna na skali lub obiektu. miejsce znaczące w polu odczytu cyfrowego Zakres oddziaływania niestabilności sygnału wzorcowego na ∂f niepewność wzorcowania. u (c ) = Wypadkowa niepewność standardowa wzorcowania obiektu Łączny wpływ czynników niekorzystnych na niepewność wzorcowania u (W ) = Σ(Wi − W ) 2 n(n − 1) lub u (W ) = wg Niedoskonałość konstrukcyjna i wykonawcza miernika wzorcowego Niepewność wzorPropagacja niepewności cowania rozszerzona ∂W Niepewność rozszerzona podana w świadectwie wzorcowania miernika wzorcowego podzieloU (N ) na przez współczynnik rozszeu( N ) = k rzenia k dla przyjętego poziomu ufności. Suma geometryczna składowych budżetu niepewności wzorcou(Pw) = wania 2 u ( w ) + u ( d ) 2 + u (c ) 2 + u ( N Niepewność wypadkowa pomnożona przez współczynnik rozszerzenia k dla przyjętego poziomu ufności. Odniesienie do błędu Struktura obiektu (miernika granicznego Eg, wzorcowanego) deklarowanego przez producenta miernika Jeżeli rozrzut wskazań W podczas wzorcowania jest dominujący w stosunku do innych czynników (np. sposobu odczytu, rozdzielczości skali czy wrażliwości na zmiany sygnału wzorcowego) to można uznać go za główne znaczące źródło niepewności, pomijając pozostałe. Przeświadczenie takie winno być poprzedzone analizą. W tym celu w budżecie niepewności, wyszczególnia się kolejno wszystkie, możliwe do przewidzenia czynniki mogące mieć niekorzystny wpływ na niepewność wzorcowania. Każdy z czynników winien być przeanalizowany, zdefiniowany i w miarę możliwości opisany ilościowo. Jeżeli nie jest to możliwe, dokonuje się oszacowania w oparciu o anaPOJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 tabeli 1 U(W) ? Eg U(W) = u(Pw) k Przy pomiarach technicznych, przyjmuje się najczęściej poziom ufności 0,95 oraz współczynnik rozszerzenia k odpowiedni dla przyjętego rozkładu prawdopodobieństwa wg tabeli 1. Kryterium praktyczne U(W) ≤ (0,1÷ 0.5)Eg logie z dotychczasowej praktyki, literaturę lub najlepszą wiedzę i doświadczenie kompetentnego personelu. Ostatnim czynnikiem wpływającym na niepewność wzorcowania jest niepewność wskazań zastosowanego wzorca u(N). Każdy wzorzec jest zdefiniowany w świadectwie wzorcowania, poprzez typ, numer identyfikacyjny oraz wartość niepewności rozszerzonej. Niepewność rozszerzona jest iloczynem niepewności wzorcowania wzorca i współczynnika rozszerzenia, który zależy od charakteru rozkładu prawdopodobieństwa niepewności wzorcowania wzorca. Dla potrzeb metrologii laboratoryjnej, na poziomie ufności równym 0,95, wartości współczynnika rozszerzenia k w 51 zależności od charakteru rozkładu przedstawia tabela 1. Przykład budżetu niepewności wzorcowania przedstawiono w tabeli.2. Ilość czynników w budżecie może być znaczna szczególnie przy wzorcowaniu złożonych układów pomiarowych, zawierających wiele członów przetwarzających, pracujących w trudnych warunkach otoczenia. Należy je wówczas wprowadzić do wzoru (2 ). W tabeli.2 wpisano przykładowo w poz.1-3 czynniki dotyczące obiektu wzorcowanego a w poz. 4 niepewność pochodzącą od wzorca w formie przystosowanej dla zastosowania w obliczeniach pokazanych w poz. 5. W poz. 6 wyznaczono niepewność rozszerzoną wzorcowania obiektu w formie stosowanej w świadectwach wzorcowania zgodnie z wymaganiami [3]. Poz. 7 budżetu zawiera kryterium błędu granicznego, pozwalające ocenić niepewność wskazań miernika na tle jego potencjalnych możliwości. Wg [5] niepewność wzorcowania winna być kilkakrotnie mniejsza od błędu granicznego określonego przez wytwórcę miernika. 4. Podsumowanie 1)Wynik pomiaru jako źródło prawdy obiektywnej winien być uzyskiwany z wiarygodnej aparatury. 2)Wiarygodność aparatury uzyskuje się poprzez jej wzorcowanie, czyli okresowe porównanie z uznawanymi wzorcami metrologii krajowej i międzynarodowej na zasadzie nieprzerwanego łańcucha porównań (pojęcie trasabilności). 3)Ponadto aparatura pomiarowa winna być chroniona przed destruktywnymi narażeniami i okresowo przeglądana oraz nadzorowana [10]. 52 4)Aparatura pomiarowa winna posiadać aktualne parametry pozwalające na bieżące określenie niepewności wykonanego pomiaru [11]. 5)Spełnienie wymienionych warunków wypełnia postulat spójności pomiarowej zawarty w wymaganiach punktu 5.6 normy [1]. Literatura: [1] Norma PN-EN ISO/IEC 17025:2005. Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących. [2] Prawo o miarach. Ustawa z dnia 11 maja 2001 z późniejszymi zmianami. [3] Polityka Polskiego Centrum Akredytacji dotycząca zapewnienia spójności pomiarowej. Wydanie 3. Warszawa, 20.06.2007. [4] Norma PN-EN ISO 10012:2004. Systemy zarządzania pomiarami. Wymagania dotyczące procesów pomiarowych i wyposażenia pomiarowego. [5] Wzorcowanie aparatury pomiarowej. Podstawy teoretyczne i trasabilność według norm ISO 9000 i zaleceń międzynarodowych. Janusz Piotrowski, Krystyna Kostyrko. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2000. [6] Jerzy Arendarski, Niepewność pomiarów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2003. [7] Międzynarodowy Słownik Podstawowych i Ogólnych Terminów Metrologii. Główny Urząd Miar, Warszawa, 1996. [8] Dokument EA-4/02, Wyrażanie niepewności pomiaru przy wzorcowaniu. Grudzień 1999. [9] Przewodnik, Wyrażanie niepewności pomiaru. Główny Urząd Miar, Warszawa, 1999. [10] Roch Tarczewski, System jakości stosowany w IPS „TABOR” i kompetencje techniczne gwarancją utrzymania wiarygodności współpracy z klientami. Pojazdy Szynowe nr 2/2007 [11] Roch Tarczewski, Certyfikacja pojazdów szynowych narzędziem spełniania wymagań bezpieczeństwa i interoperacyjności. Pojazdy Szynowe nr 4/2008. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 mgr inż. Tomasz Antkowiak Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Diagnostyka i prognozowanie stanu węzła łożyskowego układu biegowego pojazdu szynowego W artykule przedstawiono klasyfikację badań diagnostycznych oraz opisano podstawowe metody prognozowania stanu maszyn. Przedstawiono charakterystykę węzła maźnicznego układu biegowego z wyszczególnieniem elementów składowych. Zaprezentowano kryteria m.in. temperaturowe, fizyko-chemiczne oraz eksploatacyjne łożysk oraz maźnic pojazdów trakcyjnych. Artykuł został opracowany w ramach projektu badawczo-rozwojowego Nr 10 00 4806 pt. „Mikroprocesorowy system diagnostyczny głównych systemów trakcyjnego pojazdu szynowego uwzględniający ocenę bieżącą i prognozowanie stanów”, finansowanego z budżetu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. 1. WPROWADZENIE Układ biegowy pojazdu szynowego wywiera znaczny wpływ na bezpieczeństwo eksploatacyjne i własności dynamiczne pojazdu oraz współpracę pojazdu z torem dlatego tak ważne jest, aby wiele z jego głównych elementów i zespołów pracowało bezawaryjnie. Z powyższego wynika jak istotna jest bieżąca ocena stanu technicznego głównych zespołów układu biegowego do których można zaliczyć: zestawy kołowe łożyska osiowe i maźnice usprężynowanie I-go i II-go stopnia prowadzenie zestawów kołowych oparcie nadwozia pojazdu na wózkach układy przeniesienia sił hamujących i pociągowych układy powiązań międzywózkowych (np. sprzęg międzywózkowy). W trakcie eksploatacji elementy układu biegowego ulegają zużywaniu się tzn. niszczeniu normalnemu oraz uszkadzaniu, które możemy uznać za niszczenie normalne. Procesy zużycia prowadzą do konkretnych uszkodzeń, o różnych skutkach dla całego układu biegowego. Jeśli nie zostaną wykryte i zatrzymane w porę, prowadzą do uszkodzeń całkowitych tj. awarii całego układu lub też jego elementu. Zużywanie się elementów układu biegowego następuje z różną intensywnością. Wynika z tego, że łatwiej jest mówić o jego zużyciu w odniesieniu do konkretnego obiektu. Prawidłowe współdziałanie zestawów kołowych z torem, zwłaszcza w pojazdach przewidzianych do wysokich prędkości jazdy, zależy w dużym stopniu od rozwiązania węzłów łożyskowych. Istniejące konstrukcje tych węzłów umożliwiają uzyskiwanie coraz korzystniejszych własności dynamicznych wózków, zwiększenie bezpieczeństwa jazdy oraz poprawę warunków eksploatacji. Zadaniem węzłów łożyskowych jest: przenoszenie obciążeń pionowych z wózka na POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 zestawy kołowe, a podczas jazdy przenoszenie z kół przez łożyska na ramę wózka poziomych sił wzdłużnych pociągowych i hamowania oraz sił poprzecznych, powstających głównie wskutek nierówności poprzecznych toru oraz jazdy pojazdu w łukach toru. Elementy składowe węzła łożyskowego przedstawiono na rys. 1. 1 – korpus maźnicy; 2 – łożysko toczne wraz z uszczelnieniem; 3 – piasta pośrednia;4 – pokrywa przednia; 5 – pokrywa tylna; 6 – śruby mocujące Rys. 1. Elementy składowe węzła łożyskowego pojazdu szynowego [1] Z powyższego wynika, że węzeł łożyskowy jest jednym z newralgicznych miejsc w pojeździe, od stanu którego zależy prawidłowe funkcjonowanie pojazdu. Z tego też względu istotne jest zagwarantowanie ciągłej i bezawaryjnej pracy łożyska poprzez zapewnienie optymalnych warunków pracy oraz prowadzenie ciągłego monitoringu stanu technicznego łożyska. Należy pamiętać, że uszkodzenia węzłów łożyskowych może być następstwem innych awarii. Dlatego też istotne jest, aby ocenie stanu technicznego węzła łożyskowego towarzyszyło określenie przyczyny uszkodzenia łożyska. 53 2. DIAGNOSTYKA I PROGNOZOWANIE 2.1. Badania diagnostyczne Badania diagnostyczne pojazdów szynowych można klasyfikować biorąc pod uwagę różne kryteria. Do najważniejszych należy zaliczyć poziom automatyzacji i czas trwania pomiarów. Biorąc jako kryterium poziom automatyzacji można wyróżnić następujące kategorie [3]: badania manualne, podczas których rola człowieka polega na wykonywaniu czynności związanych z pomiarami, analizą oraz archiwizacją wyników, a także wizualizacją i formułowaniem oceny stanu technicznego badania na stanowiskach skomputeryzowanych, dzięki łatwej archiwizacji wyników, umożliwiają sporządzenie charakterystyk zmian parametrów diagnostycznych; jest to szczególnie istotne w przypadku badania szybkozmiennych parametrów diagnostycznych jak również wtedy, gdy ważny jest kształt charakterystyki ich zmian. SERWISOWE BADANIA DIAGNOSTYCZNE badania manualne długotrwałe krótkotrwałe badania skomputeryzowane długotrwałe krótkotrwałe Rys. 2. Klasyfikacja serwisowych badań diagnostycznych [1] Badania diagnostyczne charakteryzują się mnogością metod i środków. Podstawą oceny stanu technicznego pojazdu jest uzyskanie pomiarów wykonanych przy użyciu prostych urządzeń jak i tych bardziej skomplikowanych, ponieważ dopiero to daje nam obraz o badanym obiekcie i pozwala na opracowanie metody optymalizującej działanie danego układu. Zastosowanie w procesie eksploatacji metod ozpoznawania stanu pojazdów i maszyn roboczych wymaga optymalizacji: zbioru parametrów diagnostycznych testów i programów diagnostycznych metod genezowania i metod prognozowania. Rozwiązanie tych zadań zależy od wielu czynników związanych: ze stopniem złożoności maszyn z wykorzystaniem obserwacji wielosymptomowych z jakością procesu eksploatacji oraz procesu zużycia. Rozpoznawanie stanu pojazdów i maszyn roboczych to proces, który ułatwia określenie technicznego stanu maszyny w czasie bieżącym na podstawie wyników badań diagnostycznych. Umożliwia to kontrolę 54 a) zbioru parametrów diagnostycznych w zależności od czasu pracy maszyny, wartości kroku czasowego i liczebności optymalnego zbioru parametrów diagnostycznych; b) metody wyznaczania testów i programów diagnostycznych w zależności od wiarygodności diagnozy, ilości informacji, prawdopodobieństwa uszkodzenia zespołów maszyny i kosztu testu lub programu diagnostycznego; c) metody prognozowania w zależności od horyzontu prognozy, minimalnej liczby elementów szeregu czasowego niezbędnej do uruchomienia predykcji oraz czasu pracy maszyny. d) metody genezowania w zależności od horyzontu genezy, minimalnej liczby elementów szeregu czasowego niezbędnej do uruchomienia genezy oraz czasu pracy maszyny. Rozpoznanie stanu pojazdów, badanie dynamiki ich konstrukcji, wysokie wymagania odnośnie sprawności oraz przepisy prawne dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska decydują o ciągłym poszukiwaniu nowych metod diagnozowania oraz sposobów wyznaczania stanu diagnostycznego w procesie eksploatacji. 2.2 Prognozowanie stanu Integralnym elementem procesu diagnozowania stanu jest prognozowanie, czyli przewidywanie stanów maszyny, które zaistnieją w przyszłości. Każdorazowo więc, wyznaczony model: stan-symptom lub często stan-czas eksploatacji maszyny, powinien mieć nie tylko właściwości wyjaśniające naturę przekształcenia, lecz także właściwości predykcyjne umożliwiające przewidywanie zmian stanu maszyny. Ma to szczególne znaczenie dla maszyn krytycznych, których unieruchomienie może być przyczyną znacznych strat materialnych, a nawet zagrożenia zdrowia i życia ludzkiego. Rozpoznanie przewidywanych zmian stanu w określonym horyzoncie czasowym jest naogół nieodzowne dla uzyskania właściwej efektywności działania maszyn, pozwalających użytkownikowi podejmować racjonalne decyzje dotyczące terminu i zakresu niezbędnych prac obsługowych [5]. Metody prognozowania stanów badanego obiektu można podzielić na: metody intuicyjne metody matematyczne. Metody intuicyjne obejmują rozległy obszar rozciągający się od wypowiedzi poszczególnych fachowców i ekspertyz zbiorowych opracowanych wg zasady przegłosowania, aż do metody dyskusji panelowych i metody delfickiej. Ankietowanie grupy specjalistów bywa prowadzone w nadziei, że niektóre błędy zawarte w opiniach indywidualnych ulegną „przegłosowaniu” w opinii zbiorowej. Dyskusje panelowe zmuszają grupę ekspertów do bezpośrednich kontaktów wzajemnych, co POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 umożliwia konstruktywną wymianę poglądów i możliwość uściślenia podejmowanych decyzji [4]. W matematycznych metodach prognozowania stanów nadzorowanych maszyn, wszelkie subiektywne przesłanki dotyczące badania zmian stanów są formułowane w języku matematycznym, w oparciu o dostępne modele matematyczne [4]. Realizacja prognoz w systemach diagnostycznych uwarunkowana jest procesem identyfikacji trendu zmian wartości kontrolowanych symptomów. Przydatność różnych formalizacji prognostycznych dla systemów diagnostycznych pozwala pogrupować je w następujące grupy [4]: klasyczna ekstrapolacja wartości szeregów czasowych adaptacyjne modele trendu autonomiczna ekstrapolacja procesów stochastycznych modele obserwatora zmian monitorowanego stanu dynamicznego, opisanego stochastycznymi równaniami różniczkowymi statystyczne modele zmian symptomowych. W zastosowaniach praktycznych warto wesprzeć się na ocenie metod prognozowania przeprowadzonej w zależności od zachowania się trendu nadzorowanego symptomu wyróżniającej dwa przypadki: znany lub łatwy do wyznaczenia a posteriori z obserwacji modelu trendu symptomu nie znany i prawie niemożliwy do wyznaczenia model trendu. 3. WĘZEŁ ŁOŻYSKOWY – WYMAGANIA Prawidłowe współdziałanie elementów tworzących węzeł łożyskowy pojazdu szynowego zależy od poprawnego wykonania elementów składowych jak i ich odpowiedniego montażu. 3.1 Mażnica Norma EN 12082:2008 [10] określa zasady i metody dotyczące badań eksploatacyjnych zespołów maźnic z łożyskami tocznymi zgodnymi z EN 12080:2008 [8] oraz ze smarami zgodnymi z EN 12081:2008 [9]. Norma została opracowana, w celu ustalenia badań eksploatowanych maźnic stosowanych we wszystkich typach taboru kolejowego i zapewnienia ich przydatności w użytkowaniu, tj. dostosowania zespołu złożonego z korpusu, łożysk, uszczelnień i smaru do wymagań eksploatacyjnych. Badania prowadzone są w dwóch etapach: etap I - „badanie stanowiskowe”, które polega na umieszczeniu dwóch maźnic na stanowisku badawczym i poddaniu ich wielokrotnym cyklom obciążenia, wynikającym z warunków eksploatacyjnych pojazdów wyposażonych w te maźnice POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 etap II - „badania terenowe” polegające na monitorowaniu wystarczająco dużej próbki maźnic w czasie długodystansowej jazdy pojazdów w eksploatacji. Oba etapy należy wykonywać na kompletnych maźnicach. Rys. 3 Strefy czujników temperatury i próbek smaru [1] Kryteria dopuszczenia maźnicy do ruchu zawarte są również w karcie UIC 515-5 [6]. Podjęte badania maźnic zestawów kołowych wszystkich rodzajów pojazdów służą do ustalenia zdolności do działania, to znaczy będzie przebadane, czy [6]: cała część, składająca się z korpusu maźnicy, łożysk tocznych, uszczelnień i smaru odpowiada wymaganiom użytkowym łożyska toczne będą smarowane przepisowo i dla długiego czasu stosowane maźnice są wodoszczelne. Badanie to obejmuje trzy etapy: etap I – obejmuje badanie szczelności na stanowisku badawczym etap II – polega na badaniu na stanowisku badawczym działania łożysk w zakresie symulowanej długiej jazdy na trasie kolejowej etap III – obejmujący wypróbowanie ruchowe w pojazdach za pomocą wystarczającej liczby prób łożysk tocznych dotyczących sprawności biegowej; ze względów bezpieczeństwa etap ten przeprowadzany jest z tylko jeżeli wyniki obu innych etapów były zadowalające. Kryteria stawiane maźnicy obejmują również jej zabudowę na wózku i odnosi się to do widoczności maźnic dla stałych urządzeń do wykrywania przegrzanych maźnic. Karta UIC 510 [7] zawiera szereg przepisów dotyczących detekcji dla pojazdów jak również przepisów HOA dla urządzeń kolejowych. 55 Kryteria temperaturowe, mechaniczne i fizyko-chemiczne Kryteria temperaturowe charakterystyka maksymalna temperatura łożyska w strefie obciążenia, w czasie pierwszych 20 jazd elementarnych, przy temp. otoczenia 20°C Tabela 1 wymagania ≤ 100 o C maksymalna temperatura łożyska w strefie obciążenia w czasie każdej jazdy elementarnej z wyłączeniem pierwszych 20 jazd, przy temperaturze otoczenia 20°C ≤ 100 o C dla maksimum 1% jazd elementarnych dopuszcza się temperaturę maksymalną w granicach od 90°C do 100°C maksymalna temperatura w strefie odczytu HBD w czasie pierwszych 20 jazd elementarnych, przy temperaturze otoczenia 20°C ≤ 80 o C maksymalna temperatura w strefie odczytu HBD w czasie każdej jazdy elementarnej z wyłączeniem pierwszych 20 jazd, przy temperaturze otoczenia 20°C ≤ 70 o C dla maksimum 1% jazd elementarnych dopuszcza się temperaturę maksymalną w granicach od 70°C do 80°C V ≤ 200km / h ≤ 20 o C dla maksimum 1% jazd elementarnych dopuszcza się temperaturę maksymalną w granicach od 20°C do 25°C ≤ 15 o C dla maksimum 1% jazd elementarnych dopuszcza się temperaturę maksymalną w granicach od 15°C do 25°C ≤ 20 o C dla maksimum 1% jazd elementarnych dopuszcza się temperaturę maksymalną w granicach od 20°C do 25°C ≤ 15 o C dla maksimum 1% jazd elementarnych maksymalna różnica temperatury każdej maźnicy, dopuszcza się zarejestrowana w strefie obciążenia między dwiema kolejnymi temperaturę jazdami elementarnymi, z wyłączeniem pierwszych 20 jazd maksymalną w granicach od 15°C do 25°C Kryteria mechaniczne i fizyko-chemiczne ≤ 20 o C dla maksimum 1% jazd elementarnych dopuszcza się temperaturę maksymalną w granicach od 20°C do 25°C maksymalna różnica temperatury między dwiema maźnicami, zarejestrowana równocześnie w strefach odczytu HBD w czasie każdej jazdy elementarnej, gdy maksymalna temperatura bardziej gorącej maźnicy w strefie obciążenia jest ≥ 50 o C − − − − wałeczki i pierścienie łożyska nie powinny wykazywać żadnych uszkodzeń, takich jak odpryski, zabrudzenia smarem, przegrzanie koszyki nie powinny wykazywać żadnych uszkodzeń, takich jak złamania, pęknięcia, odkształcenia lub nietypowe ślady zużycia zawartość żelaza w smarze nie powinna przekraczać 0,5% w strefie 2 (strefa środkowa rys. 3) i powinna być niższa niż 1% w strefach 1 i 3 (strefy w kierunku przedniej i tylnej pokrywy rys. 3) w przypadku koszyków wykonanych ze stopu miedzi, zawartość miedzi w smarze nie powinna przekraczać 0,1% w strefie 2 i 0,2% w strefach 1 i 3 3.2 ŁOŻYSKA 3.2.1. Uwagi ogólne Łożyska toczne, będące jednym z elementów węzła maźnicznego, są bardzo precyzyjnymi elementami, których żywotność bezpośrednio wpływa na ich osiągi. Rzeczywista ocena żywotności łożysk uzależniona jest od wielu czynników. Przedwczesne uszkodzenia 56 V > 200km / h ≤ 15 C dla maksimum 1% jazd elementarnych dopuszcza się temperaturę maksymalną w granicach od 15°C do 25°C maksymalna różnica temperatury pomiędzy dwiema maźnicami, zarejestrowana równocześnie w strefach obciążenia w czasie każdej jazdy elementarnej, z wyłączeniem pierwszych 20 jazd, gdy maksymalna temperatura bardziej gorącej maźnicy w strefie obciążenia jest ≥ 50 o C o łożysk powodują kosztowne przestoje maszyn, czasem nawet z bardzo poważnymi konsekwencjami. Optymalizacja okresu żywotności łożyska ma swój początek we właściwym jego wyborze. Odpowiedni dobór łożyska uwzględniający stan pracy, obciążenia, sztywność, środowisko pracy powoduje zwiększenie jego żywotności. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 Łożyska pochodzące od renomowanych producentów są wytwarzane zgodnie z najnowszą technologią i podlegają rygorystycznym procedurom zapewnienia jakości. Niemniej jednak celem zapewnienia optymalnej żywotności łożysk, należy zwrócić szczególną uwagę na następujące kwestie: właściwe składowanie staranny montaż i demontaż odpowiednie smarowanie i przesmarowywanie odpowiednie monitorowanie warunków pracy wykonywanie we właściwym czasie czynności obsługowych oraz dobre szkolenie personelu [13]. 3.2.2. Zasady przechowywania łożysk Wszystkie łożyska powinny być składowane w ich oryginalnym opakowaniu do czasu montażu. Powinny być trzymane w czystym, nie wilgotnym otoczeniu przy w miarę stabilnej pokojowej temperaturze. Łożyska toczne powinny być składowane z dala od kurzu, wody i agresywnych chemikaliów. Wibracje i wstrząsy mogą trwale mechanicznie uszkodzić łożyska i z tego względu łożyska nie mogą być na nie narażone podczas transportu i składowania. W zasadzie wszystkie łożyska powinny być składowane na płasko. Szczególnie łożyska większe, a tym samym cięższe mogą się zdeformować pod własnym ciężarem, kiedy zostaną postawione pionowo i pozostawione tak przez dłuższy czas. Należy zwrócić uwagę na składowanie łożysk ze smarem. W ciągu długiego okresu składowanie smar z takich łożysk może zmienić swoją konsystencję. Z tego względu okres składowania łożysk powinien być kontrolowany przez system FIFO (First In First Out pierwsze przyszło pierwsze wyszło) [13]. Prawidłowe magazynowanie łożysk tocznych wiąże się z zapewnieniem odpowiedniej czystości. Jak już wcześniej wspomniano łożyska toczne są elementami wykonanymi z dużą dokładnością i precyzją. Powierzchnia styku łożyska z osią charakteryzuje się dużą gładkością (rzędu 10 −7 ÷ 10 −4 mm). Oznacza to, że warstwa styku jest miejscem newralgicznym, które jest wrażliwe na uszkodzenia. Grubość filmu olejowego pomiędzy powierzchnią styku łożyska z osią ma zwykle grubość od 0,2÷1µm. Zanieczyszczenia, których cząsteczki mają większy rozmiar od warstwy smarującej, mogą zostać wtłoczone przez elementy toczne, powodując miejscowe naprężenia w stali łożyskowej, i w końcu spowodować przedwczesne zmęczenie materiału. Zwykły kurz z otoczenia ma rozmiar ziarna o wielkości do 0,1 mikronów, co już może uszkodzić łożysko [13]. 3.2.3. Montaż i demontaż łożysk Montaż i demontaż łożysk powinien być przeprowadzany z wykorzystaniem odpowiednich narzędzi. Zły montaż może prowadzić do uszkodzenia łożyska POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 oraz w konsekwencji do wykolejenia pojazdu. Istnieją udokumentowane przypadki wypadków kolejowych, które były konsekwencją uszkodzenia łożyska poprzez jego nieodpowiedni montaż. Ze względu na fakt, iż montaż łożyska może następować w różnym otoczeniu, należy zwrócić szczególną uwagę, aby zapewnić optymalne warunki. Przede wszystkim montaż należy wykonywać zgodnie z obowiązującą dokumentacją producenta (dokumentacja konstrukcyjna, instrukcje montażu i demontażu łożysk itp.) W zależności od zastosowania, rozmiaru oraz przede wszystkim typu łożyska należy wybrać odpowiednią metodę montażu – mechaniczną, termiczną lub hydrauliczną oraz odpowiednie narzędzia. Siły użyte do montowania łożysk nie powinny nigdy być wywierana poprzez elementy toczne. Mogłoby to łatwo prowadzić do miejscowego nadmiernego obciążenia w obszarze styku elementów tocznych oraz bieżni, co z kolei powoduje przedwczesne uszkodzenia łożysk [13]. Powierzchnie łożysk nie powinny być nigdy uderzane bezpośrednio żadnymi utwardzonymi narzędziami. Może to powodować pęknięcie lub odłupanie pierścienia łożyska. Zawsze należy przestrzegać instrukcji dostawcy odpowiedniego wyposażenia montażowego. Podczas montażu/demontażu łożyska należy zachować odpowiednie procedury wskazane przez producenta. Ponadto przy demontażu łożyska należy zwrócić uwagę na elementy współpracujące (korpus, oś) celem znalezienia ewentualnego ich uszkodzenia. 3.2.4. Trwałość łożyska Na ogół łożyska toczne są szczególnie trwałe choć nie mają one nieograniczonej żywotności. Tak jak wszystkie inne ważne elementy w mechanizmie, powinny być one regularnie sprawdzane i poddawane czynnościom obsługowym. To, jak często należy przeprowadzać kontrole i wykonywać czynności obsługowe, zależy od ważności danego zastosowania oraz warunków roboczych poszczególnych urządzeń. Doświadczenia praktyczne wykazały, że pozornie identyczne łożyska toczne pracujące w identycznych warunkach, niekoniecznie uzyskają taką samą trwałość zmęczeniową. Znormalizowane metody obliczenia trwałości pomagają dokonać opartego na nauce wyboru wielkości łożyska do określonego zastosowania. Przemysł zwraca się w stronę znormalizowanych obliczeń żywotności z dobrego powodu: w rzeczywistości niepraktycznie jest z perspektywy czasu i kosztów przeprowadzanie badania wielu łożysk do określonej aplikacji, w specyficznych warunkach pracy, z wymaganym poziomem ufności [14]. Rozwój standardu obliczeń zmierzał w kierunku udoskonalenia metod wyznaczania trwałości tak, aby można było z większą dokładnością przewidzieć rzeczywistą żywotność w danej aplikacji, przy założeniu 57 określonych parametrów pracy: innymi słowy, dokładniejsze dopasowanie trwałości obliczeniowej do uzyskanej trwałości eksploatacyjnej. Ostatnie osiągnięcia naukowe w zakresie produkcji łożysk, trybologii, rozwoju materiałów, monitorowania stanu łożysk przez użytkowników końcowych oraz dostęp do technik i urządzeń obliczeniowych doprowadziły do uzyskania możliwości wykonywania bardziej złożonych i dokładniejszych obliczeń żywotności łożysk [14]. Zgodnie z [11] trwałość łożyska definiuje się następująco: trwałość – dla pojedynczego łożyska tocznego liczba obrotów wykonywanych przez jeden z pierścieni łożyska względem drugiego pierścienia do wystąpienia pierwszych widocznych objawów zmęczenia materiału jednego z pierścieni lub elementów tocznych trwałość nominalna (L10) – w odniesieniu do pojedynczego łożyska lub grupy łożysk pozornie identycznych, pracujących w takich samych warunkach, jest to trwałość odpowiadająca niezawodności 90%, przy obecnie powszechnie stosowanym materiale i jakości wytwarzania oraz normalnych warunkach pracy trwałość modyfikowana – trwałość uzyskana przez skorygowanie trwałości nominalnej dla żądanego poziomu niezawodności, specjalnych własności materiału i warunków pracy. Ponadto w pracy [8] można znaleźć dodatkowe określenia trwałości: trwałość średnia (L10) – w przybliżeniu pięciokrotnie większa od obliczeniowej trwałości nominalnej trwałość eksploatacyjna – rzeczywista trwałość osiągana przez łożysko w warunkach pracy do momentu jego uszkodzenia lub gdy konieczna jest wymiana łożyska z innych powodów trwałość dokumentacyjna – generalnie jest to trwałość nominalna L10, a u jej podstaw leży doświadczenia producenta z podobnymi aplikacjami. Dobór łożyska jest zwykle dokonywany w oparciu o trwałość łożyska i modele zmęczenia materiału współpracujących powierzchni tocznych służące do wyznaczenia żywotności. Dlatego wstępny dobór wielkości łożyska do danej aplikacji zazwyczaj rozpoczyna się od porównania nośności łożyska z przyłożonymi obciążeniami, które powodują zmęczenie materiału, wywołując naprężenia mające wpływ na trwałość eksploatacyjną i niezawodność łożyska. Niezależnie od siebie muszą zostać sprawdzone warunki obciążenia dynamicznego i statycznego. 58 Nominalna nośność dynamiczna jest przyjmowana do obliczeń trwałości łożysk obciążonych dynamicznie, to znaczy łożysk, które obracają się pod obciążeniem. Nośność zdefiniowana w ISO 281 określa obciążenie łożyska, przy którym łożysko uzyska trwałość nominalną (L10) równą jeden milion obrotów. Obciążenia dynamiczne powinny zostać sprawdzone na podstawie reprezentatywnego cyklu pracy lub spektrum obciążeń działających na łożysko, włącznie z wartościami szczytowymi (wysokimi), które mogą wystąpić [14]. Nominalna nośność statyczna jest wykorzystywana do obliczeń, jeżeli łożyska obracają się z prędkościami mniejszymi niż 10 obr/min, wykonują bardzo wolne ruchy oscylacyjne lub w pewnych okresach czasu pozostają nieruchome pod obciążeniem. Obciążenia statyczne to nie tylko siły przyłożone do łożyska znajdującego się w stanie spoczynku lub wykonującego powolny ruch obrotowy. Należy także uwzględnić statyczny współczynnik bezpieczeństwa wynikający z działania wysokich obciążeń udarowych (obciążeń występujących bardzo krótko). Nadmierne obciążenia statyczne mogą uszkodzić łożysko powodując odkształcenia plastyczne w miejscach styku elementów tocznych z bieżniami [14]. Obciążenia działające na łożysko można obliczyć zgodnie z zasadami mechaniki klasycznej, jeżeli znane są siły zewnętrzne lub można je wyznaczyć. Przykładowo, te obciążenia zewnętrzne mogą obejmować siły pochodzące od przenoszenia napędu, siły robocze lub siły bezwładności .Przy obliczaniu elementów składowych obciążenia pojedynczego łożyska, przyjmuje się, że wał jest belką na sztywnych podporach, wolnych od momentu utwierdzenia. W podstawowych obliczeniach katalogowych lub obliczeniach uproszczonych zazwyczaj nie uwzględnia się odkształceń sprężystych łożyska, oprawy lub korpusu maszyny, ani momentów powstających w łożyskach w wyniku ugięcia wału. Historycznie w celu uproszczenia standaryzowane metody obliczania nośności i obciążeń równoważnych są oparte na podobnych założeniach. Ponieważ trwałość pojedynczego łożyska może być przewidywana tylko statystycznie, szczególnie ważne jest uwzględnianie, że obliczenia trwałości odnoszą się do całej populacji łożysk i założonego poziomu niezawodności. Trwałość nominalna L10 dotyczy niezawodności 90% łożysk wykonanych z materiału wysokiej jakości, charakteryzujących się dobrą jakością wykonania i pracujących w normalnych warunkach [14]. Oczywiście w praktyce trwałość nominalna może znacznie różnić się od rzeczywistej trwałości eksploatacyjnej w danej aplikacji. Przykładowo, opublikowane wyniki pokazały, że faktyczna uzyskana w wyniku testów trwałość może różnić się względem trwałości nominalnej prawie pięciokrotnie. „Trwałość eksploatacyjna” wyraża faktyczną żywotność łożyska POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 w prawdziwych warunkach roboczych do momentu jego uszkodzenia. „Trwałość eksploatacyjna” bardziej uwydatnia, że uszkodzenia łożysk mogą być wynikiem „przyczyn pierwotnych” a nie zmęczenia materiału łożyska. Kiedy łożysko ulega uszkodzeniu, w większości spotykanych obecnie przypadków przyczyną są nieprawidłowo wysokie naprężenia w łożysku, będące rezultatem złych warunków pracy. Przykładami „przyczyn pierwotnych” powodujących uszkodzenia są zanieczyszczenia, zużycie, niewspółosiowość, korozja, uszkodzenia montażowe, smarowanie lub system uszczelniający [14]. Postępy w nauce i technice łożyskowej na przestrzeni lat spowodowały, że nastąpiło udoskonalenie konstrukcji i procesu produkcji łożysk, zapewniające wydłużenie trwałości łożysk i zmniejszenie ich wrażliwości na ciężkie warunki pracy. Rozwijane były metody obliczeniowe tak, aby dokładniej można było przewidzieć trwałość eksploatacyjną łożysk. Norma ISO 281:1990 określająca trwałość nominalną i sposób jej obliczania (ISO 281) została zmodyfikowana równolegle do tych zmian, gdyż producenci i użytkownicy łożysk powszechnie zaakceptowali i zastosowali nowsze technologie. Trwałość łożyska obliczana zgodnie z nowymi metodami znacznie zwiększa w chwili obecnej możliwość przewidywania przez użytkownika rzeczywistej trwałości eksploatacyjnej łożyska przy znanych warunkach pracy. To prowadzi do wielu korzyści [14]: możliwość zastosowania łożyska o mniejszych wymiarach gabarytowych przy pracy w dobrych warunkach, dzięki czemu zmniejsza się tarcie, zużycie energii i wagę dobór sposobu smarowania i stopnia filtracji pozwala maksymalnie wydłużyć trwałość łożyska i systemu w kontrolowanych warunkach pracy można wydłużyć czas gwarancji lub międzyobsługowe okresy pracy możliwość lepszej oceny wpływu parametrów pracy na poszczególne rodzaje i konstrukcje łożysk. W związku z tym, że obliczenia trwałości łożysk zawierają pewne ryzyko należy zwróć uwagę na następujące zagrożenia: wyniki obliczeń są uzależnione od warunków pracy: obciążenia, temperatury, warunków smarowania i zanieczyszczenia; jeżeli zostaną przyjęte nieprawidłowe założenia do doboru łożyska, może to prowadzić do przedwczesnych problemów z łożyskiem metodologia i obliczenia zakładają, że łożyska mają nowoczesną konstrukcję, do ich wyrobu są stosowane najnowsze procesy produkcyjne i materiały zgodne z wymaganiami techniczPOJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 nymi dla stali łożyskowej przyjmuje się, że łożyska są montowane i obsługiwane prawidłowo. Informacje i wsparcie z doświadczonych źródeł posiadających odpowiednią wiedzę techniczną i znajomość zagadnień łożyskowych może pomóc użytkownikom w uzyskiwaniu założonej trwałości ich łożysk. 3.2.5. Uszkodzenia podczas eksploatacji Najczęściej nie można bezpośrednio obserwować łożysk tocznych podczas eksploatacji. Jednak w większości wypadków na podstawie odgłosów wydawanych przez łożysko, drgań, temperatur i smarowania można ocenić, czy mogą wystąpić zakłócenia i jakiego rodzaju. Typowe cechy uszkodzeń i ich przyczyny są podane w tabeli 2 [12]. Powyższe przyczyny powodują konkretne uszkodzenia pozostawiając specyficzny ślad w uszkodzonym łożysku. Badając i prowadząc szczegółowe oględziny uszkodzonego łożyska można wyciągnąć wnioski, co do przyczyny uszkodzenia i podjęć właściwe działania zapobiegawcze. O uszkodzeniu łożyska świadczą nie tylko pozostawione na nim ślady. Istnieje szereg symptomów, które świadczą o możliwości poważnego uszkodzenia łożysk. Do grupy tej należy zaliczyć [2]: 1. Przegrzanie łożyska Przyczynami podwyższonej temperatury pracy łożyska mogą być: nieodpowiedni rodzaj smaru plastycznego lub oleju w danych warunkach roboczych zbyt niski poziom oleju zbyt mało smaru w oprawie zbyt wysoki poziom oleju mały luz łożyska wskutek nagrzewania się łożyska poprzez wał odkształcenie oprawy, nierówna powierzchnia podparcia ocierania uszczelnienia lub odrzutników oleju o elementy nieruchome zatkane kanały powrotne oleju zbyt mały luz łożyska wskutek nadmiernego wydłużania się wału, zbyt silnie dokręcona nakrętka tulei niewyważenie elementów wirujących zbyt duży otwór w oprawie niewspółosiowe ustawienie wałów. 2. Hałas łożyska Zmiana charakteru i poziomu hałasu węzła łożyskowego może wynikać z następujących zdarzeń: niewystarczające smarowanie wynikające np. z nieodpowiedniego dobrania smaru lub oleju w danych warunkach roboczych łożyska zbyt niski poziom oleju 59 Uszkodzenie łożysk i środki zapobiegawcze [12] Uszkodzenia Złuszczenia powierzchnia bieżni wykazuje ślady zużycia. W dalszej eksploatacji występu-ją wyraźnie widoczne wykruszenia Blokowanie temperatura łożyska stale wzrasta, łożysko zmienia barwę względnie łożysko się blokuje Rysy i karby miejscowe wykruszenia, widoczne małe rysy i karby Koliste ślady wytarcia rysy lub nieregularne koliste ślady wytarcia pozostawione przez elementy toczne na powierzchni bieżni Uszkodzenia koszyka wyłamane nitowania koszyka, uszkodzenia koszyka. Łączenia się koszyka rozłączają się lub łamią Smarowanie, zacieranie się powierzchnie bieżni są nierówne i wykazują ślady wytarcia pozostawione przez elementy toczne na powierzchni bieżni Tabela nr 2 Przyczyny Kroki zapobiegawcze • za duże obciążenie lub złe obchodzenie się z łożyskiem • nieprawidłowy montaż • niewystarczająca dokładność osadzeń wału i oprawy • za mały luz • cząstki obce • korozja spadek twardości z powodu zbyt wysokich temperatur roboczych • sprawdzić obciążenie łożyska • wybrać inny rodzaj łożyska • sprawdzić luz łożyska • sprawdzić dokładność wykonania wału i oprawy dobór części • sprawdzić współpracujących z łożyskiem • sprawdzić metodę montażu • sprawdzić smar i sposób smarowania • za mały luz łożyskowy ew. wskutek błędów kształtu czopów • niewystarczające smarowanie lub niewłaściwie dobrany smar • za wysokie obciążenie (zbyt duży nacisk) • skośne obciążenie elementów tocznych • sprawdzić luz łożyskowy • sprawdzić środki smarowne metodę smarowania • sprawdzić warunki eksploatacji • skorygować niewspółosiowość • sprawdzić otoczenie łożyska pasowania sprawdzić metodę montażu i i • zbyt duże obciążenie udarowe • sprawdzić warunki eksploatacji • za ciasne pasowanie • sprawdzić pasowania materiału wału względnie oprawy • duże łuszczenia na bieżniach • sprawdzić sposób montażu i • rysy ślizgowe niedopasowanie zaokrągleń łożyska staranniej obchodzić się z łożyskiem o gniazda, wału niewłaściwe • sprawdzić smarowanie obchodzenie się z łożyskiem sprawdzić metodę montaż • wał lub obudowa są niewystarczającej dokładności • niewłaściwy montaż – niewystarczająca sztywność wału lub obudowy wał wiruje z powodu zbyt dużego luzu wewnętrznego w łożysku • sprawdzić luz wewnętrzny w łożysku • sprawdzić dokładności wału i obudowy • sprawdzić sztywność mocowania wału i odbudowy • za duże obciążenie momentem • sprawdzić warunki eksploatacji • za duża prędkość obrotowa lub • sprawdzić sposób smarowania przyspieszenie • dobór koszyka • niewystarczające smarowanie staranniej obchodzić się z łożyskiem ocenić sztywność oprawy wału • ingerencje siły wewnętrznej • za duże wibracje • nieprawidłowy montaż • za wysoka temperatura robocza łożyska • niewystarczające smarowanie • drobnoziarniste cząstki obce • ukośnie położone wałeczki wskutek błędów współliniowości • ruch ślizgowy elementów tocznych duża chropowatość • zbyt powierzchni zbyt duże obciążenie osiowe • sprawdzić środek smarowy i system smarowania • sprawdzić warunki robocze • sprawdzić napięcie wstępne łożyska • poprawić uszczelnienia • staranniej obchodzić się z łożyskiem Rdza i korozja 60 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 powierzchni posiada miejscowo lub ogólnie ślady korozji. Ślady rdzy/korozji przy linii podziałowej elementów tocznych Ślady zatarcia wskutek korozji stykowej powstaje drobny rdzawy proszek na matowych powierzchniach lub wgniecenia Brinella na bieżni od elementów tocznych Zużycie zużycie powierzchni, zmieniona dokładność kształtu, ślady zadrapań i szorstkie powierzchnie Korozja elektrolityczna kratery na bieżniach, powstawanie rowków na bieżniach Wgniecenia i zadrapania zdarcia podczas montażu, zadrapania spowodowane przez twarde cząstki obce, wgniecenia spowodowane czynnikami mechanicznymi Pełzanie (ang. Creeping) powierzchnie otworu i powierzchnia gniazda są gładkie jak lustro lub odbarwione, mogą być widoczne wżery Zmatowienie powierzchni powierzchnia bieżni jest matowa, szorstka i/lub równomiernie wgłębiona. Powierzchnia pokryta drobnymi wgnieceniami Łuszczenie komasowanie drobnych złuszczeń (rozmiar ok. 10µm). Liczne cienkie linie widoczne przed złuszczeniem (uszkodzenie często spotykane w łożyskach wałeczkowych) POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 • nieodpowiednie warunki przechowywania • niewłaściwe opakowanie • niewłaściwa konserwacja łożyska • kontakt z wodą, kwasem • dotykanie gołymi rękoma • poprawić warunki składowania łożysk • poprawić uszczelnienie • sprawdzić środki smarne • staranne obchodzenie się z łożyskiem, unikać kontaktu z nieosłoniętymi rękoma • poprawić konserwację łożyska unikać wtargnięcia wody, wpływów chemicznych, potu • niewystarczający wcisk przy wtłaczaniu • oscylujące mikroruchy • niewystarczające smarowanie • obciążenia pulsujące • wibracje lub drgania w trakcie transportu • sprawdzić pasowanie i smarowanie łożyska • pierścieniewewnętrzne i zewnętrzne transportować osobno • jeśli pierścienie nie mogą być transportowane osobno, ustawić napięcie wstępne sprawdzić środek smarowy względnie zmienić rodzaj łożyska • cząstki obce w środku smarnym • niewystarczające smarowanie • przekoszenie wałeczków • sprawdzić środek smarny i metodę smarowania • poprawić uszczelnienia • skorygować błędy współliniowości • prąd płynie przez łożysko • wykonać mostek prądowy • zaizolować łożysko • cząstki obce w łożysku • niestaranne smarowanie pierścienia wewnętrznego i zewnętrznego • nieprawidłowy montaż niewspółliniowe zamontowanie części upuszczenie łożyska lub inne nieostrożne obchodzenie się z łożyskiem • staranny montaż • poprawić czystość na stanowisku pracy • sprawdzić czystość na stanowisku pracy • sprawdzić czystość wszystkich części maszyn • za mały wcisk przy pasowaniu • tuleja wciągana niewystarczająco naciągnięta • anormalne wydłużenia termiczne • za wysokie obciążenia • sprawdzić pasowanie • sprawdzić warunki eksploatacji • sprawdzić warunki osadzeń • niewystarczające smarowanie • przeniknięcie do łożyska obcego zanieczyszczenia • sprawdzić środek smarny i metodę smarowania • poprawić uszczelnienia • sprawdzić czystość środka smarnego (filtr może być nadmiernie zanieczyszczony) • niewystarczające smarowanie • przeniknięcie do łożyska obcego zanieczyszczenia • sprawdzić środek smarny i metodę smarowania • poprawić uszczelnienia (aby zapobiec wnikaniu zanieczyszczeń) 61 zbyt mało smaru w oprawie zbyt mały luz łożyska wynikający z nagrzewania łożyska poprzez wał, zbyt duża rozszerzalność cieplna pierścienia wewnętrznego pojawienie się zanieczyszczeń w oprawie łożyska wniknięcie do oprawy łożyska środków przyspieszających korozję odkształcenie oprawy łożyska, nierówna powierzchnia podparcia, zbyt mały otwór w oprawie ocierania uszczelnień lub odrzutników oleju o elementy nieruchome mały luz łożyska wynikający z nadmiernego wydłużenia się wału mała średnica wału, tuleja wciągana nie jest wystarczająco dokręcona zbyt silnie dokręcona nakrętka tulei wciąganej niewyważenie części wirujących zbyt duży otwór w oprawie łożyska spłaszczenie elementów tocznych na skutek poślizgu skrzywienie wału odkształcenie uszczelnień łożysk drgania spowodowane zbyt dużym luzem roboczym łożyska odkształcenie wału lub innych części łożyskowania wskutek ich przegrzania obracanie się pierścienia zewnętrznego w powiększonym otworze oprawy drgania łożysk podczas postoju. 3. Drgania Poziom drgań uszkodzonych łożysk rosnący wraz z ich zużyciem może się radykalnie obniżyć tuż przed awarią. We wczesnych stanach degradacji łożyska drgania charakteryzują się dużymi częstotliwościami. W późniejszych stanach rośnie składowa obrotowa drgań oraz wiele jej wielokrotności. Podwyższony poziom drgań węzłów łożyskowych może wynikać z: zabrudzenia łożyska odkształcenia oprawy łożyska wniknięcia do oprawy łożyska środków przyspieszających korozję zbyt małej średnicy wału niewyważenia elementów wirujących zbyt dużego otworu w oprawie łożyska spłaszczenia elementów tocznych na skutek poślizgu nierównomiernego obciążenia łożyska na skutek błędu kształtu wału i gniazda oprawy skrzywienia wału odkształcenia wału pierścienia wewnętrznego odkształcenia oprawy i pierścienia zewnętrznego 62 niewspółosiowości wałów maszyn zbyt dużego luzu roboczego obracania się pierścienia zewnętrznego w powiększonym otworze oprawy łożyskowej. Z powyższego wynika, jak ważny jest odpowiedni dobór łożyska jak i elementów z nim współpracujących. Dobór właściwego łożyska jest zagadnieniem prostym. Procedura rozpoczynająca się od ustalenia rodzaju obciążenia oraz jego charakteru oddziaływania w kolejnych krokach wymaga szczegółowego przewidzenia lub ustalenia istniejących warunków pracy. W przeciwnym wypadku wybór może okazać się niewłaściwy. 4. ZAKOŃCZENIE Obecnie projektowane pojazdy szynowe mają stawiane wysokie wymagania odnośnie sprawności i niezawodności. Wiele z nich posiada wbudowane systemy diagnostyczne monitorujące newralgiczne miejsca w pojeździe. Systemy te pozwalają usunąć potencjalna usterkę poprzez odpowiednio wczesne jej wykrycie oraz przesłanie informacji do użytkownika. Postęp techniczny oraz stosowanie coraz bardziej zaawansowanych technologii w konstrukcji pojazdów szynowych decyduje o poszukiwaniu nowoczesnych metod diagnostycznych oraz sposobów oceny stanu technicznego pojazdu. Diagnostyka pojazdu nie tylko daje nam informacje o obecnym stanie pojazdu, ale również ma wpływ na optymalizację konstrukcji pojazdu. Miejsca newralgiczne w pojeździe wskazane w procesie diagnozowania mogą być skorygowane podczas modernizacji pojazdu oraz mają wpływ na konstrukcję nowych pojazdów. W procesie oceny stanu technicznego pojazdu istotną rolę odgrywa również prognozowanie, czyli przewidywanie stanów maszyny, które zaistnieją w przyszłości. Rozpoznanie przewidywanych zmian stanu pojazdu w czasie, pozwala uzyskać informacje o właściwej efektywności działania pojazdu, mającej wpływ na podejmowanie decyzji dotyczącej terminu i zakresu niezbędnych prac obsługowych. W układach biegowych pojazdów szynowych jednym z newralgicznych miejsc mających wpływ na sprawność pojazdu jest węzeł maźniczy. Ze względu na swoją konstrukcję oraz umiejscowienie maźnica spełnia rolę „nośnika” informacji mających wpływ na stan pojazdu. Łożyska toczne, będące jednym z elementów węzła maźnicznego, są bardzo precyzyjnymi elementami, których żywotność bezpośrednio wpływa na ich osiągi. Uszkodzenia łożysk przyczyniają się do kosztownych przestojów pojazdu, często z poważnymi konsekwencjami dla właściciela lub użytkownika pojazdu. Z powyższego wynika jak ważny jest odpowiedni dobór łożyska uwzględniający stan pracy, obciążenia itp. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 5. LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6] Antkowiak T.:Węzeł łożyskowy. Diagnostyka i prognozowanie. 10.2010. OR 9842 (dokument przechowywany w archiwum IPS „Tabor” Poznań) J. Dwojak, M. Rzepiela„Diagnostyka i obsługa techniczna łożysk tocznych”, Warszawa 2003 Kowalski Sł., Sowa A., Klasyfikacja metod diagnostyki technicznej stosowanych w zakładzie napraw taboru kolejowego, Problemy eksploatacji nr.2, 2007 H.Tylicki „Algorytm rozpoznawania stanu maszyn” MOTROL, 2007 B. Żółtowski „Podstawy diagnostyki maszyn”, WUAT-R. 1996 karta UIC 515-5„Badanie maźnic zestawów kołowych” POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012 [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] karta UIC 510„Widoczność maźnic zestawów kołowych dla stałych urządzeń do wykrywania przegrzanych maźnic (HOA)” EN 12080:2008„Kolejnictwo – Maźnice – Łożyska toczne“ EN 12081:2008„Kolejnictwo – Maźnice – Smary” EN 12082:1998„Kolejnictwo. Maźnice. Badania eksploatacyjne” ISO 281:1990„Łożyska toczne. Nośność dynamiczna i trwałość”. www.albeco.com.pl www.utrzymanieruchu.pl www.utrzymanieruchu24.pl 63