Pobierz ten numer w pdf

Transkrypt

prof. dr hab. inż. Jerzy Kwaśnikowski
prof. dr hab. inż. Leszek Małdziński
dr inż. Jacek Borowski
mgr inż. Bartosz Firlik
mgr inż. Grzegorz Gramza
Politechnika Poznańska
Analiza przyczyn przyspieszonego zużycia powierzchni tocznych kół
autobusu szynowego SA 108 ( 215M )
Wstępna analiza przyczyn niepokojąco szybkiego zużycia (z wyłuszczeniami) powierzchni
tocznych kół monoblokowych zestawów kołowych lekkiego pojazdu szynowego serii SA 108
z hamulcami tarczowymi. Wykonano badania metalograficzne i wytrzymałościowe
najbardziej zużytego wieńca, oraz dokonano analizy sposobu eksploatacji pojazdu.
Przypuszczalnymi przyczynami były: za mała zawartość węgla w stali, brak ulepszenia
cieplnego wieńców kół oraz zbyt intensywne hamowania eksploatacyjne.
1. Wstęp
W autobusach szynowych serii SA 108 eksploatowanych na terenie Województwa Wielkopolskiego
przez lokalny Zakład Przewozów Regionalnych PKP
wystąpiło zjawisko zbyt intensywnego, przedwczesnego zużycia powierzchni tocznych kół monoblokowych, zarówno napędnych jak i tocznych. Zużycie
wystąpiło nie tylko w postaci normalnego, równomiernego starcia powierzchni tocznej, ale też w postaci głębokich lokalnych ubytków (wżerów), wymuszających wcześniejsze niż deklarowane przez producenta wycofanie z eksploatacji zestawów kołowych
celem przetoczenia kół.
Zjawisko to zaniepokoiło poważnie zarówno
właściciela pojazdów (władze samorządowe), użytkownika, jak i producenta. Badania wstępne możliwych przyczyn tego zjawiska wykonano w Politechnice Poznańskiej [1], na wycofanych z eksploatacji
najmocniej zużytych kołach autobusu szynowego SA
108-004. Dotychczas ZNTK Poznań S.A. wykonały
partię 10 sztuk autobusów SA 108.
Przeprowadzono studium literaturowe problemu i stwierdzono, że rodzaje zużycia podobne do
powstałych na kołach badanego autobusu nie są na
świecie rzadkością; powstawały i są opisywane w
fachowej literaturze angielskiej, amerykańskiej, japońskiej, jak również w polskiej i wielu innych. Dokonano więc opisu najczęściej występujących uszkodzeń powierzchni tocznych kół.
Dokumentację konstrukcyjną wózka i układu
biegowego opracował dr inż. Ryszard Suwalski, natomiast obliczenia konstrukcyjne nadwozia wykonane
zostały przez firmę Energocontrol sp. z o.o. w Krakowie. Badany autobus, oznaczony przez Wielkopolski Zakład Przewozów Regionalnych PKP numerem
SA 108-004, jest autobusem typu 215M (oznaczenie
konstrukcyjne ZNTK Poznań S.A.).
POJAZDY SZYNOWE NR 2/2007
2. Opis obiektu badań
Przedmiotem ekspertyzy był autobus szynowy
SA 108-004, wyprodukowany przez ZNTK Poznań
S.A. dla Urzędu Marszałkowskiego Województwa
Wielkopolskiego. Pojazd został wyprodukowany w
roku 2003 i przekazany w użytkowanie do Wielkopolskiego Zakładu Przewozów Regionalnych PKP.
Rys. 1. Autobus szynowy serii SA 108 [10]
Autobus serii SA 108 jest pojazdem dwuczłonowym (rys. 1), człony połączone są ze sobą przegubowo, każdy człon oparty jest na dwóch wózkach
jednoosiowych – napędnym i tocznym. Wózki napędne znajdują się na krańcach składu, a wózki toczne w środku. Wszystkie zestawy kołowe wyposażone
są w hamulec tarczowy i nie mają hamulców klockowych. Zestawy kołowe są wyposażone w koła monoblokowe i miały być zgodnie z dokumentacją wykonane ze stali R7T przez hutę BONATRANS a.s. w
Bohuminie (Czechy). Całkowita masa pojazdu wynosi 54 t, a jego prędkość maksymalna 110 km/h. Autobus podjął eksploatację dnia 09.01.2004 r., w początkowym okresie obsługując trasę Poznań – Wągrowiec
1
– Gołańcz – Poznań, a od stycznia 2006 trasę Krzyż –
Chojnice.
3. Przebiegi między kolejnymi przetoczeniami i
opis zużycia powierzchni tocznych kół
Do pierwszego przetoczenia kół pojazd został
wycofany w dniu 27.05.2004, z przebiegiem 41 878
km, z powodu płaskich miejsc na powierzchni tocznej. Podczas reprofilacji na kołach zebrano warstwy
materiału o grubości 13÷17 mm. Drugie przetoczenie
odbyło się po przebiegu 99 500 km od pierwszego
przetoczenia, z powodu płaskich miejsc i wykruszeń
na powierzchni tocznej, określonych jako „rakowiny”. Stoczono wówczas 23÷30 mm warstwy materiału i przekazano pojazd do dalszej eksploatacji. Kolejne przetoczenie miało miejsce po przebiegu 85 947
km (od ostatniego przetoczenia), również z powodu
płaskich miejsc i rakowin – zebrana warstwa materiału zawierała się między 22÷25 mm. Dnia 21.01.2006
autobus został ponownie przekazany do serwisu producenta z powodu wżerów i płaskich miejsc na kołach członów A i B, jednak z uwagi na starcie kół
poniżej dopuszczalnej minimalnej średnicy, kolejna
reprofilacja kół nie była możliwa.
Po demontażu zużytych kół, na pojeździe zostały zamontowane zestawy kołowe z nowymi kołami
monoblokowymi produkcji Lucchini Sidermeccanica
S.p.A.
Zdemontowane z pojazdu zużyte koła poddano
szczegółowej analizie w celu wyjaśnienia przyczyn
tak szybkiego zużycia powierzchni tocznej (producent autobusu gwarantował przebiegi rzędu 150 000
km między kolejnymi przetoczeniami). Na wszystkich zestawach kołowych autobusu zaobserwowano
silne zużycie z widocznymi złuszczeniami oraz wykruszeniami materiału.
zużycie na powierzchni tocznej. Widoczne były pojedyncze wykruszenia (rys. 2) i złuszczenia struktury,
płaskie miejsca, jak również nieliczne wybłyszczenia
(jasne obszary mające postać plam – rys. 3).
Rys. 3. Wybłyszczenia na powierzchni tocznej zestawu
kołowego nr 1
Zestaw kołowy nr 3 wykazywał największe
uszkodzenia powierzchni tocznej, dlatego poddany
został bardziej szczegółowej analizie. Na całym
obwodzie występowały silne wykruszenia i liczne
pęknięcia powierzchniowe, jak również niewielkie
wybłyszczenia. Poprzeczne pęknięcia znajdują się w
pobliżu lub na krawędziach wykruszeń (rys. 4).
Rys. 4. Uszkodzenia na powierzchni tocznej zestawu kołowego nr 3
Rys. 2. Pojedyncze wykruszenia na powierzchni tocznej
zestawu kołowego nr 2
Zestawy kołowe napędne nr 1 i 4 oraz zestaw
kołowy toczny nr 2 miały optycznie porównywalne
2
Pęknięcia przebiegały nieregularnie i były
ograniczone do obszaru powierzchni tocznej (rys. 5).
Głębokość wykruszeń była zróżnicowana i wynosiła
od kilku dziesiętnych milimetra do kilku milimetrów.
Nie zaobserwowano zużycia zmęczeniowego obrzeża
zestawu kołowego.
Zestaw kołowy nr 3 wykazuje też silne,
niesymetryczne zużycie ścierne powierzchni tocznych
obu kół - powierzchnia toczna koła prawego (rys. 6)
jest dużo bardziej zużyta niż powierzchnia toczna koła
lewego (rys. 7).
Rys. 5. Nieregularne pęknięcia i głębokie wykruszenia na
powierzchni tocznej zestawu kołowego nr 3
Rys. 6. Zużycie powierzchni tocznej koła prawego zestawu
kołowego nr 3
Na rysunku widać też płynięcie materiału na
skutek rozwalcowywania powierzchni tocznej podczas jazdy.
Rys. 7. Zużycie powierzchni tocznej koła lewego zestawu
kołowego nr 3
Ze względu na nadmierne zużycie, zestaw kołowy nr 3 został zakwalifikowany do dalszych badań.
4. Opis rodzajów zużycia na podstawie studium
literaturowego
4.1. Oddziaływania na styku koła i szyny
Styk koła i szyny odbywa się na pewnej powierzchni o kształcie owalnym. Wielkość tej powierzchni zależy od sprężystości materiału koła i
szyny, oraz od promienia koła i nacisku koła na szynę
(obciążenia koła). Jeżeli na koło nie działa żaden
moment obrotowy, to koło toczy się po szynie bez
poślizgu – a więc między kołem i szyną zachodzi
tarcie toczne .
Jeżeli na koło działa jakikolwiek moment obrotowy (napędowy lub hamujący), to na części powierzchni styku (określanej jako powierzchnia przylegania) koła i szyny pojawia się poślizg, podczas gdy
jej pozostała część zachowuje przyczepność. Miarą
takiego poślizgu jest tzw. poślizg względny λ, definiowany jako iloraz różnicy prędkości punktu na obwodzie koła i prędkości środka koła (prędkości jazdy
całego pojazdu) do prędkości jazdy. Jeżeli na części
powierzchni styku istnieje strefa przyczepności, zjawisko to nazywamy mikropoślizgiem – w tym przypadku poślizg względny ma wartość na ogół poniżej
10%. Jeżeli strefa przyczepności znika całkowicie,
wówczas koło wpada w poślizg pełny – poślizg
względny rośnie do wartości równej 100%, jeśli koło
zostanie zablokowane (np. podczas hamowania).
4.2. Pojęcie zużycia kół
Zużycie kół rozpatrywać można jako proporcjonalne do energii dysypowanej przy pokonywaniu
oporów toczenia kół po szynach. Jest ono określane
przez poślizg względny λ i naciski p w strefie przylegania, których przebiegi pλ=const przedstawione są
na rys. 8. Widoczne są obszary z różnymi rodzajami
normalnego i nieprawidłowego przebiegu zużycia
konwencjonalnych szyn i kół ze stali węglowych o
początkowej twardości do 300 HB.
Rys. 8. Rodzaje zużycia kół i szyn stalowych: 1 – obszar
normalnego przebiegu zużycia, 2 – granica nienormalnego
przebiegu zużycia [8]
3
Krzywa p λ = 40 jest granicą pomiędzy normalnym i intensywnym rodzajem zużycia, podczas
gdy p λ = 120 jest granicą pomiędzy intensywnym a
krytycznym rodzajem zużycia [8].
4.3. Zdarzenia i czynniki wpływające na zużycie
Na wielkość zużycia wpływają wartości nacisków i względnego poślizgu w obszarze styku, które
zależą od następujących parametrów i zjawisk:
- obciążenia kół (wielkość zużycia koła i
szyny rośnie wraz ze wzrostem obciążenia)
- prześwitu toru (mniejszy prześwit toru
powoduje większe zużycie obrzeża)
- twardości materiału (wzrost twardości
koła jest uważany za jeden z ważniejszych czynników zwiększających odporność na zużycie)
- struktury materiału (odporność na zużycie stali perlitycznych rośnie wraz
z zawartością węgla, co może być wyjaśnione przez wyższą twardość powierzchni tocznych, oraz rozdrobienie
mikrostruktury warstwy wierzchniej w
procesie utwardzania przez zgniot)
- obróbki cieplnej (normalizowanie,
ulepszanie cieplne).
Ponadto współpracujące powierzchnie koła i
szyny mogą zostać utwardzone przez wielokrotne
kontakty (stykanie się) podczas eksploatacji. Proces
ten określa się jako utwardzanie przez zgniot. Grubość warstwy utwardzonej wynosi tylko kilka dziesiątych milimetra i nie przekracza 0,5 mm podczas
obrotu kół, dlatego kontrolowanie tego procesu jest
utrudnione.
4.4. Najczęstsze typy uszkodzeń powierzchni tocznej koła
Do najważniejszych rodzajów zużycia i uszkodzenia zestawów kołowych można zaliczyć:
- wykruszenia zmęczeniowe na powierzchni tocznej („shelling”)
- pęknięcia zmęczeniowe na powierzchni
tocznej („spalling”)
- płaskie miejsca („wheel flat”).
4.4.1. Zmęczeniowe wykruszenia na powierzchni
tocznej („shelling”)
Zużycie koła typu „shelling” charakteryzuje się
utratą niewielkiego skrawka powierzchni tocznej koła
wskutek działania naprężeń kontaktowych RCF
(Rolling Contact Fatigue) – co pokazano na rys. 9.
Uszkodzenia typu „shelling” tworzą się
najczęściej w następstwie płaskich miejsc lub pęknięć
termicznych. Na powierzchni zahartowanego
martenzytu pęknięcia termiczne łączą się ze sobą – co
4
może powodować lokalne ubytki materiału o głębokości ok. 1 mm. Pęknięcia tego typu łatwo propagują
do wnętrza (w głąb) koła. Zmęczenie powierzchni
tocznej w tych miejscach zwiększa się, prowadząc do
cienkiego i płytkiego łuszczenia materiału, które tworzy się na obwodzie koła, osiągając szerokość do 10
mm. Koła o takim zużyciu mogą powodować dynamiczne przeciążenie toru, co z kolei prowadzić może
do pęknięcia szyn.
Rys. 9. Początki zjawiska typu „shelling” na powierzchni
tocznej koła [8]
Główną przyczyną uszkodzeń typu „shelling”
są zwiększone naprężenia kontaktowe spowodowane
niewłaściwą geometrią obrzeża jak również zwiększona przyczepność związana z niewłaściwym prowadzeniem zestawu kołowego.
Zwiększone naprężenia kontaktowe mogą być
również spowodowane niekonforemnymi profilami
koła i szyny, przeciążeniem dynamicznym wynikającym z nierównomiernie rozłożonego ładunku, uderzeń od płaskich miejsc lub nierówności toru.
Wg literatury, do zapobiegania i kontrolowania
zużycia typu „shelling” proponuje się najczęściej
następujące rozwiązania:
zastosowanie na koła stali o mniejszej ilości
zanieczyszczeń
zastosowanie konforemnych profili koła i
szyny
wycofanie z eksploatacji kół, na których pojawią się wygarbienia lub odkształcenia profilu na powierzchni tocznej koła
częstsze, lekkie przetaczanie kół, w celu usunięcia powierzchniowych uszkodzeń
stosowanie wózków samoprowadzących.
4.4.2. Zmęczeniowe uszkodzenia powierzchni tocznej („spalling”)
Zużycie koła typu „spalling” jest to ubytek
niewielkiego skrawka powierzchni tocznej koła spowodowany powstaniem martenzytu podczas chwilowego nagrzania się koła wskutek tarcia podczas poślizgu (rys. 10).
Podczas poślizgu koła po szynie, energia tarcia
może doprowadzić do gwałtownego wzrostu temperatury powierzchni tocznej, powyżej granicy austenitu
(720 °C). Następnie podczas ochłodzenia z austenitu
tworzy się martenzyt. Jest to twarda, krucha faza stali,
łatwo oddzielająca się od materiału wieńca koła podczas obciążeń, inicjująca pęknięcia powierzchniowe,
doprowadzając w końcu do uszkodzeń typu „spalling” [8].
Uszkodzenia typu „spalling” są na tyle podobne do uszkodzeń typu „shelling”, że nie można ich
jednoznacznie rozróżnić poprzez oględziny wzrokowe. Jedynym nieniszczącym sposobem jest wytrawienie powierzchni tocznej. Jeśli nie będzie zmian w
wyglądzie, to uszkodzenie jest typu „shell”. Jeśli
obszar wokół uszkodzenia jest koloru szarego, to jest
ono typu „spall”.
Według literatury [5 i 6], wielkość zużycia typu
„spalling” jest odwrotnie proporcjonalna do masy
pojazdu. Im masa pojazdu była mniejsza, tym wielkość zużycia była większa i tym więcej kół zostało
wycofanych z eksploatacji z powodu tego zjawiska.
Jest to szczególnie istotna uwaga, gdyż badany autobus szynowy jest pojazdem lekkim, a więc zgodnie z
powyższym stwierdzeniem bardziej narażonym na
tego typu uszkodzenia.
Rys. 10. Początki zjawiska typu „spalling” na powierzchni
tocznej koła [9]
Poślizg koła, w wyniku którego wytwarza się
struktura martenzytyczna początkująca „spalling”,
może mieć kilka przyczyn:
intensywne hamowanie pojazdów o małej
masie lub hamowanie nagłe (awaryjne)
niska przyczepność koła do szyny
nierówności na powierzchni toru, np. falistość
poślizg koła na łukach o małym promieniu.
Najczęściej polecanym w literaturze sposobem
zapobiegania i kontrolowania zużycia typu „spalling”
jest podwyższenie temperatury początku austenizowania materiału koła (np. przez dodanie chromu w
trakcie produkcji) oraz zapewnienie odpowiedniej siły
hamującej koło poprzez właściwy dobór układu hamulcowego, szczególnie dla pojazdów o małej masie.
4.4.3. Płaskie miejsca i narosty
Pod pojęciem płaskiego miejsca rozumie się
płaski obszar na powierzchni tocznej koła, spowodowany jego poślizgiem po szynie. Płaskie miejsca wynikają przeważnie z błędów obsługi w procesie jazdy
lub hamowania, jak również nieprawidłowego funkcjonowania układu hamulcowego [4]. Przyczyna poślizgu może wynikać też z uszkodzenia lub zamarznięcia hamulców, przyłożenia zbyt dużej siły hamującej lub też nieprawidłowego kontaktu klocków hamulcowych z powierzchnią toczną koła.
Występowanie płaskich miejsc może generować duże obciążenia uderzeniowe szyny, jak również
prowadzić do owalizacji koła. Wysoka temperatura
wieńca koła podczas poślizgu, a następnie szybkie
chłodzenie, gdy koło ponownie zaczyna się obracać,
mogą powodować powstawanie struktury martenzytycznej w miejscu spłaszczenia, która jako bardziej
podatna na pęknięcia i wykruszenia powoduje ich
szybsze rozprzestrzenianie się w głąb materiału.
Płaskie miejsca można sklasyfikować następująco:
- pojedyncze spłaszczenie w postaci owalnego
obszaru uszkodzenia, spowodowane zablokowaniem koła w jadącym pojeździe – obserwowane często na kołach tocznych
- plamkowe spłaszczenie, jako zbiór pojedynczych spłaszczeń
- spłaszczenie ciągłe – długie i wąskie, powstaje gdy koło zestawu ślizga się wzdłuż szyny
bez blokady kół; spłaszczenia tego typu (często z plastycznym płynięciem materiału) występują przeważnie na kołach napędnych.
Do zapobiegania powstawaniu płaskich miejsc
na powierzchni tocznej proponuje się w literaturze
następujące rozwiązania:
- unikanie nagłego i gwałtownego hamowania
- bieżąca kontrola urządzeń przestawczych
próżny/ładowny
- wycofywanie do przetoczeń kół przekraczających wartości graniczne zużycia
- wprowadzenie urządzeń badających obciążenia uderzeniowe kół, oraz korygowanie granicznych wartości nieokrągłości kół w oparciu o kryteria obciążeń uderzeniowych
- dokładne usuwanie warstwy martenzytycznej
(oraz kilkumilimetrowej warstwy pod nią)
podczas reprofilacji zużytych kół.
5
4.5. Sposoby zapobiegania zużyciu kół i szyn
W celu zmniejszenia zużycia koła i szyny,
przemysł kolejowy wciąż poszukuje nowych środków
zaradczych i technik utrzymania. Do najbardziej powszechnych metod należą:
- zwiększenie twardości stali perlitycznych
przez zwiększenie zawartości węgla, rozdrobnienie mikrostruktury, jak również termiczne utwardzanie kół (hartowanie plazmowe i elektrołukowe)
- odpowiednie smarowanie na styku koła i szyny oraz zmniejszanie poślizgu względnego
poprzez zmniejszanie kąta nabiegania koła na
szynę
- stosowanie różnych rodzajów profili szyn na
łukach i odcinkach prostych
- kontrola i utrzymanie optymalnego prześwitu
toru, zwłaszcza na łukach
- systematyczna reprofilacja kół w celu usunięcia nieprawidłowości powierzchni i płynięcia
metalu
- w przypadku zjawiska „spallingu” najbardziej efektywnym i sterowalnym sposobem
zapobiegania jest zapewnienie odpowiedniej
siły hamującej koło, poprzez udoskonalenie i
odpowiednie utrzymanie układu hamulcowego pojazdu
- w celu zapobiegania zjawisku płaskich miejsc
proponuje się przede wszystkim unikanie nagłego hamowania, bieżącą kontrolę urządzeń
przestawczych, wycofywanie z eksploatacji
kół przekraczających wartości graniczne zużycia oraz wspomniane usuwanie warstwy
martenzytycznej (i kilkumilimetrowej warstwy pod nią) podczas reprofilacji kół.
5. Analiza sposobu eksploatacji autobusu
5.1. Zapisy z przeglądów kontrolnych
W każdym pojeździe prowadzona jest książka
pokładowa, w której maszyniści i pracownicy serwisu
zapisują swoje uwagi i spostrzeżenia oraz zdarzenia.
Serwis prowadzony jest przez producenta. W ramach
serwisu prowadzone są przeglądy kontrolne (PK) co
jeden, dwa lub trzy dni. Przeglądy okresowe (PO),
dokładniejsze, wykonywane są jeden raz w miesiącu.
Wielkopolski Zakład Przewozów Regionalnych
w Poznaniu dostarczył kopię książki pokładowej pojazdu. Dokonano analizy wpisów zawartych w książce pod kątem znalezienia ewentualnych spostrzeżeń
maszynistów i pracowników serwisu dotyczących
zużycia kół.
Książka wykazuje szereg nieprawidłowości dotyczących sposobu wykonywania przeglądów kontrolnych. Poniżej przytoczono przykładowo charakterystyczne fragmenty tej książki, dotyczące obserwowa6
nego, postępującego zjawiska zużycia kół:
30
W dniu 4.01.2006 (godz. 12 ) widnieje zapis
maszynisty, zdającego pojazd na stacji Poznań
Główny, o treści: „Stuki na osiach pod członem A”.
11
Wpis zostaje potwierdzony o godz. 20 na stacji Piła.
57
O godz. 22 autobus zostaje przyjęty na stacji
Chojnice, a w książce maszynista umieszcza wpis o
treści: „Stuki na osiach pod członem A i B”. Pod
wpisem o usterce nie ma pieczątki serwisu ZNTK
Poznań S.A., a zatem można przypuszczać, że nie
została ona wtedy usunięta. Najbliższy przegląd
kontrolny (PK) wykonany został dnia 7.01. o godz.
45
0 z adnotacją „Szynobus sprawny”. Pod tym wpisem
widnieje pieczątka serwisu ZNTK Poznań S.A.
57
Dnia 8.01.2006 o godz. 22 na stacji Chojnice
maszynista dokonał wpisu o treści: „Zestawy kołowe
b/z, stuki opisano poprzednio”. Niecałe dwie godziny
15
później (0 ), na przeglądzie kontrolnym 9.01.2006
stwierdzono „Wżery na kołach osi tocznej człon A”,
Wżerów tych nie opisano na przeglądzie z 7.01.2006,
a więc zaledwie dwa dni wcześniej (!).
Pojazd nie zostaje wycofany do reprofilacji,
natomiast na przeglądach kontrolnych z dnia
20
00
11.01.2006 (godz. 0 ), 13.01.2006 (godz. 1 ),
25
00
15.01.2006 (godz. 0 ), oraz 17.01.2006 (godz. 4 )
nie ma żadnej adnotacji dotyczącej stanu kół, a
jedynie wpis „Szynobus sprawny” i pieczątka serwisu
ZNTK Poznań S.A.
15
Dnia 18.01.2006 (godz. 15 ) na stacji Krzyż
stwierdzono: „Brak sworznia na II osi człon A
prawy”. Pojazd kontynuował jazdę do stacji Piła,
40
gdzie o godz. 22 stwierdzono „Brak dwóch sworzni
na drugiej osi”. Wydano polecenie dyspozytorskie
ograniczenia prędkości do 30 km/h, co potwierdzone
zostało podczas analizy plików zapisu jazd z
elektronicznych kości pamięci. Pojazd dojechał do
40
stacji Chojnice, gdzie o godz. 2 potwierdzono:
„Brak sworzni na 2-giej osi z prawej strony kabiny
A”. Sworznie zostały założone podczas przeglądu
00
kontrolnego 19.01.2006 o godz. 4 , co znajduje
potwierdzenie w książce pokładowej – natomiast nie
widnieje tam żaden (!) wpis o stanie powierzchni
tocznych kół.
Autobus kontynuuje pracę dnia 19.01.2006,
wykonując jeszcze dwa kursy Chojnice – Krzyż –
Chojnice. Ostatni wpis w książce pokładowej z dnia
00
19.01.2006 (godz. 23 ) brzmi następująco (pisownia
zgodna z oryginałem):
„Ze względu na głębokie wżery na kołach oś
toczna czł. A; płaskie miejsca oś pędna czł. B,
powodujące wypadanie sworzni i śrub mocujących
cylindry szynobus wycofano z eksploatacji. Autobus
odstawić do ZNTK POZNAŃ na obtoczenie zestawów
kołowych”
Autobus szynowy SA 108-004 zostaje
wycofany z eksploatacji i dnia 21.01.2006 przekazany
do ZNTK Poznań S.A. celem reprofilacji kół.
5.2. Zapisy jazd autobusu szynowego
Autobusy szynowe serii SA 108 wyposażone są
w tachografy kolejowe T-130P, przy użyciu których
możliwa jest rejestracja: prędkości pojazdu szynowego, bieżącego czasu i drogi jaką przebywa pojazd.
Ponadto zbierane są sygnały wejściowe pochodzące
od SHP, czuwaka i hamulca. Informacje te są rejestrowane w sposób ciągły i po przetworzeniu następuje ich zapis w elektronicznych kartach pamięci
(EKP). Odczyt informacji następuje przy użyciu
komputera z zainstalowanym programem komputerowym „TACHOxGRAF”. Oprogramowanie to pozwala na odtworzenie na monitorze komputera całości
lub fragmentu przejazdu w dowolnie wybranej skali.
Przy odpowiednim powiększeniu możliwe jest ustalenie chwili czasowej i współrzędnej drogi, od której
rozpoczęto hamowanie pojazdu, a dzięki dodatkowemu znacznikowi łatwo można ustalić prędkość pojazdu w danej chwili. Informacje te pozwalają na wyznaczenie opóźnień w trakcie hamowania.
Dane dostarczone przez Zakłady Taboru w Gdyni i
Szczecinie w postaci plików z zapisami przejazdów
autobusu szynowego SA 108-004 zarejestrowanymi
przez tachograf w EKP dotyczyły okresu 06.01.2006
÷ 19.01.2006. Analizie poddano pociągi o numerach
58721, 58723, 85722, 85728, relacji Krzyż – Chojnice, które obsługiwane były przez ww. autobus szynowy. Na skutek wynikłych w trakcie analizy trudności i
niejasności związanych z odczytem i brakiem pewnych danych, opisanych szerzej w raporcie [1],
szczegółowa analiza ostatecznie ograniczyła się do
wspomnianego wyżej okresu od 06.01.2006 ÷
19.01.2006. Wybrane przejazdy z tego okresu były
sprawdzane pod kątem zaobserwowania miejsc
dużych spadków prędkości w czasie, sugerujących
wystąpienie dużych wartości opóźnień w trakcie
hamowania pojazdu. Przykładowy wykres uzyskany
w programie „TACHOxGRAF” przedstawiono na rys.
11. Zaobserwować można duży spadek prędkości na
krótkim odcinku drogi i w krótkim czasie, co
świadczy o wystąpieniu dużego opóźnienia hamowania.
Po odczytaniu czasów i prędkości na początku i
końcu manewru hamowania przeprowadzono obliczenia. Wyniki tych obliczeń z ustalonymi wartościami opóźnień hamowania służbowego w trakcie
przejazdów przedstawiono w tabeli 1.
Wg konstruktora układu hamulcowego autobusów szynowych typu 215M, opóźnienia hamowania
tych pojazdów nie powinny przekraczać wartości:
- 0,60 m/s2 dla hamowania służbowego
- 0,91 m/s2 dla hamowania awaryjnego.
Szczegółowa analiza trajektorii prędkości z zapisów przejazdów autobusu szynowego SA 108-004
zarejestrowanych na EKP wykazuje, że w wielu
przypadkach dochodziło do przekroczenia dopuszczalnych wartości opóźnień dla hamowania służbowego, a w kilku miejscach wykraczały one nawet
powyżej wartości dopuszczalnej dla hamowania awaryjnego.
Rys. 11. Wykres uzyskany w programie„TACHOx RAF” z zapisów na EKP dotyczących jazd
autobusu szynowego SA 108-004
7
Opóźnienia hamowania wyznaczone na podstawie odczytów z EKP
Tabela 1
Prędkość
początkowa
vp
[km/h]
Droga
początkowa
sp
[km]
Czas
końcowy
tk
[hh:mm:ss]
Prędkość
końcowa
vk
[km/h]
Droga
końcowa
sk
[km]
Opóźnienie
hamowania
służbowego
[m/s2]
Lp.
Nr pociągu
Data
Czas początkowy
tp
[hh:mm:ss]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1.
85722
06.01.06
10:44:59
76
12,171
10:45:26
3
12,452
-0,75
A
2.
85722
06.01.06
11:10:40
43
41,647
11:10:55
4
41,731
-0,72
A
3.
85722
08.01.06
10:37:41
75
3,232
10:38:10
0
3,508
-0,72
B
4.
85722
08.01.06
10:44:19
95
12,031
10:44:49
3
12,434
-0,85
B
5.
85728
09.01.06
20:36:14
97
12,115
20:36:40
6
12,435
-0,97
C
6.
85728
09.01.06
21:17:52
84
65,056
21:18:13
4
65,277
-1,06
C
7.
85722
12.01.06
11:09:34
58
41,574
11:09:56
2
41,743
-0,71
D
8.
85722
12.01.06
11:30:37
47
65,205
11:30:54
2
65,297
-0,74
D
9.
58721
13.01.06
06:26:15
56
82,924
06:26:35
0
83,054
-0,78
D
10.
85722
13.01.06
10:49:20
62
18,030
10:49:45
4
18,228
-0,64
D
11.
58721
14.01.06
05:53:30
85
12,653
05:54:06
0
13,036
-0,66
E / F 1)
12.
58721
14.01.06
06:14:44
63
36,379
06:15:02
2
36,530
-0,94
E / F 1)
13.
85728
15.01.06
21:14:05
85
65,028
21:14:32
3
65,328
-0,84
C
14.
85728
15.01.06
21:23:41
87
76,031
21:24:10
3
76,349
-0,80
C
15.
58721
16.01.06
06:21:15
78
73,756
06:21:52
0
74,104
-0,59
G
16.
58721
16.01.06
06:28:01
76
82,670
06:28:40
0
83,029
-0,54
G
17.
58723
18.01.06
13:11:08
97
65,672
13:11:43
3
66,197
-0,75
B
18.
58723
18.01.06
13:22:19
76
80,545
13:22:54
0
80,921
-0,60
B
19.
85722
19.01.06
10:44:37
91
12,095
10:45:06
0
12,459
-0,87
F
20.
85722
19.01.06
11:40:00
76
76,003
11:40:31
0
76,314
-0,68
F
1)
Maszynista
niekompletne dane otrzymane od przewoźnika nie pozwalają na jednoznaczne określenie kierującego pojazdem
5.3. Drużyny trakcyjne
Poznańskie Zakłady Naprawcze Taboru Kolejowego S.A. przeszkoliły ogółem 157 maszynistów,
uprawionych do prowadzenia autobusów szynowych
typu 213M i 215M. Kurs trwał 16 godzin i obejmował zarówno zagadnienia teoretyczne z budowy, obsługi i eksploatacji, jak również jazdę na szlaku pod
okiem doświadczonych maszynistów ZNTK. Z rejonu
Krzyża i Chojnic (rejon pracy autobusu szynowego
SA 108-004) wyszkolono ogółem 38 maszynistów.
Zakład Taboru PKP Cargo S.A. w Szczecinie
dostarczył imienne zestawienie obsad drużyn trakcyjnych, które w okresie 11.2005 ÷ 01.2006 wykonywały
pracę na autobusie SA 108-004. Spis zawiera 18 nazwisk, spośród których zaledwie 9 osób było uczestnikami szkolenia i otrzymało certyfikaty z ZNTK
Poznań S.A.
Z Zakładu Taboru PKP Cargo S.A. w Gdyni
otrzymano zestawienie maszynistów prowadzących
wszystkie pojazdy serii SA 108 w okresie 01.11.2005
8
do 21.01.2006 r. Spośród 24 maszynistów, 23 osoby
były uczestnikami szkolenia i otrzymało certyfikaty z
ZNTK Poznań S.A.
6. Badania materiałowe kół wybranego zestawu
kołowego
Koła wszystkich zestawów kołowych są
monoblokowe i powinny być wg dokumentacji
technicznej wykonane ze stali R7T przez hutę
BONATRANS a.s. w Bohuminie (Czechy). Do badań
szczegółowych wybrano najbardziej zużyte podczas
oględzin wieńce kół zestawu kołowego nr 3
(tocznego) pojazdu. Zakres badań był uwarunkowany
krótkim oczekiwanym czasem do ustalenia przyczyn
przedwczesnego zużycia oraz niewielkim funduszem
na opłacenie bardziej szczegółowych badań.
Na obydwu kołach wyznaczono po dwa,
naprzeciwległe wycinki, które zostały oznaczone jak
na rys. 12.
Rys. 12. Wycinki nr 1 i 2 do badań koła prawego (większe
zużycie)
Analogiczne wycinki wyznaczono na przeciwległym kole zestawu nr 3. Wybrane fragmenty kół
zostały wycięte przez ZNTK Poznań S.A. zgodnie z
zaznaczonymi wcześniej zarysami, a następnie przekazane do badań.
6.1. Analiza chemiczna
Karta UIC 812-3 [2] określa maksymalne zawartości pierwiastków dla poszczególnych gatunków
stali, jak również rodzaj i sposób obróbki cieplnej.
Zgodnie z tym, dla stali R7T wieniec koła powinien
być w całości zahartowany i wysoko odpuszczony,
czyli ulepszony cieplnie – natomiast materiał powinien mieć skład chemiczny wg tabeli 2.
Wartości te odnoszą się do analizy wyrobu. Dla
analizy wytopu wartości maksymalne należy zmniejszyć o dopuszczalne odchyłki, również zawarte w
karcie UIC 812-3. Koła autobusu SA 108-004 pochodzą z trzech różnych wytopów (10169, 10227 i
26778), których skład chemiczny przedstawiono w
tabeli 3.
Z porównania powyższych wartości z granicznymi, zawartymi w karcie UIC 812-3 wynika, że
procentowa zawartość żadnego z pierwiastków nie
przekracza dopuszczalnej zawartości, a często jest od
niej znacząco niższa.
Wykonano zatem badania składu chemicznego
metodami spektrometrycznymi w dwóch niezależnych laboratoriach – Odlewni Żeliwa „Śrem” S.A.
oraz MAROTTI w Zielonej Górze. Skład chemiczny
zbadanych próbek przedstawia tabela 4.
Różnice między wartościami wynikają z zastosowania różnej klasy spektrometrów, jak również z
faktu, że próbki do badań nie były pobrane z tego
samego miejsca. Ilość węgla nie przekracza wartości
maksymalnej, zawartej w karcie UIC 812-3, jest jednak na tyle niska, że skład stali jest bliższy składowi
stali R6T (o dopuszczalnej, maksymalnej zawartości
węgla 0,48%). Zbadany skład chemiczny jest zgodny
z atestem przesłanym przez producenta.
Skład chemiczny stali stosowanych na koła [2]
Gatunek
Sali
R6T
R7T
R8T
Tabela 2
Skład chemiczny (zawartość max. w %) dla wyrobu
C
0,48
0,52
0,56
Si
0,40
0,40
0,40
Mn
0,75
0,80
0,80
P
0,035
0,035
0,035
S
0,035
0,035
0,035
Cr
0,30
0,30
0,30
Cu
0,30
0,30
0,30
Mo
0,08
0,08
0,08
Ni
0,30
0,30
0,30
V
0,05
0,05
0,05
Skład chemiczny wytopów kół autobusu SA 108-004
Numer
wytopu
Cr+Mo+Ni
0,50
0,50
0,50
Tabela 3
Skład chemiczny (zawartość max. w %) dla wyrobu
C
Si
Mn
P
S
Cr
Cu
Mo
Ni
V
Cr+Mo+Ni
10169
0,49 0,32 0,70 0,012 0,009 0,17 0,11 0,01 0,05 0,00
0,23
10227
0,48 0,28 0,70 0,016 0,013 0,21 0,06 0,01 0,03 0,00
0,25
26778
b.d.* b.d.* b.d.* b.d.* b.d.* b.d.* b.d.* b.d.* b.d.* b.d.*
b.d.*
* producent nie dostarczył kopii atestu dla wytopu nr 26778, dlatego brak danych dla tego wytopu.
Wyniki badań składu chemicznego dla wybranych wycinków kół
Tabela 4
Numer
próbki
C
%
Mn
%
Si
%
P
%
S
%
Cr
%
Ni
%
Mo
%
Cu
%
Al
%
Śrem
Z. Góra
0,450
0,479
0,704
0,709
0,300
0,280
0,017
0,021
0,009
0,012
0,186
0,190
0,022
0,025
0,006
0,006
0,058
0,059
0.040
0.032
9
6.2. Badania mikroskopowe
Badania mikroskopowe oraz pomiary twardości
wykonano w Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu za pomocą mikroskopu świetlnego ECLIPSE
L150 (Nikon). Próbki trawiono 3 procentowym nitalem.
Do badań dostarczono 4 fragmenty, pobrane z
wieńców obydwu kół zestawu tocznego nr 3. Z dostarczonych fragmentów kół zostały pobrane próbki z
miejsc charakteryzujących się największym zużyciem
powierzchni. Strukturę próbek pokazano na rys. 13 i
14.
Na podstawie badań stwierdzono, że wieńce
kół wykonane są ze stali perlityczno-ferrytycznej do
ulepszania cieplnego. W strukturze tej stali (rys. 14)
występuje ferryt w postaci siatki na granicach ziaren
drobnopłytkowego perlitu. W warstwie wierzchniej
wieńców kół zaobserwowano obszary z nieciągłą
strefą utwardzoną o różnej grubości. Pęknięcia występują: w strefie utwardzonej, w obszarach na granicy silnie zgniecionego materiału, oraz w warstwie
przypowierzchniowej bez strefy utwardzonej.
6.3. Pomiary twardości
Pomiary twardości metodą Vickersa przy sile
obciążającej 4,9 N (symbol twardości HV 0,5) wykonano wg normy PN-EN ISO 6507-1:1999 [11] za
pomocą twardościomierza MICROMET 2104 na
próbkach pobranych wzdłużnie z wieńca obydwu kół
zużytego zestawu kołowego nr 3. Pomiary HV 0,5
prowadzono od powierzchni w głąb próbek, w obszarach ze strefą utwardzoną (rozkład I), bez strefy
utwardzonej (rozkład II) oraz w środku każdej z próbek. Rozkłady twardości pokazano na rys. 15 i 16.
Rys. 13. Utwardzona struktura drobnoiglastego martenzytu
na powierzchni tocznej
Na powierzchni tocznej koła zauważono między innymi widoczną na rys. 13 strefę utwardzoną o
strukturze drobnoiglastego martenzytu, oraz wyraźne
pęknięcia w strefie i pod tą strefą.
Rys. 15. Rozkłady twardości w próbce nr 9/06/2.1
Wartości twardości w środku próbki nr
9/06/2.1 wynosiły odpowiednio 238, 234 i 218 HV, a
wartość średnia 230 HV.
Rys. 14. Obszar w pobliżu powierzchni tocznej (widoczna
siatka ferrytu na granicach ścisłego perlitu)
Rys. 16. Rozkłady twardości w próbce nr 9/06/4.1
10
Wartości twardości w środku próbki nr
9/06/4.1 wynosiły odpowiednio 235, 229 i 223 HV, a
wartość średnia 229 HV.
6.4. Badania wytrzymałościowe
Badania wytrzymałościowe próbek pobranych
z kół autobusu szynowego SA 108-004 wykonano w
Laboratorium Wytrzymałości Materiałów w Instytucie Mechaniki Stosowanej Politechniki Poznańskiej.
Próbie rozciągania i udarności poddano próbki z obydwu kół zestawu kołowego nr 3, zgodnie z normą [2].
Uzyskane wyniki pomiarów (rys.17) porównano z
normami: UIC 812-3 [2] oraz EN 13262:2004 (E) [3].
Rys. 17. Wyniki prób rozciągania dla trzech różnych próbek pobranych z wieńców koła zestawu nr 3
Udarność wyznaczono na próbkach z karbem o
głębokości 5 mm, wykonując próbę udarności sposobem Charpy’ego wg normy [12], na młocie Charpy’ego o energii maksymalnej 300 J. Wyniki próby
udarności przedstawiono w tabeli 5.
Z badań wytrzymałościowych wynika, że
próbki z obu kół spełniają normy odnośnie do wytrzymałości na rozciąganie Rm, wydłużenia procentowego przy zerwaniu A i górnej granicy plastyczności ReH. Próby udarności KCU nie wykazały odchyłek od obowiązującej normy [2].
7. Analiza przyczyn przedwczesnego zużycia kół
7.1. Przypuszczalne przyczyny materiałowe
Na podstawie wyników badań mikroskopowych oraz rozkładów twardości HV 0,5 w obszarach
ze strefą utwardzoną i bez strefy utwardzonej stwierdzono, że wieńce kół nie zostały ulepszone cieplnie,
natomiast wykruszenia są najprawdopodobniej następstwem pęknięć powstałych wskutek miejscowego
nagrzania bieżni wieńca, jego plastycznego odkształcenia lub występowania miejscowych utwardzeń,
spowodowanych przez zmiany strukturalne podczas
eksploatacji.
Należy jednak przypomnieć, że koła, z których
pobrano wycinki do badań były już po III przetoczeniu, a więc o średnicy kręgu tocznego bliskiej wartości minimalnej (770 mm). Zasadnym wydaje się więc
zbadanie głębokości ulepszenia wieńca nowego koła,
a więc o średnicy nominalnej kręgu tocznego (842
mm).
Karta UIC 812-3 [2], określająca warunki techniczne dostawy dla kół bezobręczowych, nie podaje
minimalnej zawartości pierwiastków chemicznych
dla poszczególnych rodzajów stali. Wg atestów kół
do autobusów szynowych, zakupionych przez producenta pojazdu w hucie BONATRANS a.s. w Bohuminie (Czechy) jako kół ze stali R7T, ilości kilku pierwiastków są często wielokrotnie niższe od maksymalnej granicy. Mniejsza zawartość pierwiastków o
nominalnych śladowych ilościach nie powinna wpływać znacząco na pogorszenie własności stali, natomiast mniejsza zawartość węgla (ok. 0,48% przy
maksymalnie dopuszczalnej 0,52%) zmienia twardość
stali sprawiając, że ma ona własności bliższe stali
R6T (o mniejszej zawartości węgla, a więc i mniejszej twardości!). Zasadnym wydaje się utrzymanie
zawartości węgla w pobliżu maksymalnej dopuszczalnej granicy, a nawet przejście na koła ze stali
R8T – które to rozwiązanie jest obecnie zalecane na
kolejach brytyjskich [7].
Według kształtu uszkodzeń należy przyjąć, że
większość tych uszkodzeń jest typu „spalling”. Można zauważyć wyraźne podobieństwo uszkodzeń wg
rys. 10 i obrazów uszkodzeń z szynobusu.
Wyniki próby udarności
Symbol
próbki
4.1
5.1
6.1
średnio
4.2
5.2
6.2
średnio
Szerokość
próbki a [mm]
10,01
10,00
10,01
Wymiar pod karbem h [mm]
5,05
5,09
5,05
10,01
10,00
10,00
5,04
5,02
5,02
Tabela 5
Praca łamania
Udarność
KU [J]
KCU [J/cm2]
22,6
44,7
24,5
48,1
22,6
44,7
23,2
45,8
23,5
46,6
23,5
46,8
22,6
45,0
23,2
46,1
11
7.2. Przypuszczalne przyczyny eksploatacyjne
Jedną z najważniejszych przyczyn powodujących przyspieszone zużycie kół pojazdów szynowych
zaobserwowanego typu jest poślizg na powierzchni
styku kół i szyn. Najczęściej jest on wynikiem nieprawidłowego przebiegu procesu hamowania pojazdu. Powstały w ten sposób poślizg powoduje miejscowe nagrzewanie małego fragmentu powierzchni
tocznej koła powyżej temperatury przemiany austenitycznej i wskutek szybkiego chłodzenia powstaje
struktura martenzytyczna, bardziej podatna na pęknięcia i wykruszenia.
Szczegółowe analizy zapisów jazd z EKP
(elektronicznych kości pamięci) wykazały szereg
nieprawidłowości w procesie hamowania autobusu
szynowego SA 108-004. Wyznaczone wartości opóźnień hamowania są znacząco wyższe od określonych
przez konstruktora. Tak intensywny przebieg procesu
hamowania może prowadzić do zablokowania kół,
zwłaszcza kół tocznych, co nie zostanie zapisane na
kościach EKP, gdyż czujniki prędkości znajdują się
na osiach napędnych.
Autobusy szynowe typu 213M i 215M (w tym
badany autobus) wyposażone są w układy przeciwpoślizgowe systemu SAB WABCO, z czujnikami poślizgu umieszczonymi na każdym zestawie kołowym.
Działanie systemu antypoślizgowego jest monitorowane i rejestrowane w pamięci układu. Istnieje możliwość odczytu tych danych i określenia, czy podczas
eksploatacji układ był sprawny oraz czy na kołach
którejkolwiek osi występowały poślizgi przekraczające granicę poślizgu pełnego (makropoślizgu). Dostęp
do danych (program dekodujący i analizujący) jest
obecnie tylko w posiadaniu serwisu SAB WABCO,
który w razie potrzeby wzywa się do odczytu. Celowe
byłoby zalecenie, aby usterki układu przeciwpoślizgowego oraz dane o pełnych poślizgach były regularnie odczytywane przez serwis szynobusu i weryfikowane pod kątem występowania nieprawidłowości.
Tymczasem od początku eksploatacji autobusów
szynowych typu 215M odczyty te były, na zapotrzebowanie ZNTK Poznań S.A., wykonane tylko kilkakrotnie.
Istotny jest też fakt, że w notatkach z przeglądów kontrolnych w książce pokładowej brak zapisów
o szczegółowym sprawdzaniu stanu powierzchni
tocznych kół, nawet pomimo sygnalizowania przez
maszynistów stuków i drgań. Pozwala to przypuszczać, że stan kół nie jest na bieżąco kontrolowany.
Wskutek tego pojazd może być nadal eksploatowany,
a dalsza praca zestawu kołowego z pierwszymi oznakami nieprawidłowego zużycia powodować mogła
powstawanie dalszych uszkodzeń (pęknięcia pogłębiały się i przenikały w głąb materiału).
12
Autobus szynowy jest pojazdem lekkim, o małym nacisku kół na szyny, wymaga odmiennego od
tradycyjnej lokomotywy sposobu prowadzenia przez
maszynistę. Dlatego ZNTK Poznań S.A. przeprowadziło szereg kursów dla maszynistów mających prowadzić te pojazdy. Tymczasem stwierdzono, że nazwisk kilku maszynistów obsługujących autobus szynowy SA 108-004 nie ma na listach osób wyszkolonych przez ZNTK Poznań S.A.
Hamowanie z dużą intensywnością prowadzić
może do powstawania znacznych lokalnych mikropoślizgów między kołem a szyną, nie będących poślizgami pełnymi, a więc nie powodującymi zadziałania
układu przeciwpoślizgowego.
7.3. Inne możliwe przyczyny
Biorąc pod uwagę fakt, że koła wszystkich autobusów szynowych serii SA 108 ulegają przyspieszonemu zużyciu, należałoby sprawdzić wężykowanie zestawów kołowych podczas jazdy. Autobus nie
posiada klasycznych wózków dwuosiowych, a więc
jego baza jest większa (rozstaw osi 9 000 mm). Jeśli
w czasie jazdy występuje wężykowanie zestawów
kołowych, to z uwagi na większą bazę pojazdu częstotliwość wężykowania będzie mniejsza, a przez to
mniej odczuwalna (mogła nie być sygnalizowana
przez drużynę trakcyjną). Tymczasem ciągła jazda z
niewielkim nawet wężykowaniem o ustalonej amplitudzie zestawów kołowych może wzmagać ich zużycie.
8. Podsumowanie
Szczegółowej analizie składu chemicznego,
struktury krystalograficznej oraz badaniom wytrzymałościowym poddano wyłącznie koła najbardziej
zużytego zestawu kół przedmiotowego autobusu szynowego. Analiza zapisów w książce pokładowej oraz
zapisów pochodzących z elektronicznych kości pamięci (EKP) dotyczyła również wyłącznie jednego
autobusu, a zatem wnioskowanie dotyczy tylko analizowanego przypadku. Na szczegółową analizę całej
populacji uszkodzonych kół trzeba by przeznaczyć
więcej czasu, a przede wszystkim więcej środków,
które pozwoliłyby na wykonanie obszerniejszych
analiz materiałowych i metalograficznych oraz analizy zapisów z tachografu i systemu przeciwpoślizgowego dla większego zbioru kół i pojazdów. Konieczna wydaje się też realizacja jazd obserwowanych.
W odniesieniu do przedmiotu badań można
ustalić następujące przypuszczalne przyczyny nadmiernego zużycia zmęczeniowego:
- nieulepszone cieplnie wieńce kół oraz nieco
za niska zawartość węgla, a tym samym za
niska twardość materiału
-
-
-
mikropoślizgi na powierzchniach styku podczas hamowania, szczególnie podczas wielokrotnie powtarzanych, intensywnych hamowaniach, powodujące lokalne przegrzania i
złuszczenia materiału
niestaranne przeglądy kontrolne, pozostawianie w użytkowaniu kół z rozpoczętym procesem złuszczania („spalling”), którego dalsza
propagacja mogła powodować konieczność
zbierania znacznie grubszej, niż zazwyczaj,
warstwy materiału podczas reprofilacji
brak dokładnej analizy zapisów jazd z tachografu oraz jakiejkolwiek analizy z układu
przeciwpoślizgowego
prowadzenie autobusu przez maszynistów,
którzy nie byli uczestnikami szkolenia dotyczącego sposobu jazdy autobusem szynowym
(innego niż tradycyjną lokomotywą).
Literatura
[1] Przyczyny nadmiernego, przyspieszonego zużycia powierzchni tocznych kół monoblokowych w
autobusie szynowym serii SA 108-004 produkcji
Poznańskich Zakładów Naprawczych Taboru
Kolejowego S.A. w Poznaniu. Raport wewnętrzny PP nr 52-967/2006, kier. tematu Jerzy Kwaśnikowski.
[2] Karta UIC 812-3, Warunki techniczne dostawy
dla kół bezobręczowych z walcowanej stali niestopowej dla pojazdów napędnych i wagonów,
Wyd. 5 z 01.01.1984 ze zmianą z 01.01.1996.
Karta anulowana 01.08.2006 i zastąpiona normą
europejską EN 13262:2004.
[3] Norma europejska EN 13262:2004, Kolejnictwo.
Zestawy kołowe i wózki. Koła. Wymagania
dotyczące wyrobu.
[4] Piec P.: Zjawiska kontaktowe w elementach
pojazdów szynowych, Kraków, wyd. ITeE Radom,
1999.
[5] Zakharov S.: Wheel/Rail Performance, in
Guidelines to Best Practices for Heavy Haul
Railway Operations: Wheel and Rail Interfaces
Issues. International Heavy Haul Association:
Virginia Beach.
[6] Stone D.H.: TTCI Leads Research to Cut
Premature Wheel Scrapping. Railway Gazette
International, 09/2000.
[7] Rail Safety & Standards Board (RSSB), Safety
Critical Supply Chain Safety Management
(SCSM). Wheelsets Procurement Test Case,
Final Report by ATKINS, 2004.
[8] Vu T.: Wheel Deterioration, The University of
Birmingham and Manchester Metropolitan
University 2003.
[9] http://www.railway-technical.com/ train-maint.
html (Railway Technical Web).
[10] http://autobusy.murowana.pl/index.php (Galeria
autobusów z Wielkopolski)
[11] Norma PN-EN ISO 6507-1:1999, Metale.
Pomiar twardości sposobem Vickersa. Metoda
badań.
[12] Norma PN-EN 10045-2:1996, Metale. Próba
udarności sposobem Charpy'ego. Metoda badania.
13
dr inż. Jerzy Nowicki
dr inż. Marek Sobaś
Instytut Pojazdów Szynowych „ Tabor”
Kryteria oceny bezpieczeństwa przed skutkami zderzeń
dla pojazdów szynowych do transportu osobowego
W artykule przedstawiono kryteria bezpieczeństwa przed skutkami zderzeń dla pojazdów szynowych przeznaczonych do transportu osobowego, do których zalicza się: wagony osobowe, zespoły trakcyjne kolei miejskiej (w tym pojazdy metra), do ruchu lokalnego i regionalnego,
tramwaje oraz autobusy szynowe. Główny nacisk położono na bezpieczeństwo pasażerów podczas procesów zderzeń pojazdów szynowych i na kryteria jakie powinny być spełnione, aby zapewnić bezpieczeństwo pasażerom podczas ewentualnych zderzeń.
Praca naukowa finansowana ze środków budżetowych na naukę w latach 2005÷2007 jako projekt badawczy pt. „Teoretyczne i techniczne możliwości kształtowania stref zgniotu ustrojów nośnych pojazdów szynowych.”
1. Wstęp
Kryteria oceny zderzeń, przedsięwzięcia konstrukcyjne oraz materiałowe, zabezpieczające strukturę pojazdu szynowego przed skutkami zderzeń dotyczyły w
dotychczasowych publikacjach projektu badawczego
[4, 5 i 6] wagonów towarowych. Zwrócono jednak w
nich uwagę, że kryteria stawiane pojazdom szynowym
przed skutkami zderzeń zależą również od ich przeznaczenia. Zapewnienie bezpieczeństwa w trakcie
„zderzeń nadzwyczajnych” dla pojazdów szynowych
przeznaczonych dla przewozów osobowych jest trudniejsze, gdyż ich konstrukcja podczas procesu zderzenia musi zapewnić bezpieczeństwo pasażerów i personelu obsługującego, które sprowadza się do uniknięcia jakichkolwiek obrażeń oraz wypadków śmiertelnych. Zgodnie z dotychczas obowiązującymi przepisami dla wagonów osobowych, przy ich konstruowaniu należy brać pod uwagę jedynie sprężysty zakres odkształceń przy występowaniu obciążeń statycznych. Uwzględniają one również obciążenie, które
wynika z sił występujących przy prędkościach nabiegania do 10 km/h (2,77 m/s) zgodnie z kartą UIC 566
[17]. Jak wynika z dotychczasowych doświadczeń
eksploatacyjnych zachowanie się konstrukcji wagonu
osobowego jest zadawalające, jeśli prędkość zderzenia
(nabiegania) znajduje się w przedziale 10 do 20 km/h
(2,77 do 5,55 m/s)[25]. Powyżej prędkości 20 km/h
występują już uszkodzenia w konstrukcji pojazdu,
które mogę wywołać ciężkie obrażenia pasażerów. W
związku z tym w ostatnich latach międzynarodowe
organizacje kolejowe oraz normalizacyjne jak ERRI,
UIC oraz CEN postanowiły podnieść rolę „pasywnego
bezpieczeństwa” pojazdów osobowych do rangi obligatoryjnej oraz sformułowały wytyczne i kryteria
dotyczące tej problematyki [17,22,23,24 i 25]. Zgodnie z raportem ERRI B106/Rp.20 [25] w celu opracowania miarodajnych wytycznych oraz kryteriów
oceny ustalono najpierw podstawowe definicje doty14
czące zderzeń. Stwierdzono, że zdefiniowanie zderzenia ( wypadku) nie jest możliwe bez podania warunków, podczas których pojazd będzie wykazywał zachowanie zgodne z założeniami. Niebezpieczeństwa
kolizji i związane z tym zagrożenie dla pasażerów
można podzielić na dwie kategorie:
niebezpieczeństwo „ kategorii pierwszej” przy
zderzeniu czołowym z „wspinaniem się”
pojazdu lub bez
niebezpieczeństwo „ kategorii drugiej” przy
zderzeniu i w następstwie wykolejeniu się i
zdeformowaniu się składu pociągu w kształcie
litery „S”.
2. Definicje i analiza podstawowych pojęć
związanych ze zderzeniami
2.1. Kategorie zderzenia
Zderzenie w kierunku wzdłużnym występuje
najczęściej. Jak wynika z praktyki eksploatacyjnej nie
można jednak całkowicie wykluczyć zderzenia w
kierunku bocznym. Przewrócenia się pojazdu nie
uwzględniono w artykule.
Do dalszych rozważań przyjęto następujące kategorie
zderzeń:
zderzenie czołowe
zderzenie boczne
zderzenie w kierunku pionowym.
2.2. Prędkość zderzenia
Analiza parametru w świetle doświadczeń
eksploatacyjnych
Z analizy 83 wypadków zgłoszonych przez koleje
brytyjskie BR wynika, że:
w przypadku 36 zderzeń czołowych pociągów osobowych (bez wykolejeń) odnotowano 13 wypadków śmiertelnych
w 10 przypadkach pojazdy zderzyły się tak,
że wagony składu wjechały między siebie;
energia kinetyczna w dziewięciu przypadkach wynosiła poniżej 25 MJ, co dla pociągu
o masie równej 400 t odpowiada prędkości
mniejszej niż 40 km/h ( 11m/s)
w przypadkach kiedy nie wystąpiło zjawisko
„wspinania się” pojazdu energia kinetyczna
pojazdu wynosiła powyżej 25 MJ
w przypadku zderzenia ze „wspinaniem się”
pojazdu energia kinetyczna pojazdu wynosiła
45 MJ, co odpowiada prędkości 54 km/h (
15m/s) dla pociągu o masie 400 t
32 zderzenia doprowadziły do wykolejeń,
które spowodowały 25 wypadków śmiertelnych
najwięcej wypadków zderzeń wystąpiło przy
prędkości poniżej 40 km/h [7].
Formułując definicję prędkości zderzenia, przy której
zachowane jest pasywne bezpieczeństwo wagonu
osobowego, rozważano inne środki komunikacji jak
np. komunikacja lotnicza czy samochodowa.
Z analizy wypadków przeprowadzonych dla transportu lotniczego, dla którego sporządzono tzw. diagram
przeżycia ( niem. „Überlebungsdiagramm”, ang. „survivale space diagramm”) wynika, że pasażerowie nie
są chronieni przed skutkami zderzenia czołowego
przy prędkości samolotu powyżej 54 km/h (15m/s) i
maksymalnej prędkości w kierunku pionowym wynoszącej 33 km/h (9,16 m/s) [8]. W przypadku komunikacji samochodowej maksymalna prędkość, która
stwarza zagrożenie dla pasażerów przy zderzeniu
czołowym wynosi w zależności od autora 48 do 55
km/h (13,33 do 15,27 m/s) [25]. W przypadku bocznego zderzenia zauważono, że niebezpieczeństwo
wypadku dla podróżnego zwiększa się wyraźnie od 30
km/h (8,33 m/s) i przy prędkości 45 km/h (12,5m/s)
osiąga prawdopodobieństwo równe prawie 100%.
Zderzenia w transporcie lotniczym w kierunku pionowym występują w formie nagłego uderzenia, wywołującego utratę mocy napędowej. W komunikacji
samochodowej (samochody osobowe, omnibusy)
zderzeniom bocznym towarzyszyły przeważnie przypadki przewrócenia pojazdu. W normie SAE J 374
[19] przedstawiono próby ze zjawiskiem wciśnięcia
dachu. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że autorzy
tej normy z uwagi na trudności związane z ustaleniem
normatywnej prędkości zderzenia wyszli z założenia,
że należy zdefiniować próbę statyczną. Z kolei w
normie SAE J 996 [21] ustalono próbę spadania na
dach. W przypadku komunikacji kolejowej trzeba się
liczyć z tym, że wystąpi wykolejenie z ostatecznym
przewróceniem się wagonu osobowego na dach. Wg
innych koncepcji pojazdy szynowe w trakcie zderzenia bocznego upadają w większości przypadków na
bok ( nie przewracając się na dach) co prowadzi do
bardziej prawidłowych rozwiązań. (prawdopodobnie
do uprzywilejowania konstrukcji pojazdu z nośnymi
elementami rurowymi, powodując zwiększenie wytrzymałości dachu).
W wyniku analizy przypadków referencyjnych ustalenie prędkości zderzenia ma zasadnicze znaczenie z
uwagi na to, że:
ustalona prędkość zderzenia ma związek z
możliwą awarią aktywnych urządzeń sygnalizacyjnych
ustalona prędkość prowadzi do technicznych
rozwiązań, których efektywność przy tej
prędkości wprawdzie byłaby optymalna,
jednakże nie da się rozszerzyć na inny zakres tzn. pojazd posiadający optymalną konstrukcję dla prędkości 50 km/h (13,88 m/s)
nie musi sprawdzać się dla prędkości zderzenia 100 km/h (27,77 m/s)
ustalona prędkość zderzenia powoduje
zmianę przepisów dotyczących wymiarowania pojazdów, co może prowadzić do zwiększenia masy a zatem wzrostu kosztów wykonania i eksploatacyjnych; taki przypadek
może wystąpić, jeśli prędkość zderzenia zostanie ustalona na zbyt wysokim poziomie.
W tabeli 1 przedstawiono kilka wyników obliczeń
energii przejętej podczas zderzenia czołowego dwóch
niehamowanych pociągów o masie 400 t.
Zestawienie przejętej energii podczas zderzenia dwóch
pociągów osobowych o masie 400 t każdy
Tabela 1
Energia
L.p. Prędkość Energia
podczas kinetyczna przejęta
przez
[kJ]
zderzenia
konstrukcję
[m/s]
[kJ]
1.
10
10 000
10 000
2.
45
45 000
22 500
3.
80
80 000
40 000
Długość
strefy
zniszczenia
dla jednego
pociągu [m]
2,5
5,6
10
Energia przejęta w zakresie całkowicie plastycznym
(w odróżnieniu od energii kinetycznej najeżdżającego
pociągu i resztkowej energii obydwu pociągów po
zderzeniu) prowadzi do projektowania konstrukcji ze
strefami przejmowania energii, które odpowiadają
zderzeniu z prędkością 34 km/h ( 9,44 m/s) i odkształceniu stref kontrolowanego zniszczenia w zakresie 2,5 m. Jak wynika z tabeli 1 im większa prędkość zderzenia, tym większy zakres odkształcenia
plastycznego, ale również zwiększa się ryzyko „unoszenia” się pojazdu. Przy większych prędkościach nie
można ograniczyć ryzyka zwiększenia deformacji
przedziałów dla podróżnych ze względu na poważne
rozmiary odkształcenia stref kontrolowanego zgniotu.
Przy rozważaniach dopuszczalnej prędkości zderzeń
czołowych jako pierwszą wartość zaproponowano 54
km/h (15 m/s), w celu zrównania kryteriów przyjętych
15
w komunikacji samochodowej. Ostatecznie zgodnie z
pr EN 15227 [22] dla pojazdów szynowych kategorii I
do IV jako miarodajną prędkość zderzenia przyjęto 36
km/h (10 m/s), natomiast dla pojazdów kategorii V
(tramwaje) 15 km/h (4,16 m/s).
Analiza zderzenia bocznego pojazdu szynowego z
masztem trakcyjnym sieci jezdnej
W wyniku przeprowadzonych analiz, za prędkość
zderzenia bocznego z masztem trakcyjnym sieci jezdnej uznano prędkość 9,4 km/h (2,6 m/s), przy której
przeważa quasistatyczny efekt zderzenia. Rozpatrując
uproszczony model zderzenia bocznego wagonu osobowego z masztem bilans energetyczny zderzenia
można opisać za pomocą równania:
WCV = WCP + WDP + WDV
Ostatecznie można przyjąć, że przy dP>0,01m obowiązuje zależność:
 d 
1,5 ⋅ 10 5 = 0,1 ⋅ 10 5 + 1,5 ⋅ 10 5 ⋅ (d P + d V ) − 750 ⋅ 1 + V 
 dP 
(4)
Jeśli przyjąć ze względów bezpieczeństwa dla podróżnych dV=0,3 m wówczas równanie (4) przyjmuje
postać:
(5)
1,5 ⋅ 10 5 ⋅ d P2 − 94250 ⋅ d P − 225 = 0
Równanie (5) posiada jedno rozwiązanie mające sens
techniczny tzn. dP=0,631 m, co odpowiada kątowi
pochylenia masztu sieci trakcyjnej wynoszącemu
α=22o (rys.1). Model obliczeniowy ogranicza przesunięcie punktu styku masztu sieci jezdnej i podwozia
wagonu do d=0,7 m oraz wielkość deformacji bocznej
nadwozia do max. 0,3 m ( rys.1).
(1)
gdzie:
WCV- energia kinetyczna wagonu osobowego
WCP –energia kinetyczna masztu trakcyjnej sieci
jezdnej
WDP- energia plastycznej deformacji masztu trakcyjnego sieci jezdnej
WDV- energia plastycznej deformacji wagonu
osobowego.
Przy prędkości zderzenia wynoszącej 9,4 km/h ( 2,6
m/s) i masie wagonu osobowego w stanie próżnym 44
t, jego energia kinetyczna wynosi WCV=150 kJ. Wychodząc z założenia, że wytrzymałość masztu trakcyjnego sieci jezdnej jest stała, to energię plastycznej
deformacji obliczonej za pomocą oprogramowania
ANSYS w zależności od jego odkształcenia dP wyraża się wzorem:
WDP=1,5·105dP-750 dla dP>0,01 m
(2)
W analogiczny sposób ustalono plastyczną energię
deformacji wagonu wychodząc z założenia, że wielkość deformacji wagonu wynosi dV oraz wielkości
odkształceń plastycznych dV oraz dP są w zależności
proporcjonalnej wg wzoru:
W DV = WDP ⋅
dV
dP
(3)
Energię kinetyczną zgromadzoną w maszcie trakcyjnym sieci jezdnej można ustalić pod warunkiem, że:
wahania prędkości pojazdu mają liniowy
przebieg
prędkość zderzenia zostaje przeniesiona z
wysokości ostoi ( podwozia) wagonu na
maszt sieci trakcyjnej
rodzaj zniszczenia masztu trakcyjnej sieci
jezdnej zależy od wystąpienia plastycznego przegubu na zakotwiczeniu, ponieważ
maszt poza tym przegubem jest sztywny.
16
Rys.1. Zderzenie wagonu osobowego z masztem sieci
trakcyjnej
Kolejnym przypadkiem, który należy rozważyć, jest
uderzenie boczne z przeszkodą w postaci wahadła
( rys.2).
Rys.2. Zderzenie wagonu osobowego z elementem
o masie m w postaci wahadła
Zderzenie z wagonem osobowym wywołuje masa w
postaci wahadła odchylnego od pionu pod kątem α i
przemieszczająca się z pozycji 1 do położenia 2.
Boczna prędkość zderzenia z wagonem osobowym w
pozycji 2 wynosi:
v = 2 gR ⋅ (1 − cos α )
(6)
gdzie:
g- przyspieszenie ziemskie [9,81 m/s2]
R- promień wahadła [m].
Jeśli podstawi się prędkość zderzenia wynoszącą
v=2,6 m/s (9,4 km/h), to wówczas otrzymuje się wysokość H1 po zderzeniu wynoszącą:
H 1 = R ⋅ (1 − cos α ) = 0,345m
(7)
Jeśli przyjmie się, że wysokość H nie wynosi więcej
niż 10 m, wówczas można wyjść z założenia, że R=7
m, co w tym przypadku daje α=18,2º. Ponieważ energia kinetyczna wagonu osobowego w stanie próżnym
o masie 44t przy prędkości v=2,6 m/s jest równa 0,15
MJ, aby wywołać taki sam efekt zderzenia jak w
przypadku poprzednim, musiałaby masa uderzającego
wahadła m odpowiadać masie wagonu osobowego, co
należy zaliczyć do przypadków hipotetycznych i
rzadko spotykanych w rzeczywistości .Taka próba
byłaby interesująca, gdyby chciało się zbadać dynamikę uderzenia skierowanego w stronę manekinów,
znajdujących się po przeciwnej stronie względem
strony bocznej na wysokości zderzenia. Jak wynika z
praktyki, zrealizowanie takiej próby mogłoby się okazać trudne, aby dokonać symulacji zderzenia odpowiadającemu w rzeczywistości deformacji plastycznej, pochłaniającej trzecią część energii tzn. taka próba nie posiada miarodajnej, wystarczającej siły.
Kolejnym zagadnieniem, które należy przeanalizować, jest sformułowanie kryteriów dla bocznego zderzenia nie wywołującego większej deformacji niż 0,3
m, skierowanej do wnętrza pudła wagonu. Jak wynika
z dotychczasowego stanu wiedzy przypadek ten wymaga badań doświadczalnych, aby można było opracować odpowiednie normy w tym zakresie [25].
Jako próby kwalifikacyjne dla pojazdów gwarantujących „pasywne bezpieczeństwo” przed skutkami zderzeń zaproponowano, aby próby zderzenia realizować
jako próby zderzenia czołowego, w formie zderzenia
pociągu jadącego z prędkością 54 km/h (15m/s) na
stojący pociąg w stanie niezahamowanym. Kryteria
odbiorcze odpowiedniego pojazdu zależą od kryteriów biomechanicznych i od kryteriów zachowania
konstrukcji. Kryteria biomechaniczne zostały sformułowane w zależności od wyników pomiarów wykonanych na manekinach, symulujących pasażerów. W
tym przypadku należy zwrócić uwagę na paradoksalną sytuację bezpieczeństwa w komunikacji samochodowej w stosunku do bezpieczeństwa w pojazdach
szynowych. Dzięki rozległym staraniom, dotyczącym
bezpieczeństwa pasażerów przy zderzeniu czołowym i
bocznym, udało się w przemyśle samochodowym
wyprodukowanie bezpiecznych samochodów, pomimo że pomiary dokonane na manekinach wykazały, iż
przyspieszenia przekraczają wartości 100g (981 m/s2).
Jednocześnie w wypadkach kolejowych zdarzały się
ciężkie obrażenia pasażerów, pomimo że obliczone
opóźnienia wykazywały wartości mniejsze niż 10g
(98,1 m/s2). Stąd też wynikła potrzeba opracowania
takich metod obliczeń, które gwarantują brak obrażeń
pasażerów znajdujących się w przedziałach dla podróżnych w przypadku ewentualnego zderzenia pojazdu. Urządzenia wyposażenia wewnętrznego pojazdu muszą być tak ukształtowane, aby obrażenia pasażera przy powtórnym uderzeniu o urządzenie z jego
przedziału były w dopuszczalnych granicach.
2.3. Biomechanika i jej podstawowe pojęcia
Biomechanika jest nauką zachowania się ciała ludzkiego w przypadku działania na niego różnych obciążeń. Biomechanika zderzenia jest częścią składową
biomechaniki, która zajmuje się reakcją ciała ludzkiego na siły i przyspieszenia, wynikające ze zderzenia.
Ten zakres w ogólnym przypadku można podzielić na
trzy dziedziny:
-reakcje mechaniczne
-mechanizm obrażeń
-poziom tolerancji.
W związku z tym zwrócono uwagę w amerykańskich
przepisach na to, że poziom tolerancji amplitudy sygnału przedstawia określony stopień obrażeń, podczas
gdy przy specyfikacji dotyczącej tolerancji chodzi o
ustaloną dowolną odporność na zderzenia. Koncepcja
bezpiecznego wyposażenia odpowiada stopniowi
umiarkowanego lub małego zranienia. Mechaniczne
zachowanie ciała ludzkiego i innych żywych istot
można tak dokładnie uzasadnić, jak innych konstrukcji, jeśli zastosuje się pomiary przyspieszenia, prędkości, przemieszczeń oraz deformacji , a wyniki
pomiarów powiąże się z siłami powodującymi te procesy. Za pomocą jednej ze zmiennych wielkości, które
charakteryzują mechaniczną reakcję, można dokonać
próby oszacowania prawdopodobnej wielkości ewentualnych obrażeń, wskutek czego można ustalić
związek pomiędzy występującymi zmiennymi
wielkościami fizycznymi oraz stopniem obrażeń
pasażerów. Ze względu na wiele organów, z których
składa się ciało człowieka i możliwych rodzajów obciążeń, nie można ustalić żadnego ogólnego kryterium
dla stanu pasażera po zderzeniu. Przy wielu obrażeniach każde z nich posiada swoją własną ważkość i
stosowanie metody superpozycji przez dodawanie
stopni ciężkości nie stwarza żadnego obrazu ogólnego
stanu poszkodowanych. W przypadku wielu obrażeń
każde z nich posiada swój własny stopień ciężkości.
W celu oceny obrażeń z wypadków ulicznych wykorzystuje się tabelę obrażeń, wyrażonych w stopniach
AIS (ang. „Abbreviate Injury Scale”). Odpowiednie
stopnie ( kategorie) AIS są przedstawione w tabeli 2.
17
Zestawienie stopni ( kategorii) obrażeń AIS [25]
Tabela 2
L.p.
Nr kodu
Opis kategorii obrażenia
AIS
1
1
małe
2
2
przeciętne
3
3
poważne
4
4
ciężkie
5
5
krytyczne ( szanse przeżycia
niepewne)
6
6
maksymalne (praktycznie
przypadek śmiertelny)
7
9
nieznane
Porównując obrażenia przy wypadkach ulicznych w
skali AIS należy pamiętać, że np. obrażenie wg kodu
4 nie ma takiego samego znaczenia jak dwa obrażenia
wg kodu 2.
W komunikacji samochodowej, gdzie wypadki występują znacznie częściej, można sporządzić odpowiednie statystyki, aby określić najgroźniejsze części
pojazdu dla pasażera, jednak ich wyników nie można
porównać z wypadkami w pojazdach szynowych ani
ekstrapolować ze względu na różne wyposażenie samochodów ciężarowych i pociągów.
Klasyfikacja sił powodujących urazy głowy i szyi
pasażera
W wyniku przeprowadzonych prac studialnych, dotyczących mechanizmów powodujących obrażenia głowy oraz szyi pasażerów pojazdów szynowych, przyjęto jako zasadnicze dwa rodzaje sił występujących
podczas zderzenia pojazdów szynowych:
- siły przylegania (niem. Berührungskräfte): siły
podczas zderzeń pojazdów szynowych zależne
od przyspieszenia; pojawiają się wtedy, gdy
oparta głowa podczas zderzenia pasażera uderza
o przedmiot i wskutek tego podnosi się lub jest
wprawiona w ruch; wskutek działania tych sił
powstają np. pęknięcia czaszki, stłuczenia i najczęściej krwiaki, ale nie ma żadnych rozległych i
rozproszonych uszkodzeń mózgu
- siły bezwładności (niem. Beharrungskräfte): siły występują w przypadku gwałtownego przyspieszenia lub opóźnienia głowy, wskutek czego
niekonieczny jest styk z przedmiotem, aby wywołać obrażenia; ważna jest identyfikacja rodzaju
przyspieszenia, ponieważ wstrząsy mózgu mogą
powstać tylko podczas przyspieszenia działającego na głowę i skierowanego pod kątem, natomiast
liniowe przyspieszenia mogą spowodować lokalne urazy jak np. stłuczenia karku oraz krwiaki na
głowie i otaczającej go skórze.
Siły powodujące urazy czaszki pasażera przy uderzeniach sztywnych ( nietłumionych) oraz tłumionych są
przedstawione w tabeli 3. Są to wyniki badań laboratoryjnych na małej liczbie próbek, przeprowadzone
dla celów informacyjnych.
Jak wynika z tabeli 3 przy sztywnym, nietłumionym
uderzeniu na kość czołową średnia siła wywołująca
uraz znajduje się na poziomie 6 kN, przy czym
powierzchnie uderzenia poniżej 5 cm2 mogą w tym
przypadku wywołać uszkodzenie czaszki już poniżej
tej wartości. Znaczną rolę w tym przypadku pełni
wykładzina tłumiąca, która znacznie podnosi średnią
wartość powodującą uraz tej części głowy ( o
przynajmniej 22%). Uderzenia skierowane w bok
głowy pasażera (kość ciemieniowa/ kość skroniowa)
są bardziej dotkliwe w skutkach, zwłaszcza z
przedmiotami o małej średnicy, gdzie średnia siła
wynosi najwyżej 4 kN.
W przypadku płaskich powierzchni boczna strona
głowy ( kość skroniowa) wykazuje się podobną
odpornością na uderzenia jak kość czołowa. Wyniki
badań przedstawione w tabeli 3 stanowią wytyczne do
projektowania urządzeń wewnętrznych w pojeździe
samochodowym oraz w pojeździe szynowym, biorąc
pod uwagę kryterium „bezpieczeństwa pasywnego”
pasażera przed skutkami zderzeń.
Siły przylegania powodujące urazy czaszki pasażera podczas zderzenia pojazdów [25]
Tabela 3
L.p.
Rodzaj uderzanej powierzchni/ uderzenia
1.
2.
3.
a
b
c
d
18
Powierzchnia płaska
Powierzchnia wzdłużna
cylindryczna:
∅ 50 mm w kierunku
poprzecznym
∅ 50 mm sagitalna
∅ 15,8 mm w kierunku
poprzecznym
Kula o średnicy ∅ 406
mm
Siła przylegania wywołująca złamanie [N]
W artość średnia
Przedział wartości
Liczba próbek
Sztywne ( nietłumione) uderzenia
Kość czołowa
6360
3910÷11790
6400
5420÷7870
12
6
5600
4220÷7340
7
7120
5470
4180÷8900
3110÷7700
5
5
5250
3690÷6810
5
c.d. Tabeli 3
4.
a
b
c
d
e
5.
Płaska powierzchnia o
małym polu:
Średnica ∅ 29 mm
Średnica ∅ 29 mm
Średnica ∅ 29 mm
Średnica ∅ 15,5 mm
Wypukła powierzchnia
o małym polu wynikającym ze średnicy ∅ 17
mm
5030
6180
5830
7610
4580
3770÷7120
4360÷8850
4140÷9880
4090÷9790
2090÷8900
5
5
7
5
5
4450
2760÷8100
6
Kość ciemieniowa/ kość skroniowa
6.
7.
8.
a
b
c
d
9.
Płaska powierzchnia
Płaska powierzchnia
Płaska powierzchnia o
małym polu:
Średnica ∅ 29 mm
Średnica ∅ 29 mm
mm
5070
8500
3430÷7830
4670÷14590
13
7
3760
3120
5740
3470
3410
2450÷5920
1340÷5920
2220÷9790
620÷6670
1780÷4890
7
8
10
10
7
Kość potyliczna
10.
mm
6410
5120÷9560
5
Uderzenia tłumione
Kość czołowa
11.
Powierzchnia pokryta
wykładziną o własnościach tłumiących:
a
b
11 260
5340÷15100
7
Powierzchnia płaska o
małym
polu
odp.
średnicy Ø 25 mm
7340
4890÷8720
6
3. Kryteria biomechaniczne przed skutkami zderzeń
3.1.Kryteria
dotyczące
uszkodzenia mózgu i
obrażeń
Do oceny stłuczeń gło-wy,
jako skutku działań czysto
liniowych
przyspieszeń,
zaproponowano
najpierw
krzywą tolerancji, przedstawioną na rys.3 [20].
Rys.3. Krzywa przyspieszeń liniowych działających na głowę pasażera
19
Analizując krzywą przedstawioną na rys.3 można
stwierdzić, że uraz głowy jest zależny od wielkości
przyspieszenia działającego w kierunku przód-tył,
wywołanego uderzeniem w kość czołową i mierzonego w rejonie kości potylicznej (sięgającego nawet
wielkości 600 g (5886 m/s2)) oraz czasu jego działania wyrażonego w milisekundach ( max. 12 ms).
Krzywa ta jest znana jako Wayne State University
Tolerance Curve ( w skrócie WSTC) [20] i była przez
długi czas stosowana do oceny niebezpieczeństwa
powstania urazów głowy, pomimo rozlicznych braków, do których zalicza się:
stosowanie różnych metod empirycznych
podczas badań, służących do ustalenia
danych tzn. przy dużych przyspieszeniach
badań dokonywano na zwierzętach, natomiast przy małych przyspieszeniach
krzywa powstała w wyniku badań na
ochotnikach, przy czym ich głowa była
unieruchomiona.
powstały wątpliwości, jak wielkie przyspieszenie może działać na głowę pasażera w przeciągu dłuższego czasu; w wyniku przeprowadzonej korekty asymptota
krzywej WSTC została zwiększona z 42g
(412 m/s2) na 80g (784.8 m/s2).
Kolejnym kryterium, które zostało wprowadzone w
amerykańskiej normie jest tzw. Head Injury Criterion
( HIC), które wyraża zależność wg [1]:
2.5

 1 t2
 
HIC = (t 2 − t1 )
∫ a(t )dt   < 1000 (8)

 (t 2 − t1 ) t1
 

gdzie:
t1 i t2- odpowiednio czas rozpoczęcia i końca
przedziału czasowego wyrażony w
sekundach, w stosunku do którego odnosi się
wskaźnik HIC
a-
przyspieszenie, wyrażone jako krotność
przyspieszenia ziemskiego g, działające na
punkt ciężkości głowy pasażera ( wg
rys.3).
Wskaźnik HIC jest stosowany do wszystkich biomechanicznych kryteriów oceny a mianowicie:
określenia tolerancji dla ludzkiego ciała lub
przeprowadzenia badań wypadków ze zwłokami ludzkimi
zastosowania manekinów do symulacji wypadków na poślizg z dużym opóźnieniem hamowania, przeprowadzenia badań z obiektami
materialnymi wyposażonymi w materiały o
własnościach tłumiących względnie sprawdzenie wszystkich systemów, które zwiększają pasywne bezpieczeństwo pojazdu szynowego
20
numerycznego określenia biomechanicznego
kryterium na podstawie liniowego przyspieszenia, działającego na środek ciężkości
głowy.
Ponieważ wskaźnik HIC wywodzi się z kontrowersyjnej krzywej WSTC, nie można było udzielić mu
powszechnej akceptacji do uniwersalnego zastosowania. Jednym z powodów było nieuwzględnienie przyspieszenia obrotowego, którego występowanie obowiązuje dla większości kryteriów. Pomimo, że obydwa rodzaje przyspieszeń nie powodują tych samych
rodzajów obrażeń, wszystkie ich mechanizmy można
było sprowadzić do wartości liniowego przyspieszenia. Wahania wartości wskaźnika HIC sprowadzają
się nie tylko do różnic pomiędzy przypadkami indywidualnymi, ale również do rodzaju i sposobu, w
których odbywają się wypadki, co obowiązuje zwłaszcza przy doświadczeniach z manekinami. Oprócz tego
zwrócono uwagę na to, że pomiędzy wartościami
wskaźnika HIC i skali AIS nie występuje zamienność,
co było kolejnym argumentem przeciwko jego
zastosowaniu. Kontrowersje wzbudziło zastosowanie
kryterium (progu) bezpieczeństwa na poziomie
HIC=1000 lub HIC=1500. Zwrócono uwagę na to, że
przy zastosowaniu HIC=1000 jest zagwarantowana
ochrona głowy pasażera przy sztywnych uderzeniach
o krótkotrwałym działaniu, podczas gdy próg o
wartości 1500 stanowi dobrą ochronę głowy przy
bezpośrednim czołowym lub bocznym kontakcie jak
również przy rekonstrukcjach wypadków pasażerów z
zapiętymi pasami. Amerykańska norma SAE J885
[20] zaleca próg o wartości 1000, który wykorzystuje
wielu badaczy. Trudno nie zgodzić się ze stwierdzeniem, że o ile nie ma bardziej zadawalającego kryterium o uniwersalnym znaczeniu, wskaźnik HIC może
być zastosowany jako podstawa do wzajemnych porównań rozwiązań. Reasumując, za pomocą wskaźnika HIC można ocenić, czy występuje niebezpieczeństwo powstania obrażeń czy nie, ale nie dostarcza on
stopniowanego oszacowania tego niebezpieczeństwa,
co było powodem poszukiwania następnych, doskonalszych kryteriów.
Inne kryteria wynikały z przyjęcia modelu w kształcie
masy jako bryły sztywnej, elementów sprężystych
oraz tłumiących.
Do innych kryteriów zalicza się:
Wskaźnik Tolerancji JTI ( ang. „ J- Tolerances Index”)
Przerobiony Model Mózgu RBM ( ang. „Revised Brain Model”)
Wskaźnik Rzeczywistego Odkształcenia EDI
( ang. „Effective Displacement Index” )
Wskaźnik Przeciętnego Odkształcenia MSC
(ang. „Mean Strain Criterion”).
Ostatnie kryterium jest jedynym, które nie ma żadnego powiązania z krzywą WSTC. Kryterium przeciętnego odkształcenia MSC jest jedynym liniowym kryterium, które powinno być brane pod uwagę przy
analizach wypadków, ponieważ powstało jako wynik
rozlicznych badań przeprowadzonych na głowach
pasażerów.
Rozwój kryteriów nie został zahamowany wskutek
postępu dalszych badań w tym zakresie. Przykładem
tego jest opracowanie przez zespół badawczy R.L.
Stalnakera kryterium dla powstania urazów głowy,
które polega na przepływie energii (ang. „Translational Energy Criterion”-TEC) [10].Za pomocą „metody
energetycznej” można przewidzieć powstanie zarówno stłuczeń jak również pęknięć czaszki. Jak wynika z
[25], obecny stan wiedzy w tym zakresie nie pozwala
na jednoznaczne stwierdzenie, które kryterium należy
stosować oraz które ma charakter uniwersalny.
Porównując wszystkie kryteria nasuwają się następujące spostrzeżenia:
kryterium wg wskaźnika HIC jest jedynym,
które jest wynikiem rozlicznych badań i za
pomocą którego można ustalić granice jego
zastosowania
w celu ustalenia wymagań dla głowy przy
bocznym uderzeniu można zastosować kryteria HIC, MSC i TEC przy czołowym uderzeniu.
Zespół badawczy Stalnakera zaproponował próg dla
przyspieszenia wynoszącego 20g ( 196.2 m/s2) w czasie działania wynoszącym 20 milisekund [10]. Po
szeregu badaniach eksperymentalnych Huelke i Melwin doszli do wniosku, że ciężkie obrażenia występują przy prędkości zderzenia wynoszącej 33 km/h (9,2
m/s) [2]. W wyniku badań za pomocą miękkiego uderzenia i występujących przy tym krwotoków na bocznej powierzchni głowy osiągnięto wartości HIC od
1300 do 5200 przy wartości przeciętej wynoszącej
2900 HIC. Przy wszystkich wymienionych kryteriach,
przede wszystkim z modelami skierowanymi w jedną
stronę, przyspieszenie obrotowe pozostaje nieuwzględnione, pomimo przyjęcia założenia, że może
ono wywoływać zranienia bez kontaktu z jakąkolwiek
powierzchnią. Również zastosowane przyspieszenie
liniowe może być zakwestionowane, ponieważ ogranicza się ono do środka masy głowy, natomiast w
rzeczywistości kierunki uderzenia nie są centryczne i
wywołują obrót głowy, co jest związane z występowaniem przyspieszenia obrotowego. Można więc
przyjąć założenie, że modele przedstawiają tylko
część uwzględnionych mechanizmów powstawania
obrażeń [1].
3.2. Kryteria dotyczące uszkodzeń kości twarzy i
szyi pasażera
Do najważniejszych kości twarzy należą kości policzkowe i szczęki. Kości te mogą być obciążone oddzielnie lub razem. Z przeprowadzonych badań wynika, że
szkielet twarzy stawia bardzo duży opór, jeśli uderza
on na miękką powierzchnię. Przy prędkościach głowy
wynoszących od 14,4 km/h (4 m/s) do 64,8 km/h (18
m/s) nie stwierdzono ani jednego pęknięcia,przy czym
wartości przyspieszeń znajdowały się poniżej 60g
(588.6 m/s2). W tabeli 4 podano dane dotyczące wytrzymałości kości twarzy pasażera.
Wytrzymałość kości twarzy pasażera ustalona na
drodze eksperymentalnej [25]
Tabela 4
L.p.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Rodzaj
kości
Kość
policzkowa
Kość
policzkowa
Kość
policzkowa
Kość
policzkowa
Kość
jarzmowa
Szczęka
górna
Szczęka
dolna
Żuchwa
Żuchwa
Żuchwa
Żuchwa
Sposób
Siła uderzenia w [N]
uderzenia wartość zakres siły
średnia
Wielkość
próby
losowej
a, b
1717
614÷3470
19
a, c
1665
925÷2850
10
d
1259
845÷1665
5
e
2297
1600÷3360
7
c
1535
925÷2110
17
c
1148
623÷1980
13
b
f
778÷934
f
b
b
c
h
f
f
3100
1918
1558÷1780g
1290÷1445g
890÷4110
818÷3405
f
f
9
9
a- uderzenie kości szczękowej z bliskiej odległości
b- sztywne, płaskie ciało o średnicy Ø 29 mm z wykładziną gąbkową o grubości 5 mm
c- jak w b, przy innej wykładzinie o grubości wynoszącej 5 mm
d- odbojnik o średnicy Ø 29 mm z warstwą tłumiącą
e- odbojnik o średnicy Ø 65 mm z warstwą tłumiącą
f- bliżej nieopisany
g- dolny zakres sił, przy którym nastąpi pęknięcie
h- sztywny, płaski odbojnik o wymiarach 25×100 mm
z wykładziną o grubości 5 mm
21
Analizując bezpośrednie uderzenia na szyję pasażera i
zakres siły, jaki jest ona w stanie przenieść okazuje
się, że przednia część szyi jest tak miękka, iż po przyjęciu uderzenia droga powietrza do płuc może być
łatwo zablokowana. W wyniku przeprowadzonych
prób doświadczalnych okazało się, że występują sporadyczne zjawiska pęknięć tarczycy przy działaniu sił
w przedziale 890 do 1100 N i krtani 770 do 1000 N
[2]. Przy oddzielnie wykonanych próbach na chrząstkach obydwu organów ustalono średnią siłę powodującą pęknięcia na poziomie 180 N dla chrząstki tarczycy oraz 250 N dla krtani. Dla obydwu chrząstek,
które przy 50% zgnieceniu były obciążone za pomocą
urządzenia udarowego o średnicy Ø 38 mm ( pole 11
cm2), zarejestrowano siłę wynoszącą 490 N. Wprawdzie ustalona siła nie była daleka od pełnego ściśnięcia krtani, ale otrzymano wyniki, które odbiegały
znacznie od wyników innych doświadczeń. Próby
przeprowadzone z urządzeniem udarowym o powierzchni 6,5 cm2 i siłą 400 do 450 N prowadziły do
rzadkich pęknięć ww. części ciała.
3.3. Kryteria dotyczące klatki piersiowej i brzucha
Pomiary przeprowadza się, przyjmując jako kryterium
wciśnięcie klatki piersiowej wyrażone w mm lub wyrażone w procentach stłuczenia, biorąc za bazę grubość klatki piersiowej przed przeprowadzeniem badań. Najczęstszym „kryterium Huelkego” przyjmowanym do analiz jest wielkość wciśnięcia wynosząca
maksymalnie 44 mm, aby uniknąć złamania żeber.
Natomiast przy wciśnięciu wynoszącym 64 do 76 mm
należy liczyć się z poważnymi obrażeniami zakwalifikowanymi jako 3-ciego stopnia w skali AIS [2].
Innym kryterium wystąpienia wewnętrznych obrażeń
przyjętym przez Verriesta i Chapona jak również Viano i Lau jest stosunek wciśnięcia do początkowej
grubości klatki piersiowej wynoszący maksimum 0,4
[3, 11,12,13,14 i 15]. Doświadczenia przeprowadzone
z ochotnikami pokazały, że wciśnięcie klatki o 20 %
jest niegroźne i jest całkowicie odwracalne, natomiast
podczas badań na zwłokach ludzkich przy 40 % wciśnięciu stwierdzono bardzo liczne złamania żeber
klatki piersiowej. W następstwie tego zaproponowano
górną granicę wciśnięcia klatki piersiowej wynoszącą
35%. (ang. „maximal chest compression”).
Podczas uderzenia czołowego w klatkę piersiową,
zamiast głębokości wciśnięcia można mierzyć też
przyspieszenie w rejonie kręgosłupa. Jako kryterium
zaleca się maksymalne przyspieszenie wynoszące 60g
(588,6 m/s2) w czasie 3 ms. Powyższe kryterium
można skonfrontować z innymi danymi literaturowymi, wg których w przypadku akrobaty skaczącego z
wysokości 17,4 m na materac przyspieszenie działające na kręgosłup wynosi 46 g (451 m/s2), natomiast
kiedy upada on na brzuch, zmierzono na mostku przyspieszenie wynoszące 380 g ( 3727 m/s2) i na kręgosłupie 68 g ( 667 m/s2). Przy badaniu serii uderzeń na
22
klatkę piersiową wykryto, że maksymalne przyspieszenie kręgosłupa na wysokości klatki piersiowej jest
gorszym kryterium rozstrzygającym o ewentualnym
występowaniu obrażeń i powinno ono być zastąpione
przez maksymalne wciśnięcie klatki piersiowej.
3.4. Ocena kryteriów biomechanicznych
Kryteria biomechaniczne dla klatki piersiowej sprowadzają się do:
kryterium VC ( ang. „Viscous Criterion”)
opracowane na bazie energii pochłoniętej
przez klatkę piersiową, uwzględnia prędkość
jej deformacji; wychodzi się tutaj z założenia,
że przy prędkości odkształcenia mniejszej niż
3 m/s ( 10,8 km/h) można zastosować kryterium maksymalnego wciśnięcia. Ze względu
na wiskotyczność klatki piersiowej prędkość
odkształcenia ma duży wpływ na zakres wciśnięcia i tym samym na niebezpieczeństwo
zranienia miękkich tkanek ciała.
Kryterium VC można wyrazić za pomocą
wzoru:
VC = y& ⋅
y
D
(9)
V = y& i C =
y
D
(10)
gdzie:
oraz:
D-grubość klatki piersiowej przed zderzeniem
y- chwilowe odkształcenie (wciśnięcie) klatki
piersiowej
&y -chwilowa prędkość deformacji klatki
piersiowej.
kryterium TTI ( ang. „Thoraric Trauma Index”) opracowane na statystycznych badaniach 49 wypadków śmiertelnych; definiuje
się je za pomocą wzoru:
TTI = 1,4 Ae +
0,5 ⋅ (Re + S e )
⋅Me
75
(11)
gdzie:
Ae-wiek (rocznik) pasażera
e- wskaźnik równoważny dla ofiar śmiertelnych i manekinów
Me-masa pasażera [kg]
Re- maksymalne efektywne przyspieszenie
żebra [ g]
Se- maksymalne boczne przyspieszenie kręgosłupa [g].
Kryterium VC jest przeznaczone głównie do analizy
wystąpienia ewentualnych obrażeń, wynikających z
czołowego uderzenia w klatkę piersiową pasażera.
Obydwa kryteria VC i TTI są stosowane do analiz
skutków wypadków wynikających z bocznych uderzeń.
Kryteria biomechaniczne można stosować tylko do
określonego zakresu ludzkiego ciała i w ogólnym
przypadku tylko dla określonego rodzaju obrażeń.
Ofiara wypadku cierpi jednak zwykle z powodu zróżnicowanych obrażeń doznanych podczas wypadku,
które działając jednocześnie mogą się jeszcze bardziej
pogłębiać. Nie można stosować tylko jednego kryterium dla jednej części ciała. O wiele bardziej należy
się troszczyć o całkowitą ochronę pasażera. Na przykładzie transportu samochodowego okazuje się, że
wartości wskaźnika HIC można zmniejszyć, jeśli
przyjmie się, że pasażer posiada zapięty pas w rejonie
podbrzusza. W tym przypadku jednak bardziej obciążone są kości uda. W przypadku komunikacji kolejowej należy uwzględnić inne rozwiązania niż w komunikacji samochodowej, ponieważ pasażerowie nie
posiadają pasów bezpieczeństwa. W tym przypadku
nie trzeba uwzględniać sił wywieranych na podbrzusze ani też obciążeń na nogi. W rzeczywistości kinematyka podróżnych pociągu zmusza do tego, aby
uwzględniać ochronę tych części ciała, które nie są
obciążone w komunikacji samochodowej.
Dla celów informacyjnych kryteria biomechaniczne
obowiązujące w transporcie samochodowym przedstawiono w tabeli 5 [25].
Zestawienie kryteriów biomechanicznych dla poszczególnych części ciała pasażera w komunikacji samochodowej
Tabela 5
L.p.
Część ciała
Kryterium bezpieczeństwa
Wartość
1.
Głowa
1,0
2.
Szyja
Wartość wskaźnika
GAMBIT
Moment zginający
3.
Klatka piersiowa
Nacisk wywołujący wciśnięcie
40 mm
4.
Ramiona
Siła kontaktu na rękach
3,8 kN
5.
Podbrzusze
Przyspieszenie miednicy
(α>20o)
13,0 g
6.
Podbrzusze
Przyspieszenie miednicy
(α≤20o)
80,0 g
7.
Nogi
Siła kontaktu działająca
na nogi
10,0 kN
370, 0
Nm
4. Wytyczne do konstruowania pojazdów szynowych w komunikacji osobowej, zabezpieczające pasażera przed obrażeniami w
przypadku zderzeń
W celu sformułowania wytycznych do konstruowania
pojazdów szynowych w komunikacji osobowej, które
mają zagwarantować bezpieczeństwo pasażera podczas zderzeń, przeprowadzono obliczenia symulacyjne dla 24 przypadków różnych konfiguracji zderzeń
[25]. W oparciu o wyniki obliczeń sformułowano
następujące wymagania wytrzymałościowe dla
prędkości zderzenia 54 km/h (15 m/s):
- zderzaki powinny być przystosowane do
przeniesienia siły wynoszącej 1500 kN, co
odpowiada obecnym wymaganiom technicznym, stawianym pojazdom i zarazem umożliwia maksymalne zastosowanie zróżnicowania sztywności poszczególnych elementów
pociągu; powyżej siły 1500 kN mogą wystąpić pęknięcia elementów mocowania zderzaków, jednakże bez wystąpienia uszkodzeń
końców pudła pojazdu
- należy zastosować wymienialne elementy
pochłaniające energię z odpowiednią długością deformacji, zainstalowane za zderzakami, do przeniesienia siły do 1750 kN tak, aby
umożliwić zadziałanie urządzeń zapobiegających uniesieniu się pojazdu; powyżej 1750
kN następuje zgniot elementów pochłaniających (ang. „crashelemente”)
- strefy pojazdu, w których są dopuszczalne
pęknięcia ( niem. „Sollbruchbereiche”) powinny być zaprojektowane na bezpieczne
przeniesienie siły wynoszącej 2000 kN; powyżej tej siły następuje zgniot elementów
poprzez plastyczne odkształcenie końców
pudła wagonu
- strefy przedziałów dla podróżnych należy
projektować tak, aby mogły przenieść siłę
4000 kN.
Ww. wymagania nie powinny powodować rozwoju
pojazdów o dużej masie własnej. Ponadto stwierdzono, że jeśli prędkość zderzenia przekracza 30 km/h
(8.33 m/s2), wówczas wzrasta niebezpieczeństwo
utraty zdrowia i życia przez pasażerów co najmniej o
50% (przy stopniu AIS >3). Przy projektowaniu pudeł
wagonów osobowych zaleca się, aby podczas zderzenia został zrealizowany „ ich stopniowy zgniot”, co
można uzyskać przez przejście z jednej strefy do drugiej przy zastosowaniu współczynnika bezpieczeństwa wynoszącego 1,5 do 2. Jeśli przyjmie się, że
wytrzymałość czołownicy ostoi wagonu jest ograniczona do 2000 kN, to wówczas strefa dopuszczalnych
pęknięć występuje w zakresie 3000 do 4000 kN, a
następne przedziały dla podróżnych podlegają trwałym deformacjom przy działaniu sił 4500 do 6000
kN.
W przypadku zderzenia pojazdów o podobnej konstrukcji na prostym odcinku toru kolejowego:
- przy prędkościach nabiegania poniżej
14,4 km/h (4,0 m/s):
♦ przy prędkości mniejszej niż 14,4 km/h
energia zderzenia musi być pochłonięta
w ramach przewidzianego skoku zderzaków lub sprzęgu samoczynnego
23
♦
-
-
przy prędkości mniejszej niż 7,2 km/h
(2,0 m/s) maksymalne przyspieszenie
wzdłużne w pudle wagonu pojazdu nie
może przekroczyć 2g (19,62 m/s2)
♦ przy prędkości zawierającej się w przedziale 7,2 do 14,4 km/h maksymalne
przyspieszenie wzdłużne w pudle wagonu pojazdu nie może przekroczyć 3g
(29,43 m/s2)
♦ poniżej prędkości 14,4 km/h żaden z
pasażerów nie może doznać jakichkolwiek obrażeń.
przy prędkościach nabiegania większych
od 14,4 km/h (4.0 m/s) i mniejszych od
28,8 km/h (8m/s):
♦ przy prędkości większej niż 14,4 km/h
energia zderzenia nie jest już pochłaniana przez sprzęg
♦ przy prędkościach większych niż 14,4
km/h i mniejszych niż 28,8 km/h musi
być uniemożliwione podnoszenie się pojazdu przez zastosowanie odpowiednich
urządzeń zabezpieczających pojazd
przed „unoszeniem się”; funkcja oraz
wydajność tych urządzeń musi być zachowana przez cały czas zmiany wysokości pojazdu szynowego podczas eksploatacji, spowodowanej między innymi
przemieszczeniami dynamicznymi
♦ przy prędkościach, które nie przekraczają 28,8 km/h energia zderzenia musi być
pochłonięta przez urządzenie pochłaniąjąco-zderzne, które można łatwo wymienić; maksymalne przyspieszenie
wzdłużne nie może przekroczyć 5g
(49,05 m/s2)
przy prędkościach nabiegania większych
od 28,8 km/h (8 m/s) i mniejszych od 65
km/h ( 18 m/s):
♦ przy prędkości mniejszej niż 65 km/h
energia zderzenia musi być przejęta
łącznie przez zderzaki, elementy zderzno-pochłaniąjące jak również stopniowe odkształcenie pudła wagonu; odkształcenie pudła wagonu nie może
przekroczyć 1000 mm
24
♦ dla maszynisty musi być przewidziana
bezpieczna przestrzeń, gwarantująca
przeżycie.
Przy prędkości większej od 65 km/h (18 m/s) występuje katastrofa kolejowa i nie podaje się wytycznych.
Podczas konstrukcji wewnętrznego wyposażenia pojazdu należy przestrzegać następujących zasad:
-
-
pokrycie wszystkich metalowych powierzchni za pomocą elastycznej wykładziny
bardzo często stosowane ściany szklane muszą być poddane kontrolnym testom z uwagi
na bezpieczeństwo dla pasażerów podczas
zderzeń
nie należy stosować przedmiotów o ostrych
krawędziach
w przypadku przedziałów bagażowych należy stosować ścianki działowe, aby uniemożliwić upadek bagażu na pasażera
wykonać szczególną kontrolę pod kątem
sprawdzenia, czy składane stoliki stwarzają
niebezpieczeństwo dla podbrzusza pasażera.
Ważnym elementem wyposażenia wewnętrznego jest
siedzenie pasażera, które zgodnie z kartą UIC 567
[18] musi wytrzymać siłę wzdłużną wynoszącą 1500
N lub przyspieszenie 2g (19,62 m/s2) przy masie pasażera 75 kg. W tym przypadku wychodzi się z założenia, że całą masę podróżnego przenosi oparcie siedzenia, co nie ma całkowitego potwierdzenia w rzeczywistości. Jak wynika z analiz doświadczalnych, na
pasażera może działać składowa siła bezwładności na
wysokości 2/3 oparcia, w kierunku wzdłużnym i osiągająca maksymalną wartość 2250 N, co odpowiada
maksymalnemu opóźnieniu wynoszącemu 3g (29,43
m/s2). Ww. wartość siły wynika z równania równowagi momentów sił względem dolnej krawędzi oparcia siedzenia. Ten przypadek występuje wtedy, gdy
miejsce siedzące jest obrócone w kierunku przeciwnym do kierunku jazdy. Jak wynika z obecnego stanu
obowiązujących dokumentów, przypadek ten nie został uwzględniony w przepisach jako obligatoryjny.
Przykłady nowoczesnych konstrukcji tramwajowych
wyposażonych w elementy pochłaniająco-zderzne
oraz w urządzenia zabezpieczające pojazd przed
„wspinaniem się” są przedstawione na rys. 4 i 5 [16].
Rys.4. Nowoczesne rozwiązanie konstrukcji kabiny tramwajowej z wewnętrznymi oraz zewnętrznymi „strefami
deformacji” w przypadku zderzeń (zaprojektowanej przez Bombardier Transportation Portugal, producent:
Ansoldo Breda Pistola)
a
b
Rys.5. Konstrukcja kabiny tramwajowej firmy Alstom ( La Rochelle)
a) widok konstrukcji przed zderzeniem
b) widok konstrukcji po zderzeniu ( kabina częściowo odkształcona, strefa drzwi niezdeformowana)
25
5. Zakończenie
Kryteria oceny przy zderzeniach dla pojazdów szynowych komunikacji osobowej mają odmienny charakter niż dla wagonów towarowych [4,5 i 6] i wynikają ze specyfiki, związanej z zapewnieniem bezpieczeństwa dla pasażerów i personelu obsługującego
przed obrażeniami w trakcie zderzeń. Ważną rolę
pełnią tutaj kryteria biomechaniczne, za pomocą których można dokonać kwalifikacji urządzeń wewnętrznych, przy uwzględnieniu bezpieczeństwa podróżnych. Przyjmuje się założenie, że teoretycznie da się
oszacować, jak ciężkie w skutkach jest zderzenie i jak
działa na ciało ludzkie. Rozpatrując problematykę
zderzeń pojazdów szynowych bezspornym jest fakt,
że najcięższym zderzeniem jest zderzenie czołowe,
które można podzielić na trzy kategorie:
- czyste zderzenie czołowe
- czołowe zderzenie z „unoszeniem się” pojazdu
- czołowe zderzenie połączone z niestabilnością
pociągu i wykolejeniem.
Pierwsza kategoria zderzeń należy do tych, które konstruktor może najlepiej opanować. W tym przypadku
chodzi o to, aby wykorzystać wszystkie możliwe strefy „odkształcalne” pojazdu, w celu pochłonięcia energii zderzenia bez występowania odkształceń przedziałów dla podróżnych. Koncepcja stref pojazdu przeznaczonych do zniszczenia umożliwia lepsze zabezpieczenie wagonu przed skutkami zderzeń.
Drugą kategorię zderzeń określa się mianem katastrofy kolejowej i należy na ścianach czołowych pojazdu
przewidzieć zabudowę urządzeń zapobiegających
„unoszeniu się” wagonu.
Trzecia kategoria zderzeń występuje przy wysokich
prędkościach i stanowi poważną katastrofę kolejową.
Jeśli pojazd ulega wykolejeniu w wyniku zderzenia,
to istnieje bardzo duże prawdopodobieństwo ponownego zderzenia z elementem budowli stałej infrastruktury kolejowej np. słupem trakcyjnym ( boczne zderzenie pojazdu szynowego).
Istotną zaletą pojazdu szynowego w stosunku do samochodu jest to, że pojazd szynowy może przejąć
znacznie większą energię zderzenia, wykazując odkształcenia trwałe. Z tego powodu podróżni w samochodzie są zobowiązani do korzystania z pasów bezpieczeństwa, aby zwiększyć szanse przeżycia w wyniku zderzenia. Podróżni w pojazdach szynowych są
narażeni na umiarkowane przyspieszenia, które nie
powodują konieczności stosowania pasów bezpieczeństwa.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
Balas M., Ramet M.: Les mécanismes des liaisons cérébrales par choc et les problèmes de
leur évaluation. Rapport INRETS No 79 1988.
Huelke D.F., Melvin J.W.: Anatomy injury frequency, biomechanics and human tolerance.
SAE paper nr 800098, 1980.
Lau I.V., Viano I.V.: The viscous criterion.
Bases and applications of an injury severity index for soft tissues. SAE Paper. Proceedings of
the 30 th Stapp Car Crash Conference. San
Diego, 1986.
Nowicki J., Sobaś M.: Kryteria oceny zabezpieczenia pojazdów szynowych przed skutkami
zderzeń. Pojazdy Szynowe nr 3/2006.
Nowicki J., Sobaś M.: Wymagania stawiane
elementom pochłaniającym energię zderzenia w
wagonach-cysternach. Pojazdy Szynowe nr
4/2006.
Nowicki J., Sobaś M.: Przedsięwzięcia materiałowe i konstrukcyjne zwiększające bezpieczeństwo pojazdów szynowych przed skutkami zderzeń. Pojazdy Szynowe nr 1/2007.
Scholes A.: Railway passenger vehicle design
loads and structural crashworthiness. Proc.
Instn. Mech. Engrs., 1987.
Soltis S.J., Olcott J.W.: The development of
dynamic performance standards for general
aviation aircraft seats. SAE Paper.Crash dynamics of general aviation aircraft. 1985.
Stalnaker R.L., Lin A.C., Guenther D.A.: The
Application of the New Mean Strain Criterion.
IRCOBI /AAAM Conf. on the Biomechanics of
Impacts. Göteborg, Sweden 1985.
Stalnaker R.L. Low T.C., Lin A.C.: Translation
energy criteria and its correlation with head injury in the sub-human primate. IRCOBI Conf.
on the Biomechanics of Impacts. Birmingham,
United Kingdom, 1987.
Verriest J., Chapon A.: Validity of thoracic
injury criteria based on the number of rib factures. 10 th Experimental Safety Vehicle Conf.
Oxford-England 1985.
Viano D.C., Lau I.V.: Role of impact velocity
and chest compression in thoracic injury. Aviat.
Space Enviro. Med. nr 54, 1985.
Viano D.C., Lau I.V.: Thoraric impact: a viscous tolerance criterion. 10 th Experimental
Safety Vehicle Conf. Oxford-England 1985.
Viano D.C.: Limits and challenges of crash
protection. Accident Anal. 1988.
[15] Wang J.T.: Analytical studies of injury criteria
for the thorax. Journal of Biomechanical
Engineering Nr 111, 1985.
26
[16]
Wolter W.: Kollisionssichere Schienenfahrzeuge –Empfehlungen für Hersteller und
Betreiber. ZEV Rail. Glasers Annalen Nr.
128. Tagungsband Graz 2004.
[17] Karta UIC 566: Obciążenia pudeł wagonów
pasażerskich i ich części dobudowanych.3-cie
wydanie z 1.01.1990 z uzupełnieniem z
1.07.1994
[18]
Karta UIC 567: Postanowienia ogólne dla
wagonów osobowych. 2-gie wydanie z
11.2004.
[19]
Norma SAE J374: Passenger car roof crush
test procedure. Styczeń 1980.
[20] Norma SAE J885: Human tolerance to impact
conditions as related to motor vehicle design.
Lipiec 1986.
[21]
Norma SAE J 996: Inverted vehicle drop test
procedure. Styczeń 1980.
[22] pr EN 15 227: Kolejnictwo. Wymagania odpornościowe na zderzenia nadwozi pojazdów
szynowych. (Railway applications. Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies). Kwiecień 2005.
[23] Raport ERRI B205/Rp.1 Podstawowe zasady
bezpieczeństwa przed skutkami zderzeń
pojazdów szynowych. Załącznik 1 do pisma B
205.97 z 5.12.1994. ( Leitende Grundsätze der
Aufprallsicherheit von Eisenbahnfahrzeugen).
Utrecht, listopad 1994.
[24] Raport ERRI B205/Rp.1 Podstawowe zasady bezpieczeństwa przed skutkami zderzeń pojazdów
szynowych.(Leitende Grundsätze der Aufprallsicherheit von Eisenbahnfahrzeugen). Utrecht,
luty 1995.
[25] Raport ERRI B 106/Rp.20: Wytrzymałość na zderzenia pudła wagonu osobowego. Oddziaływania zderzeń zdeterminowanych wypadkiem na
wagony osobowe. Zalecenia warunków technicznych dostawy. ( Stossfestigkeit des Wagenkastens von Reisezugwagen. Auswirkungen unfallbedingter Stösse auf Untersuchung. Vorschläge für technische Lieferbedingungen ). Utrecht 12/1993
27
dr inż. Piotr Boguś
Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”
Akademia Medyczna w Gdańsku
mgr inż. Adam Sienicki
mgr inż. Estera Wojciechowska
Porównanie stanu silnika lokomotywy spalinowej ST44
przed i po remoncie przy użyciu sygnału wibroakustycznego
Artykuł przedstawia opis badań przeprowadzonych na silniku lokomotywy spalinowej
ST44-2045 analizujących jego stan przed i po remoncie przy wykorzystaniu sygnałów
wibroakustycznych. Podano metodykę i zakres przeprowadzonych pomiarów. Dokonano opisu aparatury pomiarowej wykorzystanej do pozyskania sygnału przyspieszenia
oraz zaprezentowano wybrane wyniki analizy sygnałów wibroakustycznych, obejmujące wykorzystanie parametrów statystycznych, widm FFT, analizę nieliniową oraz metody chwilowe z wykorzystaniem technik rozpoznawania obrazów.
Artykuł powstał w wyniku realizacji projektu badawczego KBN nr 5 T12D 011 25 pt.
„Diagnostyka OBD silników spalinowych pojazdów szynowych przy użyciu wybranych
metod przetwarzania sygnałów”
1. Wstęp
Silnik spalinowy, jak wszystkie urządzenia mechaniczne, podlega zużyciu i starzeniu. Istnieje więc
konieczność oceny stanu technicznego silnika w każdej chwili jego życia. Typowa diagnostyka, jako narzędzie, oprócz oceny stanu technicznego ma także za
zadanie zlokalizowanie źródła uszkodzenia.
Diagnostyka pojazdów szynowych ma stosunkowa krótką historię. Jej dynamiczny rozwój zaczął się
dopiero w połowie lat siedemdziesiątych XX wieku,
kiedy zaczęła zmniejszać się (aż do zupełnego zaniku)
liczba parowozów, które zostały zastąpione bardziej
złożonymi lokomotywami spalinowymi i elektrycznymi. Nastąpił również dynamiczny rozwój technik
komputerowych sterujących prowadzonymi badaniami i pomiarami, a także oceniającymi ich wyniki.
Zaprezentowane wyniki obejmują zastosowanie
wybranych metod przetwarzania sygnałów do diagnostyki silników spalinowych pojazdów szynowych.
Przeprowadzone badania polegały na porównaniu
sygnału wibroakustycznego uzyskanego z silników
lokomotyw spalinowych przed i po naprawie rewizyjnej (remoncie).
Pozyskane w takich warunkach sygnały wibroakustyczne zostały następnie poddane wybranym metodom analizy i przetwarzania sygnałów. Oprócz klasycznego podejścia (takiego jak np. metody Fourierowskie) w badaniach zastosowano nowoczesne metody oparte na analizie nieliniowej oraz chwilowej.
Metody analizy nieliniowej bazują na teorii chaosu
deterministycznego i są obecnie z powodzeniem stosowane do analizy sygnałów, w tym również sygnałów wibroakustycznych, pozyskanych z silnika spalinowego [1,3,5,9,10,13,14,15 i 19].
28
Metody nieliniowe, tak samo zresztą jak metody
Fourierowskie, dają całościową charakterystykę sygnału,jednak nie pokazują chwilowych zmian w widmie oraz innych właściwościach sygnału. W związku
z tym przeprowadzono również badania w zakresie
metod chwilowych, które były już z powodzeniem
stosowane do oceny wypadania zapłonu silnika spalinowego lokomotywy [4,6,7 i 8]. Zaproponowana metoda polega na analizie wybranych parametrów (w
tym również parametrów nieliniowych) w przesuwającym się wzdłuż sygnału oknie czasowym. Ewolucja
czasowa tych własności jest następnie reprezentowana
w wielowymiarowej przestrzeni parametrów, gdzie
wybrane stany silnika są wykrywane z wykorzystaniem metody grupowania danych.
2. Aparatura pomiarowa
Pomiary przyspieszeń na silnikach lokomotyw
przed remontem wykonano za pomocą czujników
przyspieszeń serii EGCS firmy Entran Devices (rys.1)
o zakresie ±5g, z których sygnał rejestrowany był za
pomocą karty analogowo – cyfrowej PCL-818HD
firmy ADVANTECH z częstotliwością próbkowania
fHz =1004,0161 Hz /kanał.
Pomiary silników lokomotyw ST44 2045/2061 po
naprawie wykonano również wymienionymi czujnikami EGCS oraz dodatkowo nowymi czujnikami
PCB PIEZOELECTRONICS model 393B04 (rys.2),
dla których sygnał wzmacniany był przenośnym 3kanałowym kondycjonerem sygnału ICP (rys.3) i dalej
rejestrowany za pomocą karty analogowo – cyfrowej.
Rys. 1. Czujnik przyspieszeń firmy
Entran
Rys. 4. Lokomotywa spalinowa ST44-2045 przy stacji diagnostycznej
Lokomotywa spalinowa serii ST44 (rys. 4) ma sześć zestawów
kołowych, umieszczonych na dwóch wózkach. Wszystkie zestawy
kołowe są napędowe i każdy z nich jest napędzany oddzielnym elektrycznym silnikiem trakcyjnym. Zadaniem przekładni elektrycznej
jest przeniesienie momentu obrotowego od spalinowego silnika wysokoprężnego na zestawy kołowe lokomotywy.
Rys. 2. Czujnik przyspieszeń PCB
Główne parametry techniczne lokomotywy podano w tabeli 1.
Główne parametry techniczne lokomotywy spalinowej
ST44 (M62)
Tabela 1
L.p
Nazwa parametru
1
2
3
4
Układ osi
Szerokość toru
Długość ze zderzakami
Masa lokomotywy w
stanie służbowym
Największy nacisk
zestawu kołowego na
szyny
Prędkość maksymalna
Moc silnika spalinowego
Znamionowa prędkość
obrotowa silnika spalinowego
Prędkość obrotowa
biegu jałowego silnika
spalinowego
Jednostkowe zużycie
oleju napędowego
Pobór mocy z silnika
spalinowego przez
urządzenia pomocnicze
Zapas oleju napędowego
Moc prądnicy głównej
Moc silnika trakcyjnego(ciągła)
5
Rys. 3. Trójkanałowy kondycjoner sygnału ICP
6
7
3. Obiekt badań – lokomotywa spalinowoelektryczna ST44-2045
8
Rosnące przewozy towarowe spowodowały konieczność zakupienia nowoczesnych lokomotyw spalinowych dużej mocy. Umowa na dostawę takich lokomotyw została podpisana w 1965 z byłym Związkiem
Radzieckim. Dostawcą lokomotyw była fabryka w
Ługańsku. Początkowo zakupiono cztery lokomotywy, które skierowano do pracy w rejonie stacji Warszawa-Praga. Ponieważ na tamte czasy lokomotywy te
okazały się bardzo dobre, złożono zamówienie na
dostawę o łącznej ilości 1182 lokomotyw. Część z
lokomotyw została zakupiona specjalnie do obsługi
Linii Hutniczo-Siarkowej; lokomotywy te są oznaczone numerami od 2001 do 2068.
9
10
11
12
13
14
Oznaczenie i wartość parametru
Co Co
1435 mm
17550 mm
116,5 t
190 kN
100 km/h
1470 kW(2000
KM)
750obr/min
400obr/min
215g/kWh
193 kW (263 KM)
3900 l
1270kW
190kW
29
Lokomotywy pracujące na linii LHS posiadają
wózki na tor 1520 mm. Lokomotywy te pracują w
trakcji wielokrotnej, prowadząc pociągi o masie do
6000 t. Ponadto w eksploatacji znajdowała się lokomotywa ST44-1500, która posiadała prototypowe
wózki o konstrukcji bezwidłowej.
Lokomotywy serii ST44 zostały skonstruowane
według określonych specyficznych założeń. Jako parametry priorytetowe przyjęto prostotę budowy i obsługi, łatwość uruchamiania w każdych warunkach
eksploatacji i dużą siłę pociągową. Lokomotywy stanowiły zunifikowany spalinowy pojazd trakcyjny dla
kolei we wszystkich krajach byłego RWPG. Takie
założenia potwierdziły się w praktyce i miały swoje
zalety w okresie intensywnego ruchu towarowego na
PKP. Lokomotywa ST44 okazała
się niezastąpioną w ciężkich warunkach zimowych. Brak jakichkolwiek zabezpieczeń ze strony
prądnicy głównej i silników trakcyjnych spowodował, że lokomotywy te bez problemów radziły
sobie z najcięższymi pociągami
poruszającymi się po sieci PKP.
4. Pomiary przyspieszeń na silniku lokomotywy ST44-2045 przed i po naprawie rewizyjnej
Niestety tego rodzaju konstrukcja ma również
poważne wady, które w obecnych warunkach
właściwie dyskwalifikują te pojazdy. Do wad
lokomotywy ST44 należą:
• prymitywny dwusuwowy silnik spalinowy,
zaadaptowany bez większych zmian z lekkich
jednostek morskich i nie odbiegające od
innych lokomotyw deklarowane zużycie
paliwa, które w praktyce okazało się znacznie
większe przy niewielkich obciążeniach
lokomotywy
• niewielki w odniesieniu do zużycia zbiornik
paliwa, co w odczuwalny sposób zmniejsza
zasięg lokomotywy (był to poważny problem
w pierwszych latach eksploatacji na LHS)
• znaczna emisja toksycznych spalin i duża
emisja hałasu
• uszkodzenia uszczelnień układu chłodzenia
silnika spalinowego
• mało elastyczne zawieszenie, powodujące
podwyższone zużycie torów podczas jazdy.
Na PKP lokomotywy te są systematycznie wycofywane z eksploatacji tam, gdzie nie jest wymagane
ich użycie. Z ilości 1182 lokomotyw pozostało obecnie około 250 sztuk. W niektórych krajach jak Niemcy
i Węgry lokomotywy te zostały zmodernizowane.
Uzyskały nowy silnik spalinowy amerykańskiej firmy
Caterpilar, sterowanie mikroprocesorowe oraz nową
kabinę maszynisty. PKP nie przewidują modernizacji
tych lokomotyw, poza taborem pracującym na szerokotorowej linii LHS. Lokomotywy te cieszą się natomiast dużym zaufaniem u prywatnych przewoźników
i z chęcią są przez nich kupowane [16].
Rys. 5. Rozmieszczenie punktów pomiarowych
30
4.1.Badania lokomotywy ST44-2045 przed remontem, październik 2005
Pomiary przyspieszeń na silniku lokomotywy
ST44-2045 przed i po naprawie rewizyjnej wykonano
w stacji diagnostycznej w Zamościu. Obiektem badań
był silnik spalinowy typu 14D40 nr 8849. Zgodnie z
książką pokładową lokomotywy, jej przebieg przed
remontem (stan na 27.10.2005) wynosił 575917 km.
Pomiary wykonywane były pod obciążeniem (na
oporniku wodnym) dla odpowiednio dostosowanych
mocy w wyznaczonych punktach pomiarowych. W
trakcie badań wykonano pomiary w 7 punktach rozmieszczonych wg rys. 5.
Czujniki mocowano na korpusie silnika w miejscach odpowiadających łożyskowaniu wału korbowego silnika (rys.6a). Każdy punkt pomiarowy rejestrował przyspieszenia w dwóch kierunkach: pionowym
oraz poziomym poprzecznym (rys.6b). Dla każdego
wyznaczonego punktu wykonano dwie serie pomiarowe.
Ze względu na dysponowanie ograniczoną liczbą
czujników pomiarowych jednorazowo wykonywano
pomiary w trzech punktach pomiarowych. Oznacza to,
iż na każdej lokomotywie wykonano 3 serie pomiarów
powtarzając je 2-krotnie. Wartości mocy i prędkości
obrotowych odpowiadające nastawom wziętym do
analizy przedstawiono w tabelach 2, 3 i 4.
Rys.6a
Rys.6b
Rys. 6. Miejsca łożyskowania wału korbowego (6a) oraz
czujniki umiejscowione w punkcie pomiarowym (6b)
Nastawy (moc i prędkość obrotowa) dla lokomotywy
ST44-2045 przed remontem (punkty 1,2,3 próba 1 i 2)
Tabela 2
Próba 1
Nastawa
Moc
[kW]
2
15
244
903
Próba 2
Prędkość
obrotowa
wału korbowego
[obr/min]
409
701
Nastawa
Moc
[kW]
2
15
234
909
Prędkość
obrotowa
wału korbowego
[obr/min]
4.2. Badania lokomotywy ST44 po remoncie
Na przełomie roku 2005/2006 lokomotywa ST442045 (rys. 4) przeszła naprawę rewizyjną o zakresie
prac, obejmującym przegląd podzespołów i zespołów
połączony z częściowym ich demontażem z pojazdu
trakcyjnego oraz naprawę lub wymianę elementów
zużytych bądź uszkodzonych, zgodnie z [11]. Przebieg lokomotywy po naprawie (stan na 31.03.2006)
wynosił 131 km.
Obiektem badań był ten sam silnik spalinowy typu 14D40 nr 8849 (ST44-2045) po remoncie. Pomiary
wykonywane były pod obciążeniem (na oporniku
wodnym) dla odpowiednio dostosowanych mocy w
wyznaczonych punktach pomiarowych.
W trakcie badań wykonano pomiary w 6 punktach
(rys. 7 i 8). Czujniki mocowano na korpusie silnika w
miejscach odpowiadających łożyskowaniu wału korbowego silnika. Każdy punkt pomiarowy rejestrował
przyspieszenia w dwóch kierunkach: pionowym
(czujniki Entran) oraz poziomym poprzecznym (czujniki PCB). Dla każdego wyznaczonego punktu wykonano dwie serie pomiarowe. Wartości mocy i prędkości obrotowych, odpowiadające nastawom wziętym do
analizy, przedstawiono w tabeli 5
409
703
Tabela 3
Próba 1
Próba 2
Prędkość
Prędkość
obrotowa
Moc obrotowa
Nastawa
wału
[kW]
wału
korbowego
korbowego
[obr/min]
[obr/min]
Moc
Nastawa
[kW]
2
15
Rys. 7. Rozmieszczenie punktów pomiarowych
344
1174
406
735
2
15
309
993
412
750
Tabela 4
Próba 1
Moc
Nastawa
[kW]
2
15
251
983
Próba 2
Prędkość
Prędkość
obrotowa
Moc obrotowa
Nastawa
wału
[kW]
wału
korbowego
korbowego
[obr/min]
[obr/min]
415
752
2
15
260
1030
409
755
Rys. 8. Czujniki zamontowane w punktach pomiarowych 1, 2, 3, 4, 5 i 6
31
ST44 - 2045 po remoncie (punkty 1, 2, 3, 4, 5 i 6)
Tabela 5
Próba 1
Moc
Nastawa
[kW]
2
15
270
1230
Próba 2
Prędkość
obrotowa
wału korbowego
[obr/min]
412÷438
745÷759
Nastawa
Moc
[kW]
2
15
250÷270
1201÷1263
Prędkość
obrotowa
wału korbowego
[obr/min]
412÷438
745÷759
Podane w tabeli 5 zakresy prędkości obrotowych
oraz mocy wynikają z tego, że na stanowisku badawczym silnik był sterowany sterownikiem lokomotywy,
który wykorzystuje charakterystykę UIC optymalnego
sterowania mocą silnika w funkcji jego obrotów PUIC
= f(nwału). Obroty wału od ÷ do [obr/min] odpowiadają
zapisowi mocy od ÷ do [kW], bo wynikają z wykresu
UIC a układ sterowania silnika nie potrafi zrealizować ustalonych stałych obrotów.
Naprawa obejmowała między innymi:
− oczyszczenie kadłuba i głowicy silnika, dokonanie
próby szczelności kanałów oraz przestrzeni wodnych, sprawdzenie bloku cylindrowego, tulei cylindrowych i prowadnic popychaczy zaworów
− sprawdzenie korbowodu, tłoków, sworzni i pierścieni tłokowych, łożysk i śrub
− sprawdzenie tłumika, koła zamachowego, wałów
rozrządu i łożysk, kół zębatych, popychaczy zaworów i pomp wtryskowych
− skorygowanie linii wału korbowego
− oczyszczenie i naprawę tłumika spalin, kolektorów ssących, wydechowych oraz kompensatorów
− oczyszczenie i sprawdzenie turbosprężarki, doładowarki i chłodnicy powietrza doładowania
− dokonanie prób silnika spalinowego na stanowisku w hamowni.
5. Zastosowane metody analizy sygnałów
Sygnały wibroakustyczne uzyskane z silnika spalinowego zostały poddane następującym metodom
analizy sygnałów:
− analiza widma FFT [17 i 18]
− obliczenie globalnych parametrów statystycznych
takich jak wartość średnia, mediana i średni błąd
kwadratowy [15,17 i 18]
− analiza nieliniowa [1 i 9]
− analiza krótkoczasowa [17 i 18].
Analiza nieliniowa jest metodą bazującą na teorii
chaosu deterministycznego. W metodzie tej zakłada
się, że dany jest pewien, poddany próbkowaniu, sygnał czasowy x(t). Zasadniczą jej ideą jest założenie,
że przestrzeń w której należy oglądać dynamiczną
32
strukturę sygnału nie jest jednowymiarową przestrzenią możliwych wartości x(t), ale że ewolucja dynamiczna zachodzi w przestrzeni wektorów w(t) wyższego wymiaru [1,3,5 i 9]. Przestrzeń tę odtwarza się
poprzez tzw. zanurzenie szeregu czasowego na bazie
wybranego opóźnienia czasowego (ang. time-delay
embedding). W praktyce dąży się do odtworzenia
przestrzeni, która jest formalnie równoważna oryginalnej przestrzeni fazowej układu. W tym celu używa
się współrzędnych utworzonych z obserwowanych
zmiennych oraz ich opóźnień. Wybiera się okres czasu τ, po czym oblicza wartości sygnału po czasie τ,
czyli bierze się pod uwagę kolejne wielkości
xi = x(ti), xi+1 = x(ti + τ), xi+2 = x(ti + 2τ), …..
(1)
Dla odtworzenia ewolucji w n-wymiarowej przestrzeni stanu konstruuje się odpowiednie n-wymiarowe
wektory w utworzone z kolejno wybieranych
n-elementowych ciągów
w1 = (x1, x2, ..... , xn),
w2 = (x2, x3, ..... , xn+1),
(2)
w3 = (x3, x4, ..... , xn+2),
:
wi = (xi, xi+1, ……, xi+n-1)
:
Są to tzw. wektory opóźnienia czasowego. Kolejne
wektory w1, w2, w3, ..... wyznaczają ewolucję w nwymiarowej przestrzeni stanu. Charakterystyczne
opóźnienie czasowe τ znajduje się jako pierwsze miejsce zerowe funkcji autokorelacji sygnału albo jako
pierwsze minimum uśrednionej informacji wzajemnej
(ang. average mutual information). Mając dane τ
można oszacować właściwy wymiar przestrzeni fazowej d, w której odtwarza się dynamika systemu. Stosuje się wówczas metodę najbliższych fałszywych
sąsiadów (ang. nearest neighbour method). Gdy dane
jest τ i d można odtworzyć dynamikę systemu i dokonać analizy jakościowej zachowania się układu w
przestrzeni fazowej. Można również obliczyć wartości
szeregu nieliniowych parametrów takich jak np. wykładniki Lapunowa lub wymiary fraktalne. Parametry
te mogą stać się podstawą do diagnostyki badanych
systemów dynamicznych, w najprostszym przypadku
poprzez ich porównanie dla zachowań prawidłowych i
nieprawidłowych.
Zastosowana analiza krótkoczasowa bazuje na obliczeniu wybranych parametrów w oknie przesuwającym się w czasie wzdłuż sygnału, a następnie na obserwacji położenia i ewolucji dynamicznej wektorów
stanu w wielowymiarowej przestrzeni parametrów
[4,6,7 i 8]. Ogólny schemat chwilowej analizy sygnałów jest następujący:
1. wybór wielkości okna czasowego,
2. w przesuwającym się oknie czasowym oblicza się
wybrane parametry (np. prążki FFT, parametry
statystyczne itp.),
3. dla danego położenia okna wartości parametrów
reprezentują punkt w wielowymiarowej przestrzeni parametrów (tyle wymiarów przestrzeni ile parametrów),
4. jeśli rozważyć okno przesuwające się w czasie
wzdłuż sygnału, to wartości parametrów dla kolejnych położeń reprezentują kolejne punkty w
przestrzeni parametrów,
5. dla danego skończonego sygnału w wyniku przesunięcia okna wzdłuż całego sygnału otrzymuje
się zbiór punktów w wielowymiarowej przestrzeni
parametrów,
6. dla porównania różnych sygnałów dokonuje się
grupowania danych w przestrzeni parametrów i
porównuje się środki uzyskanych grup.
Grupowanie danych jest jedną z podstawowych
technik rozpoznawania obrazów i polega na podziale
zbioru danych na grupy elementów najbardziej do
siebie podobnych. Zazwyczaj podczas grupowania
zakłada się z góry określoną liczbę grup i próbuje się
podzielić zbiór danych na tę założoną liczbę grup.
Algorytm grupowania danych należy do tzw. „metod
nauczania bez nadzoru”, bowiem automatycznie przeprowadza grupowanie zbioru danych na grupy elementów najbardziej do siebie podobnych. W pracy
zastosowano klasyczny algorytm grupowania po c
średnich (ang. c-means algorithm of clustering) [2 i
12].
6. Rezultaty badawcze
Analizę zarejestrowanych sygnałów zrealizowano
z wykorzystaniem oprogramowania NDT (Nonlinear
Dynamics Toolbox) oraz z programu MATLAB. W
MATLABIE wykorzystano zarówno gotowy toolbox,
realizujący analizę nieliniową TSTOOL jak i własne
oprogramowanie ASC do analizy nieliniowej. Program ASC (Analiza Szeregów Czasowych) został
napisany przez autorów.
mp
B
mp
Rys. 9. Widma amplitudowe dla sygnałów pozyskanych: Aprzed remontem (pomiar 1, nastawa 15, punkt pomiarowy
6, pion) i B- po remoncie (pomiar 1, nastawa 2, punkt pomiarowy 5, poziom)
Widma sygnałów uzyskanych z silników przed i
po remoncie różnią się w sposób zasadniczy. Rys. 9
pokazuje dwa przykładowe widma amplitudowe FFT
dla odpowiednich sygnałów – jednostki na osi
częstotliwości f są unormowane.
Analiza widma pokazuje, że dla wszystkich widm
sygnałów uzyskanych przed remontem dominowała
bardzo duża wartość składowej stałej (rys. 9A) – jest
ona widoczna na rysunku jako prążek dla wartości 0
Hz. Dla sygnałów po remoncie składowa ta ulegała
praktycznie eliminacji (rys. 9B). Wynik ten pokazuje,
że klasyczne metody analizy widmowej mogą się
okazać w dalszym ciągu decydujące w zakresie diagnostyki awaryjnej silnika.
Obliczono globalne parametry statystyczne takie
jak średnia, mediana i odchylenie standardowe. Wyniki analizy tych parametrów są przedstawione w
tabelach 6÷10. Są tam parametry obliczone dla
wszystkich sygnałów, dla sygnałów zarejestrowanych
w kierunku pionowym i poziomym poprzecznym oraz
dla nastawy 2 i 15 (tabele 2÷5).
A
Globalne parametry statystyczne dla wszystkich
sygnałów uzyskanych dla lokomotywy ST44 - 2045
Tabela 6
Średnia Mediana
Przed remontem
Po remoncie
Różnica (po –
przed)
0.265 ±
0.075
0.036 ±
0.091
-0.229
0.209 ±
0.069
0.083 ±
0.259
-0.126
Odchylenie
standardowe
1.857 ±
0.651
7.939 ±
5.786
6.082
33
Globalne parametry statystyczne dla sygnałów zarejestrowanych w kierunku pionowym uzyskanych dla lokomotywy ST44 - 2045
Tabela 7
Przed remontem –
pion
Po remoncie –
pion
Różnica
(po – przed)
Średnia
Mediana
0.306 ±
0.079
0.111 ±
0.062
-0.195
0.250 ±
0.076
0.290 ±
0.209
0.040
Odchylenie
standardowe
1.757 ±
0.636
3.275 ±
1.473
1.518
Globalne parametry statystyczne dla sygnałów
zarejestrowanych w kierunku poziomym poprzecznym
uzyskanych dla lokomotywy ST44 - 2045
Tabela 8
Średnia
Przed remontem
– poziom
Po remoncie –
poziom
Różnica
(po – przed)
0.225 ±
0.039
-0.039 ±
0.036
-0.264
Mediana
0.168 ±
0.015
-0.125 ±
0.063
-0.293
Odchylenie
standardowe
1.957 ±
0.649
12.602 ±
4.613
10.645
Globalne parametry statystyczne dla sygnałów
zarejestrowanych dla nastawy 2 uzyskanych dla
lokomotywy ST44 - 2045
Tabela 9
Przed remontem –
nast. 2
Po remoncie –
nast. 2
Różnica
(po – przed)
Średnia
Mediana
0.231 ±
0.078
0.030 ±
0.058
-0.201
0.223 ±
0.092
0.003 ±
0.092
-0.220
Odchylenie
standardowe
1.220 ±
0.088
4.896 ±
3.095
3.676
Globalne parametry statystyczne dla sygnałów zarejestrowanych dla nastawy 15 uzyskanych dla lokomotywy
ST44 - 2045
Tabela 10
Przed – nast. 15
Po – nast. 15
Różnica
(po – przed)
Średnia
Mediana
0.300 ±
0052
0.042 ±
0.114
-0.258
0.195 ±
0.023
0.163
±0.335
-0.032
Odchylenie
standardowe
2.494 ±
0.168
10.981 ±
6.234
8.487
Podczas analizy nieliniowej do obliczeń czasu
opóźnienia τ wykorzystano zarówno funkcję autokorelacji (jako opóźnienie τ bierze się pierwsze przejście
przez zero) oraz uśrednioną informację wzajemną
34
(jako opóźnienie τ bierze się pierwsze minimum lokalne). Większość obliczonych opóźnień czasowych τ
przyjmuje wartość 1, chociaż zdarzały się przypadki,
gdy τ = 2, 3, 4. Wartość wymiaru przestrzeni fazowej
została obliczona z wykorzystaniem zasady najbliższych fałszywych sąsiadów i oszacowana jako d = 9.
Wyniki analizy globalnego parametru nieliniowego –
maksymalnego wykładnika Lapunowa – są zaprezentowane w tabeli 11.
Wartości maksymalnych wykładników Lapunowa przed
i po remoncie obliczone dla d=9 sygnałów
zarejestrowanych dla lokomotywy ST44 - 2045
Tabela 11
Przed
Po
remontem remoncie
Wszystkie sygnały
Sygnały zarejestrowane w kierunku
pionowym
Sygnały zarejestrowane w kierunku
poziomym
Sygnały zarejestrowane dla nastawy 2
Sygnały zarejestrowane dla nastawy 15
Różnica
(po – przed)
0.334 ±
0.237
0.310 ±
0.270
0.379 ±
0.183
0.452 ±
0.236
0.045
0.358 ±
0.195
0.582 ±
0.476
0.224
0.513 ±
0.219
0.155 ±
0.014
0.263 ±
0.047
0.494 ±
0.195
-0.250
0.142
0.339
W ramach analizy chwilowej wzięto pod uwagę
następujące parametry: prążki widmowe FFT 1, 2, 3, 4
i 5, średnią, momenty rzędu 2, 3, 4 i 5 oraz medianę.
Jako szerokość okna przyjęto okres odpowiadający
okresowi obrotowemu wału korbowego dla danej
nastawy.
Analiza chwilowa dla każdego sygnału najpierw
wyznaczyła odpowiednią przestrzeń parametrów, a
następnie obliczała środek grupy punktów przestrzeni
parametrów z wykorzystaniem techniki grupowania
danych (algorytm grupowania po c średnich).
Ostateczne rezultaty analizy chwilowej przedstawiono
w tabeli 12. Duże wartości odchyleń standardowych
wynikają ze znacznych różnic pomiędzy środkami w
badanych grupach. Różnice te i odpowiednie
odchylenia standardowe będą znacznie mniejsze, jeśli
rozważyć osobno sygnały zarejestrowane w kierunku
pionowym i poziomym poprzecznym albo dla
odrębnych nastaw. Dla tych przypadków jednak zbyt
mała liczność próby (zbyt mała ilość sygnałów
wziętych do analizy) nie pozwala na wiarygodne
stosowanie obliczeń statystycznych. Ponadto warto
zwrócić uwagę, że część parametrów w tabeli może
przyjmować wartości zarówno dodatnie jak i ujemne.
Uśrednione położenia środków grup w przestrzeni parametrów dla sygnałów przed i po remoncie
zarejestrowanych dla lokomotywy ST44 - 2045
Tabela 12
1
FFT 1
2
FFT 2
3
FFT 3
4
FFT 4
5
6
7
8
9
10
FFT 5 Średnia Moment Moment Moment 4 Moment 5
2
3
Przed 16.935 997.864 9.363 8.586 8.588 4.661
0.785
3.384
4.906
64.951
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
18.382 2600.468 4.748 6.011 4.338 3.590
0.625
2.942
3.415
62.526
Po
47.723 57.754 69.990 46.956 33.805 0.057 ± 96.062 11.666 71495.839 6189.212 ±
0.071
38696.018
±
±
±
±
±
±
±
±
37.066 52.375 38.228 36.960 28.274
116.930 30.636 113367.699
Różnica 30.788 -940.11 60,627 38.100 25.217 -4.604 95.277
8.282
71940.933 6124.261
(po –
przed)
7. Wnioski końcowe
Przeprowadzone badania pokazały możliwość wyraźnego odróżnienia stanu silnika przed remontem i
po remoncie, co ma duże znaczenie diagnostyczne,
gdyż pozwala wybrać te parametry diagnostyczne,
przy pomocy których będzie można odróżnić zużyty
(odpowiadający zagrożeniu awarią) stan silnika od
stanu poprawnego.
Badania pokazały możliwość potraktowania stałej
składowej (o zerowej częstotliwości) jako parametru
określającego stan silnika lokomotywy spalinowej.
Zwiększenie się tej składowej (szczególnie gdy stała
składowa stanie się składową dominującą) wskazuje
na zużycie silnika i stan bliski awarii.
Badania w zakresie globalnych parametrów statystycznych nie przyniosły zadawalających wyników,
tym nie mniej, w większości przypadków wartości
średnie i mediany są mniejsze dla sygnałów po remoncie, natomiast odchylenie standardowe jest zawsze większe dla sygnałów po remoncie.
Uzyskane wyniki wskazują również na możliwość
zastosowania nieliniowych parametrów (maksymalnego wykładnika Lapunowa) do wykrywania i odróżniania stanu zużycia silnika lokomotywy spalinowej.
Maksymalne wykładniki Lapunowa w większości
przypadków maja wyższą wartość dla przypadku po
remoncie, czyli dla silnika w lepszym stanie technicznym.
Metody analizy nieliniowej są nowym narzędziem
przetwarzania sygnałów. Przedstawione wyniki wraz
z innymi badaniami [3,5 i 9] wskazują na przydatność
metody nieliniowej analizy sygnałów do diagnostyki
silnika wysokoprężnego na bazie sygnału wibroakustycznego. Dalsze badania w tym zakresie dają w
perspektywie możliwość zastosowania tych metod w
przyszłych systemach diagnostyki pokładowej, zainstalowanych na lokomotywie spalinowej.
Uzyskane rezultaty wskazują również na przydatność chwilowej analizy sygnałów do diagnostyki silników wysokoprężnych na bazie sygnału wibroakuPOJAZDY SZYNOWE NR 2/2007
11
Mediana
110.019
±
130.854
0.145
±
0.209
-109.874
stycznego. Analiza tych wyników pokazująca znaczące różnice pomiędzy środkami grup dla sygnałów
przed i po remoncie, może się okazać istotnym kryterium dla odróżnienia stanów awaryjnych silnika. Biorąc pod uwagę wielką złożoność i różnorodność możliwych schematów pomiarowych należy jednak wyraźnie podkreślić, że dotychczasowe eksperymenty w
zakresie widm chwilowych nie są ostateczne i wymagają dalszych badań [4,6,7 i 8]. Przyszłe eksperymenty w zakresie analizy chwilowej powinny wziąć pod
uwagę większą ilość sygnałów, objąć większy zakres
parametrów, uwzględnić większy zakres wymiarów
rozważanej przestrzeni parametrów oraz zastosowanie
bardziej nowoczesnych i efektywnych algorytmów
grupowania danych, jak np. algorytm rozmyty lub
posybilistyczny.
Zaproponowane metody analizy sygnałów nadają
się do przyszłego zastosowania w systemach diagnostyki pokładowej zainstalowanych na lokomotywie
spalinowej. Prowadzą one do stosunkowo prostych
metod obliczeniowych, łatwych do zaimplementowania na dowolnym komputerze, a w tym również na
procesorze sygnałowym.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
H. D. L. Abarbanel: Analysis of Observed Chaotic Data, Springer, 1996.
J. C. Bezdek: Pattern Recognition with Fuzzy
Objective Function Algorithms, Plenum Press,
1987, second edition.
P. Boguś, J. Merkisz, R. Grzeszczyk, S.
Mazurek: Nonlinear Analysis of Combustion
Engine Vibroacoustic Signals for Misfire Detection. SAE Technical Paper Series 2003-010354.
P. Boguś, K. Lewandowska: Short-Time Signal
Analysis Using Pattern Recognition Methods.
Lecture Notes in Artificial Intelligence: Artificial Intelligence and Soft Computing, 3070,
2004.
35
[5]
P. Boguś, J. Merkisz: Diagnostyka pokładowa
silników wysokoprężnych z wykorzystaniem nieliniowych metod analizy sygnałów. Pojazdy
Szynowe, 1/2004.
[6] P. Boguś, R. Grzeszczyk, J. Merkisz: Diagnostyka pokładowa silników wysokoprężnych z
wykorzystaniem chwilowej analizy sygnałów.
Pojazdy Szynowe, 1/2004.
[7] P. Boguś, J. Merkisz: Wykrywanie zjawiska
wypadania zapłonu w silniku o zapłonie samoczynnym w oparciu o grupowanie danych w
krótkoczasowej analizie sygnałów wibroakustycznych. Silniki Spalinowe, 4, 2005.
[8] P. Boguś, J. Merkisz: Short Time Analysis of
Combustion Engine Vibroacoustic Signals with
Using Pattern Recognition Techniques. SAE
Technical Paper Series 2005-01-2529.
[9] P. Boguś, J. Merkisz: Misfire Detection of Locomotive Diesel Engine by Nonlinear Anlaysis.
Mechanical Systems and Signal Processing, 19,
2005.
[10] C. S. Daw, M. B. Kennel, C. E. A. Finney, F. T.
Connolly: Observing and Modeling Nonlinear
dynamics in an Internal Combustion Engine.
Physical Review E, 57, 1998.
36
[11] Decyzja NR 36/2000 Naczelnego Dyrektora
Kolejowych Przewozów Towarowych CARGO z
dnia 5 czerwca 2000 r. w sprawie utrzymania
technicznego pojazdów trakcyjnych.
[12] R. Duda, P. Hart: Pattern Classification and
Scene Analysis, New York, Wiley Interscience
1973.
[13] A. P. Foakes, D. G. Pollard: Investigation of a
Chaotic Mechanism for Cycle-to-cycle Variations. Combustion Science and Technology, 90,
1993.
[14] J. Jerrelind, A. Stensson: Nonlinear Dynamics
of Parts in Engineering Systems. Chaos, Solitons and Fractals, 11, 2000.
[15] T. Kucharski: System pomiaru drgań mechanicznych, Warszawa, WNT 2002.
[16] Materiały internetowe.
[17] S. K. Mitra, J. R. Kaiser: Handbook for Digital
Signal Processing, Wiley 1993.
[18] J. Szabutin: Podstawy teorii sygnałów, Warszawa, WKiŁ 2003.
[19] W. Wang, J. Chen, X. K. Wu, Z. T. Wu: The
Application of Some Non-linear Methods in Rotating Machinery Fault Diagnosis, Mechanical
Systems and Signal Processing, 15, 2001.
inż. Roch Tarczewski
System jakości stosowany w IPS „TABOR” i kompetencje techniczne
gwarancją utrzymania wiarygodności współpracy z klientami
W artykule przedstawiono zakres i tematykę prac Instytutu oraz scharakteryzowano
klientów i ich oczekiwania. Omówiono występujące problemy i wymagania w aspekcie jakości prac badawczo-rozwojowych. Przedstawiono strukturę zintegrowanego
systemu jakości obejmującego kompleksowo działalność Instytutu i pozwalającą realizować Politykę Jakości Instytutu między innymi w zakresie oczekiwań i zadowolenia
klienta.
1. Wstęp
Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” w Poznaniu
jest jednostką badawczo – rozwojową o ponad sześćdziesięcioletniej tradycji w branży pojazdów szynowych. Kontynuuje dorobek powstałego w roku 1945
Biura Konstrukcyjnego, przekształconego w roku
1973 w Ośrodek Badawczo – Rozwojowy, wzbogacony od roku 1977 o bazę badawczą. W roku 2000
Ośrodek uzyskał status Instytutu działającego na
podstawie ustawy o JBR.
Przeważająca ilość pojazdów szynowych w kraju,
zarówno kolejowych jak i tramwajowych a także na
bocznicach zakładów przemysłowych stanowi dorobek intelektualny i techniczno- naukowy Instytutu.
Dorobek ten dotyczy też znacznej ilości taboru wyprodukowanego przez przemysł krajowy na eksport.
Aktualnie Instytut „TABOR” rozwija nowe rozwiązania w transporcie kombinowanym w zakresie nowoczesnych technologii transportu oraz w modernizacji eksploatowanego dotychczas taboru.
Złożoność zagadnień technicznych oraz wymagania
klientów determinowane mechanizmami rynkowymi
wymagają od wykonawcy prac badawczorozwojowych wiedzy, kompetencji i doświadczenia
oraz szybkości działania. Jest to wymaganie trudne,
zważając na specyfikę prac koncepcyjnych, wymagającą spokojnych i wyważonych analiz. Dla realizacji
tych wymagań wdrożono w Instytucie system jakości
preferujący uporządkowane, zaplanowane i systematyczne działania. W artykule podano zasadnicze elementy tego systemu.
2.System zarządzania jakością w IPS „TABOR”
2.1 Zakres i tematyka prac
Zakres działania Instytutu obejmuje całokształt zagadnień dotyczących pojazdów szynowych, łącznie z
transportem szynowo–drogowym. Dotyczy przewoźników kolejowych, przemysłowych i tramwajowych
oraz metra.
Tematyka obejmuje: prace projektowe, konstrukcyjne,
rozwojowe i badawcze oraz produkcję nowych rozwiązań podzespołów mających zastosowanie w pojazdach modernizowanych, montaż wyspecjalizowanych podzespołów prototypowych oraz obsługę serwisową w ramach nadzoru autorskiego, wdrożenie i
techniczne dopracowywanie rozwiązań a w szczególności:
1. Projektowanie lokomotyw, wagonów osobowych, towarowych, specjalnych, zespołów trakcyjnych, autobusów szynowych, tramwajów,
metra i pojazdów szynowo- drogowych.
2. Projektowanie rozwiązań modernizacyjnych aktualnie eksploatowanych pojazdów szynowych
w zakresie koncepcji, dokumentacji i nowych
podzespołów.
3. Projektowanie nowych podzespołów wyposażenia pojazdów szynowych zgodnie z aktualnymi
trendami i wymaganiami.
4. Rozwój rozwiązań i systemów pojazdów szynowo-drogowych do transportu masowego- transport kombinowany, bimodalny.
5. Rozwój rozwiązań i systemów pojazdów szynowo- drogowych o przeznaczeniu ratunkowym i
przeglądowo- konserwacyjnym.
6. Rozwiązywanie bieżących problemów występujących w pojazdach szynowych z uwzględnieniem wymagań dotyczących wysokich prędkości
oraz bezpieczeństwa i komfortu podróżowania
w tym: diagnozowanie, ekspertyzy, obliczenia,
analizy, opinie i oceny związane z eksploatacją,
awariami i technologią napraw.
7. Produkcja jednostkowa i małoseryjna nowoopracowanych nietypowych podzespołów wyposażenia pojazdów szynowych.
8. Instalowanie prototypowych podzespołów w
modernizowanych pojazdach szynowych.
37
9. Serwisowanie wyprodukowanych podzespołów
prototypowych zainstalowanych w pojazdach
szynowych na terenie użytkownika jak i własnym wraz z nadzorem dokumentacyjnym i merytorycznym.
10. Badania pojazdów szynowych głównie w zakresie bezpieczeństwa oraz zagadnień rozwojowych, przez akredytowane laboratorium posiadające uznanie Kolei Niemieckich (Anerkennung Eisenbahn-Bundesamt). Akredytacja krajowa PCA wg normy PN-EN ISO/IEC 17025
[2].
11. Certyfikacja wyrobów w zakresie pojazdów
szynowych oraz elementów ich wyposażenia w
oparciu o wyniki badań i analiz wykonywanych
przez niezależnych specjalistów, nie będących
autorami certyfikowanych wyrobów. Akredytacja krajowa wg normy PN-EN 45011 [3].
Instytut współpracuje z krajowymi i zagranicznymi
producentami i użytkownikami pojazdów szynowych
wykonując na ich zamówienie opracowania dokumentacyjne, badania dostarczanych obiektów oraz ekspertyzy i oceny mające zastosowanie w procesach certyfikacji wyrobów.
2.2 Podstawy polityki jakości
Klientami Instytutu „TABOR” są producenci i
użytkownicy pojazdów szynowych, zainteresowani
rozwiązywaniem problemów występujących w
procesach projektowania, rozwoju, produkcji,
instalacji i serwisowania.
Celem naczelnym polityki Instytutu jest zaspokajanie oczekiwań naszych Klientów oraz utrzymywanie i
rozwijanie naszego wizerunku jako użytecznej i wiarygodnej jednostki badawczo- rozwojowej, działającej
w systemie jakości wg normy PN-EN ISO 9001 [1].
Dla realizacji wymienionej tematyki Instytut angażuje niezbędny potencjał intelektualny, organizację i
bazę materialną:
a. Kadrę naukową i inżynierską posiadającą kompetencje merytoryczne oraz odpowiednie doświadczenie,
b. Kadrę technologiczno- wykonawczą z kompetencjami w dziedzinie produkcji elementów oraz
ich instalowania i serwisowania,
c. Strukturę organizacyjną, wyodrębniającą komórki specjalistyczne oraz zapewniającą
współpracę w rozwiązywaniu problemów interdyscyplinarnych, niezależność i obiektywizm
poszczególnym specjalistom w aspekcie badań
i certyfikacji wyrobów,
d. Stanowiska projektowania komputerowego z
niezbędnym oprogramowaniem kompatybilnym
w stosunku do krajowych i zagranicznych partnerów w branży pojazdów szynowych,
38
e. Bazy danych normalizacyjnych, katalogowych i
literaturowych, niezbędne do projektowania
oraz prac rozwojowych,
f. Wyposażenie do przetwarzania i archiwizowania danych elektronicznych, emitowania dokumentacji, wykonywania obliczeń, symulacji i
analiz, w oparciu o stosowne oprogramowania,
g. Laboratorium badawcze odpowiednio wyposażone i ukierunkowane na badania pojazdów
szynowych i ich wyposażenia,
h. Ośrodek certyfikacji wyrobów dokonujący ocen
pojazdów szynowych i elementów ich wyposażenia na użytek certyfikacji obowiązkowej i dobrowolnej, wymaganej przez krajowe jednostki kontrolujące oraz producentów i użytkowników.
Dyrekcja Instytutu zapewnia bezstronność
działań poszczególnym segmentom systemu
jakości poprzez autonomię organizacyjną i
niezależność ocen ekspertów, chroniąc ich od
nacisków finansowych i działań komercyjnych.
Dokumenty Systemu Jakości są znane personelowi na poszczególnych stanowiskach pracy i
podlegają okresowym przeglądom i aktualizacji, a działanie systemu jest na bieżąco analizowane, uzupełniane i doskonalone.
Dyrektor Instytutu zapewnia niezbędne warunki organizacyjne i materialne dla płynnego
funkcjonowania systemu jakości, mając na
uwadze przede wszystkim zadowolenie Klientów
i wiarygodność Instytutu.
2.3 System jakości w pracach rozwojowych wg [1]
(Certyfikat TÜV)
Podstawą działania systemu jest polityka jakości prowadzona przez Dyrekcję Instytutu. Obejmuje projektowanie, rozwój i doradztwo w dziedzinie pojazdów
szynowych oraz produkcję, instalowanie i serwisowanie zespołów w pojazdach szynowych.
System oparty jest na podejściu procesowym,
uwzględniającym specyfikę organizacyjną i profil
działania firmy. Każdy proces jest opisany w procedurze, która określa parametry wejścia i wyjścia oraz
punkty krytyczne wraz z kryteriami ich oceny. Warunkiem postępowania procesu jest zrealizowanie
każdego etapu, uzyskanie pozytywnej oceny czyli
osiągnięcie zakładanego celu i wymaganych parametrów.
Podstawowym procesem jest pełny cykl projektowania i rozwoju wyrobu, zawierający elementy koncepcji, założeń, analiz, obliczeń, konstruowania, weryfikacji, walidacji wraz z badaniami konstruktorskimi,
odbiorczymi i dopuszczeniem do eksploatacji. Proces
podlega dokumentowaniu w karcie projektu w układzie podziału na etapy i zadania. Każdy etap i zadanie
jest zdefiniowane poprzez dane wejściowe, zakres
prac, formę dokumentacji, termin, prowadzącego,
weryfikatora i zatwierdzającego, który zezwala na
realizację kolejnego kroku. Pozwala to na ciągłe monitorowanie przebiegu procesu i podejmowanie decyzji o dalszym awansowaniu prac, pod warunkiem
poprawnego przebiegu etapu poprzedniego.
Ze względów technologiczno-organizacyjnych wyodrębniono proces produkcyjny dla wyrobów prototypowych oraz ich serwisowania. Przewiduje on realizację wyrobu w oparciu o umowę, technologię i etapową kontrolę. Wyrób jest odbierany na zgodność z
dokumentacją i badany w oparciu o specyfikację badań. Czynności procesowe podlegają zapisowi. Procesy podstawowe są wspomagane procesami pomocniczymi, np. zakupami materiałów i usług, nadzorowaniem wyposażenia technologicznego, kontaktami z
klientem, szkoleniem personelu itp.
Procesy są ze sobą synchronizowane i doskonalone w
oparciu o bieżące zapisy i analizę niezgodności, co
jest podstawą do działań korygujących. Całość działań
nakierowana jest na zadowolenie klienta, zgodnie z
polityką jakości i deklaracją kierownictwa Instytutu.
Cele zapisane w polityce i deklaracji podlegają
sprawdzeniu podczas auditów. System opiera się na
czytelności zamierzeń i działań, które muszą być dokumentowane.
2.4 System Jakości w Laboratorium wg
(Akredytacja PCA)
[2]
System został zaprojektowany w Instytucie i obejmuje
swymi procedurami niezbędne działania w laboratorium, zmierzające do zaspokojenia oczekiwań klientów. System jakości jest zgodny z wymaganiami normy PN-EN ISO/IEC 17025:2005[2].
Całość działań wynika z polityki jakości laboratorium
zapisanej w księdze jakości.
Polityką jakości Instytutu jest kontynuacja i rozwijanie czterdziestoletnich doświadczeń w badaniach pojazdów szynowych i ich zespołów, utrzymanie kompetencji oraz zaspokajanie potrzeb pomiarowo – badawczych projektantów, producentów i użytkowników
taboru szynowego z kraju i zagranicy , stosowanie
aktualnie wymaganych metod badawczych, minimalizacja kosztów i terminów, prezentowanie miarodajnych i wiarygodnych wyników badań, niezbędnych
dla rozwoju konstrukcji oraz certyfikowania badanych
wyrobów.
Do realizacji polityki Laboratorium Badań Pojazdów
Szynowych dysponuje następującymi środkami:
- Odpowiednio dobrany i kompetentny personel,
który jest na bieżąco szkolony
- Wyposażenie badawczo-pomiarowe będące pod
stałym nadzorem (wzorcowanie, sprawdzanie,
przeglądy)
- Pomieszczenia badawcze są wydzielone i zapewniają zachowanie odpowiednich warunków otoczenia niezbędnych podczas badań
- Pracownią pomiarową dla bieżącej obsługi metrologicznej podstawowego wyposażenia badawczo-pomiarowego
- Wyposażeniem badawczo-pomiarowym, które
jest na bieżąco uzupełniane i modernizowane.
- Metodami badawczymi, które są na bieżąco
aktualizowane i modernizowane.
- Procedurą umożliwiającą walidację nietypowych metod badawczych.
Ponadto Laboratorium:
- Stosuje wewnętrzne kontrole jakości badań
oraz posiada procedurę nadzoru badań, nie
spełniających wymagań
- W miarę możliwości bierze udział w międzylaboratoryjnych badaniach porównawczych dla
bieżącej kontroli kompetencji
- Współpracuje z krajowymi i zagranicznymi
ośrodkami branżowymi oraz na bieżąco śledzi i
wdraża zmiany w normach i innych przepisach
dotyczących badań
- Chroni interesy Klienta w zakresie dostępu do
rozwiązań konstrukcyjnych i wyników badań
przed dostępem konkurencji i osób niepowołanych oraz współpracuje z klientem na każdym
etapie realizacji badań
- Zachowuje bezstronność w badaniach poprzez
oddzielenie organizacyjne struktur badawczych
od pozostałych komórek Instytutu
- Zaopatruje się w przyrządy pomiarowe, urządzenia, usługi i materiały pomocnicze u kwalifikowanych dostawców.
- Bieżąco doskonali i rozwija swój system zarządzania.
Za Politykę Jakości w Laboratorium odpowiada
Dyrektor a za realizację Polityki Kierownik Laboratorium.
Personel Laboratorium zna i rozumie politykę jakości , a dokumenty jakości są mu dostępne i znane
oraz stosowane w praktyce.
Laboratorium działa bezstronnie i niezależnie a
wynagrodzenie personelu nie zależy bezpośrednio
od liczby badań, ani nie jest w żaden sposób związane z ich wynikami.
2.5. Certyfikacja wyrobów wg [3]
Certyfikacja wyrobów jest procesem polegającym na
porównaniu wyników badań wykonanych przez niezależne i kompetentne laboratorium, z wyspecyfikowanymi wymaganiami technicznymi dotyczącymi danego wyrobu. Efektem końcowym certyfikacji jest formalne potwierdzenie zgodności wyrobu z wymaganiami zwane certyfikatem wyrobu, a w branży pojazdów szynowych tymczasowo świadectwem dopuszczenia. Certyfikacja dotyczy głównie bezpieczeństwa,
interoperacyjności, niezawodności, ergonomii i jakości pojazdów szynowych. Certyfikacja może być
39
obowiązkowa lub dobrowolna, ale zawsze wymaga
dokonania oceny przez wykwalifikowany i kompetentny personel w oparciu o aktualne dokumenty normatywne, techniczne i prawne oraz dyrektywy unijne.
Warunki takie spełnia Instytut Pojazdów Szynowych
„TABOR”, co znajduje potwierdzenie w działalności
statutowej oraz w codziennej praktyce poprzez
umieszczenie Instytutu na liście laboratoriów upoważnionych przez Ministra Infrastruktury do wykonywania badań pojazdów szynowych.
Działalność certyfikacyjna wyrobów branży polega na
formalnym spełnieniu wymagań normy PN-EN 45011
[3], co w ogólnym zarysie sprowadza się do:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Wyznaczenia osoby odpowiedzialnej za obszar certyfikacji.
Wytypowania specjalistów kompetentnych w
poszczególnych specjalnościach.
Ustanowienia i udokumentowania stosownych
procedur postępowania.
Wdrożenia przyjętego systemu jakości.
Złożenia wniosku i poddania się auditowi
Polskiego Centrum Akredytacji (PCA) celem
uzyskania certyfikatu potwierdzającego kompetencje w zakresie certyfikacji wyrobów w
branży pojazdów szynowych.
Wiarygodnego działania wg przyjętego systemu jakości celem bieżącego utrzymania posiadanego certyfikatu, który podlega corocznemu auditowi kontrolnemu.
3. Oczekiwania klientów
Sektor gospodarki obejmujący transport szynowy i
jego otoczenie przechodzi aktualnie głębokie przekształcenia, wynikające ze zmian struktury gospodarczej i rozszerzenia Unii Europejskiej. Gospodarka
rynkowa i konkurencja powodują, że wzrasta zapotrzebowanie na przewozy specjalizowane, szybkie, o
zautomatyzowanym załadunku i rozładunku, ekologiczne, energooszczędne, bezpieczne, wysokowydajne i niezawodne. Ze względu na przemieszczanie
ładunków i pasażerów na obszarach wielu przewoźników, istotne znaczenie ma zagadnienie interoperacyjności pojazdów i ich podzespołów oraz infrastruktury,
podniesione przez Unię Europejską do rangi dyrektywy [4i5]. Powyższe uwarunkowania stymulują nowe
rozwiązania konstrukcyjne, technologiczne, materiałowe i organizacyjne. Duże znaczenie ma szybkość
reagowania producentów środków transportu szynowego na wyzwania rynku przewozowego.
W tej sytuacji oczekiwania producentów i użytkowników można scharakteryzować następująco:
1) Krótkie terminy realizacji zamówionych
usług.
2) Niska cena usług.
3) Posiadanie przez wykonawcę usług certyfikatów wiarygodności i kompetencji.
40
4) Zdolność wykonawcy usług do ponoszenia odpowiedzialności prawnej i finansowej za ewentualne błędy i ich konsekwencje, co sprowadza się do posiadania
stosownego ubezpieczenia.
5) Wariantowość rozwiązań umożliwiająca
elastyczne modelowanie ofert dla odbiorców wyrobu.
6) Możliwość korygowania założeń i wymagań w trakcie projektowania.
7) Otwartość projektu na zmiany poddostawców zespołów i części.
8) Elastyczność projektu w zakresie zmian
materiałów i technologii.
9) Wyczerpująca informacja dotycząca wymagań stawianych wyrobom przez różnych odbiorców.
10) Opracowanie programów prób i badań na
zlecenie klienta.
11) Uzgodnienia programów badań z jednostkami certyfikującymi wyroby.
12) Minimalizacja czasu przygotowania do
badań.
13) Nieobciążanie zleceniodawcy świadczeniami materialnymi i organizacyjnymi.
14) Kompleksowa realizacja badań.
15) Bieżące informowanie zleceniodawcy o
przebiegu badań i ich wynikach.
16) Umożliwienie wprowadzania zmian w
obiekcie w przypadku nie spełniania wymagań.
17) Powtarzanie badań po wprowadzeniu
zmian.
18) Możliwie szybkie przedstawienie raportu
(sprawozdania ) z badań.
19) W przypadku wyników negatywnych,
przedstawienie analizy przyczyn i zaleceń.
20) Dokonywanie kompleksowych ocen wyrobów, będących podstawą certyfikacji.
21) Merytoryczna promocja wyrobów wobec
użytkowników.
4. Problemy występujące w trakcie realizacji tematów
Współpraca Instytutu „TABOR” z klientami dotyczy
szerokiego spektrum zagadnień oraz różnych klientów: małych firm powstałych w wyniku restrukturyzacji i prywatyzacji, nie posiadających dużego kapitału ani zaplecza merytorycznego, oraz znaczących firm
zagranicznych, szukających tanich usług w krajach
nowego obszaru unijnego.
W trakcie realizacji zlecanych tematów dają się wyróżnić następujące problemy:
1)
Zazwyczaj klient wymaga bardzo krótkiego
terminu realizacji, usiłując zyskać na czasie i
jak najszybciej wejść na rynek. W przypadku
wystąpienia zwłoki w procesie produkcji prototypu, celem dotrzymania terminu realizacji całości, usiłuje się skracać terminy badań.
2) Cena proponowana przez klienta różni się często istotnie od oferty wykonawcy.
3) Coraz trudniej przekonywać klienta o wiarygodności i kompetencjach w oparciu o minione osiągnięcia i tradycję. Posiadanie certyfikatów jakości dla realizacji procesów badawczo- rozwojowych staje się niezbędne.
4) Ubezpieczenie chroni wykonawcę przed konsekwencjami uszkodzenia lub zniszczenia obiektu
w trakcie badań oraz błędnymi wynikami pomiarów, a co za tym idzie, błędnymi wnioskami
i decyzjami. Taka praktyka wynika z uregulowań unijnych, dotyczących odpowiedzialności
firm za wyroby i usługi. Kwota rocznej składki
z tego tytułu bywa znaczna i w przypadku dużych i cennych obiektów lub kontraktów może
sięgać rzędu kilkudziesięciu tysięcy euro.
Wymaga to od wykonawcy spełnienia wymogów ubezpieczenia swej działalności.
5) Wariantowość rozwiązań projektowych zwiększa istotnie pracochłonność tematu. Nie stanowi problemu, jeżeli jest zapisana w umowie ,
odpowiednio zaplanowana i skalkulowana. W
przeciwnym razie wymaga niekiedy głębokich
zmian w procesie projektowania i korekty w
umowie, na co nie zawsze klient się zgadza.
6) Korygowanie założeń przez klienta w trakcie
projektowania może wynikać ze zmieniającej
się koniunktury na rynku, bądź nie dość wnikliwie przemyślanych koncepcji i braku zdecydowania. Jest to zjawisko znacznie zakłócające
realizację tematu i wymaga bezwzględnie korekty ceny i terminu.
7) Otwartość projektu na zmiany dostawców podzespołów i części znacznie rozszerza zakres
analiz, wersji rysunków i obliczeń. Nie jest to
problemem, jeżeli zostało przewidziane na etapie sporządzania umowy.
8) Elastyczność projektu w zakresie zmian materiałów i technologii.
9) Wyczerpująca informacja dotycząca wymagań
stawianych wyrobom przez różnych odbiorców.
Instytut nie będąc tu stroną a tylko usługodawcą, może na zlecenie klienta opracować projekty dokumentów w zakresie, który odbiorca powinien zaopiniować i zatwierdzić.
10) Praktyka wskazuje, że program badań winien
być opracowywany przez twórcę projektu, gdyż
zna on najlepiej mocne i słabe strony swoich
rozwiązań, założenia i wymagania oraz działanie obiektu, mającego być przedmiotem badań,
11)
12)
13)
14)
15)
16)
co jest bardzo pomocne przy formułowaniu
programu badań. Instytut opracowuje programy
badań dla własnych projektów, natomiast na
zamówienie klienta wykonuje opracowania
programów w oparciu o niezbędną do tego dokumentację, udostępnioną przez klienta.
Uzgodnienia programów badań z jednostkami
certyfikującymi wyroby winien dokonywać autor programu jako najbardziej kompetentny w
sprawach merytorycznych.
Minimalizacja czasu przygotowania do badań
wynika bezpośrednio ze skracania terminów i
minimalizacji kosztów. Jednocześnie należy
mieć świadomość, że badania są procesem złożonym, wymagającym działań przemyślanych i
angażującym obiekt oraz infrastrukturę znacznej wartości. Ryzyko pomyłki, niedotrzymania
warunków badań, uszkodzenia obiektu lub aparatury jest potencjalnie duże i może pociągać za
sobą znaczne skutki finansowe. Warto zatem
dobrze przygotować się do badań zarówno merytorycznie jak organizacyjnie. Bardzo pomocnym jest w takim przypadku system jakości w
laboratorium, uwzględniający w swych procedurach niezbędną ostrożność i postępowanie.
Nieobciążanie zleceniodawcy świadczeniami
materialnymi i organizacyjnymi jest możliwe
do spełnienia przez Instytut, jeżeli zostanie to
zapisane w umowie, a klient zechce za to zapłacić.
Kompleksowa realizacja badań jest wymaganiem komfortowym dla klienta, natomiast
znacznie trudniejszym dla Instytutu „TABOR”,
ponieważ nie wszystkie instytutowe laboratoria
są w stanie wykonać tak szeroki zakres badań i
nie posiadają aparatury specjalistycznej, by
wykonywać rzadkie unikatowe badania, chociaż by ze względów ekonomicznych. W takich
szczególnych przypadkach Instytut może podzlecić wybrane badania jednostce wyspecjalizowanej, bądź klient zleci te badania bezpośrednio.
Bieżące informowanie zleceniodawcy o przebiegu badań i wynikach należy do dobrych
praktyk laboratoryjnych, potwierdza wiarygodność laboratorium i jest w Instytucie stosowane
w zakresie uzgodnionym z klientem.
Instytut informuje klienta o przebiegu badań i
umożliwia wprowadzanie zmian w obiekcie w
przypadku, gdy nie spełnia on wymagań. Zmian
dokonuje serwis klienta korzystając często z
doradztwa technicznego odpowiednich specjalistów Instytutu oraz z pomocy technicznowarsztatowej. Wydłuża to termin zakończenia
badań i stanowi podstawę aneksowania umowy.
Nie wszyscy klienci to akceptują.
41
17) Powtarzanie badań po wprowadzeniu zmian.
Dobra praktyka laboratoryjna wymaga udokumentowania postępowania co do wprowadzonych zmian oraz wyników przed i po zmianach.
Klienci niechętnie i nie zawsze to akceptują.
18) Niezwłoczne przedstawienie raportu z badań
jest często wymuszane celem uzyskania podstawy rozliczeń finansowych, bądź przedłożenia jak najszybciej dokumentów niezbędnych
dla uzyskania świadectwa dopuszczenia.
19) W przypadku wyników negatywnych, na zlecenie klienta Instytut przedstawia analizę przyczyn i formułuje zalecenia dla naprawy lub
ulepszenia obiektu badań. Praktyki takie są
chętnie oczekiwane przez klientów i są dopuszczane przez wymagania akredytacyjne i dobrą
praktykę laboratoryjną.
20) Dokonywanie ocen zbiorczych wyrobów, będących podstawą do ich certyfikacji. Jest to kompleksowa analiza całości dokumentacji, obliczeń i wyników badań pod kątem spełniania
wymagań umowy, norm, kart UIC i innych dokumentów odniesienia, będących podstawą certyfikacji wyrobu. Jest to zatem uczestnictwo w
procesie certyfikacji, przy czym pozytywna
ocena końcowa nie może być tu formalnie wiążąca bez posiadania akredytacji, autoryzacji i
notyfikacji.
21) Merytoryczna promocja wyrobów wobec użytkowników wymaga głębokiej znajomości zagadnień transportu szynowego oraz konstrukcji
pojazdów dla różnych specyficznych warunków
i wymagań przewoźników. Zdarza się, że klient
–producent nie dysponuje odpowiednią kadrą i
wówczas czekuje pomocy merytorycznej od
wyspecjalizowanej instytucji. Sprowadza się to
do opracowania koncepcji, ofert technicznych,
analiz i uzasadnień, oraz udziału w naradach i
konferencjach a na etapie gotowego wyrobu
przygotowania merytorycznych ocen dla jednostek certyfikujących wyrób.
5. Dalsze kierunki działań doskonalących jakość
prac
Realizacja tematów badawczo-rozwojowych jako
usług wysokokwalifikowanych o dużym wkładzie
intelektualnym w świetle wolnorynkowych oczekiwaniach klientów stawia przed Instytutem „TABOR”
wysokie wymagania merytoryczne i organizacyjne.
Praktyka wskazuje, że oczekiwania klientów oraz
działania Instytutu nie zawsze są zbieżne a współpraca wymaga często pokonania wielu trudności. Należy
mieć świadomość, że dobra współpraca mieścić się
będzie na płaszczyźnie realistycznie wynegocjowanych precyzyjnych zapisów w umowach dwustronnych. Dla Instytutu znaczy to konieczność objęcia
42
obszaru swych działań systemem jakości, czyli nadzorowanym, planowanym działaniem zgodnie z procedurami opartymi o aktualne wymagania techniczne i
prawne obowiązujące także klientów, jednostki kontrolujące i certyfikujące na obszarze unijnym. Sprawi
to, że partnerzy powinni stosować wspólną terminologię, a postępowanie będzie jasne, jednoznaczne i
obiektywne. Takie warunki stwarza System Zapewnienia Jakości (SZJ) opisany w normie [1]. Może on
dotyczyć praktycznie każdej organizacji realizującej
szeroko rozumiane wytwarzanie i usługi.
Dla firm emitujących zanieczyszczenia środowiska
stosuje się dodatkowo normę [6] a dla objęcia spraw
bezpieczeństwa i higieny pracy normę [7]. Proponowane rozszerzenie jest aktualnie coraz częściej stosowane i dobrze postrzegane przez klientów. Rozszerzenie SZJ o wyżej wymienione aspekty należałoby
jednak rozważyć, biorąc pod uwagę wielkość zagrożeń środowiska i zagrożenia w pracy oraz koszty tego
rozszerzenia. Wiele jednostek badawczo- rozwojowych posiada już zintegrowane systemy zapewnienia
jakości, co podnosi ich wiarygodność oraz porządkuje
i ułatwia pracę. Jest to zatem konieczny element organizacji również dla Instytutu „TABOR”.
Odrębnym zagadnieniem w Instytucie jest prowadzenie badań. Zadania te realizuje laboratorium, posiadające akredytację potwierdzającą jego kompetencje
techniczne oraz przestrzeganie systemu jakości opisanego w normie [2]. Laboratorium posiada niezbędną
dokumentację (księgę jakości, procedury, instrukcje)
oraz uporządkowany zbiór aparatury pomiarowej.
Od roku 1999 laboratorium posiada uznanie kolei
niemieckich (Eisenbahn- Bundesamt) w zakresie badań pojazdów szynowych, przedłużone w roku 2005
na kolejne 3 lata. W roku 2006 uzyskało akredytację
Polskiego Centrum Akredytacji. Obszar badań jest
najbardziej formalnie przygotowanym do pracy w
ramach systemu jakości i wymaga znacznego wysiłku
dla utrzymania i doskonalenia organizacji, kompetencji i biegłości. Kolejnym obszarem w pracach
Instytutu
jest działalność na rzecz certyfikacji
wyrobów branży kolejowej [8]. Instytut posiada
specjalistów
o
wysokich
kwalifikacjach
i
doświadczeniu w dziedzinie projektowania i rozwoju
pojazdów szynowych i pojazdów do transportu
szynowo- drogowego.
Poza podstawową działalnością wykonują oni na
zlecenia klientów analizy, obliczenia, opinie i oceny
dotyczące bezpieczeństwa, interoperacyjności, niezawodności, ergonomii i jakości pojazdów szynowych. Opracowania te są podstawą do wystawiania
świadectw dopuszczenia przez Urząd Transportu
Kolejowego, który opiera się w swoich decyzjach na
opracowaniach wiarygodnych ekspertów a także na
raportach z badań wykonywanych przez akredytowane laboratoria i uznane przez ten Urząd jednostki.
Opisana wyżej działalność w zakresie merytorycznym
wyczerpuje definicję certyfikacji obowiązkowej wyrobów a świadectwo wydawane przez UTK jest formą
dopuszczenia pojazdu do eksploatacji na terytorium
kraju. Istnieje także znaczny obszar certyfikacji dobrowolnej, dotyczącej wyrobów przeznaczonych dla
odbiorców prywatnych oraz dla celów poznawczych,
kontrolnych i marketingowych, niezbędnej producentom przed wprowadzeniem produktu na rynek.
Ten obszar certyfikacji może być wykonywany w IPS
przez akredytowany i notyfikowany Ośrodek Certyfikacji Wyrobów.
Kadra naukowo-techniczna i potencjał intelektualny
Instytutu pozwala rozważać perspektywicznie utworzenie wyodrębnionej, bezstronnej grupy ekspertów
jako Jednostki Kontrolującej, działającej w oparciu o
ustawy [8i9] oraz normę [10].
6. Model zintegrowanego systemu jakości dla Instytutu „TABOR”
W zakresie działania Instytutu można rozróżnić trzy
obszary, funkcjonujące wg odrębnych dokumentów
odniesienia, które są jednak spójne i kompatybilne,
gdyż u ich podstaw leży zasada działań zaplanowanych, wykonywanych przez kompetentny personel,
spełniających zasadę powtarzalności i odtwarzalności
z udokumentowaniem poszczególnych kroków.
Model taki umożliwi realizację oczekiwań klientów w
szerokim zakresie, stworzy warunki rozwoju intelektualnego personelu, przystosowując Instytut do aktualnej sytuacji w branży, z optymalnym wykorzystaniem posiadanej kadry. Model proponowanego zintegrowanego systemu jakości przedstawiono na rys.1.
Badania
KJL + Procedury
PN-EN ISO
17025:2005
Akredytacja
Autoryzacja
Notyfikacja
Projektowanie
Rozwój
Doradztwo
Produkcja
Instalowanie
Serwis
KJ + Procedury
PN-EN ISO
9001:2001
Certyfikacja
Autoryzacja –zakwalifikowanie przez ministra lub
kierownika urzędu centralnego właściwego ze względu na przedmiot oceny
zgodności, zgłaszającej się jednostki
lub laboratorium do procesu notyfikacji. W przypadku IPS „TABOR” dotyczy to Laboratorium oraz Ośrodka
Certyfikacji Wyrobów i autoryzacja
jest udzielana przez Prezesa Urzędu
Transportu Kolejowego na podstawie
Ustaw [8i9].
Notyfikacja –zgłoszenie do Komisji Europejskiej i
państwom członkowskim UE autoryzowanych jednostek certyfikujących i
kontrolujących oraz autoryzowanych
laboratoriów, właściwych do wykonywania czynności określonych w procedurach oceny zgodności. W przypadku
IPS „TABOR” dotyczy to Laboratorium oraz Ośrodka Certyfikacji Wyrobów i notyfikacja jest zgłaszana do
Komisji Europejskiej oraz do państw
UE przez ministra właściwego do
spraw gospodarki.
7. Podsumowanie i wnioski
Napływ technologii, materiałów i usług zagranicznych o dużej konkurencyjności zmusza krajowe jednostki badawczo-rozwojowe do ciągłego doskonalenia usług i obniżania kosztów. Sprzyja temu praca w
systemach jakości, powodując uporządkowanie procedur, czynności, optymalizację działań oraz minimalizację błędów i maksymalizację zadowolenia klientów.
Należy zatem utrzymywać i doskonalić posiadane
już
uznania,
akredytacje i certyfikacje
oraz zdobywać nowe,
kierując się oczekiwaniami
firm współpracuCertyfikacja
jących. Taka polityka jaWyrobów
KJC + Procedury
kości winna obejmować
cały obszar działań, od
PN-EN
projektowania, poprzez
45011:2000
rozwój, doradztwo, proAkredytacja
dukcję
jednostkowych
Autoryzacja
wyspecjalizowanych
Notyfikacja
nowości, badania laboratoryjne i eksploatacyjne,
do ekspertyz, ocen i certyfikacji wyrobów.
Rys.1 Model zintegrowanego systemu jakości
43
Celem utrzymania należnej Instytutowi „TABOR”
pozycji w branży pojazdów szynowych w wymiarze
krajowym i unijnym niezbędnym standardem byłoby:
1. Dalsze realizowanie zadań statutowych w systemie jakości ISO 9001 [1] w zakresie projektowania, rozwoju, doradztwa, produkcji, instalowania i serwisu oraz bieżące unowocześnianie
metod i narzędzi pracy.
2. Dalsze realizowanie badań w laboratorium, w
systemie jakości akredytowanym wg EN 17025
[2] i autoryzacji krajowej oraz notyfikacji unijnej jak również bieżące unowocześnianie metod
i aparatury pomiarowej.
3. Utrzymywanie i przedłużanie uznania kolei
niemieckich na badania pojazdów szynowych.
4. Ocena, opiniowanie i certyfikowanie wyrobów
branży pojazdów szynowych w systemie jakości
wg EN 45011 [3] i autoryzacji krajowej oraz
notyfikacji unijnej.
5. Pozyskiwanie w miarę potrzeb certyfikatów,
uznań i uprawnień innych kompetentnych instytucji zagranicznych w branży.
44
Literatura
[1] Norma PN-EN ISO 9001: 2001 „Systemy zarządzania jakością. Wymagania.”
[2] Norma PN-EN ISO/IEC 17025 :2005 „Ogólne
wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów
badawczych i wzorcujących”.
[3] Norma PN-EN 45011: 2000 „Wymagania ogólne dotyczące jednostek prowadzących systemy
certyfikacji wyrobów”.
[4] Dyrektywa 2001/16/EC z 19. 03.2001 „W sprawie interoperacyjności transeuropejskiego systemu kolei konwencjonalnych”. (Dz. Urz. WE L
110, z 20.04. 2001 r.)
[5] Dyrektywa 96/48/WE z 23. 07. 1996 „W sprawie
interoperacyjności transeuropejskiego systemu
kolei dużych prędkości”. (Dz. Urz. WE L235, z
17. 09. 1996 r.)
[6] Norma PN-EN ISO 14001:2005 „Systemy zarządzania środowiskowego. Wymagania i wytyczne stosowania.”
[7] Norma PN-EN-18001:2004 „Systemy zarządzania bezpieczeństwem i higieną pracy. Wymagania.”
[8] Ustawa z dnia 30 sierpnia 2002 r. o systemie
oceny zgodności. (Dz. U. Nr 166, poz.1360)
[9] Ustawa z dnia 20 kwietnia 2004 r. o zmianie
ustawy o transporcie kolejowym. (Dz. U. Nr 86,
poz. 789)
[10] PN-EN ISO/IEC 17020:2005 „Ogólne kryteria
działania różnych rodzajów jednostek kontrolujących”.
mgr inż. Marcin Haba
Instytut Pojazdów Szynowych „Tabor”
Programy wspomagające uruchamianie
mikroprocesorowych systemów sterowania w pojazdach szynowych
W artykule opisano programy „DIAGNOSTYKA” oraz „WYKRESY” wykorzystywane przy wdrażaniu
mikroprocesorowych systemów sterowania w pojazdach szynowych. Pierwszy z nich służy do akwizycji
danych diagnostycznych z systemu sterowania natomiast drugi do prezentacji tych danych w formie wykresów, które można zachować w postaci plików graficznych.
Artykuł powstał w wyniku prac wykonanych m.in. w ramach projektu badawczego nr 4T12D05430
pt.”Zastosowanie satelitarnego systemu akwizycji danych do poligonowych badań spalinowych pojazdów
szynowych” dofinansowanego przez Ministersto Nauki i Szkolnictwa Wyższego.
1. Wstęp
Nowoczesne pojazdy szynowe wyposażane są
w podzespoły na coraz wyższym poziomie technicznym, sterowane w technice mikroprocesorowej. Również IPS „TABOR” ma swój wkład w tej dziedzinie,
projektując i wdrażając następujące systemy sterowania:
1. sterowanie układem ogrzewania pociągu na
zmodernizowanej lokomotywie spalinowej
SP42 (SU42 serii 500),
2. sterowanie i diagnostyka układu pneumatycznego na zmodernizowanej lokomotywie elektrycznej ET22,
3. sterowanie i diagnostyka układu pneumatycznego oraz układ przeciwpoślizgowy na zmodernizowanej lokomotywie spalinowej ST44,
4. sterowanie globalną współpracą (w ramach
całej jednostki) hamulca ED z hamulcem EP
na ezt 15WE i 16WE,
5. sterowanie nagrzewnicą tramwajową.
Wymienione systemy sterowania oparte są na sterownikach programowalnych, zwanych również sterownikami mikroprocesorowymi lub sterownikami PLC
(ang. Programmable Logic Controllers). W projektach wykorzystano sterowniki firm: Siemens AG
(Niemcy), PEP Modular Computers – obecnie Kontron (USA) i Selectron Systems AG (Szwajcaria).
Podczas uruchamiania systemów sterowania
w pojazdach szynowych konieczne jest zbadanie poprawności przyjętych algorytmów sterowania oraz
działania oprogramowania zaimplementowanego w
sterownikach na podstawie tych algorytmów.
Ocenę poprawności algorytmów i oprogramowania umożliwia analiza sygnałów sterujących,
generowanych przez sterownik na podstawie doprowadzonych do niego sygnałów wejściowych. W tym
celu sterownik mikroprocesorowy przesyła co 100 ms
do komputera serwisowego ramkę danych diagnostycznych.
Do przesyłania danych wybrano interfejs
(sprzęg, łącze) szeregowy RS 232 (ang. Recommended Standard) z uwagi na to, że port szeregowy jest
standardowym wyposażeniem zarówno komputerów
(oznaczany jako „COM”), jak też sterowników PLC.
W przypadku sterowników jest on wykorzystywany
do ich programowania, ale umożliwia również
transmisję danych podczas normalnej pracy sterownika.
RS 232C jest wersją interfejsu szeregowego
wprowadzoną w 1969 roku i oficjalnie podniesioną do
rangi standardu w roku 1986. RS 232C jest powszechnie stosowanym i akceptowanym standardem
dla szeregowej (bit po bicie) wymiany danych cyfrowych pomiędzy urządzeniem DTE (ang. Data Terminal Equipment) – obecnie utożsamianym z komputerem, a DCE (ang. Data Communication Equipment) –
obecnie utożsamianym z urządzeniem zewnętrznym
(pierwotnie z modemem). Definiuje on w sposób jednoznaczny parametry elektryczne, mechaniczne i
logiczne łącza szeregowego [1].
Pod pojęciem komputera serwisowego rozumiany jest komputer przenośny wyposażony w port
szeregowy z zainstalowanym oprogramowaniem narzędziowym do programowania sterowników (Siemens: Step7, PEP Modular Computers: ISaGRAF,
Selectron: CAP1131).
Dane diagnostyczne przesyłane przez sterownik są odbierane, prezentowane i gromadzone na
twardym dysku komputera za pośrednictwem programu „DIAGNOSTYKA”. Dla każdego uruchamianego
systemu sterowania tworzona jest dedykowana do
współpracy z nim kolejna wersja programu „DIAGNOSTYKA”. Poszczególne wersje różnią się od
siebie obsługiwaną ramką danych (ilością i rodzajem
przesyłanych danych), wysyłaną przez sterownik
PLC.
Archiwizacja danych diagnostycznych polega
na zapisywaniu kolejnych ramek przesyłanych przez
sterownik jako kolejnych wierszy pliku tekstowego.
W wyniku analizy wykresów stworzonych na podstawie tych plików można dokładnie prześledzić działanie sterowanego układu, a tym samym wychwycić
ewentualne błędy przyjętych algorytmów sterowania,
błędy oprogramowania sterownika, ale także niewłaściwe działanie samego układu.
45
Program „WYKRESY” służy do tworzenia
przebiegów czasowych wybranych danych diagnostycznych na podstawie plików tekstowych generowanych przez program „DIAGNOSTYKA” oraz do
zachowania otrzymanych wykresów w postaci plików
graficznych. Program „WYKRESY” jest uniwersalny,
tzn. obsługuje wszystkie pliki tworzone przez program „DIAGNOSTYKA” niezależnie od jego wersji,
a co za tym idzie, niezależnie od rozmiaru zapisanych
w nich ramek danych.
2.
Sterowniki programowalne
Sterowniki programowalne (PLC) są komputerami przemysłowymi, które pod kontrolą systemu
operacyjnego czasu rzeczywistego [2]:
- zbierają pomiary za pomocą modułów wejściowych z cyfrowych i analogowych czujników oraz urządzeń pomiarowych
- korzystając z uzyskanych danych o sterowanym procesie lub maszynie, wykonują programy użytkownika, zawierające zakodowane
algorytmy sterowania i przetwarzania danych
- generują sygnały sterujące odpowiednie do
wyników obliczeń tych programów i przekazują je przez moduły wyjściowe do elementów i urządzeń wykonawczych
a ponadto dają możliwość:
- transmitowania danych za pomocą modułów i
łączy komunikacyjnych
- realizacji funkcji diagnostyki programowej i
sprzętowej.
Schemat ideowy sterownika PLC przedstawiono na
rysunku 1
Podstawowymi elementami sterownika są [2]:
1. moduły wejściowe, za pomocą których są
wprowadzane do sterownika sygnały z czujników, zadajników oraz urządzeń pomiarowych w obiekcie – sygnały te stanowią wejścia sterownika,
2. jednostka centralna, która na podstawie przechowywanego w pamięci programu oraz odczytanych wejść sterownika oblicza wartości
sterowań i zapisuje je do pamięci wyjść (w
sterownikach moduł jednostki centralnej CPU
(ang. Central Processing Unit) oznacza nie
tylko mikroprocesor, lecz także pamięć programu użytkownika oraz pamięć danych),
3. moduły wyjściowe, które przekazują obliczone sygnały sterujące do elementów i urządzeń
wykonawczych – sygnały te stanowią wyjścia
sterownika.
Głównym zadaniem sterownika jest generowanie sygnałów sterujących w odpowiedzi na zmiany
sygnałów wejściowych, zgodnie z przyjętym algorytmem sterowania lub regulacji. Reakcja ta zależy od
wyników operacji arytmetyczno-logicznych wykonanych dla aktualnych wartości wejść sterownika, jego
zmiennych wewnętrznych oraz od zaprogramowanych
warunków czasowych. Może ona także zależeć od
operacji wykonanych na danych transmitowanych w
sieciach łączących wiele elementów pomiarowych,
sterowników, regulatorów czy komputerów [2].
Rys. 1. Schemat ideowy sterownika programowalnego PLC [2]
46
Sterownik pracuje w tzw. czasie rzeczywistym (ang. Real Time). Oznacza to, że reakcja sterownika w postaci obliczonego sterowania w odpowiedzi
na zmianę wejść musi wystąpić w określonym czasie,
akceptowalnym z punktu widzenia wymagań stawianych temu sterowaniu. Uzyskuje się to na drodze cyklicznego odczytu stanu sygnałów wejściowych, wykonywaniu programu użytkownika i aktualizacji sygnałów wyjściowych [2].
Sterownik pracuje w cyklu programowym (ang. Program Sweep), w którym:
• w fazie aktualizacji stanu wejść następuje
przepisanie wartości wejść z modułów wejściowych do odpowiadających im obszarów
w pamięci danych sterownika (na rys. 1 oznaczonych jako „%In”, gdzie n jest numerem
wejścia)
• w fazie wykonania programu realizowany jest
jeden przebieg programu użytkownika – kolejne instrukcje programu przekazywane są z
pamięci programu do mikroprocesora, który
je dekoduje, wykonuje odpowiednie działania
i zapisuje wynik obliczeń w pamięci danych
• w fazie aktualizacji wyjść następuje przepisanie obliczonych wartości wyjść (na rys. 1
oznaczonych jako „%Qn”, gdzie n jest numerem wyjścia) z odpowiedniego obszaru danych do modułów wyjściowych, które generują sygnały sterujące.
3. Realizacja połączenia pomiędzy sterownikiem
mikroprocesorowym a komputerem serwisowym za pośrednictwem interfejsu RS232
3.1. Realizacja połączenia od strony sprzętowej
Sterownik mikroprocesorowy łączy się z
komputerem serwisowym (rys. 2) za pośrednictwem
przewodu 3-żyłowego, zakończonego od strony komputera wtyczką złącza DB-9 z wyprowadzeniami żeńskimi (gdyż komputer wyposażony jest w gniazdo
złącza DB-9 z wyprowadzeniami męskimi) a od strony sterownika 3-polową listwą zaciskową, przy wykorzystaniu jedynie trzech linii interfejsu RS232:
− RxD, RXD (ang. Received Data): dane odbierane
− TxD, TXD (ang. Transmitted Data): dane
wysyłane
− GND (ang. Ground), COM (ang. Common):
masa sygnałowa.
Komputer serwisowy
gniazdo
złącza DB-9
(wyprowadzenia
męskie)
W publikacji oznaczono RxD, TxD, GND jako
wyprowadzenia portu szeregowego w komputerze
serwisowym, natomiast RXD, TXD, COM jako
wyprowadzenia w sterowniku PLC.
3.2. Realizacja połączenia od strony programowej
Aby nawiązać transmisję pomiędzy sterownikiem PLC a komputerem serwisowym należy:
- ustalić strukturę przesyłanej ramki danych
diagnostycznych oraz parametry transmisji
- oprogramować sterownik pod kątem nadawania danych diagnostycznych po łączu szeregowym
- wyposażyć komputer serwisowy w program
„DIAGNOSTYKA” obsługujący jego port
szeregowy, który realizuje zadania odbioru,
wizualizacji i archiwizacji danych diagnostycznych.
3.2.1. Struktura ramki danych diagnostycznych
Dane diagnostyczne, zawierają następujące informacje:
- stan wejściowych sygnałów cyfrowych
- wartości wejściowych sygnałów analogowych
i częstotliwościowych
- dane wymieniane z innymi sterownikami (np.
ze sterownikiem głównym pojazdu)
- wartości niektórych zmiennych obliczanych
przez program sterownika w celu odpowiedniego wysterowania wyjść
- stan wyjściowych sygnałów sterujących.
Sterownik w każdym cyklu programowym (co
100 ms) konwertuje powyższe dane diagnostyczne do
postaci znaków typu CHAR. Dane te są kodowane wg
kodu ASCII z wykorzystaniem następującego klucza:
• 8 BIN → 1 znak CHAR (np. stan 8 wejść lub
wyjść cyfrowych)
• 1 DEC → 1 lub 2 znaki CHAR (w zależności
od zakresu wartości i wymaganej precyzji, np.
pomiar ciśnienia z zakresu od 0 kPa do 1000
kPa z rozdzielczością 1 kPa).
Ramka danych diagnostycznych wysyłana
przez sterownik jest więc ciągiem n znaków typu
CHAR (rys. 3) o długości zależnej od ilości i od rodzaju przesyłanych danych. Dlatego też dla każdego
projektu powstaje kolejna wersja programu „DIAGNOSTYKA”, który dekoduje odebraną ramkę na
wartości konkretnych danych diagnostycznych.
wtyczka złącza DB-9
(wyprowadzenia żeńskie)
Sterownik PLC
RxD (1)
RXD (1)
TxD (2)
TXD (2)
GND (3)
przewód 3-żyłowy
3-polowa
listwa
zaciskowa
COM (3)
Rys. 2. Schemat połączenia sterownika mikroprocesorowego i komputera serwisowego za pośrednictwem
interfejsu RS232
47
znak 1
znak 2
Licznik
DANE
znak (n-4) znak (n-3) znak (n-2) znak (n-1)
DANE
’E’
’N’
’D’
znak n
LF
Rys. 3. Struktura ramki danych diagnostycznych
Struktura ramki danych diagnostycznych jest następująca:
• znak 1 – zmienna Licznik, której wartość zmienia się w zakresie od 1 do 100 –
kontrola poprawności transmisji
• znak 2 .. znak (n-4) – zakodowane dane diagnostyczne
• znak (n-3) – wartość stała ’E’ (znak ASCII: #69) – kontrola poprawności transmisji
• znak (n-2) – wartość stała ’N’ (znak ASCII: #78) – kontrola poprawności transmisji
• znak (n-1) – wartość stała ’D’ (znak ASCII: #68) – kontrola poprawności transmisji
• znak (n) – wartość stała LF (znak ASCII: #10) – kontrola poprawności transmisji.
3.2.2. Parametry transmisji
Aby nawiązać komunikację pomiędzy sterownikiem a
komputerem serwisowym należy odpowiednio skonfigurować ich porty szeregowe, poprzez ustalenie:
- prędkości transmisji
- sposobu kontroli parzystości (wykorzystania
bitu parzystości), dostępne opcje: (0) NO
PARITY – brak kontroli parzystości, (1)
ODD PARITY – kontrola nieparzystości –
ilość jedynek w polu danych uzupełniana jest
za pośrednictwem bitu parzystości do liczby
nieparzystej, (2) EVEN PARITY – kontrola
parzystości – ilość jedynek w polu danych
uzupełniana jest za pośrednictwem bitu parzystości do liczby parzystej
- ilości bitów danych, dostępne opcje: 8 (odpowiada 1 Bajtowi danych), 7, 6, 5
- ilości bitów stopu, dostępne opcje: 1, 2
- protokołu transmisji, dostępne opcje: (0)
NONE – bez protokołu, (1) XON/XOFF – aktywny protokół programowy XON/XOFF
(możliwy tylko dla transmisji realizowanej w
trybie FULL DUPLEX), (2) RTS/CTS – aktywny protokół sprzętowy RTS/CTS FLOW
CONTROL (możliwy tylko dla transmisji realizowanej z wykorzystaniem linii sterujących
RTS i CTS interfejsu RS232).
4. Obsługa i działanie programu „DIAGNOSTYKA”
Program „DIAGNOSTYKA” został zaimplementowany w środowisku Borland Delphi 7. Okno
główne programu pokazano na rysunku 5. Jego obsługa jest intuicyjna a zastosowane zabezpieczenia
uniemożliwiają wykonanie przez program lub użytkownika czynności nieprawidłowych.
Przyjęto następujące parametry transmisji pomiędzy
sterownikiem a komputerem serwisowym:
- prędkość transmisji: 38 400 bitów / s
- kontrola parzystości: NO PARITY
- protokół transmisji: NONE
- ramka pojedynczego znaku (rys. 4) składa się
z 11 bitów: 1 bit startu (START), 8 bitów danych (D1 .. D8) reprezentujących przesyłany
znak CHAR, 1 bit parzystości, 1 bit stopu.
bit 1
bit 2 bit 3 bit 4 bit 5 bit 6 bit 7 bit 8 bit 9
START D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
bit 10
D8 PARITY STOP
Rys. 4. Struktura ramki pojedynczego znaku
48
bit 11
Rys. 5. Okno główne programu „DIAGNOSTYKA”
podczas gromadzenia danych ze sterownika nagrzewnicy
tramwajowej
Zadania realizowane przez program „DIAGNOSTYKA”:
1. obsługa portu RS232 komputera serwisowego:
a. konfiguracja portu szeregowego:
1. wybór portu (Port): od
COM 1 do COM 12,
2. wybór prędkości transmisji
(Baudrate) [bitów / s]:
38400, 19200, 9600, 4800,
2400, 1200, 600, 300,
3. wybór ilości bitów danych
(Data bits): 8, 7,
4. wybór rodzaju kontroli parzystości (Parity): NONE,
ODD, EVEN,
5. wybór ilości bitów stopu
(Stop bits): 1, 2,
6. wybór protokołu transmisji
(Protocol):
NONE,
XON/XOFF,
b. inicjacja portu zgodnie z wybraną
konfiguracją,
c. możliwość zmiany konfiguracji portu
w trakcie działania programu,
d. zamknięcie portu podczas zamykania
programu.
2. odbiór ramki danych diagnostycznych z portu
szeregowego komputera i jej dekodowanie z
ciągu znaków CHAR na wartości poszczególnych danych diagnostycznych,
3. wizualizacja danych diagnostycznych odbieranych ze sterownika,
4. archiwizacja danych diagnostycznych odbieranych ze sterownika:
a. zapis odebranych danych diagnostycznych do pliku tekstowego o formacie nazwy gwarantującym jego
jednoznaczną identyfikację (punkt
4.2),
b. wstawianie do powyższego pliku
znacznika postaci ‘9999999’ zamiast
indeksu odebranych ramek (punkt
4.8) w celu oznaczenia danych wymagających dokładniejszej analizy.
4.1. Konfiguracja portu
Po uruchomieniu programu należy skonfigurować wybrany port szeregowy wybierając odpowiednie opcje za pomocą list wyboru. Próba otwarcia
portu następuje po naciśnięciu przycisku „Open”. W
przypadku, gdy komputer nie posiada portu o wybranej nazwie lub gdy wybrany port jest już używany
przez inny program, pojawia się odpowiedni komunikat informujący o tym fakcie.
Po poprawnej konfiguracji portu przycisk
„Open” oraz listy wyboru opcji konfiguracyjnych
portu stają się nieaktywne, przyciski „Close” i
„START” stają się aktywne, a w polu poniżej przycisków „Open” i „Close” pojawiają się parametry konfiguracyjne otwartego portu.
4.2. Uruchomienie odczytu danych diagnostycznych
Aby uruchomić odczyt danych z portu szeregowego należy nacisnąć przycisk „START”. Folderem domyślnym, w którym tworzony jest plik tekstowy generowany przez program, jest folder, w którym
znajduje się plik wykonywalny programu Diagnostyka.exe.
Nazwa wynikowego pliku tekstowego składa
się z przedrostka identyfikującego pojazd lub sterownik oraz daty i czasu pobieranych z systemu operacyjnego komputera w chwili tworzenia pliku. Przyjęty
format nazwy pliku gwarantuje jego jednoznaczną
identyfikację oraz to, że żaden plik z danymi nie zostanie omyłkowo nadpisany. W przypadku sterownika
wdrożonego na lokomotywie ST44 przyjęto następujący format nazwy pliku:
„NumerLokomotywy NumerKabiny Data Czas .dia”,
gdzie:
Data: YYr_MM_DD (Y – rok, M – miesiąc,
D – dzień),
Czas: hh_mm_ss (h – godzina, m – minuta, s
– sekunda),
np.: „3001 kab2 05r_08_26 08_29_48.dia”.
Po utworzeniu pliku wynikowego program
zaczyna odczytywać dane z linii RxD wybranego
portu szeregowego, przycisk „START” staje się nieaktywny, przycisk „MARKER” staje się aktywny.
4.3. Status linii RxD
W dolnej części okna programu wyświetlana
jest informacja o stanie linii RxD (odbiór danych).
Możliwe są cztery przypadki:
1. na linii RxD nie ma żadnych danych do odebrania lub skonfigurowano niewłaściwy port,
2. nie odebrano jeszcze całej ramki danych,
3. odebrano odpowiednią ilość znaków, ale ciąg
ten nie jest zakończony sekwencją: ’E’, ’N’,
’D’, LF,
4. poprawnie odebrano całą ramkę danych.
4.4. Wizualizacja i archiwizacja danych diagnostycznych
W przypadku poprawnego odebrania całej
ramki danych program przeprowadza operację jej
dekodowania z ciągu znaków CHAR na wartości poszczególnych danych diagnostycznych. Dane te są
wyświetlane w kolejnych wierszach tabeli oraz zapisywane do wynikowego pliku tekstowego. Podgląd
kolejnych wierszy tabeli umożliwia pasek przewijania
umieszczony po prawej stronie tabeli z danymi diagnostycznymi.
49
•
•
•
4.5. Wstawianie znacznika
Istnieje możliwość wstawienia do pliku wynikowego, za pomocą przycisku „MARKER”, znacznika postaci '9999999' zamiast indeksu odebranych
ramek w celu oznaczenia danych wymagających dokładniejszej analizy.
•
4.6. Zmiana konfiguracji portu
W trakcie działania programu istnieje możliwość zmiany konfiguracji portu. W tym celu należy
zamknąć otwarty port przyciskiem „Close” a następnie dokonać ponownej konfiguracji wybranego portu.
4.7. Zakończenie działania programu
W celu zakończenia działania programu należy w pierwszej kolejności zamknąć otwarty port przyciskiem „Close” a następnie zamknąć okno programu.
4.8. Struktura pliku tekstowego generowanego
przez program „DIAGNOSTYKA”
Na rysunku 6 zamieszczono przykładowo fragment
wynikowego pliku tekstowego wygenerowanego
przez program „DIAGNOSTYKA” podczas uruchamiania systemu sterowania nagrzewnicą tramwajową.
Fragment ten zawiera dwie ramki danych odebrane ze
sterownika.
Plik tekstowy generowany przez program „DIAGNOSTYKA” zawiera następujące informacje:
• wiersze 1 do 8: sygnatura pliku
• wiersz 11: identyfikator pojazdu lub sterownika
5.
wiersz 13: data utworzenia pliku
wiersz 14: czas utworzenia pliku
wiersz 16: opis danych diagnostycznych
zapisanych w poszczególnych kolumnach
wiersze od 17:
o kolumna 1: indeks prób odebrania ramek
o kolumna 2: indeks odebranych ramek
o kolumny następne: dane diagnostyczne.
Obsługa i działanie programu „WYKRESY”
Program „WYKRESY” został zaimplementowany w środowisku Borland Delphi 7. Jego obsługa
jest intuicyjna a zastosowane zabezpieczenia uniemożliwiają wykonanie przez program lub użytkownika czynności nieprawidłowych.
Podstawowym zadaniem realizowanym przez
program „WYKRESY” jest generowanie przebiegów
czasowych danych diagnostycznych zapisanych w
plikach tekstowych uzyskanych w wyniku działania
programu „DIAGNOSTYKA”. Program „WYKRESY” pozwala na stworzenie do 20 przebiegów danych
diagnostycznych (serii) na jednym wykresie. Umożliwia zmianę atrybutów narysowanego wykresu, takich jak: kolor, grubość oraz rodzaj linii poszczególnych serii, widoczność danej serii oraz minimum,
maksimum i podziałkę obu osi. Otrzymany wykres
można zapisać do pliku formatu WMF (ang. Windows
Metafile) lub EMF (ang. Enhanced Metafile).
Okno główne programu składa się z części, w
której prezentowany jest wykres oraz z części, w której zgromadzone są: przycisk „Otwórz plik (*.dia)”,
elementy umożliwiające konfigurację otrzymanego
wykresu oraz sekcja zapisu otrzymanego wykresu
jako pliku graficznego (rys. 7).
Rys. 6. Fragment pliku tekstowego wygenerowanego przez program „DIAGNOSTYKA” podczas gromadzenia danych
ze sterownika nagrzewnicy tramwajowej
50
5.2.
Wybór danych diagnostycznych
Po poprawnym otwarciu pliku wejściowego pojawia się okno wyboru
danych diagnostycznych, których przebiegi mają być narysowane na wykresie.
Okno „Wybór zmiennych” składa się z listy danych (pobranej z pliku wejściowego) oraz przycisków „Akceptuj” i „Anuluj”. Można wybrać do 20 pozycji. Do
„przewijania” listy danych służy pasek umieszczony po prawej stronie okna
„Wybór zmiennych”. Nad przyciskami „Akceptuj” i „Anuluj” wyświetlana jest
informacja o liczbie danych jaką jeszcze można wybrać. Natomiast w oknie
głównym programu przycisk „Otwórz plik (*.dia)” staje się nieaktywny, a stają
się widoczne elementy umożliwiające zmianę atrybutów narysowanego wykresu
oraz elementy umożliwiające zapis narysowanego wykresu do pliku.
Jeżeli program nie zostanie zamknięty, to przy wyborze kolejnego pliku
do analizy pamiętane są pozycje zaznaczone w oknie „Wybór zmiennych”.
5.3.
Konfiguracja „Offsetu” i „Mnożnika” serii
Po wybraniu do 20 danych w oknie „Wybór zmiennych” i naciśnięciu
przycisku „Akceptuj” w jego miejsce pojawia się okno wyboru „Offsetu” (liczba
naturalna z zakresu od 0 do 100, wartość domyślna: 0) i „Mnożnika” (liczba
naturalna z zakresu od 1 do 100, wartość domyślna: 1) dla poszczególnych serii.
Wprowadzenie „Offsetu” i „Mnożnika” umożliwia „rozsunięcie” poszczególnych serii na wykresie, co ma istotne znaczenie przy analizie przebiegów binarnych.
5.4.
Tworzenie wykresu
Po naciśnięciu przycisku „Akceptuj” w oknie konfiguracji „Offsetu” i
„Mnożnika” dla poszczególnych serii, program rozpoczyna tworzenie wykresu.
Narysowanie punktu danej serii przebiega następująco:
- jako współrzędna X punktu wykresu przyjmowana jest wartość próby
odebrania ramek
- z pliku wejściowego pobierana jest wartość danej diagnostycznej stowarzyszonej z daną serią
- wartość ta mnożona jest przez „Mnożnik” danej serii
- po dodaniu do wyniku powyższej operacji wartości „Offsetu” danej serii otrzymywana jest współrzędna Y punktu wykresu, czyli:
współrzędna Y punktu wykresu = (wartość z pliku * „Mnożnik”) +
„Offset”
Na dole okna głównego umieszczono pasek postępu tworzenia wykresu. Po
zakończeniu przetwarzania przez program pliku wejściowego pole wykresu jest
odświeżane.
[km /h ]
v1
v2
Rys. 7. Część sterująca okna
głównego programu „WYKRESY”
5.1. Otwarcie pliku wejściowego
Aby rozpocząć działanie
programu należy nacisnąć przycisk
„Otwórz plik (*.dia)” i wskazać w
wyświetlonym oknie otwarcia
pliku plik wejściowy, z którego
mają być tworzone przebiegi danych diagnostycznych. Może zostać wybrany jedynie plik z rozszerzeniem „dia”.
v3
[s]
Rys. 8. Przykładowy wykres otrzymany przy użyciu programu „WYKRESY”
51
Na rysunku 8 przedstawiono wykres stworzony w oparciu o plik uzyskany podczas jazdy zmodernizowaną lokomotywą ST44. Jako przykład wybrano
przebiegi prędkości osi pierwszego wózka lokomotywy (v1 , v2 i v3 ).
-
współrzędna X
współrzędna Y
wartość (oryginalna, pobrana z pliku
wejściowego)
„Offset” i „Mnożnik” serii.
5.5. Konfiguracja narysowanego wykresu
6.
Poniżej przycisku „Otwórz plik (*.dia)”
umieszczono elementy służące do konfiguracji poszczególnych serii oraz osi wykresu (rys. 7).
Można zmienić następujące parametry poszczególnych serii:
- ustalić czy dana seria ma być widoczna czy też
niewidoczna na wykresie
- zmienić grubość linii (zakres: od 1 do 3, domyślnie: 2)
- zmienić rodzaj linii (jedynie, gdy grubość linii
równa jest 1)
- zmienić kolor linii.
Można również:
- ustalić (po wyłączeniu opcji „Auto”) minimum,
maksimum i podziałkę osi wykresu
- powiększyć wybrany obszar wykresu: za pomocą
lewego klawisza myszy należy zaznaczyć wybrany
fragment od lewego górnego do prawego dolnego
narożnika
- „przesunąć” wykres za pomocą prawego klawisza
myszy.
Powrót do pierwotnego wyglądu wykresu następuje
po zaznaczeniu dowolnego obszaru wykresu od prawego dolnego do lewego górnego narożnika.
Po naciśnięciu dowolnego klawisza myszy na
wybranej serii wyświetlane jest okno zawierające
następujące informacje na temat „klikniętego” punktu:
Programy „DIAGNOSTYKA” i „WYKRESY” znacznie ułatwiły i przyspieszyły proces wdrażania mikroprocesorowych systemów sterowania na
pojazdach szynowych. Dzięki nim możliwe było
wszechstronne prześledzenie i optymalizacja działania
systemu sterowania jak też sterowanego układu. Analiza taka pozwala wykryć niewłaściwe działanie układu, będącego przedmiotem sterowania jak też ewentualne błędy przyjętych algorytmów i oprogramowania.
Programy te (po niewielkich modyfikacjach
kodu źródłowego programu „DIAGNOSTYKA”)
można zastosować do wizualizacji i archiwizacji danych diagnostycznych przesyłanych za pośrednictwem interfejsu RS232 z dowolnego sterownika PLC
wyposażonego w port szeregowy, przystosowany do
transmisji danych podczas normalnej pracy sterownika.
52
Podsumowanie i wnioski
Literatura
[1] Daniluk A.: RS 232C. Praktyczne programowanie. Od Pascala i C++ do Delphi i Buildera.
Wydawnictwo Helion, 2001.
[2] Kasprzyk J.: Programowanie sterowników przemysłowych. WNT, Warszawa 2006.

Pobierz ten numer w pdf

Transkrypt

Podobne dokumenty