Pobierz ten numer w pdf

Komentarze

Transkrypt

Pobierz ten numer w pdf
prof.dr hab. inż. Jerzy Madej
dr hab. inż. Marian Medwid prof. nadzw.
mgr inż. Jarosław Czerwiński
Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”
Mechanizm pozycjonowania i blokowania rozstawu
okręgów tocznych w rozsuwnym zestawie kół pojazdu
szynowego dla torów 1435 i 1520 mm
Przedmiotem artykułu jest prezentacja mechanizmu przestawiania i blokowania
rozstawu okręgów tocznych w zestawie pojazdu szynowego przeznaczonego do
przestawczego ruchu w dwóch zarządach kolejowych UIC oraz OCЖД. Oryginalne
rozwiązanie mechanizmu biegowego ma nieobracającą się oś. Jednak dla sterowania
odległości okręgów tocznych stosownie do rozstawu szyn specjalnie został
umożliwiony sterujący obrotowy ruch oscylacyjny osi. Ten mechanizm precyzyjnie
sterujący rozstawem kół oraz blokujący jego nastawiony wymiar stanowi kluczowy
element biernego bezpieczeństwa w obszarze dwóch rozstawów szyn oraz pomiędzy
nimi. W pracy omówiono działanie tego złożonego mechanizmu oraz skrupulatnie
zilustrowano poszczególne fazy jego pracy.
Uwagi wstępne
Znane są liczne odmiany konstrukcyjne kolejowych
układów biegowych z rozsuwanymi okręgami tocznymi zestawów kół. Zestawy rozsuwane mają zarówno
oś wirującą, jak też niewirującą. W tym ostatnim
przypadku oś jest sztywno przyłączona do prowadników osi. Ze względu na bezpieczeństwo ruchu w torze, we wszystkich odmianach rozsuwanych zestawów
kół, podstawowym problemem technicznym jest trwałe zapewnienie niezmienności nastawionego rozstawu
kół zestawów (ryglowanie) na czas eksploatacji w
obszarze zarządu kolejowego o określonym rozstawie
szyn. We wszystkich znanych konstrukcjach zestawów
rozsuwanych, tak z osią wirującą, jak też z niewirującą, stosowane są specjalne zatrzaski ryglujące koła
względem tej osi [1]:
Rozwiązania z osią wirującą: O.G.I. (Hiszpania); TG
14 (dawny ZSRR); DR AG/RAFIL V (Niemcy); SUW
2000 (Polska),
Rozwiązania z osią niewirującą, w których niezależne
koła, jako kinematycznie obrotowo niesprzężone lecz
pod względem rozstawu ryglowane, obracają się luźno: Vevey (Szwajcaria); BDZ (Bułgaria); RTRI (Japonia).
W ostatnich latach pojawił się projekt rozwiązania
konstrukcyjnego z osią niewirującą, w którym rozsuwane koła zestawu, będąc w sztywnym kinematycznym sprzężeniu wzajemnym, obracają się ruchem
ściśle zsynchronizowanym (patent B1 202614), dzięki
czemu zapewnione jest klasyczne kolejowe prowadzenie zestawu w torze za pomocą sił podłużnych. Jest to
projekt chroniony patentami B1 201613 [2] oraz
202614 [3]. W projekcie tym niezmienny, zaprogramowany rozstaw kół zestawu jest zapewniony dzięki
specjalnym mechanizmom ryglującym w obrębie prowadników osi.
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Nowe rozwiązanie konstrukcyjne [5] charakteryzuje się między innymi tym, że oś zestawu, która jest
roboczo niewirująca, ma jednak możliwości określonych, programowanych obrotowo-wahliwych
ruchów sterujących, przez co dokonuje się zmiana
rozstawu kół zestawu. W przedmiocie omawianego
rozwiązania kluczowym problemem jest konstrukcja rygla zapewniającego niezmienne końcowe położenie kątowe obrotowo wahliwej osi nastawczej,
dzięki czemu także rozstaw kół zestawu zostaje
bezpiecznie zablokowany w nastawionym położeniu.
Mechanizm zmiany rozstawu kół
Nowe rozwiązanie [5] zostało kolejno uwidocznione
na rysunkach, na którym Rysunek 1 przedstawia
szczegóły dotyczące zasad odpowiedniego skojarzenia
przesuwu („rozsuwu”) pojedynczego koła przy współpracy z dźwignią przestawczą 6 w zależności od kierunku zwojów śruby w połączeniu osi 1 z piastą 3 koła
biegowego. Natomiast rysunki Nr. 2, 3, 4 i 5, przedstawiają kolejne fazy pracy mechanizmu przestawczego wraz z zasadami ryglowania jego zaprogramowanych położeń.
Roboczo niewirująca (lecz przestawczo wahliwa) oś
zestawu 1 została osadzona w korpusach 2 prowadników osi w taki sposób, że ma możliwość dokonywania
jedynie wahliwych sterujących przemieszczeń obrotowych. Na osi 1, pomiędzy korpusami prowadników
osi, znajdują się śrubowo osadzone piasty 3 kół biegowych 4 zestawu. Piasty 3 względem prowadników
osi 2 mogą się przemieszczać jedynie poosiowo, bez
możliwości obrotu.
1
Rysunek 1. Schemat i zasada pracy mechanizmu zmiany rozstawu kół zestawu z roboczo niewirującą osią 1.
Zmiana rozstawu piast 3 wraz z kołami 4 dokonuje się
za pomocą wahliwych sterujących przemieszczeń
obrotowych osi 1, wymuszonych przez korbową pracę
dźwigni 6 podczas ruchu pojazdu w obrębie stanowiska przestawczego wyposażonego w torowy zaczep
13.
Koła biegowe 4 zostały ułożyskowane obrotowo na
piastach 3 za pomocą łożysk 5. Podczas ruchu zestawu
w obrębie przestawczego stanowiska torowego oś 1
doznaje wymuszonego wahliwego sterującego przemieszczenia obrotowego dzięki obrotowi osadzonej na
jej końcu dźwigni przestawczej 6, wyposażonej obustronnie w czopy 7, które to czopy, zaczepiając o odpowiednio usytuowane torowe zaczepy przestawcze
13, wymuszają obrót dźwigni 6 o ściśle określony kąt,
dzięki czemu rozstaw kół biegowych 4 zmienia się w
zaprogramowanym kierunku. Obydwie piasty 3 kół
biegowych 4 są na osi 1 osadzone najkorzystniej w
dwóch skojarzeniach śrubowych 15, o przeciwnych
kierunkach zwojów. Technicznie możliwe jest jednak
zaledwie pojedyncze skojarzenie śrubowe.
Podczas powrotnego ruchu zestawu w obrębie stanowiska przestawczego dźwignia przestawcza 6 zaczepia
o „powrotny” zaczep torowy 13 i rozstaw kół biegowych zostaje odpowiednio zmieniony w kierunku
odwrotnym, według planowego programu pracy układu.
Sterowanie rozstawu kół zestawu z osią roboczo niewirującą za pomocą ściśle narzuconych, wymuszonych wahliwych przemieszczeń obrotowych tej osi w
2
obrębie stanowiska przestawczego dokonuje się samoczynnie podczas przejazdu zestawu przy torowym
zaczepie 13 dźwigni 6. Jak wyżej wspomniano, dźwignia 6 jest wyposażona w dwa czopy 7które zostały
osadzone po obydwóch jej stronach. Każdy z tych
czopów odpowiednio pracuje tylko przy ściśle określonym kierunku ruchu zestawu „tam” lub „z powrotem”.
Nieosiągalna samohamowność połączenia śrubowego w układzie
Omówiony w opracowaniu [5] nowy mechanizm
zmiany rozstawu kół w praktycznym wykonaniu może
realizować łączny nastawny obrót (roboczo nieruchomej) osi zestawu o wartości ≤π/2. Ponieważ w systemie przestawczym UIC – OCЖД na przesunięcie jednego koła zestawu przypada ∆=42,5mm, przeto tangens kąta γ pochylenia linii śrubowej może wynosić co
najmniej:
tgγ ≥
4∆
π ⋅ d cz
gdzie dcz- średnica śrubowego czopa osi.
Ponieważ nie należy liczyć się z wartościami d większymi od 180 mm, to możemy napisać:
tgγ ≥
4 ⋅ 42,5
180π
W praktyce więc tgγ≥0,3; co odpowiada wartości
γ≥17°. Zatem widzimy, że w żadnym technicznym
przypadku nie należy liczyć na pełną samohamowność
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
smarowanego złącza śrubowego. Nastawiona krańcowa pozycja położenia wahliwej osi musi być ryglowana za pomocą specjalnego mechanizmu ryglującego.
Mechanizm kątowego pozycjonowania wahliwej osi
i jego działanie
Przedmiotem niniejszego opracowania szczegółowego
jest mechanizm ryglowania rozstawu kół zestawu
przez kątowe unieruchomienie dźwigni przestawczej 6
za pomocą zaczepu (występu) klamerki 9 wprowadzanego w odpowiednie zagłębienie gwiazdki 8 będącej
integralną częścią dźwigni 6. Zaczep klamerki 9 powinien mieć zarys zbieżny, najkorzystniej ewolwentowy, lub trapezowy.
cą specjalnej dodatkowej sprężyny umieszczonej pomiędzy korpusem 2 prowadnika osi a jej górnym
grzbietem. Rysunek 2 ilustruje wzajemne położenie
elementów 2, 9 i 6 „w planie”, rozmieszczonych w
różnych płaszczyznach. Najgłębiej według rysunku
jest osadzona płaszczyzna prowadnika 2 osi; płaszczyzna klamerki 9 jest już bliższa wobec obserwatora, zaś
dźwignia 6 jest względem obserwatora usytuowana
„na samym wierzchu”.
Rysunek 3. Faza pełnego odryglowania mechanizmu.
Rysunek 2. Mechanizm ryglujący rozstaw kół w początkowej fazie
A wejścia w obręb torowego stanowiska przestawczego (kierunek
ruchu „w lewo”). Czop 11 klamerki 9 właśnie wszedł w stykowy
kontakt z torowym zaczepem 12.
Dźwignia 6, zgodnie z rysunkiem 2, dzięki wprowadzeniu zbieżnego zęba klamerki 9 do wycięcia w
wieńcu 8, pozostaje w zaryglowanym położeniu aż do
chwili, gdy czop roboczy 11 klamerki 9, zaczepiając
podczas ruchu zestawu o torowy zaczep 12, wywoła
obrót klamerki 9 wokół czopa 10 (osadzonego - podobnie jak oś 1 zestawu - w korpusie prowadnika osi
2). Linią przerywaną pokazano nowe położenie klamerki 9, gdy ząb klamerki już został wyczepiony, w
następstwie czego blokada dźwigni 6 została uwolniona i dźwignia ta może doznać obrotu. Obrót dźwigni 6
rozpoczyna się, gdy czop 7 tej dźwigi, wchodząc w
kontakt z torowym zaczepem 13, odpowiednio wymusi jej obrót wraz z osią zestawu 1.
Ryglująca klamerka 9, pod względem strukturalnym
jest w istocie dwuramienną, wygiętą dźwignią ze
zdwojonym punktem obrotu. Co najmniej jedno amię
klamerki 9 z niezbywalnym luzem musi obejmować oś
1 od góry aż ku dołowi. Dzięki takiej konstrukcji klamerka 9 spełnia swą rolę w obydwóch kierunkach
ruchu przestawczego. Klamerka 9, dla spełnienia swego zadania ryglującego, musi być dociskana ku dołowi
co najmniej grawitacyjnie lub (na przykład) za pomoPOJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Odryglowanie mechanizmu zachodzi w początkowej
fazie B wahliwego obrotu dźwigni 6, gdy podczas
ruchu zestawu w torze („kierunek w lewo”) czop roboczy 11 klamerki 9 rygla, po zaczepieniu o torowy
zaczep 12, obracając i unosząc klamerkę spowodował
wyzębienie rygla klamerki 9 z rowkowego wycięcia
„gwiazdki” 8 strukturalnie przyłączonej do dźwigni
przestawczej 6, przy czym czop 7 dźwigni 6 w tej
fazie nawiązał już stykowy kontakt z torowym zaczepem 13. W rzeczywistym wykonaniu mechanizmu nie
ma praktycznego znaczenia, czy „gwiazdka” 8 stanowi
integralny fragment dźwigni przestawczej 6, czy też
jest elementem umieszczonym na drugim końcu wahliwej osi. Ten ostatni przypadek zilustrowano dodatkowo na fotografii 1, która przedstawia fazę odryglowania mechanizmu według rysunku 3 w modelu redukcyjnym (~1:12) wykonanym w metalu.
Fot. 1. Faza odryglowania mechanizmu: Czop 11 klamerki 9, po
najechaniu na torowy zaczep 12, został uniesiony tak, że klamerka
9 obróciła się wokół czopa 10 (osadzonego w prowadniku osi), zaś
ząb klamerki 9 został uniesiony ponad widoczny zaostrzony
zaczep „gwiazdki” 8, umożliwiając rozpoczęcie procesu
jednostronnie wahliwego obrotu osi a tym samym rozsuwanie kół
zestawu.
3
szynowy jest aktualnie wprowadzany. Torowy zaczep
12 pozostał już daleko w tyle za zaczepem 13 i
znajduje się poza rysunkiem. Umowny zarys
prowadnika 2 osi pokazano pogrubioną linią
przerywaną.
Rysunek 4. Mechanizm zmiany rozstawu kół w środkowej fazie C
wahliwego obrotu dźwigni 6 wraz z osią 1, gdy podczas ruchu
zestawu w torze zaczep torowy 13 pracuje w ślizgowym kontakcie
z czopem 7 dźwigni 6.
W fazie ruchu zilustrowanej rysunkiem 4, wpadnięcie
zbieżnego zęba klamerki 9 w gwiazdkowe wycięcie 8
jest niemożliwe. Nie ma więc funkcjonalnego znaczenia, czy klamerka 9 pozostaje w tej fazie uniesiona
przez wydłużony grzbiet torowego zaczepu 12, jak
pokazano na fotografii Nr.1, czy też przez grzbiet
kształtu gwiazdkowego 8 nieruchomo skojarzonego z
dźwignią 6. Umowny zarys prowadnika osi pokazano
pogrubioną linią przerywaną.
Rysunek 6. Mechanizm ryglowania rozstawu kół w początkowej
fazie P powrotu pojazdu w obręb toru uprzednio przezeń opuszczonego (kierunek jazdy „w prawo”), w chwili powrotnego wejścia w obręb stanowiska przestawczego.
Podczas powrotnego przejazdu w obrębie stanowiska
przestawczego, według rysunku 6 jest realizowany
proces roboczy odwrotny w stosunku do zilustrowanego rysunkami 1 ÷ 5. Jednak w tym przypadku torowy zaczep 13 został uprzednio przestawiony w położenie kierunkowe odwrócone o 180° a także poprzecznie odpowiednio odsunięty (lub dosunięty) w
stosunku do osi toru, według zaplanowanej odległości
płaszczyzny ruchu ramienia dźwigni 6, w odpowiednim podłużnym skojarzeniu z torowym zaczepem 12.
Do aktywnej współpracy z torowym zaczepem 13
wszedł teraz drugi z czopów 7 osadzonych w ramieniu
dźwigni 6, po drugiej stronie jej roboczej ołaszczyzny.
Podobnie jak na poprzednich rysunkach, umowny
zarys prowadnika 2 osi zestawu pokazano pogrubioną
linią przerywaną.
Podsumowanie
Rysunek 5. Mechanizm zmiany rozstawu kół w końcowej fazie D
wahadłowego przestawczego ruchu dźwigni 6 w obrębie torowego
stanowiska przestawczego (przy kontynuowanym kierunku ruchu
„w lewo”).
W końcowej fazie D ruchu przestawczego, zilustrowanej rysunkiem 5, aktywny czop 7 dźwigi 6, w ruchowym kontakcie z krzywkowym grzbietem torowego zaczepu 13, wywołał na tyle znaczny wahliwy obrót tej dźwigni, że klamerka 9 rygla już opadła (z położenia zaznaczonego na rysunku 2 liną przerywaną)
tak, że jej ząb został wprowadzony następne wycięcie
wykonane na gwiazdkowym grzbiecie pierścienia
ściśle sprzężonego z dźwignią 8, ryglując tę dźwignię
w nowym przestawczym położeniu, odpowiednio zaprogramowanym dla toru, w obręb którego pojazd
4
Z powyższego przeglądu przestawczych faz mechanizmu wynikają dwie fundamentalne zasady operacyjne:
I - Każdy pojazd, wyposażony w zestawy rozsuwane,
operujący w obrębie zarządu kolejowego o określonej
szerokości toru, może wejść w obręb stanowiska przestawczego tylko od ściśle określonej strony, co organizacyjnie oznacza, że wszystkie pojazdy szynowe,
wyposażone w zestawy rozsuwane i przeznaczone do
przestawienia na zmieniony rozstaw szyn, muszą być
zorientowane w jednym, wspólnym, ściśle określonym
kierunku.
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
II - Stanowisko przestawcze powinno być tak zbudowane, że:
- albo zespół zaczepów 13 i 12 znajduje się w jednej nitce torowej i jest każdorazowo przestawiany
odpowiednio dla kierunku przestawczego „tam” i
„z powrotem”,
- albo powrót pojazdu odbywa się (najbezpieczniej)
po drugiej nitce torowej, specjalnie zbudowanej dla
ruchu dwukierunkowego.
Literatura
[1] Kostro Janusz: Analiza porównawcza istniejących konstrukcji zestawów kół o zmiennym rozstawie kół. Warszawa, 2001.
[2] Patent B1 Nr. 201613 z dnia 30.04.2009 WUP 04/09.
Zestaw kołowy do pojazdów szynowych o zmiennym
rozstawie kół. Madej J., Medwid M., Stawecki Wł.,
Pawlak Z.
[3] Patent B1 Nr. 202614 z dnia 31.07.2009 WUP 07/09.
Zestaw kołowy do pojazdów szynowych o zmiennym
rozstawie kół. Madej J., M edwid M., Stawecki Wł.,
Pawlak Z.
[4] Madej J., Medwid M.: Nowy m echanizm zm iany rozstawu kół w pojazdach szynowych dla szerokości toru
1435 – 1520; Pojazdy Szynowe (2/2013)
[5] Zgłoszenie Patentowe Instytutu Pojazdów Szynowych
Nr.P-402515 z dnia 22-01-2013: Madej Jerzy, Medwid
Marian, Stawecki Włodzimierz, Czerwiński Jarosław:
Mechanizm ryglowania zaprogramowanego rozstawu
kół w rozsuwnym zestawie kół pojazdu szynowego
Prof.dr hab.inż. Krzysztof Zboiński,
mgr inż. Milena Gołofit-Stawińska
Politechnika Warszawska
Wstęp do analizy dynamiki pojazdu szynowego w krzywych
przejściowych przy prędkościach większych od krytycznej
Artykuł przedstawia dyskusję autorów dotyczącą celowości podjęcia usystematyzowanego badania dynamiki ruchu pojazdów szynowych w krzywych
przejściowych przy prędkościach większych od krytycznej. Pomimo tego, że
pojazdy szynowe budowane są tak aby ich prędkość eksploatacyjna była mniejsza
od prędkości krytycznej (dla prędkości większych zachowanie modelu pojazdu
reprezentowane jest przez rozwiązania stateczne okresowe), badania stateczności
ruchu tak w torze prostym jak i łuku kołowym są nieustannie prowadzone.
Przyczyną są nie tak rzadkie przypadki kiedy pojazd może poruszać się z
prędkością większą od krytycznej. Interesującym dla autorów zagadnieniem są
własności dynamiczne układu na odcinkach toru umiejscowionych pomiędzy jest
prostą i łukiem kołowym, tzn. w krzywych przejściowych. Trzeba tylko uzmysłowić
sobie kluczową różnicę formalną w tym przypadku. Jest nią tutaj ciągła zmiana
promienia krzywizny i przechyłki toru. W konsekwencji, nie można tu oczekiwać
rozwiązań statecznych stacjonarnych i statecznych okresowych, tak typowych dla
analiz stateczności w torze prostym i łukach kołowych.
1. Wstęp
W artykule zawarto rozważania autorów na
temat celowości podjęcia usystematyzowanych badań
dynamiki pojazdów szynowych w krzywych przejściowych (KP) dla prędkości powyżej krytycznej vn.
Wiadomo, że pojazdy buduje się tak aby ich
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
prędkości eksploatacyjne były niższe od prędkości
krytycznej, tzn. takiej powyżej której pojazd
wężykuje, a zachowanie jego modelu reprezentują
rozwiązania stateczne okresowe. Ponadto w łukach o
mniejszych promieniach prędkości rzeczywistych
5
obiektów mogą być dodatkowo niższe ze względu na
występujące tam ograniczenia prędkości. Mimo to,
ciągle prowadzi się intensywnie badania stateczności
pojazdów szynowych w torze prostym i łukach
kołowych. Powodem tych dociekań jest potrzeba
dobrego poznania nieliniowych własności układów
jakie stanowią pojazdy szynowe oraz to, że przypadki
przekroczenia prędkości krytycznej przez pojazd
mogą w rzeczywistości wystąpić. Przykładami takich
sytuacji mogą być ruch pojazdu z nadmierną
prędkością, po awarii czy w złym stanie technicznym. Mogą im odpowiadać uszkodzenia w
układzie zawieszenia i nadmierne zużycie pary kołoszyna. Efektem jest obniżenie prędkości vn, a w
konsekwencji ruch wężykujący, pomimo pozostawania w nominalnie określonym zakresie
prędkości eksploatacyjnych.
Podjęcie badań wymienionych zjawisk jest
naturalne jeśli weźmiemy pod uwagę dwa fakty.
Pierwszy to bogata już wiedza dotycząca stateczności
ruchu pojazdów szynowych w torze prostym i łukach
kołowych, w tym wynikająca z badań jednego z
autorów. Drugi to pośrednie cechy geometryczne
krzywych przejściowych (KP), umiejscawiające je
pomiędzy torem prostym (TP) i łukiem kołowym
(ŁK). Poznanie własności dynamicznych takiego
układu jest zagadnieniem niezmiernie ciekawym z
badawczego punktu widzenia. Należy jednak
uzmysłowić sobie zasadniczą formalną różnicę w
tym przypadku. Otóż ciągła zmiana promienia
krzywizny i przechyłki w krzywych przejściowych
sprawia, że nie można tu oczekiwać rozwiązań
statecznych, stacjonarnych i okresowych, typowych
dla toru prostego i łuków kołowych. Rozwiązania
ogólnie mówiąc mają w KP jednoznacznie
przejściowych charakter.
Oprócz rozważań ogólnych w artykule
przedstawiono: przegląd nielicznej literatury tematu;
wyniki wcześniejszych badań symulacyjnych
będących inspiracją i uzasadnieniem dla podjęcia
badań; nieliczne nowe wyniki, w tym po raz pierwszy
wyniki omawianego rodzaju dla (pasażerskiego)
wagonu 4-osiowego; a także zakres badań
przewidzianych przez autorów do wykonania w
najbliższym czasie.
1.1. Motywacja podjęcia tematu
Problematykę należy uznać za bardzo rzadko
podejmowaną w literaturze krajowej i zagranicznej.
W przypadku pierwszego z autorów artykułu, mimo
zainteresowania nią od pewnego czasu [1], [2], [3],
[4], [5], ciągle pozostaje ona we wstępnym okresie
badań. Oprócz cytowanych tu prac tego autora jako
przykłady prac zawierających odpowiednie wyniki
symulacji podać można [6] i inne nieliczne prace
spółki autorskiej H. True i M. Hoffmann. We
wszystkich wymienionych tu pracach wyniki symulacji ruchu w KP nie były bezpośrednim celem, a tym
6
bardziej nie wynikały ze zorientowania bezpośrednio
na problematykę podjętą w bieżącym artykule.
Uzyskiwano je przypadkiem, podczas realizacji
innych zadań. Autorzy artykułu nie znają żadnej
pracy krajowej i zagranicznej, w której sednem jest
dynamika pojazdu szynowego w krzywych
przejściowych dla prędkości powyżej vn.
Zagadnienie bez wątpienia ma na obecnym etapie wymiar teoretyczny. Niektórzy pewnie stwierdzą,
że jest ono aż nazbyt teoretyczne i nie widać dla niego zastosowań praktycznych. Autorów to nie niepokoi. Pierwszy z autorów wielokrotnie spotykał się z
podobnymi opiniami w początkowym okresie różnych badań przez niego prowadzonych. Było tak na
przykład z dokładnym modelowaniem sił pozornych.
Autor pamięta wiele sceptycyzmu, a nawet uśmiechów kiedy prezentował takie podejście. Dziś jednak
przestało to dziwić, a wiele z komercyjnych pakietów
i programów indywidualnych opisujących dynamikę
pojazdów szynowych robi to dokładnie (bez żadnych
uproszczeń). Ta zmiana poglądów jest w jakimś
stopniu także efektem działalności tego autora [3],
[7] i [8]. Zupełnie podobna sytuacja dotyczy badań
stateczności pojazdów szynowych w łuku kołowym.
Na początku mało kto się tym problemem zajmował.
Istniało jednoznacznie przekonanie ze zagadnienie
nie ma praktycznego wymiaru. Autor musiał niejednokrotnie polemizować z takimi opiniami [2], [9],
[10]. Dziś grupa badaczy, która podjęła problem jest
duża. Liczba publikacji idzie już w dziesiątki i co
roku przyrasta. Co więcej, dostrzeżono aspekty praktyczne tych badań. Przykładem może być aktualnie
badane zagadnienie wpływu szerokości toru na stateczność w ŁK. Prowadzone jest ono w m.in. kontekście możliwości wprowadzenia do praktyki symulacyjnych badań dopuszczeniowych (homologacyjnych) oraz określenia w jakich warunkach (dla jakiego luzu koło-szyna) badań dotyczących stateczności
w łuku można by zaniechać [11]. Kolejnym podobnym przykładem jest problematyka kształtowania
krzywych przejściowych w oparciu o kompletne
modele pojazdów. Niegdyś, a także w podejściu inżynierskim współcześnie, wielu autorów stosuje
punkt materialny aby odwzorować pojazd. Dziś jednak liczba prac badawczych traktujących zagadnienie
dynamicznie, z uwzględnieniem kompletnych modeli
pojazdów, tak jak robi pierwszy z autorów artykułu
od lat [12], [3], [13] i [14], jest bardzo duża. Mimo,
że w praktyce stosowana jest parabola 3-go stopnia
(ew. klotoida), to liczba prac gdzie podejmowane są
badania nad innymi kształtami (wielomianowe i parametryczne KP) jest współcześnie bardzo duża. Niektóre wyniki badań naukowych podważają utarte
poglądy w sposób jednoznaczny i tak różny od standardów, że aż trudny dla niektórych do akceptacji.
Przykładem tego rodzaju jest [5], gdzie wbrew tradycyjnemu podejściu w celu poprawy własności dynaPOJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
micznych w KP zaproponowano inną funkcję
opisującą krzywiznę i inną opisującą rampę
przechyłkową.
Autorzy artykułu są przekonani, że podobnie
będzie i z poruszanym tu zagadnieniem. Jak tylko
wiedza na jego temat wzrośnie, to nie minie wiele
czasu jak zacznie ona być wykorzystywana i stanie
się dobrem powszechnym. Alternatywą jest tu
bierność własna, której skutkiem może być tylko to,
że inni badacze problem podejmą, rozwiążą i
zdobędą uznanie, choć tak samo mogą nie mieć na
początku dojrzałej wizji jak otrzymane wyniki
praktycznie wykorzystać. Zdaniem autorów badania
dynamiki pojazdów szynowych w KP powyżej
prędkości krytycznej, zarówno w ujęciu ogólnym jak
i dla indywidualnych pojazdów, mogą być bardzo
przydatne w poszukiwaniu rozwiązania problemu
budowy pojazdów o własnościach równie dobrych w
TP jak i w ciasnych ŁK. Wiadomo bowiem od lat, że
obie własności są przeciwstawne i trudne do
pogodzenia. Osiągnięcie wysokich prędkości krytycznych z jednoczesnym dobrym prowadzeniem w
łuku i odwrotnie jest ciągle otwartym wyzwaniem dla
współczesnej dynamiki pojazdów szynowych.
Wyrazem zainteresowania na świecie tematyką poruszaną w podrozdziale niech będzie ostatnio
opublikowany rozdział autora w opracowaniu
monograficznym [5]. Dotychczasowe badania autorów w omawianym zakresie służyły głównie celom
poznawczym. Wyniki tych badań przedstawiono
poniżej.
2. Obiekty dla których dla których wykonano
badania i ich modele
Zasadniczo wyniki prezentowane dalej dotyczą
dwóch grup obiektów. Pierwsza, związana jest wynikami uzyskanymi wcześniej, i dotyczy obiektów 2osiowych. Są to towarowe wagony 2-osiowe i wózki
2-osiowe wagonów. Grupa druga, związana jest z
najnowszymi wynikami, i dotyczy 4-osiowego (wózkowego) wagonu pasażerskiego MK111. Wszystkie
modele pojazdów i wózków uzupełnione są dyskretnymi modelami toru, poprzecznie i pionowo podatnego. Struktura modeli 2-osiowych, poza wózkiem
25TN, jest taka sama i przedstawiona na rys. 1a.
Różnice dla wózka 25TN omówiono np. w [3].
Struktura wagonu MK111 (o brytyjskim rodowodzie)
przedstawiona jest na rys. 2. Modele toru przedstawiono na rys. 1b i 1c. Dla modeli obiektów i toru
założono liniowe charakterystyki elementów sprężystych i tłumiących. Większość symulacji otrzymano
dla par profili koło-szyna S1002-UIC60, a nieliczne
dla pary BR P10-UIC60. Zasady budowy modeli
matematycznych dla wymienionych układów pojazdtor zgodne są z opisanymi w [3] i [8]. W pracy [3]
omówiono też zastosowany sposób modelowania
kontaktu koło-szyna. Uwzględnia on zarówno
nieliniową geometrie profili koła i szyny jak i
nieliniowe wyznaczanie sił kontaktowych stycznych
w oparciu o procedurę FASTSIM, np. [16]. Modele
układu wagon (wózek) 2-osiowy-tor mają 18 stopni
swobody. Model wózek 25TN-tor posiada 16 stopni
Rys. 1. Struktura
modeli
nominalnych: a)
pojazdu (wózka)
2-osio-wego, b)
toru po-datnego
poprzecznie, c)
toru podatnego
pionowo
Rys. 2. Struktura
modelu nominalnego 4osiowego wagonu pasażerskiego
MK111
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
7
swobody. Model wagon MK111-tor posiada 38 stopni swobody. Ten ostatni model wygenerowany został
programem ULYSSES do automatycznej generacji
równań ruchu, np. [17]. Parametry modeli obiektów i
toru podano m.in. w [3]. Część parametrów wagonu
MK111 uzyskano w British Rail Research, Derby.
3. Wyniki badań
3.1. Wyniki badań wcześniejszych, tj. dla obiektów
2-osiowych
Ilustrację graficzną wyników musimy tu ograniczyć ze względu na wymagania redakcyjne.
Przedstawiony jednak zostanie pełny zakres wniosków wyciagniętych na podstawie badań dla obiektów
2-osiowych. Czytelnikom zainteresowanym wiekszą
liczbą przykładów symulacji polecić można przede
wszystkim prace [2], [3], [5]. Wyniki przedstawiono
na rys. 3-7. Wykresy na tych rysunkach przedstawiają głównie przebiegi współrzędnych dynamiki
poprzecznej pojazdu w funkcji drogi. Sporadycznie
na wykresach przedstawiane są też współrzędne
dynamiki pionowej. Mówiąc ściśle, wykresy
przedstawiają przemieszczenia poprzeczne y i
pionowe z oraz kąty kołysania φ i obracania ψ.
Indeksy b, p oraz k oznaczają odpowiednio nadwozie
wagonu o osiach swobodnych lub ramę wózka,
przedni zestaw kołowy oraz końcowy zestaw kołowy.
Trasy, po których porusza się pojazd składają się
zawsze z TP, KP i ŁK. Użyta krzywa przejściowa
jest zawsze paraboliczna 3-go stopnia. Dokładne
parametry tras podano w podpisach pod rysunkami.
Ruch pojazdu odbywa się zawsze ze stałą prędkością
v. W niektórych przypadkach zastosowane prędkości
v wydawać się mogą duże, zwłaszcza dla ruchu po
łuku. Mogłoby to skutkować możliwością wykolejenia rzeczywistego pojazdu. Z drugiej strony, jak
już wspominano pojazdy buduje się w taki sposób
aby prędkość krytyczna vn leżała powyżej ich
prędkości eksploatacyjnych. Tu największa wartość v
zastosowana została do wózka MK111 wagonu
pasażerskiego, który ze swej natury może poruszać
się z prędkościami większymi niż badane tu wagony
towarowe 2-osiowe. Bez względu na relację
pomiędzy prędkościami eksploatacyjnymi poszczególnych obiektów i prędkościami użytymi w
badaniach wszystkie przypadki, nawet mało realistyczne, uznać można za interesujące z badawczego
punktu widzenia.
Wybrane do prezentacji wyniki dotyczą 2-osiowego wagonu towarowego hsfv1 o brytyjskim
pochodzeniu, wirtualnego wagonu towarowego 2osiowego (nazwa przyjęta w badaniach), wózka
25TN wagonu towarowego i wózka MK111 wagonu
pasażerskiego. Na podstawie uzyskanych wyników,
w tym przedstawionych w artykule, w przypadku
przejazdu pojazdu z TP w ŁK przez KP kiedy w TP i
8
w ŁK występuje cykl graniczny, można wyróżnić
trzy główne rodzaje zachowania w KP. Po pierwsze,
drgania w KP są logiczną kontynuacją (płynnym
przejściem) pomiędzy drganiami w TP i ŁK
(rys. 3 i 4). Mogą one przy tym mieć zarówno
malejący (rys. 3) jak i rosnący (rys. 4) charakter.
Zależy to od relacji wzajemnej amplitud dla TP i ŁK
oraz asymetrii cyklu granicznego w ŁK, a także od
parametrów zawieszenia pojazdu. Po drugie,
zachowanie w KP może mieć postać nie wynikającą
w sposób logiczny z postaci (drgań) w TP i ŁK. Przy
czym drgania mogą narastać w ten sposób, że
osiągają amplitudy większe od tych dla TP (rys. 4) i
ŁK. Mogą też całkowicie zanikać w KP, przy czym
może się to odbywać w sposób stopniowy (rys. 6),
jak również zupełnie nagły (rys. 5). Po trzecie,
możliwa jest bifurkacja rozwiązań w KP, od jednego
do innego typu rozwiązań. Może ona polegać na
nagłym przeskoku (rys. 7) lub dość płynnym
przejściu (rys. 6) do innego rozwiązania. Na
pierwszym z wymienionych rysunków obserwujemy
przeskok od jednej postaci drgań samowzbudnych do
innej (nagła zmiana amplitudy i częstości drgań), a na
drugim płynne przejście od drgań do rozwiązania
stacjonarnego (quasi-stacjonarnego).
Uzyskaną metodami symulacyjnymi różnorodność
zachowań układu pojazd-tor podczas ruchu pojazdu
po KP z prędkością powyżej krytycznej vn można
uznać za bardzo dużą. Różnorodność ta i brak
przewidywalności zachowania w KP w sposób
jednoznaczny ukazują silnie nieliniowe własności
układu. Zważmy, że nawet jeśli dla danego obiektu
znamy obszary stateczności w TP i w pełnym
zakresie promieni R w ŁK, to trudno na tej podstawie
Rys. 3. Dynamika wagonu hsfv1na trasie złożonej TP, KP, ŁK:
v=45,3 m/s; KP(Rmin=600 m, Hmax=0,16 m, L=142 m); obniżona
w stosunku do nominalnej sztywność wzdłużna zawieszenia
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Rys. 4. Dynamika wagonu hsfv1na trasie złożonej TP, KP, ŁK:
v=45,3 m/s; KP(Rmin=6000 m, Hmax=0,051 m, L=82,6 m) ; obniżona w stosunku do nominalnej sztywność wzdłużna zawieszenia
otrzymano podczas badań o zupełnie innych celach,
dlatego ich liczba nie jest duża. Stąd autorzy nie
czują się uprawnieni do głębszego wnioskowania.
3.2. Najnowsze wyniki badań, tj. dla wagonu 4-osiowego
Rys. 5. Dynamika wózka 25TN wagonu towarowego na trasie
złożonej TP, KP, ŁK: v=29,5 m/s; KP(Rmin=300 m, Hmax=0,15 m,
L=89,7 m) ; obniżona w stosunku do nominalnej sztywność
poprzeczna zawieszenia
Rys. 6. Dynamika wagonu 2-osiowego na trasie złożonej TP, KP,
ŁK: v=41 m/s; KP(Rmin=600 m, Hmax=0,128 m, L=102,4 m)
Rys. 7. Dynamika wózka MK111 wagonu pasażerskiego na trasie
złożonej TP, KP, ŁK: v=54 m/s; KP(Rmin=600 m, Hmax=0,15 m,
L=89,7 m) ; obniżona w stosunku do nominalnej sztywność
poprzeczna zawieszenia, podniesione tłumienie poprzeczne
zawieszenia oraz zwiększona sztywność i tłumienie toru
przewidzieć jak zachowa się pojazd w KP przy
prędkościach większych od vn. Jest tak mimo, iż KP
jest obiektem bez wątpienia umiejscowionym w
sensie geometrii pomiędzy TP i ŁK. Na podstawie
dotychczasowych wyników można stwierdzić, że na
zachowanie układu w omawianych warunkach ma
wpływ wiele czynników. W sposób jednoznaczny
wyniki wskazują na przechyłkę H, promień łuku R i
na model pojazdu (np. więzy i wartości parametrów)
jako na czynniki prowadzące do jakościowych (i
oczywiście ilościowych) różnic zachowania modelu
pojazdu w KP. Jak wspominano omówione wyniki
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Wynki prezentowane ponizej są tak ważne jak i
ciekawe. Wynika to z tego, że dla pojazdów wózkowych zjawisko wężykowania jest bardziej złożone
i jednocześnie rzadziej obserwowane, tak w rzeczywistości jak i w badaniach. Z reguły pojazdy tego
rodzaju posiadają wyraźnie większą prędkość krytyczną od pojazdów 2-osiowych. Przykładem pracy,
w której analizowano prędkość krytyczną pojazdu 4osiowego w TP jest [18].
Jak dla pojazdów 2-osiowych tak i tu ilustrację
graficzną wyników musimy ograniczyć. Wnioski
obejmą jednak wszystkie wyniki uzyskane dla
badanego wagonu 4-osiowego MK111. Wyniki
przedstawiono na rys. 8-15. Dotyczą one ruchu po
trasie złożonej z TP, KP i ŁK. Krzywa prajściowa
jest parabolą 3 stopnia. Parametry tras to:
TP(L=50/150 m), KP(R min=600 m, H max=0,15 m,
L=180,46 m), ŁK(R=600 m, H=0,15 m, L=100 m).
Ruch pojazdu odbywa się ze stałą prędkością v, krórą
wariantowano a wartości podano w podpisach pod
rysunkami. Wariantowaniu podlegały też warunki
początkowe. Na rys. 8-11 były one zerowe, a na rys.
12-15 na wszystkie 7 brył modelu nałożono
początkowe
przemieszczenie
poprzeczne
y1(0)=y2(0)=y3(0)=y4(0)=y b1(0)=yb2(0)=yp(0)=0,004 m
. Kolejno użyte symbole odnoszą się do zestawów
kołowych (od tyłu ku przodowi), ram wózków (od
tyłu ku przodowi) i nadwozia. Dla zerowych
warunków długość L w TP wynosiła 50 m, dla
niezerowych 150 m.
Rys. 8. Dynamika wagonu 4-osiowego MK111 na trasie TP, KP,
ŁK: v=15 m/s; zerowe warunki początkowe
Rys. 9. Dynamika wagonu 4-osiowego MK111 na trasie TP, KP,
ŁK: v=20 m/s; zerowe warunki początkowe
9
Rys. 14. Dynamika wagonu 4-osiowego MK111 na trasie TP,
KP, ŁK: v=25 m/s; niezerowe warunki początkowe
Rys. 10. Dynamika wagonu 4-osiowego MK111 na trasie TP,
KP, ŁK: v=25 m/s; zerowe warunki początkowe
Rys. 15. Dynamika wagonu 4-osiowego MK111 na trasie TP,
KP, ŁK: v=30,78 m/s; niezerowe warunki początkowe
Rys. 11. Dynamika wagonu 4-osiowego MK111 na trasie TP,
KP, ŁK: v=30,78 m/s; zerowe warunki początkowe
Rys. 12. Dynamika wagonu 4-osiowego MK111 na trasie TP,
KP, ŁK: v=15 m/s; niezerowe warunki początkowe
Rys. 13. Dynamika wagonu 4-osiowego MK111 na trasie TP,
KP, ŁK: v=20 m/s; niezerowe warunki początkowe
10
Analiza rys. 12 i 13 pokazuje, że prędkość
krytyczna vn pojazdu w TP leży pomiędzy 15, a 20
m/s (w pobliżu 20 m/s). Dla żadnej z prędkości
(badano także v=35 m/s) i obu typów warunków
początkowych nie uzyskano cyklu granicznego w
ŁK. Odnotujmy jednak, że promień łuku R=600 m
jest względnie mały. Porównując wyniki przy
zerowych i niezerowych warunkach początkowych
widać, że sposób wymuszenia drgań (wjazd w łuk
lub niezerowe warunki) ma wpływ na obraz
zachowania obiektu w KP. Widać to najlepiej
porównując parę rys. 9 i 10 z parą rys. 13 i 14, które
dotyczą tych samych prędkości. Na rys. 13 mamy
wyraźne drgania w KP, podczas gdy na rys. 9 prawie
ich nie widać. Analizując rysunki z niezerowymi
warunkami, co odpowiada warunkom ruchu dla
obiektów 2-osiowych, widać że rodzaj zachowania
wagonu 4-osiowego w KP jest nablizszy temu z rys.
6.
4. Cele i zakres najbliższych badań - wnioski
Na podstawie przedstawionych wyników można
sformułować cele najbliższych badań. Byłoby to
poznanie możliwie największej liczby rodzajów zachowań w KP dla ruchu powyżej prędkości krytycznej vn. Kolejne byłoby sklasyfikowanie tych rodzajów w sensie postaci. Następne w kolejności, to wyjaśnienie przyczyn (okoliczności) występowania lub
nie występowania tych postaci. Wyjaśnienie (zbadanie) na ile moment wjazdu w KP (pojawienia się KP)
po odcinku poprzedzającym (TP lub ŁK) może mieć
wpływ na zachowanie w KP. Zauważmy, że ruch
powyżej prędkości vn po odcinku poprzedzającym
stanowi warunki początkowe dla wzbudzenia drgań
w KP. Stąd różne momenty wjazdu w KP (odpowiadające innej aktualnej wartości przemieszczeń na
odcinku poprzedzającym) stanowią odmienne warunki początkowe, być może mogące skutkować różnym zachowaniem układu.
Wymienione wyżej cele byłyby osiągnięte z wykorzystaniem symulacji. Tak postawione zadanie to
symulacyjne badanie nieliniowej dynamiki pojazdu
szynowego w KP. Formalnie, jest ono różne od
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
badania stateczności [9] i [10], opartego na
poszukiwaniu rozwiązań statecznych stacjonarnych
lub statecznych okresowych. W omawianym tu
zagadnieniu zjawiska mają bowiem przejściowy
charakter. Mimo to, związek pomiędzy obu
wymienionymi zadaniami jest niepodważalny.
Powoduje to, że można w pewnym stopniu przenieść
korzyści wynikające z badań stateczności w łuku na
planowane przyszłe badania. Stąd uzasadnieniem dla
rozwijania omawianej tematyki mogą być elementy
eksponujące związek stateczności z bezpieczeństwem. W szczególności mamy na myśli wyższe
prędkości krytyczne oraz dążenie do lepszego
powiązania prędkości fizycznego wykolejenia
pojazdu z tzw. wykolejeniem numerycznym, oznaczającym zatrzymanie obliczeń symulacyjnych. W
uzupełnieniu można wyeksponować pewne ważne
korzyści, jakie zostaną uzyskane zakładając, że cele
sformułowane wyżej da się osiągnąć. Otóż informacją o takim ważnym, wręcz fundamentalnym,
znaczeniu byłoby wyjaśnienie, w jakich okolicznościach amplitudy drgań w KP są większe niż w TP
i ŁK oraz w jakich drgania w KP zanikają
całkowicie, mimo ruchu z prędkością większą od vn.
Jest oczywiste, że poznanie i zrozumienie przyczyn i
okoliczności tak diametralnie różnych zachowań
może potencjalnie zaowocować podjęciem działań
(do działań projektowych włącznie) zmierzających
do eliminacji pierwszego ze zjawisk (stan bardzo
niekorzystny) i do wywołania drugiego ze zjawisk
(stan najbardziej korzystny).
Z analizy literatury widać, że ujęcie tematu jest
oryginalne, a uzyskane wyniki będą przypuszczalnie
pierwszymi badaniami, w których w usystematyzowany i obszerny sposób podjęto wysiłek
poznania, sklasyfikowania i określenia okoliczności
występowania różnych zachowań dynamicznych
pojazdów szynowych w KP podczas ruchu z
prędkościami wyższymi od krytycznej. Wydaje się,
że powodzenie w realizacji celów zadania może w
pewnym stopniu zmienić postrzeganie kolejowych
krzywych przejściowych, tak przez środowisko
zajmujące się dynamiką pojazdów jak i to zajmujące
się budową dróg kolejowych. Osiągnięcie celów
byłoby z pewnością ważnym i oczekiwanym
uzupełnieniem bardzo skromnej wiedzy, dotyczącej
dynamiki pojazdów szynowych w KP powyżej
prędkości krytycznej. Prezentacja uzyskanych
wyników przyczyni się zapewne do ożywienia
zainteresowania tą tematyką na świecie.
Praca naukowa współfinansowana ze środków
MNiSW na naukę w latach 2009-2012 jako projekt
badawczy nr N N509 403136.
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Literatura
[1] Praca zbior. kier. Zboiński K., Komputerowe
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
badania układu tor-pojazd szynowy na łuku
kołowym i krzywej przejściowej. Raport końcowy
Grant KBN nr 3 0546 91 01, Wydział Transportu
PW, Warszawa 1994.
Zboiński K., Dynamical investigation of railway
vehicles on a curved track. European Journal of
Mechanics, Part A Solids, 17(6), str. 1001-1020,
1998.
Zboiński K., Metodyka modelowania dynamiki
pojazdów szynowych z uwzględnieniem zadanego
ruchu unoszenia i jej zastosowania. Prace Naukowe
PW - Transport, z. 43, Oficyna Wydawnicza PW,
Warszawa 2000.
Zboiński K, Dusza M., Symulacyjne badania
dynamiki
pojazdów
szynowych
w
torze
zakrzywionym.
XV
Konferencja
NaukowoTechniczna Pojazdy Szynowe, Prace Naukowe
Instytutu Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn
Politechniki Wrocławskiej, Nr 86, Konferencje Nr
26, tom 2, str. 343÷352, 2002.
Zboiński K., Selected problems of non-linear (nonsmooth) dynamics of rail vehicles in a curved track,
str. 87-99. W pracy pod red.: Thomsen P.G., True H.,
Non-smooth problems in Vehicle Systems Dynamics,
Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 2010.
Hoffmann M.: Dynamics of European two-axle
freight wagons. PhD thesis, Technical University of
Denmark, Informatics and Mathematical Modelling,
Lyngby, Denmark 2006.
Zboiński K.: The importance of kinematics accuracy
in modelling the dynamics of rail vehicle moving in
a curved track with variable velocity. International
Journal of Heavy Vehicle Systems, 18(4), str. 411446, 2011.
Zboiński K.: Modelling dynamics of certain class of
discrete multi-body systems based on direct method
of the dynamics of relative motion. Meccanica,
47(6), str. 1527-1551, 2012, Springer, DOI:
10.1007/s11012-011-9530-1.
Zboiński K., Dusza M., Self-exciting vibrations and
Hopf’s bifurcation in non-linear stability analysis of
rail vehicles in curved track, European Journal of
Mechanics, Part A/Solids, 29(2), str. 190-203, 2010.
Zboiński K., Dusza M., Extended study of rail
vehicle lateral stability in a curved track, Vehicle
System Dynamics, 49(5), str. 789-810, 2011.
Zboiński K., Dusza M., A Simulation Study of the
Track Gauge Influence on Railway Vehicle Stability
in Curves", in J. Pombo, (Editor), "Proceedings of
the First International Conference on Railway
Technology:
Research,
Development
and
Maintenance", Civil-Comp Press, Stirlingshire, UK,
Paper 67, 2012. doi:10.4203/ccp.98.67
Zboiński K.: Numerical studies on railway vehicle
response to transition curves with regard to their
different shape. Archives of Civil Engineering,
44(2), str.151-181, 1998.
11
[13]Zboiński K., Woźnica P.: Optimisation of the railway
transition curves' shape with use of vehicle-track
dynamical model. Archives of Transport, 22(3), str.
387-407, 2010.
[14]Zboiński K., Woźnica P., Optimisation of Railway
Polynomial Transition Curves: A Method and
Results", in J. Pombo, (Editor), "Proceedings of the
First International Conference on Railway
Technology:
Research,
Development
and
Maintenance", Civil-Comp Press, Stirlingshire, UK,
Paper 60, 2012. doi:10.4203/ccp.98.60.
[15]Long X.Y., Wei Q.C., Zheng F.Y.: Dynamical analysis
of railway transition curves. Proc. IMechE part F
Journal of Rail and Rapid Transit, 224(1), str. 1-14,
2010.
[16]Kalker J.J.: A fast algorithm for the simplified theory
of rolling contact. Vehicle System Dynamics, 11, str.
1-13, 1982.
[17]Choromański W., Zboiński K., Pakiet softwarowy do
automatycznej generacji równań ruchu i analizy
dynamiki pojazdu. Materiały X Konferencji
Naukowej Pojazdy Szynowe, tom 3, str. 34-55,
Politechnika Wrocławska, Wrocław 1994.
[18]Polach O., Characteristic parameters of nonlinear
wheel/rail contact geometry. Proceedings of 21st
IAVSD Symposium, Paper 95, str. 1-12, 17-21
Sierpnia 2009, KTH, Stockholm, Sweden.
dr inż. Marek Sobaś
Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”
Wózek 33MN do oczyszczarki tłucznia OT-84
W artykule przedstawiono opis trzyosiowego wózka napędnego 33MN dla oczyszczarki tłucznia OT-84. W artykule przedstawiono konstrukcję układu biegowego, która jest rozwiązaniem innowacyjnym i pierwszym tego typu w kraju. Zaprezentowano
podstawowe węzły konstrukcyjne wózka 33MN.
1. Wstęp
W latach 2009÷2012 konstruowano w IPS
„Tabor” wózek „33MN” dla oczyszczarki tłucznia
„OT-84” na potrzeby PKP PLK S.A. Wykonawcą
oczyszczarki oraz ww. wózków był Zakład Pojazdów
Szynowych w Stargardzie Szczecińskim. Opracowanie
dokumentacji konstrukcyjnej wózka napędnego typu
33MN zlecono IPS „Tabor” w Poznaniu. Ponieważ
masa oczyszczarki jest większa niż 90 ton, a dopuszczalny nacisk zestawu kołowego na tor wynosi 22,5
tony dla klasy toru jedynym rozwiązaniem było wyposażenie pojazdu w układy biegowe trzyosiowe. Zakładając, że dopuszczalny nacisk zestawu kołowego na
tor, wynosi 20 ton, masa własna oczyszczarki wraz z
tłuczniem może wynosić nawet 120 ton. W związku z
powyższym przed konstruktorami IPS „Tabor” postawiono zadanie, aby opracować koncepcję oraz dokumentację konstrukcyjną wózka trakcyjnego, który
nazwano „33MN”. Początkowa koncepcja, aby rozwiązanie wózka oprzeć na istniejących wózkach wagonów towarowych typu „7TN” oraz „7TNa” z reso12
rami piórowymi, uległa zmianie wskutek sugestii
wymagań klienta, aby zawieszenie pierwszego stopnia
stanowiły sprężyny śrubowe pierwszego stopnia wraz
z tłumikiem ciernym, analogicznie jak w standardowym wózku dwuosiowym Y25.
2. Koncepcja wózka
2.1. Opis techniczny oczyszczarki
Koncepcja wózka „33MN” została opracowana w oparciu o założenia konstrukcyjne oczyszczarki
OT-84, które zostały zamieszczone w opracowaniu
Zakładu Pojazdów Szynowych w Stargardzie Szczecińskim [9]. Oczyszczarka tłucznia jest samojezdną,
całkowicie hydrauliczną maszyną torową, przeznaczoną do czyszczenia pełnej warstwy podsypki tłuczniowej bez naruszania konstrukcji toru w procesie technologicznym naprawy głównej lub średniej na liniach:
magistralnych, pierwszorzędnych i drugorzędnych.
Praca maszyny polega na wybieraniu podsypki tłuczPOJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
niowej z nawierzchni kolejowej bez naruszania konstrukcji toru, odsianiu zanieczyszczeń z wybranej podsypki, wprowadzeniu oczyszczonego tłucznia z powrotem na tor, a zanieczyszczenia na specjalne środki
transportowe. Do zasilania całej maszyny służy siłownia z silnikiem spalinowym typu „Caterpillar” z dzielnikiem momentu, pompami hydraulicznymi, sprężarką, zbiornikiem oleju hydraulicznego, układami silnika i częściami układu hydraulicznego. Z siłowni za
pomocą układu hydraulicznego następuje przesyłanie
oleju hydraulicznego do napędów zespołów roboczych
maszyny i układu ruchów wstępnych znajdujących się
na obu stronach maszyny. Sterowanie pracą silnika i
wszystkich układów: hydraulicznego i pneumatycznego jest realizowane zdalnie za pomocą układu elektronicznego ze sterownikiem mikroprocesorowym. Podsypka tłuczniowa jest wybierana przez mechanizm
wybierakowy podczas wolnej jazdy roboczej. Jest to
mechanizm z łańcuchem wybierakowym pracującym
w obwodzie zamkniętym po spięciu go z torem i
zmontowaniem belki podtorowej. Transportowana
przez łańcuch mechanizmu wybierakowego na maszynę podsypka tłuczniowa jest rozrzucana na sita przesiewacza wibracyjnego. Na przesiewaczu następuje
oddzielenie zanieczyszczeń od wybieranej podsypki.
Odsiewki z przesiewacza są odbierane przez zespół
dwóch przenośników taśmowych, składający się z
przenośnika stałego i wychylnego. Przenośnik wychylny znajduje się nad kabiną „1” i ma za zadanie
wyrzucić odsiewki na bok, poza torowisko lub do
przodu na specjalne wagony. Natomiast oczyszczony
tłuczeń z przesiewacza jest odbierany przez zsyp
tłucznia i kierowany bezpośrednio na tor lub na przenośniki taśmowe rozścielające. Podsypka wprowadzona z powrotem na tor jest profilowana przez pług znajdujący się tuż za zsypem tłucznia. Mechanizm
podnoszący, znajdujący się na maszynie umożliwia
podnoszenie toru w przypadku zbyt małej grubości
podkładki i pod podkładami oraz nasuwanie w planie
w celu odsunięcia od przeszkód. Oczyszczarka typu
OT-84.00 wyposażona jest w rejestrator oraz układ
automatyczny bezpieczeństwa ruchu. W skład automatyki bezpieczeństwa wchodzą: system SHP (samoczynne hamowanie pociągu), CA (czuwak aktywny)
oraz RADIO-STOP.
2.3. Opis wózka trzyosiowego 33MN
Wózek trzyosiowy 33MN jest wózkiem trakcyjnym, przeznaczonym do specjalistycznych zespołów trakcyjnych, jak np. wspomniana oczyszczarka
tłucznia OT-84 i posiada pewne cechy, zaczerpnięte ze
standardowych wózków wagonów towarowych. Do
takich cech można zaliczyć:
-
oparcie nadwozia na wózku za pomocą czopa
kulistego oraz ślizgów bocznych sprężystych z
powiększonymi luzami pionowymi 20±1 mm,
dopasowanymi do zwiększonej bazy oczyszczarki; luzy ślizgów bocznych w wózkach standardowych typu Y25 wynoszą 12±1 mm
-
rozwiązanie węzła maźnicznego, zwłaszcza korpusu maźnicy, usprężynowania oraz tłumika
ciernego,
-
rozwiązanie uziemienia wózka za pomocą przewodu ochronnego zgodnego z kartą UIC 533
[4].
Wózek 33MN z podziałem na podzespoły i elementy
jest przedstawiony na rys.1.
2.2. Parametry techniczne oczyszczarki
Szerokość toru…………………………………………………………………1435 mm
Długość ze zderzakami………………..…………………………………….29 644 mm
Rozstaw osi skrajnych……………………………………………………….25 550 mm
Baza pojazdu (odległość pomiędzy środkami czopów skrętu)………………22350 mm
Szerokość maksymalna………………………………………………………..3100 mm
Wysokość maksymalna………………………………………………………..4600 mm
Maksymalna prędkość transportowa z własnego napędu na torze prostym…...80 km/h
Maksymalna prędkość transportowa obcym środkiem trakcyjnym…………...100 km/h
Minimalny promień łuku toru, przez który może przejechać pojazd……………..150 m
Moc silnika trakcyjnego…………………………………..…………………….653 kW
Przeniesienie napędu……………………………………………………hydrostatyczne
Ilość osi napędowych (trakcyjnych)……………………………………………………4
Całkowita ilość osi …………………………………………………………………….6
Średnica toczna kół…………………………………………………………..…920 mm
Hamulec zespolony……………………………………………………….typu Oerlikon
Instalacja elektryczna prądu stałego………………………………………………..24V
Masa całkowita ………………………………………………………………ok.100 ton
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
13
Legenda:
1 – ostojnica, 2 – poprzecznica, 3 – podłużnica, 4 – czołownica, 5 – gniazdo skrętu, 6 - przekładnia trakcyjna, 7 – mechanizm
zaciskowy hamulca tarczowego, 8 – zestaw kołowy, 9 – klocek czyszczący, 10 – ślizg boczny, 11 – przewód uziemiający, 12 –
oś skrajna napędna, 13 – oś środkowa toczna, 14 – wspornik powieszenia przekładni, 15 – cięgło podwieszenia przekładni,
16 – korpus prowadnicy
Rys.1. Wózek trakcyjny 33MN do oczyszczarki OT-84.00
14
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Wartość
Średnica okręgu tocznego kół w
stanie nowym
Szerokość (prześwit) toru
1435 mm
Długość wózka
4500 mm
Dopuszczalne zużycie kół (liczone
na promieniu)
Szerokość wózka
2302 mm
Rozstaw ślizgów bocznych sprężystych
2000 mm
Rozstaw sąsiednich zestawów
kołowych
1600 mm
Rozstaw skrajnych zestawów
kołowych (baza wózka)
3200 mm
Rozstaw środków maźnic zestawów kołowych
2000 mm
Gniazdo kuliste skrętu (promień
gniazda skrętu)
190 mm
Parametr
Wysokość środka kuli gniazda
skrętu od główki szyny
880±5 mm
Maksymalny nacisk zestawu kołowego na tor
20 t (196,2 kN)
Minimalny promień łuku toru
(warsztatowy), przez który może
przejechać pojazd na wózkach
75 m
Maks. przesuw poprzeczny ramy
wózka względem maźnicy na
stronę
± 15 mm
Maks. przesuw wzdłużny ramy
wózka względem maźnicy na
stronę
8÷10 mm
3
Ilość osi trakcyjnych (napędowych)
2
tarczowy
bloki czyszczące
TCU Nr 240002100 SAB WABCO
Tarcza hamulcowa (średnica zewnętrznaלrednica
Ø 610/320x110 mm
piasty×szerokość wieńca)
Ilość osi hamowanych
Osie trakcyjne
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Ø870 mm
Minimalna dopuszczalna średnica
toczna koła monoblokowego
Ø860 mm
Czop osi zestawu kołowego
Ø 130 x 217 mm
Łożyska osiowe
NJ +NJP
130x240x80
Usprężynowanie
za pomocą sprężyn
śrubowych,
jednostopniowe bez
charakterystyki
progresywnej
Miękkość usprężynowania wózka
0,1224 mm/kN =
1,211 mm/t
Sztywność usprężynowania wózka
8,169 kN/mm =
0,825 t/mm
Ślizgi boczne
sprężyste
Luz pionowy na ślizgach
bocznych sprężystych
20±1 mm
Masa wózka
10 400 kg
Zarys wózka spełnia wymagania
karty UIC 505-1 [1]
jak dla pojazdów
trakcyjnych
2.3.1. Rama wózka
Całkowita liczba osi
Hamulec
30 mm
Minimalna średnica toczna koła
monoblokowego po ostatnim
przetoczeniu profilu
950 +−35 mm
Wysokość płyty oporowej czopa
skrętu od poziomu główki szyny
Ø920 mm
3
2 tarcze hamulcowe
Wózek posiada ramę zamkniętą. Konstrukcja ramy wózka jest całkowicie spawana i składa się z
następujących zasadniczych elementów (rys.2):
• dwóch ostojnic (poz.1),
• dwóch poprzecznic (poz.2),
• belki środkowej (poz.3),
• dwóch czołownic (poz.4).
Na elementy nośne ramy zastosowano stal
S355J2 (o wytrzymałości na rozciąganie Rm=510÷680
MPa oraz granicy plastyczności Re min=355 MPa).
Ostojnice i poprzecznice mają przekrój dwuteowy z
wzmocnieniami w postaci żeber. Czołownice mają
przekrój ceowy. Ostojnice są połączone dwoma poprzecznicami (poz.2). Poprzecznice połączone są z
belką środkową (poz.3), w której znajduje się gniazdo
skrętu z wkładką z tworzywa sztucznego (poz.5). Do
poprzecznic (poz.2) są przyspawane wsporniki do
15
mocowania mechanizmów zaciskowych hamulca tarczowego (poz.7) i wsporniki mocowania bloków
czyszczących (poz.9). Do belki środkowej (poz.3)
przyspawane są wsporniki do mocowania dźwigni
łączącej przekładnię trakcyjną. Na ostojnicach znajdują się otwory do mocowania ślizgów bocznych sprężystych (poz.10). Do ostojnic wózka są przyspawane
wsporniki do mocowania bloków czyszczących koła
(poz.18) oraz korpusy prowadnic (poz.14), mających
za zadanie prowadzenie zestawu kołowego w trakcie
jazdy.
2.3.2. Zawieszenie pierwszego stopnia
Wózek posiada zawieszenie jednostopniowe na sprężynach śrubowych (poz.4) bez charakterystyki progresywnej. Rama wózka spoczywa na 6-ciu
maźnicach (poz.8) za pośrednictwem 12-stu kompletów sprężyn śrubowych. Sprężyna wewnętrzna wykonana jest z pręta φ20 mm, sprężyna zewnętrzna z pręta
φ32 mm. Sprężyny wykonane są ze stali
52CrMoV4+HH zgodnie z normą EN 10089:2002 [7].
Sprężyna zewnętrzna jest prawozwojna, natomiast
sprężyna wewnętrzna jest lewozwojna.
Rys.2. Rama wózka 33MN jako konstrukcja spawana
16
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Zawieszenie jest tak skonstruowane, że umożliwia:
- ruchy wzdłużne L1 = ±9 mm maźnicy zestawu
kołowego względem ramy wózka,
- ruchy poprzeczne L2 = ±15 mm maźnicy zestawu kołowego względem ramy wózka
(rys.4).
Ruchy wzdłużne z luzem L1 = ±9 mm umożliwiają
quasi-radialne ustawianie osi zestawu kołowego w
łuku toru o promieniu Rmin=180 m, co zmniejsza kąty
nabiegania koła na szynę i zużycie wieńców kół
(obrzeży i powierzchni tocznych). Luzy poprzeczne L2
= ±15 mm umożliwiają wpisywanie się pojazdu
wszystkich zestawów kołowych pojazdu w łuki toru,
zwłaszcza o minimalnym promieniu. (R=75m). Ma to
bardzo istotne znaczenie ze względu na przesuwność
osi środkowej względem ramy wózka. Przesuwność
osi środkowej zwiększa bezpieczeństwo jazdy pojazdu
przez tory wichrowate w warunkach quasi-statycznych.
Legenda:
1 - korpus dociskacza- w wersji spawanej
2 - ogniowo
3 - czopiki
4 - sprężyna zewnętrzna, sprężyna wewnętrzna
5 - tulejki
6 - grzybek cierny
7 - korpus prowadnicy-wersja spawana
8 - korpus maźnicy
9 - sworzeń prowadzący
L1 - luz wzdłużny na stronę
Rys.3 Widok z boku usprężynowania pierwszego stopnia wózka
33MN
Legenda:
1 - korpus dociskacza
5 - tulejka
6 - grzybek cierny
7 - korpus prowadnicy
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
8 - korpus maźnicy
L1 - luz wzdłużny na stronę
L2 - luz poprzeczny na stronę
Rys.4. Zawieszenie pierwszego stopnia wózka 33MN – rzut z góry
2.3.3. Ślizgi boczne sprężyste
Wózki są wyposażone w ślizgi sprężyste. Ślizgi składają się ze spawanego korpusu ślizgu i prowadnicy wykonanych ze stali S355J2.
Na korpusach naspawane są płytki o grubości
5 mm wykonane ze stali manganowej wg karty UIC
893 kategoria E [4]. Wykładziny ślizgów bocznych są
wykonane z tworzywa bezazbestowego i spełniają
wymagania programu OW-1221, będącego tłumaczeniem dokumentu ORE/ERRI nr 1204 0005 [8]. Zadaniem tych ślizgów jest wywoływanie stałego momentu
tarcia tłumiącego drgania wężykowanie wózków. Ślizgi boczne mogą być wykonane w dwóch wariantach.
Wybór wariantu pozostawia się producentowi pojazdu. Wariant I ślizgu jest przedstawiony na rys. 5.
Wariant I składa się z prowadnicy ślizgu
(poz.1), która jest wykonana jako spawana. Prowadnica ślizgu współpracuje ze ślizgiem (poz.2), który jest
wykonany jako spawany. Ślizg (poz.2) jest oparty na
dwóch sprężynach (poz.3), które z kolei są rozmieszczone symetrycznie na prowadnicy ślizgu (poz.1),
która jest przykręcona do ramy wózka za pomocą śrub
z nakrętkami samozabezpieczającymi typu Vargal
(poz.9). Celem zapewnienia luzu na ślizgach bocznych, który musi wynosić 20±1 mm dla pojazdu znajdującego się na torze wypoziomowanym, pomiędzy
prowadnicą ślizgu poz.1 oraz ostojnicą wózka znajdują się podkładki regulacyjne (poz.8). Luz 20±1 mm
musi występować pomiędzy odbijakiem (poz.4) i ślizgiem (poz.2) oraz rolką (poz.4) i wspornikiem na
nadwoziu pojazdu. Na prowadnicy (poz.1) znajdują
się wkładki z tworzywa sztucznego o własnościach wg
dokumentu OW-1221. W celu ochrony ślizgu (poz.2)
przed opadnięciem podczas rozłączania wózka i podnoszeniem nadwozia (względy BHP) jest on wyposażony w zabezpieczenie (poz.7) które zahacza o zaczep
(poz.6).
Wariant II, (przedstawiony na rys.6) składa się
z prowadnicy ślizgu (poz.1), która jest wykonana jako
spawana. Prowadnica ślizgu (poz.1) współpracuje ze
ślizgiem (poz.2), który wykonany jest jako spawany.
Ślizg (poz.2) jest oparty na dwóch sprężynach (poz.3),
które są z kolei rozmieszczone symetrycznie na prowadnicy ślizgu (poz.1). Prowadnica ślizgu (poz.1) jest
przykręcona do ramy wózka za pomocą śrub z nakrętkami samozabezpieczajacymi (poz.9). Celem zapewnienia luzu na ślizgach bocznych, który musi wynosić
20±1 mm dla pojazdu znajdującego się na torze wypoziomowanym, pomiędzy prowadnicą ślizgu (poz.1)
oraz ostojnicą wózka znajdują się podkładki regulacyjne (poz.8). Luz 20±1 mm musi występować pomiędzy odbijakiem (poz.4) i ślizgiem (poz.2). Na
17
prowadnicy (poz.1) znajdują się wkładki z tworzywa
sztucznego o własnościach wg dokumentu OW-1221.
W celu ochrony ślizgu (poz.2) przed niekontrolowanym opadnięciem podczas rozłączenia wózka
(względy BHP) jest on wyposażony w zabezpieczenie
(poz.7), która zahacza o zaczep (poz.6).
Legenda:
1 - Prowadnica ślizgu
2 - Ślizg
3 - Sprężyna
4 - Rolka
5 - Wkładka z tworzywa sztucznego
6 - Zabezpieczenie
7 - Zaczep
8 - Podkładka regulacyjna
9 - Nakrętka samozabepiecząjąca
L - luz na ślizgach sprężystych
2.3.4. Uziemienie wózka
Wózek posiada uziemienie w postaci przewodu
giętkiego łączącego każdą maźnicę z ramą wózka oraz
przewodu łączącego ostoję wagonu z ramą wózka
(rys.7). Przewód miedziany posiada przekrój poprzeczny 35 mm2 i musi zapewnić rezystancję 0,05Ω
jak dla wagonów osobowych zgodnie z p.4.1 karty
UIC 533 [4]. Zadaniem przewodu uziemiającego jest
ochrona personelu podczas kontaktu z mechanicznymi
częściami pojazdu, znajdującymi się chwilowo pod
wysokim napięciem oraz niebezpiecznymi przeskokami łuku elektrycznego powstającymi w wyniku
statycznych wyładowań. Niebezpieczeństwo to powstaje w wyniku usterek w elektrycznych urządzeniach pojazdu. Dodatkowo w celu zwiększenia ochrony personelu przed porażeniami elektrycznymi zamontowano dodatkowe przewody uziemiające pomiędzy
korpusem maźnicy a korpusem prowadnicy. Każdy z
przewodów o przekroju 35 mm2 jest wykonany z miedzi i przypada po jednym na oś zestawu kołowego
(łącznie trzy na wózku). Dodatkowe przewody uziemiające są przedstawione na fotografii, zamieszczonej
na rys.8.
Rys. 5. Wariant I ślizgu sprężystego z rolką
Legenda:
1 - Wspornik przewodu
2 - Śruba
3 - Przewód ochronny
Rys.7. Uziemienie wózka. lewej strony przewód miedziany
łączący wspornik na ostojnicy wózka ze wspornikiem
2.3.5. Zestawy kołowe i maźnice
Legenda:
1 - Prowadnica ślizgu
2 - Ślizg
3 - Sprężyna
4 - Odbijak
5 - Wkładka z tworzywa sztucznego
6 - Zabezpieczenie
7 - Zaczep
8 - Podkładka regulacyjna
9 - Nakrętka samozabepiecząjąca
L - luz na ślizgach sprężystych
Rys.6. Wariant II ślizgu sprężystego, opartego na klasycznej budowie, zaczerpniętej ze standardowych wózków dla wagonów
towarowych
18
Każdy wózek posiada po trzy zestawy kołowe
przystosowane do przeniesienia nacisku na tor 20 t.
Dwa skrajne zestawy kołowe wózka są zestawami
napędnymi, natomiast środkowy zestaw jest zestawem
tocznym. Zestaw kołowy jest wyposażony w koła
monoblokowe o średnicy Ø920 mm w stanie nowym.
Najmniejsza dopuszczalna średnica kół zużytych wynosi Ø860 mm.
Korpusy maźnic wykonane są ze staliwa 340550W o wytrzymałości na rozciąganie Rm=550÷700
MPa wg normy PN-ISO 3755:1994 [6], posiadają
boczne oparcia sprężyn na których przyspawano prowadniki sprężyn. Konstrukcja maźnic umożliwia
przyjmowanie obciążeń pionowych, poziomych i poprzecznych.
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Powierzchnie trące maźnic wykonano jako
płytki z trudnościeralnej stali manganowej kategorii E
wg karty UIC 893 [5].W maźnicach zastosowano
łożyska walcowe typu NJ + NJP o wymiarach 130 x
240 x 80. Maźnice uszczelnione są pierścieniem
labiryntowym.
3. CECHY INNOWACYJNE WÓZKA
Do istotnych cech innowacyjnych wózka
33MN nalezą następujące rozwiązania konstrukcyjne:
- zastosowanie quasi-radialnego prowadzenia
zestawów kołowych poprzez wprowadzenie
luzów wzdłużnych L1=9 mm na stronę, co
znacznie zmniejsza kąty nabiegania na szynę
- zastosowanie hamulców tarczowych, zapewniających prawidłową intensywność hamowania,
drogi hamowania jak również zredukowaną emisję hałasu do środowiska naturalnego
- zastosowanie dodatkowego uziemienia w obrębie zestawów kołowych, zabezpieczających obsługę pojazdu przed porażeniem
-
wyeliminowanie resorów piórowych o zmiennej charakterystyce i zastosowanie sprężyn
śrubowych, co korzystnie wpływa na bezpieczeństwo przed wykolejeniem
- zastosowanie sprawdzonego oparcia pudła za
po-mocą gniazda skrętu oraz ślizgów sprężystych, które zostało zastosowane w układzie
wózek-pudło w wagonach towarowych.
Aby wyznaczyć korzyści wynikające z zastosowania wózka trzyosiowego z radialnym prowadzeniem zestawów kołowych, wyznaczono promień łuku
toru, który może przejechać pojazd. Zespołem determinującym ten przejazd jest wózek trzyosiowy 33MN.
Usytuowanie narożnikowe wózka na tle luku toru o
promieniu R przedstawiono na rys.10.
Rys.8. Widok z boku na wózek „33MN”. Między maźnicami a ostojnicami są zainstalowane dodatkowe przewody
uziemiające.
Widok czoła wózka jest przedstawiony na fotografii, zamieszczonej na rys.9.
Rys.9. Widok czoła wózka 33MN.
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
19
∆ ∝ = arctg
U2
α3
α2
α1
2
Ω
1
σ
R
α3
ε
α2
x0
p
Rys.10. Usytuowanie wózka 33MN na łuku o promieniu R w
położeniu narożnikowym.
Na rys.10 są następujące oznaczenia:
α1- kąt nabiegania przedniego zestawu kołowego na
szynę
α2- kąt nabiegania środkowego zestawu kołowego na
szynę
α3- kąt nabiegania tylnego zestawu kołowego na szynę
x0- odstęp biegunowy
R- promień łuku toru
p- baza wózka
ε- luz zestawu kołowego w torze
Z rys.10 wynikają następujące zależności:
ε
2
p
p
x0 −
x0 −
2 ≈
2
sin α 1 =
ε
R
R−
2
x −p
α3 = 0
R
sin α 2 ≈ α 2 =
x0 −
sin α 3 ≈ α 3 =
R
x0 − p
R
Rε p
+
p
2
γ
γ
βµ
µ
Rys.11. Siły działające w punkcie styku obrzeża z szyną
(3)
(5)
(6)
(7)
Zgodnie z dokumentacją konstrukcyjną wielkość luzów przymaźnicznych qw= 9 mm (luz na stronę), natomiast 2s wynosi dla standardowych zawieszeń 2000
mm = 2m.
Dla tego przypadku kąt ∆ ∝ wynosi odpowiednio:
20
.
βµ
Z uwagi na niewielką stożkowatość powierzchni tocznej koła i niewielkie wartości kątów nabiegania można
przyjąć, że gdy koło opiera się na główce szyny w
dwóch punktach, to odległość ∆ h punktu B od płaszczyzny toru jest stała i niezależna od kąta nabiegania.
Przekrój poziomy powierzchni obrzeża przechodzący
przez punkt B jest przekrojem stożka, którego wierzchołek znajduje się na osi zestawu kołowego a tworzące się nachylone pod kątem γ do osi zestawu. Przekrój ten wyznacza zatem hiperbolę o równaniu:
µ2
ν2
− 2 =1
2
νo
µ0
Odstęp biegunowy x0 można wyznaczyć ze wzoru:
x0 =
γ
γ
(2)
(4)
p
2
(9)
.
(1)
Po uproszczeniach kąty nabiegania wynoszą odpowiednio:
x0
R
γ
.
R+
sin α 1 = α 1 =
qw
s
.
∆
sin α 1 =
ε
R+
2
−
W punkcie B działa na główkę szyny siła kierująca P a
nacisk pionowy koła na szynę Q rozkłada się na punkt
A i punkt B. Przy wzroście siły kierującej koło może
się podnieść i opiera się na główce szyny tylko w
punkcie B, w którym działa na główkę cały nacisk Q i
siła kierująca P (rys. 11).
W przypadku ogólnym a zwłaszcza na łukach koło
nabiega na szynę pod pewnym kątem określanym jako
kąt nabiegania i wówczas punkt B znajduje się w pewnej odległości µ od osi zestawu kołowego (rys. 11).
ψ
x0
x0
'
∝1 = ∝1 − ∆ ∝=
α1
ξ
(8)
W związku z tym można uwzględnić w zależności (7)
zmniejszenie kąta α1 o ∆ α przy założeniu, że dla
małych katów obowiązuje sin α1 = α1:
X
3
q w 0,009
=
= 0,009rad = 0,515 0
s
1
(10)
przy czym: µ 0 = γ 0 ⋅ tgγ .
Różniczkując równanie hiperboli otrzymuje się:
2ν d ν
νo
2
−
2µ dµ
µ0
2
=0
(11)
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
dν
jest tangensem nachylenia stycznej do
dµ
hiperboli względem osi µ .
Wyrażenie
Kąt nachylenia tej stycznej w punkcie B równa się
kątowi nabiegania α koła na szynę, stąd:
1 µ
⋅ = tg ∝
tg 2γ ν
(12)
Punkt F1 jest punktem końcowym leżącym na prostej
pochylonej pod kątem 700 na obrzeżu, który może
jeszcze zagwarantować styk koła z szyną. Zależność
(15) można zapisać w sposób następujący:
sin( arc cos Ψ ) = tg ∝1 ⋅ tg γ
'
Ponieważ dla małych katów można przyjąć tgα1’=α1’
wówczas otrzymuje się następującą zależność
uwzględniając wzór (9) oraz (3):
 R(ε + 2q) p

+

p
2 qw 
 tgγ
−
sin arc cosΨ = 
ε
s 

R+


2


γ
(16)
(17)
γ
ψ
µ
µ
∆
µ
Rys.13. Zarys koła o średnicy tocznej φ920 zgodnie z kartą UIC
510-2 [3]
µ
γ
α
Z zależności (17) można wyznaczyć promień R:
p  sin arc cosψ q w  ε
−
+
2 
tgγ
s  2
R=
 sin arc cos ψ q w ε + 2q 


+
−
tgγ
s
p


α
Rys.12. Skośne nabieganie koła na szynę
Współrzędne punktu B wynoszą:
µ = r ' ⋅ sin ψ i ν =
'
r
tgγ
(13)
Wstawiając te wartości w równanie (12) otrzymuje się
zależność następującą:
sin ψ = tg ∝ ⋅tgγ .
(14)
Z Rys. 5 wynika następująca zależność na kąt Ψ :
cos Ψ =
r + ∆h
r + ∆r
(15)
gdzie:
r = 460 mm – promień toczny zestawu kołowego
∆h = 10 mm i odpowiada punktowi na szynie,
gdzie następuje styk obrzeża w punkcie B
∆r = 15,675 mm i odpowiada punktowi F1 na
Rys. 6 wg karty UIC 510-2 [3]
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
(18)
Po wstawieniu danych liczbowych do wzoru (18) tzn.
p = 3,2 m, qw= 0,009 m, 2s = 2,0 m, γ = 700, ε = 1,470
– 1,410 = 0,06 m, q = 0,015 m otrzymuje się:
460 + 10


 sin arc cos 460 + 15,675 0,009  0,060
1,6 − 
+

tg70 0
1,00  2



R=
460 + 10



 sin arc cos
460 + 15,675 0,009 0,060 + 0,030 

+
−
0


tg70
1,00
10




R=
1,595379
= 30,17m.
0,052866
(19)
(20)
W takim przypadku można wyliczyć również kąt
nabiegania wyznaczając najpierw odstęp biegunowy x0
na podstawie wzoru (3):
x0 =
30,17 (0,06 + 0,030)
+ 1,6 = 2,448 m.
3,2
(21)
21
Kąt nabiegania kół przedniego zestawu kołowego wynosi wykorzystując wzór (9):
α '1 =
2,448
0,009
−
= 0,072rad ≈ 4,120
30,17 + 0,030 1,000
(21)
Ponieważ luz zestawu kołowego w torze „ε” jest wielkością bardzo małą w stosunku do promienia R, to
wówczas można skorzystać ze zmodyfikowanego
wzoru (4):
'
sin α '1 = α1 =
x0 qw 2,448 0,009
−
=
−
= 0,072rad ≈ 4,12 0
R s
30,17
1
(23)
Analogicznie można wyznaczyć kąty nabiegania dla
kół środkowego zestawu kołowego:
sin α 2 ≈ α 2 =
p
2 − qw = 2,448 − 1,6 − 0,009 = 0,019rad = 1,090
R
s
30,17
1
x0 −
oraz tylnego zestawu kołowego:
sin α 3 ≈ α 3 =
(24)
x0 − p qw 2,448 − 3,2 0,009
−
=
−
= −0,033rad = −1,94 0
R
s
30,17
1
(25)
4. WNIOSKI
1. Wózek 33MN posiada możliwość przejazdu przez
łuki o promieniu R=30 m, co stanowi zapas w stosunku do wymagania postawionego w Specyfikacjach
Wymagań [9], gdzie wymieniony jest promień R=75
m. Należy podkreślić, że o możliwości przejazdu
oczyszczarki pojazdu OT-84 decyduje w dużej mierze
układ biegowy. Aby w pełni sprawdzić możliwości
przejazdu przez łuk o promieniu R=30 m, należałoby
sprawdzić inne parametry jak kąt obrotu wózka
względem pojazdu. Im mniejszy promień łuku toru
tym większy kąt obrotu, który może doprowadzić do
wzajemnych kolizji pomiędzy elementami nadwozia i
elementami wózka. Ważnym zagadnieniem podczas
przejazdu oczyszczarki przez łuki toru o najmniejszym
promieniu jest konieczność „zachodzenia” na siebie
powierzchni ślizgów. Zagadnienie to jest poruszone w
karcie UIC 510-1 [2].
2. Układ biegowy 33MN posiada innowacyjne zawieszenie, które pozwala na quasi-radialne ustawianie
się zestawów kołowych w łukach toru. Dzięki temu
można liczyć się z tym, że:
- zużycie kół zestawów kołowych będzie mniejsze
niż w pojazdach z tradycyjnym zawieszeniem
- mniejsza emisja hałasu do środowiska naturalnego
oraz
- większe bezpieczeństwo jazdy, wskutek mniejszej
siły prowadzącej i mniejszych kątów nabiegania.
22
5. LITERATURA
[1] Karta UIC 505-1: Pojazdy kolejowe. Skrajnia pojazdów.10-te wydanie z maja 2006.
[2] Karta UIC 510-1: Wagony towarowe. Układ biegowy.
Normalizacja. 9-te wydanie z 1.01.1978. 14 zmian od
1.01.1980 do 1.01.1997
[3] Karta UIC 510-2: Pojazdy doczepne. Warunki dla stosowania kół o różnych średnicach w układach biegowych różnego typu. 4-te wydanie z października 2002
do kwietnia 2004.
[4] Karta UIC 533:Pojazdy, uziemienie ochronne części
metalowych. 3-cie wydanie. Kwiecień 2011.
[5] Karta UIC 893: Warunki techniczne dla dostawy blach
na płyty prowadnicowe ze stali manganowej . 2-gie
wydanie, czerwiec 2004.
[6] PN-ISO 3755:1994: Staliwo węglowe ogólnego przeznaczenia. Październik 1994.
[7] PN-EN 10089:2005:Stale walcowane na gorące na
sprężyny ulepszane cieplnie. Warunki techniczne dostawy.
[8] OW-1221: Opis techniczny. Wózki dwuosiowe Nr 1204
0005. Program dopuszczenia wkładek z tworzywa
sztucznego do gniazd skrętu i płyt ślizgowych z tworzywa sztucznego dla ślizgów bocznych wagonów towarowych z wózkami dwuosiowymi. Listopad 1985 (niem.
„Lastenheft für die Zulassung von KunstoffDrehpfanneneinlagen und Kunstoff-Gleitelementen für
die seitliche Wagenkastenabstützung für Güterwagen
mit Drehgestellen mit 2 Radsätzen”).
[9] Opracowanie nr OT.00-70-0.: Opis techniczny oczyszczarki tłucznia typu OT-84.00. Stargard Szczeciński
02.2010.
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
dr hab. inż. Marian Medwid, prof. nadzw.
mgr inż.Tomasz Nowaczyk
mgr inż. Wojciech Jakuszko
Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”
Technologia przeładunku poziomego na przykładzie
modułowego systemu transportu kombinowanego
W artykule przedstawiono innowacyjne rozwiązanie „Modułowy system transportu
kombinowanego”, służący do przewozu naczep drogowych. Zaprezentowano podstawowe składowe struktury systemu. Opisano etapy formowania składu pociągu w
technologii przeładunku poziomego oraz związane z tym rodzajem przeładunku zalety. Porównano system do istniejących technologii transportu kombinowanego. Prezentowany projekt jest wynikiem prac badawczych prowadzonych w ramach realizacji projektu rozwojowego nr R10-0065-10 „System transportu naczep drogowych na
wózkach kolejowych w kombinowanym ruchu kolejowo-drogowym”.
WSTĘP
Transport kombinowany ze względu na rodzaj
przewożonej jednostki ładunkowej, co również ma
wpływ na rodzaj stosowanego sposobu przeładunku,
można podzielić na: przewóz kontenerów, nadwozi
wymiennych, naczep, całych zestawów drogowych.
Podział przedstawia rysunek 1.
TRANSPORT
KOMBINOWANY
KONTENERY
NADWOZIA
WYMIENNE
NACZEPY
ZESTAWY
DROGOWE
Rys.1. Podział transportu kombinowanego ze względu na
stosowane jednostki intermodalne [1]
W Transporcie kombinowanym szynowodrogowym można wyróżnić dwa podstawowe sposoby
przeładunku intermodalnej jednostki ładunkowej pomiędzy środkiem transportu drogowego i kolejowego:
1. Przeładunek pionowy, tzw. lift on-lift off (lo-lo).
2. Przeładunek poziomy, tzw. roll on-roll off (ro-ro).
Przeładunek pionowy wymaga wykorzystania
suwnic oraz specjalistycznych wozów, które unoszą
jednostkę ładunkową w celu za- lub wyładunku, stąd
nazwa pionowy. Przeładunek poziomy natomiast odbywa się przy wykorzystaniu kół drogowych pojazdu,
bez unoszenia jednostki ładunkowej. W transporcie
„towarzyszącym” (rys.2a), inaczej ruchoma droga
(niem. Ro-La czyli Rollende Landstrasse, ang. rolling
motorway) kompletny zestaw złożony z ciągnika siodłowego oraz naczepy siodłowej wjeżdża sam na spePOJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
cjalny wagon-platformę, jest to przeładunek typu roro.
W transporcie „nietowarzyszącym” (rys.2b), inaczej „na barana” (niem. Huckepack, ang. piggyback),
który polega na transportowaniu koleją samych jednostek ładunkowych bez ciągników siodłowych, występują obydwa wymienione rodzaje technologii przeładunku (ro-ro oraz lo-lo). Prezentowany poniżej system
modułowy stanowi innowacyjne rozwiązanie transportu szynowo-drogowego, które służy do przewożenia
naczep drogowych a jego przeładunek odbywa się w
technologii poziomej „ro-ro”.
1. STRUKTURA MODUŁOWEGO SYSTEMU
Innowacyjny, modułowy system transportu kombinowanego przedstawia rysunek 3. Moduł systemu
sformułowany jest z dwóch jednakowych zespołów.
Każdy z nich składa się z odpowiednio przystosowanej standardowej naczepy drogowej oraz platformy
kolejowej złożonej z dwóch rozłącznych układów
biegowych - przedniego i tylnego. System ten jest
przeznaczony do transportu naczep wyposażonych w
hamulce tarczowe o rozstawie opon 2040-2100mm.
Terminal przeładunkowy natomiast wymaga jedynie
tak zwanej „drogi bimodalnej” (poziom jezdni drogowej zrównany jest z wysokością górnej powierzchni
główki szyny) oraz odsuwnych pomostów najazdowych umożliwiających najazd naczep na wysokość
półek tylnych układów biegowych platform kolejowych. Tak prosta aranżacja terminalu sprawia, że
można do systemu włączyć praktycznie dowolne istniejące już bocznice kolejowe.
23
a)
b)
Rys.2. Transport intermodalny a) towarzyszący, b) nietowarzyszący [5]
czas jazdy po drodze kołowej, zatem warunki obciążenia pionowego ramy naczepy w uformowaniu drogowym i kolejowym pozostają bez zmian. Wzdłużne siły
pociągowe i różnica poziomu wysokości urządzeń
pociągowo-zderznych w przednim i tylnym układzie
platformy kolejowej wymuszają potrzebę wzmocnienia konstrukcji. Przyrost masy naczepy jest jednak
znacznie mniejszy jak w przypadku naczepy bimodalnej i wynosi on 900 kg.
Rys.3. Moduł systemu transportu kombinowanego
[opracowanie własne]
Przedni układ biegowy przedstawiony na rysunku
4 składa się z specjalnego obniżonego wózka dwuosiowego 1 o średnicy kół ø580, posadowionego na
nim adaptera 2 stanowiącego oparcie i mocowanie dla
naczepy drogowej oraz cięgła stanowiącego część
złączną układów biegowych. Zespół ten wyposażony
jest w typowe urządzenie pociągowo-zderzne, służące
do łączenia kolejnych modułów dwunaczepowych,
oraz modułów z lokomotywą lub składem pociągu.
Rys.5. Tylny układ biegowy [opracowanie własne]
2. ETAPY ZAŁADUNKU W TECHNOLOGII „RORO”
Załadunek poziomy naczepy drogowej na platformę kolejową odbywa się na płaskim terminalu, gdzie
poziom jezdni zrównany jest z poziomem główki szyny toru kolejowego. Rysunek 6 przedstawia poszczególne fazy formowania pojedynczego modułu systemu
transportu kombinowanego w technologii „ro-ro”.
Rys.4. Przedni układ biegowy [opracowanie własne]
Tylny układ biegowy (rys.5), poprzez który platformy kolejowe połączone są ze sobą krótkospiętym
urządzeniem pociągowo-zderznym, złożony jest z
dwóch jednakowych wózków jak w przedniej strukturze oraz posadowionej na nich ramie stanowiącej
oparcie dla naczepy poprzez koła drogowe. Z przedniej strony znajduje się zamek cięgła łączącego układy
biegowe.
Przednia i tylna część biegowa stanowią punkty
podparcia naczepy w tych samych miejscach jak pod24
Etapy przeładunku przebiegają następująco:
1. Faza I.
Po dostawieniu i zablokowaniu rozsuwnych pomostów najazdowych ciągnik siodłowy wprowadza
naczepę na półki platformy kolejowej na wysokość
270 mm powyżej powierzchni główki szyny. Istotnym
ograniczeniem w tym etapie jest przejechanie naczepy
ponad wózkiem środkowym platformy i uniknięcie
kolizji pomiędzy kołami kolejowymi wózka środkowego a znajdującym się ponad podczas najazdu pneumatyczno-wahaczowym zawieszeniem naczepy. Ze
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Drugi zespół modułu zostaje połączony analogicznie i może odbywać się równocześnie, w ten sposób
otrzymujemy sformowany moduł składający się z 2
naczep drogowych oraz dwóch platform kolejowych
połączonych na stałe krótkospiętym urządzeniem pociągowo-zderznym. Rozładunek modułu przebiega w
odwrotnej kolejności jak przedstawiony załadunek w
fazie I-III. W ten sposób połączone moduły dwunaczepowe można łączyć między sobą za pomocą typowych urządzeń pociągowo-zderznych. Formowanie
modułów może odbywać jednocześnie w sposób szeregowy lub szeregowo-równoległy (rys.7a,b), znacznie
skracając czas załadunku w zależności od liczby pojazdów manewrowych wtaczających przednie układy
biegowe.
Rys.6. Etapy załadunku w systemie modułowym
[opracowanie własne]
względu na hamulce tarczowe znajdujące się wewnątrz kół drogowych nie ma również kolizji pomiędzy zestawem kołowym naczepy a kołami kolejowymi.
1. Faza II.
Po wtoczeniu naczepy na wysokość półek platformy tylnego układu biegowego do momentu oparcia
tylnych kół o blokadę tylną platformy następuje
opróżnienie miechów nośnych naczepy celem obniżenia wysokości w składzie kolejowym oraz oparcie na
nogach podporowych i wypięcie ciągnika siodłowego
spod sworznia zaczepowego typu „Jost”.
2. Faza III.
Pod ustawioną naczepę na platformie tylnego
układu następuje wtoczenie przedniej części biegowej
przy pomocy pojazdu poruszającego się po torach lub
na kołach drogowych po bimodalnej jezdni zrównanej
z poziomem główki szyny. Po wtoczeniu wózka następuje równoczesne zaryglowanie adaptera w naczepie drogowej oraz połączenie przedniej i tylnej części
biegowej poprzez cięgło podwieszone na adapterze
przednim. Na końcu zostają podniesione nogi podporowe naczepy.
Rys.7. Formowanie modułów a) sposób szeregowy, b) sposób
szeregowo-równoległy [opracowanie własne]
Dużą zaletą przeładunku poziomego w modułowym systemie transportu kombinowanego jest możliwość zastosowania zelektryfikowanych terminali,
gdyż sieć trakcyjna nie stanowi przeszkody podczas
za- i wyładunku. Załadunek naczepy na tle normalnej
wysokości przewodu trakcyjnego pokazuje rysunek 8.
Rys.8. Załadunek naczepy pod siecią trakcyjną [opracowanie własne]
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
25
PODSUMOWANIE
System transportu modułowego łączy w sobie wiele zalet innych systemów tej technologii a zarazem
wyklucza ich wady i istniejące ograniczenia. Najważniejszą zaletą systemu może być stosunkowo niski
koszt produkcji oraz eksploatacji. System opiera się na
prostych oraz niedrogich rozwiązaniach, nie wymagających częstej i kosztownej obsługi. Koszt wyposażenia i przygotowania terminalu przeładunkowego również stanowi dużą konkurencyjność wobec innych
systemów, do procesu formowania składu wymagana
jest jedynie „droga bimodalna”, pomosty najazdowe
oraz przynajmniej jeden ciągnik wtaczający przednie
układy biegowe. Przykładowy ciągnik szynowodrogowy opatentowany przez konstruktorów Instytutu
Pojazdów Szynowych „TABOR” w Poznaniu jest
nawet kilkakrotnie tańszy w stosunku do lokomotywy
manewrowej a może on służyć poza wtaczaniem
przednich układów biegowych także do łączenia modułów w skład pociągu. Ciągnik może poruszać się
zarówno po drodze asfaltowej jak i torach kolejowych,
co zapewnia elastyczność i szybkość wykonywanych
operacji. Załadunek może odbywać się zarówno na
terminalach niezelektryfikowanych jak również wyposażonych w sieć trakcyjną. Umożliwia to przedstawiona w niniejszym artykule prosta operacja przeładunku
modułów w technologii „ro-ro”. Dla terminali zelektryfikowanych kolejną zaletą jest możliwość bezpośredniego podpięcia pod skład pociągu elektrycznej
lokomotywy szlakowej, bez potrzeby wcześniejszego wykorzystywania spalinowej lokomotywy manewrowej. Pomniejszona średnica kół umożliwia załadunek w technologii ro-ro w prosty sposób poprzez
przejazd naczepy ponad wózkiem środkowym tylnego
układu biegowego a zarazem sprawia, że system modułowy mieści się w skrajni kolejowej UIC GB1.
Średnica kół jest jednak większa jak w przypadku
systemu Ro-La, co w porównaniu do tego systemu
poprawia warunki bezpieczeństwa podczas jazdy oraz
wydłuża okresy pomiędzy wymianą zużytych kół.
Podsumowując system ten umożliwia stosunkowo
tanią obsługę a zarazem w zależności od liczby pojazdów manewrowych na terminalu przeładunkowym
krótki czas trwania przeładunku.
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
26
Nowaczyk T., Wybrane charakterystyki transportu
intermodalnego (szynowo-drogowego), Praca magisterska NR TR-M/S-11/2009.
Medwid M., Cichy R., Nowaczyk T., Model strukturalny
systemu transportu naczep drogowych na wózkach kolejowych w ruchu kombinowanym kolejowo-drogowym,
Pojazdy Szynowe nr 2/2011, Wydawnictwo IPS „Tabor” Poznań.
Madej J., Medwid M., Cichy R., Jakuszko W., Nowaczyk T., Modułowy system transportu naczep siodłowych na wózkach kolejowych w ruchu kombinowanym
kolejowo-drogowym, XX Międzynarodowa Konferencja
Naukowa „Pojazdy Szynowe 2012” – Poznań.
Medwid M., Cichy R., Ciągnik szynowo-drogowy o
zwiększonej wytrzymałości mechanicznej na działanie
sił wzdłużnych, Pojazdy Szynowe nr 1/2010, Wydawnictwo IPS „Tabor” Poznań.
Statistics 2007, Union Internationale des societes de
transport combine Rail-Route.
PN-69/K-02057, Skrajnie budowli.
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
mgr inż. Joanna Czarnecka
Politechnika Poznańska
dr hab. Agnieszka Merkisz-Guranowska, prof. PP
Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”
Ocena infrastruktury transportu intermodalnego w Polsce
Transport intermodalny pociąga za sobą wiele korzyści zarówno w skali makro jak
i mikro. W tym celu należy dążyć do realizacji szeregu kompleksowych działań,
zapewniających transportowi intermodalnemu warunki rozwoju, w szczególności
dostęp do odpowiedniej infrastruktury. Na efektywność tego typu transportu wpływa między innymi sieć terminali intermodalnych. Słabo rozwinięta infrastruktura
uniemożliwia rozwój transportu kombinowanego. W Polsce parametry techniczne,
w tym możliwości przeładunkowe i składowe, większości terminali są niewystarczające do obsłużenia ilości ładunków wynikających ze strategii rozwoju transportu. Jednak prowadzone inwestycje w modernizację istniejących terminali oraz tworzenie nowych w znacznym stopniu przyczyniają się do polepszenia sytuacji Polski
na europejskim rynku przewozów intermodalnych.
1. Wprowadzenie
2. Diagnoza istniejącej infrastruktury
Artykuł poświęcony jest zagadnieniu rozwoju infrastruktury transportu intermodalnego, ze szczególnym
uwzględnieniem transportu kombinowanego drogowo-kolejowego. Kluczowym czynnikiem decydującym o efektywności transportu intermodalnego, a
zwłaszcza o możliwościach przewozowych tej gałęzi
transportu są terminale.
Intermodalny terminal przeładunkowy to obiekt przestrzenny z właściwą mu organizacją i infrastrukturą
umożliwiającą przeładunek intermodalnych jednostek
transportowych: kontenerów, nadwozi wymiennych i
naczep samochodowych pomiędzy środkami transportu należącymi do różnych gałęzi transportu oraz wykonywanie operacji na tych jednostkach w związku z
ich składowaniem i użytkowaniem.
Polska dysponuje stosunkowo dużą liczbą terminali
intermodalnych – kontenerowych. Średnia gęstość w
przeliczeniu na powierzchnię kraju wynosi około 0,8
terminala na dziesięć tysięcy km2 i nie odbiega znacząco od średniej europejskiej (0,9/10 tys. km2) [2].
Jest natomiast zdecydowanie niższa, niż w krajach o
największym udziale przewozów intermodalnych
w rynku kolejowym, takich jak: Holandia – 11,9, Belgia – 7,1 i Niemcy – 4,1. Stopniowy wzrost wolumenu
i udział przewozów intermodalnych w Polsce, powinien przełożyć się w najbliższych latach zarówno na
zwiększenie liczby nowych inwestycji terminalowych,
jak również przyczynić się do unowocześnienia, w
tym rozbudowy i modernizacji już istniejącej infrastruktury punktowej.
W Polsce funkcjonuje około 30 terminali intermodalnych, jednak mają one bardzo zróżnicowane parametry techniczne. Zestawienie podstawowych parametrów istniejących terminali transportu kombinowanego przedstawiono w tabeli 1. W zestawieniu nie
uwzględniono czterech wymienianych w innych źródłach terminali tj. dwóch terminali zamkniętych zlokalizowanych na terenie zakładów produkcyjnych z
uwagi na to, że nie są one dostępne dla osób trzecich
(terminala w Zamościu, mieszczącego się na terenie
Centrum Logistycznego Laude.pl i terminala w Świeciu firmy Mondi), terminala w Piotrkowie Trybunalskim należącego do operatora logistycznego CTL
Logistics, który nie jest wykorzystywany oraz terminala Medyka Żurawica należącego do PKP Cargo,
gdyż zgodnie z oświadczeniem operatora nie uczestniczy on w przewozach intermodalnych.
1/3 przewozów intermodalnych obsługują terminale
zlokalizowane w środkowej części kraju (Warszawa,
Pruszków, Mława, Małaszewicze, Kutno, Łódź, okolice Poznania), 1/3 obsługują pozosłałe terminale
zlokalizowane na południu głównie na Górnym Śląsku (Sławków, Gliwice, Sosnowiec, Dąbrowa Górnicza) i Dolnym Śląsku (Wrocław, Brzeg Dolny, Kąty
Wrocławskie). Terminale ze stref portowych Gdyni,
Gdańska i Szczecina obsługują łącznie 1/3 polskich
przewozów intermodalnych.
Dynamiczny wzrost przewozów morskich z krajów
Dalekiego Wschodu, stwarza możliwości wzrostu
przewozów kontenerowych, jednak możliwości te
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
27
wykorzystywane są obecnie głównie przez transport
drogowy. Transport intermodalny mógłby jednak
przejąć
ładunki
w
kierunkach
wschodnich
i południowych Europy, chociaż liczba terminali na
wschodniej granicy Polski jest niewystarczająca.
Obecnie największy z nich znajduje się w Małaszewiczach, który obsługuje około 6,4% kolejowych
przewozów intermodalnych.
Polski transport kolejowy, przy realizacji przewozów
intermodalnych, w 2011 roku obsługiwał miesięcznie
średnio 66 tysięcy TEU1o daje rocznie 792 tysiące
TEU. Największe roczne możliwości przeładunkowe
pojedynczego terminala lądowego wynosiły 187 000
TEU. Takie możliwości ma Centrum Logistyczne
Małaszewicze. Drugi co do możliwości przeładunkowych jest Euroterminal Sławków obsługujący 105 000
TEU. Jeden z najlepiej wyposażonych terminali w
Polsce, terminal w Kutnie, obsługuje 100 000 TEU
rocznie. Wkrótce jego zdolność przeładunkowa wyniesie 200 000 TEU.
W najbliższym czasie ma powstać kilka nowych
obiektów w miejscowościach: Łosośna, Zajączkowo
Tczewskie, Dorohusk, Konin, Poznań Franowo, Rzepin, Suwałki, Wrocław Brochów i Ostaszewo Toruńskie, Brwinów oraz Kórnik.
3. Analiza potencjału rozwojowego rynku przewozów intermodalnych
W Białej Księdze dotyczącej założeń europejskiej
polityki transportowej nakreślono strategię osiągnięcia konkurencyjnego i zasobooszczędnego systemu
transportowego [3]. Wśród celów jakie zostały w niej
wytypowane na rzecz utworzenia konkurencyjnego
systemu transportu znalazły się wytyczne optymalizujące działania multimodalnych łańcuchów logistycznych. W szczególności przyjęto następujące założenia:
− Stworzenie do 2030 roku w pełni funkcjonalnej
ogólnounijnej multimodalnej sieci bazowej
TEN-T, a do 2050 roku osiągnięcie wysokiej
jakości i przepustowości tej sieci.
− Zapewnienie opłacalności multimodalnego
transportu towarów dla przewoźników poprzez
wdrożenie specjalnie zaprojektowanych korytarzy transportowych, optymalnych pod względem wykorzystania energii i emisji oraz minimalizacji wpływu na środowisko, a także atrakcyjnych ze względu na niezawodność, ograniczone zagęszczenie ruchu i niskie koszty operacyjne.
− Zapewnienie zmiany strukturalnej niezbędnej
do umożliwienia skutecznego konkurowania
−
przez transport kolejowy oraz przejęcia
większej proporcji transportu towarów na
średnie i dalekie odległości poprzez znaczne
inwestycje pozwalające na rozszerzenie lub
unowocześnienie
przepustowości
sieci
kolejowej.
− Przeniesienie do 2030 roku 30% drogowego
transportu
towarów
na
odległościach
większych niż 300 km na inne środki
transportu, np. kolej lub transport wodny, zaś
do 2050 roku powinno to być ponad 50 %.
Oceny stanu rozwoju transportu intermodalnego
można dokonać zatem pod względem możliwości
spełnienia zawartych w Białej Księdze założeń, w
szczególności transferu 30% ładunków z przewozów
drogowych na przewozy kolejowe.
W roku 2011 w Polsce przetransportowano łącznie
1 912 178 tys. ton ładunków, z czego transportem
drogowym przewieziono 1 596 209 tys. ton, a koleją
248 606 tys. ton [4]. Niestety nie są dostępne dane
dotyczące struktury odległościowej przewozów
transportem drogowym. Z tego powodu w celu
obliczenia ilości ładunków, które powinien przejąć
transport kolejowy, przyjęto dwa założenia. Pierwsze
założenie stanowi, że obecnie 70% ładunków
drogowych jest przewożonych na dłuższych
dystansach, przekraczających 300 km, drugie, że jest
to połowa ładunków.
Dążąc do realizacji założeń Białej Księgi zgodnie z
pierwszym założeniem należałoby dokonać transferu
30% ładunków, czyli 335 203,9 tys. ton z transportu
samochodowego na transport kombinowany. Przy
założeniu, że jeden kontener 20-stopowy (1 TEU)
mieści 0,0102 tys. ton wspomniane wyżej 30%
ładunków stanowiłoby 32 863 126 TEU. Chcąc
proporcjonalnie rozdzielić ten ładunek na istniejące 30
terminali każdy z nich musiałby obsłużyć 1 095 437
TEU.
Według drugiego założenia 50% ładunków
przewożonych transportem samochodowym to
ładunki na trasie powyżej 300 km, czyli 798 104,5 tys.
ton. 30% z tej wartości stanowi ładunek o masie
239 431,4 tys. ton, co odpowiada 23 473 662 TEU.
Rozdzielając ten ładunek na 30 terminali każdy z nich
musiałby obsłużyć rocznie 782 455 TEU.
Zestawienie najważniejszych informacji związanych
ze zwiększeniem udziału transportu kombinowanego
w przewozach na odległość powyżej 300 km dla
danych z 2011 roku zamieszczono w tabeli 2.
1
Twenty-foot Equivalent Unit – miara odpowiadająca pojemności jednego kontenera 20 stopowego o długości 6,1 m,
szerokości 2,4 m oraz wysokości 2,6 m.
28
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
1,69
II
84 000
2x357,5
1 000
40 000
b.d.
b.d.
II
18 600
TK Poznań Garbary
ul. Północna 1
3x150
600
40 000
b.d.
b.d.
II
6 200
TK Sosnowiec Południowy
ul. Kościelna 60
3x230
800
30 000
238
0,57
III
9 500
TK Kraków Krzesławice
ul. Łowińskiego 2
2x300
600
40 000
b.d.
b.d.
III
13 300
TK Dąbrowa Górnicza
ul. Koksownicza 6
3x625
1x100
2x300
b.d.
b.d.
b.d.
b.d.
III
225000*
TK Pruszków
ul. Przytorowa 1
2x600
1x100
2x300
b.d.
90 000
1 448
3,47
II
32 976
TK Wrocław
ul. Krakowska 1
2x300 1x250
1x190
b.d.
117 000
1 211
2,90
III
45 000
TK Gądki
ul. M agazynowa 8
4x610 1x610
b.d.
28 000
b.d.
b.d.
II
320000*
TK M ława
ul. Dworcowa 9
2x300
2 000
53 000
504
1,21
-
25 000
TK Kobylnica
ul. Dworcowa 3
3x300
500
29 200
785
1,88
II
9 300
TK Gądki
ul. Dworcowa 32
1x748
1 000
b.d.
2 320
5,55
II
10 350
TK Warszawa
ul. M arywilska 39
1x320
1 200
85 000
1 373
3,29
II
24 000
TK Gliwice
ul. Reymonta 32
2x450
800
80 000
1 008
2,41
III
65 000
2x1300
1x560
1 310
187 000
2 115
6,36
II
19 100
b.d.
b.d.
16 000
930
2,23
III
b.d.
TK Kutno Krzewie
ul. Intermodalna 5
4x600
(4x700**)
4 000
200 000
3 479
8,33
II
80 000
TK Gliwice
ul. Portowa 28
2x600
(4x600**)
1 650
100 000
3 158
4,56
III
30 000
TK Brzeg Dolny
ul. Sienkiewicza 4
2x300
(4x650**)
1 000
7 500
1 506
3,60
III
14 000
1x640
900
b.d.
644
1,54
-
b.d.
TK Włocławek Brzezie
b.d.
b.d.
b.d.
522
1,25
-
b.d.
Euroterminal Sławków
ul. Groniec 1
b.d.
2 000
105 000
2 115
5,06
III
b.d.
TK Poznań
ul. Nowosolska 40
3x600
1 200
50 000
b.d.
b.d.
II
b.d.
TK Radomsko
ul. Kraszewskiego 36
3x600
2 500
b.d.
b.d.
b.d.
-
b.d.
b.d.
800
b.d.
b.d.
b.d.
II
6 500
Gdański Terminal Kontenerowy
2 tory = 320
11 500
100 000
b.d.
b.d.
Ia,VI
67 417
Bałtycki Terminal Kontenerowy
Gdynia
3x300
18 000
750 000
b.d.
b.d.
VI
b.d.
Gdynia Container Terminal
4x475
b.d.
400 000
b.d.
b.d.
VI
19 100
Deepwater Container Terminal
Gdańsk
2x620
23 000
1 000 000
b.d.
b.d.
Ia, VI
44 000
b.d
3 260
120 000
b.d.
b.d.
-
35 000
TK Warszawa Towarowa
ul. Ordona 2a
TK CL M ałaszewicze
ul. Kolejarzy 22b
TK Sławków LHS
ul. Dębowa Góra
TK Kąty Wrocławskie
ul. Fabryczna 1
CLIP Logistics Swarzędz
ul. Rabowicka 6
Terminal Kontenerowy DB Port
Szczecin
Powierzchnia
terminala [m2]
705
Średnia
miesięczna
liczba TEU
60 000
Roczne
możliwości
przeładunkow
[TEU]
5 000
TK Łódź Olechów
ul. Tomaszowska 60
M ożliwości
składowania
[TEU]
2x700
Terminal
Użyteczna
długość torów
[m]
Lokalizacja na
trasie
korytarza
paneuropejski
go
Tabela 1
Udział w
kolejowych
przewozach
intermodalnyc
h [%]
Parametry techniczne terminali transportu kombinowanego drogowo-kolejowego
* 50% z tej powierzchni przeznaczone pod terminal intermodalny
** - docelowa długość torów
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
29
Szacowane wielkości przewozów transportem kombinowanym
przy założeniu transferu 30% ładunków z transportu drogowego
Tabela 2
2011
Transport drogowy
1 596 209
[tys. ton]
Ilość transferowanego
ładunku (30%) [tys.
ton]
Ilość transferowanego
ładunku (30%) [TEU]
Dodatkowe przeładunki
w przeliczeniu na jeden
terminal
[TEU/terminal]
Transport kolejowy z
uwzględnieniem trans248 606
feru ładunków [tys.
ton]
70% przewozów
ładunków>300
km
50% przewozów ładunków>300 km
1 117 346,3
798 104,5
335 203,9
239 431,4
32 863 126
23 473 662
1 095 437
782 456
583 810
488 037
Oszacowane wyżej wielkości są niemożliwe do osiągnięcia przy istniejącej obecnie w kraju infrastrukturze. Średnie możliwości przeładunkowe istniejących
terminali lądowych, uwzględniając docelowe parametry terminali, wynoszą zaledwie 71 458 TEU rocznie/terminal. Istniejąca infrastruktura jest w stanie
obsłużyć rocznie około 1,5 miliona TEU, a łącznie z
terminalami morskimi (przy założeniu, że całość ładunków byłaby transportowana koleją) 3,9 miliona
TEU rocznie. Należy przy tym zaznaczyć, że planowany jest rozwój infrastruktury transportu intermodalnego w Polsce. Terminal intermodalny Intermodal
Container Yard, który ma powstać z Zajączkowie
Tczewskim, zgodnie z planowanymi parametrami
technicznymi ma mieć możliwość przeładunku ponad
1 000 000 TEU rocznie.
4. Ocena porównawcza terminali według wybranych kryteriów
W 2011 roku, przy realizacji transportu intermodalnego przez polskich przewoźników kolejowych (którzy
obsłużyli około 800 tysięcy jednostek TEU w 2011
roku) wykorzystywano czynnie 26 terminali przeładunkowych [2].
Parametry techniczne funkcjonujących w Polsce terminali są zróżnicowane, podobnie jak ich zasięg i
udział w przewozach intermodalnych. Terminale intermodalne ocenia się najczęściej na podstawie wymogów Umowy AGTC, tj. umowy europejskiej o
ważnych międzynarodowych liniach transportu kombinowanego i obiektach towarzyszących [5].
Poniżej przedstawiono ocenę istniejącej infrastruktury
terminali lądowych pod względem ośmiu wybranych
kryteriów mających zapewnić sprawne funkcjonowanie i rozwój transportu kombinowanego. Dla wszystkich kryteriów oceny przyjęto punktację w skali od 1
30
do 5, gdzie 1 było oceną najniższą a 5 oceną najwyższą. W ocenie nie uwzględniono terminali morskich,
gdyż terminale te oferują przede wszystkim transport
kombinowany drogowo-morski.
Pierwsze trzy kategorie oceny stanowiły podstawowe
parametry operacyjne. Pierwszym kryterium pod
względem którego zostały porównane obiekty infrastruktury punktowej była liczba torów i ich długość.
Według Umowy AGTC pożądana liczba torów wynosi 2, a ich długość to minimum 600 m, docelowo będzie ona zwiększona do 750 m. Rozpatrując samą
liczbę torów, to kryterium spełniło 17 terminali z 25
rozpatrywanych, przy czym 2 terminale mają aż 4 tory
(terminal w Kutnie i hub w Gądkach). Natomiast 4
terminale nie podają takich informacji, więc nie można było ich porównać. Uwzględniając oba wymogi
jednocześnie spełnione są one przez zaledwie 8 terminali (Łódź Olechów, Dąbrowa Górnicza, Pruszków,
Gądki, CL Małaszewicze, Kutno, Gliwice, Radomsko). Są one w stanie obsłużyć pełen skład pociągu
bez zbędnych operacji rozformowywania.
Drugą kategorię stanowiły możliwości składowania. 6
terminali nie opublikowało takich informacji. Średnie
możliwości wynoszą obecnie 1 519 TEU, przy
uwzględnieniu docelowych parametrów niektórych
terminali wartość ta wzrasta do 1 664 TEU. Analogicznie łączne możliwości składowe polskich terminali wynoszą 28 860 TEU, po modernizacji niektórych
terminali wielkość składowania wzrośnie o 2 750
TEU. Największe możliwości składowe ma terminal
Łódź Olechów – 5 000 TEU, następnie Kutno – 4 000
TEU. Z kolei PCC Intermodal rozbudowuje swoje
terminale, tak aby charakteryzowały się lepszymi
parametrami. Obecnie terminal w Gliwicach dysponuje placem składowym o pojemności 1 650 TEU, docelowo wartość ta ma osiągnąć 2 900 TEU. Natomiast
terminal w Brzegu Dolnym składuje maksymalnie
1 000 TEU, jednak docelowo ma osiągnąć wartość
rzędu 2 500 TEU.
Trzecim porównywanym parametrem były roczne
możliwości przeładunkowe. Jak opisano powyżej
istniejące w kraju terminale nie są w stanie obsłużyć
wymaganych 30% ładunków drogowych, które są
transportowane na dalekich trasach. Na temat możliwości przeładunkowych informacji udzieliło 19 terminali. Największe możliwości przeładunkowe mają
terminal w Kutnie, który ma osiągnąć 200 000 TEU
rocznie oraz Centrum Logistyczne Malaszewicze –
187 000 TEU. Na kolejnych miejscach znalazły się
Terminal we Wrocławiu z potencjałem 117 000 TEU
rocznie i Euroterminal Sławków – 105 000 TEU.
Terminal w Gliwicach, który obecnie obsługuje
50 000 TEU, również ma w planach zwiększyć dwukrotnie swoje zdolności przeładunkowe.
Czwartym kryterium wykorzystanym w analizie
porównawczej był udział w kolejowych przewozach
intermodalnych. Oceny dokonano na podstawie
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
danych Urzędu Transportu Kolejowego, który oszacował dla 17-stu terminali strukturę udziałów w rynku
przewozów intermodalnych drogowo-kolejowych.
Największą wartość osiągnął terminal w Kutnie –
8,33%, dalej CL Małaszewicze – 6,36%, następnie
terminal Cargospedu w Gądkach – 5,55%, Euroterminal Sławków – 5,06%. Najmniejszy udział, wynoszący 0,57% osiągnął terminal w Sosnowcu.
Bardzo ważnym aspektem w rozwoju transportu kombinowanego jest lokalizacja na trasie korytarza paneuropejskiego. W tabeli 1 podano informację czy i na
trasie którego z korytarzy transportowych znajduje się
terminal. Większość terminali w Polsce zlokalizowanych jest na trasie II i III korytarza, jedynie terminal w
Mławie, Kątach Wrocławskich, Włocławku i Radomsku mają mniej korzystną lokalizację.
Szóstym parametrem branym pod uwagę w ocenie
była powierzchnia terminala. Wielkości te mieszczą
się w przedziale od 6 200 m2 w Poznaniu Garbarach
do 160 000 m2 w Gądkach.
Ostatnie dwie kategorie oceny stanowiły kwestie dojazdu i połączenia z infrastrukturą liniową, przy czym
siódmą kategorię stanowiła dostępność drogowa terminala z ośrodków gospodarczych, a ósmą łączność z
głównymi dalekobieżnymi liniami kolejowymi, a w
przypadku przewozów grup wagonów dobre połączenie z szybkimi pociągami towarowymi. Rozpatrywano
łatwy i szybki dojazd drogowy oraz połączenie z dalekobieżnymi liniami kolejowymi. W tym celu stworzono graficzny model sieci transportowej z uwzględnieniem dróg krajowych i autostrad oraz ważniejszych
linii kolejowych wraz z zaznaczeniem lokalizacji istniejących i planowanych terminali intermodalnych.
Mapa na podstawie której dokonano oceny została
przedstawiona na rysunku 1. Według ostatnich dwóch
kategorii najlepsze lokalizacje mają terminale w Łodzi, Gądkach, Gliwicach, Kutnie oraz w Swarzędzu.
Szczegółowa punktacja jaką mogły uzyskać terminale
w zależności od posiadanych parametrów technicznych wyglądała następująco:
a) Długość torów:
x < 200 m
(1
pkt)
200 m ≤ x < 300 m
(2
pkt)
300 m ≤x < 400 m
(3
pkt)
400 m ≤x < 600 m
(4
pkt)
x ≥600 m
(5
pkt)
b) Możliwości składowania
x < 600 TEU
(1
pkt)
600 TEU ≤ x < 800 TEU
(2
pkt)
800 TEU ≤ x < 1 000 TEU
(3
pkt)
1 000 TEU ≤ x < 2 000 TEU (4 pkt)
x ≥ 2 000 TEU
(5
pkt)
Rys.1. Lokalizacja terminali w stosunku do liniowej infrastruktury drogowej i kolejowej
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
31
Ocena lądowych terminali transportu kombinowanego ze względu na wybrane kryteria
Dojazd drogowy
do terminala z
ośrodków gospodarczych
liniami kolejowymi, a w
przypadku
przewozów
grup wagonów
dobre połączenie z szyb
3
2
5
5
5
5
35
3
4
2
b.d.
5
1
4
5
24
1
2
2
b.d.
5
1
2
5
18
2
3
2
1
5
1
2
4
20
3
2
2
b.d.
5
2
3
5
22
5
b.d.
b.d.
b.d.
5
5
b.d.
b.d.
15
5
b.d.
4
4
5
2
1
5
26
2
b.d.
5
3
5
3
4
5
27
5
b.d.
1
b.d.
5
5
5
5
26
3
3
3
2
1
2
b.d.
b.d.
14
3
1
1
2
5
1
4
3
20
TK Gądki
ul. Dworcowa 32
3
4
b.d.
5
5
1
5
5
28
TK Warszawa
ul. Marywilska 39
3
4
4
4
5
2
4
4
30
TK Gliwice
ul. Reymonta 32
4
4
4
3
5
4
5
5
34
b.d.
4
5
5
5
1
4
5
29
b.d.
b.d.
1
3
5
b.d.
4
4
17
5
5
5
5
5
5
5
5
40
5
4
3
5
5
2
4
5
33
3
3
1
4
5
1
3
5
25
5
3
b.d.
2
1
b.d.
3
2
16
b.d.
b.d.
b.d.
2
1
b.d.
5
3
11
b.d.
5
5
5
5
b.d.
3
5
28
3
4
b.d.
b.d.
5
b.d.
3
5
20
5
5
b.d.
b.d.
1
b.d.
4
5
20
b.d.
3
b.d.
b.d.
5
1
5
5
18
TK CL Małaszewicze
ul. Kolejarzy 22b
TK Sławków LHS
ul. Dębowa Góra
TK Kutno Krzewie
ul. Intermodalna 5
TK Gliwice
ul. Portowa 28
TK Brzeg Dolny
ul. Sienkiewicza 4
TK Kąty Wrocławskie
ul. Fabryczna 1
TK Włocławek Brzezie
Euroterminal Sławków
ul. Groniec 1
TK Poznań
ul. Nowosolska 40
TK Radomsko
ul. Kraszewskiego 36
CLIP Logistics Swarzędz
ul. Rabowicka 6
SUMA
Możliwości składowania
5
Powierzchnia
terminala
Długość torów
mijankowych
5
TK Łódź Olechów
ul. Tomaszowska 60
TK Warszawa Towarowa
ul. Ordona 2a
TK Poznań Garbary
ul. Północna 1
TK Sosnowiec Południowy
ul. Kościelna 60
TK Kraków Krzesławice
ul. Łowińskiego 2
TK Dąbrowa Górnicza
ul. Koksownicza 6
TK Pruszków
ul. Przytorowa 1
TK Wrocław
ul. Krakowska 1
TK Gądki
ul. Magazynowa 8
TK Mława
ul. Dworcowa 9
TK Kobylnica
ul. Dworcowa 3
32
Roczne możliwości przeładunkowe
Udział w kolejowych przewozach
intermodalnych
Lokalizacja na
trasie korytarza
paneuropejskiego
Tabela 3
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Roczna zdolność przeładunkowa
x < 30 000 TEU
pkt)
30 000 TEU ≤ x < 50 000 TEU
pkt)
50 000 TEU ≤ x < 80 000 TEU
pkt)
80 000 TEU ≤ x < 100 000 TEU
pkt)
x ≥ 100 000 TEU
pkt)
d) Udział w kolejowych przewozach
intermodalnych
x < 1%
pkt)
1% ≤ x < 2%
(2 pkt)
2% ≤ x < 3%
(3 pkt)
3% ≤ x < 4%
(4 pkt)
x ≥ 4%
pkt)
e) Lokalizacja na trasie TEN-T
TAK
pkt)
NIE
pkt)
f) Powierzchnia terminala
x < 20 000 m2
pkt)
20 000 m2 ≤ x < 40 000 m2 (2 pkt)
40 000 m2 ≤ x < 60 000 m2
pkt)
60 000 m2 ≤ x < 80 000 m2
pkt)
x ≥ 80 000 m2
pkt)
5. Podsumowanie
c)
(1
(2
(3
(4
(5
(1
(5
(5
(1
(1
(3
(4
(5
Punktację terminali przeładunkowych i centrów logistycznych, mających w swojej ofercie czynności związane z transportem kombinowanym przedstawiono w
tabeli 3. Na tej podstawie dokonano wyboru terminali
o odpowiednich parametrach, które mają możliwości
sprawnego i efektywnego obsługiwania ładunków.
W wyniku przeprowadzonej analizy wybrano terminale, dla których suma poszczególnych cech jest większa lub równa 30. Są nimi terminale: Kutno Krzewie
(40 pkt), Łódź Olechów (35 pkt), Gliwice Reymonta
(34 pkt), Gliwice Portowa (33 pkt), Gądki Cargosped
(30 pkt), Warszawa (30 pkt). Bardzo dobre parametry
posiada również Euroterminal Sławków (28 pkt) oraz
Centrum Logistyczne Małaszewicze (29 pkt), ale z
powodu braku dostępu do wszystkich niezbędnych
informacji do analizy uzyskały poniżej 30 punktów.
Wymienione terminale mogą obsłużyć rocznie ok.
850 000 TEU.
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Z przeprowadzonych rozważań wynika, że w Polsce
funkcjonuje stosunkowo dużo terminali przeładunkowych, które pełną funkcję terminali intermodalnych.
Wraz ze wzrostem znaczenia transportu intermodalnego wzrasta liczba obiektów przystosowanych do
sprawnej i efektywnej realizacji tego rodzaju przewozów. Taka sytuacja dotyczy nowych inwestycji. Jednak istniejące terminale, które powstawały przed
przystąpieniem Polski do struktur unijnych i nie były
modernizowane, w większości charakteryzują się
złym stanem technicznym. W Polsce znaczna część
terminali nie spełnia przez to norm wyznaczonych w
umowie AGTC, co staje się barierą rozwoju transportu intermodalnego. Przede wszystkim brakuje torów
wyładunkowych o odpowiedniej długości (minimum
600 metrów), stan nawierzchni płyty terminali oceniany jest jako zły, większość terminali ma niewłaściwy
profil powierzchni placów składowych, a także sama
ich powierzchnia jest mała, brakuje nowoczesnego
sprzętu oraz niewystarczająco rozwinięta jest infrastruktura około terminalowa. Przykładem terminalu
intermodalnego, który nie jest przystosowany do efektywnej realizacji przeładunków jest terminal Poznań
Garbary, należący do operatora Spedcont. Największą
barierą w rozwoju tego terminala jest jego usytuowanie w centrum miasta. Jego lokalizacja sprawia, że
brakuje dojazdu drogą o wymaganych parametrach
technicznych. Przy założeniu zwiększenia przeładunków w polskich terminalach ten nie będzie w stanie
realizować obsługi odpowiedniej liczby jednostek
ładunkowych.
Obecnie coraz powszechniejsze staje się inwestowanie
w rozwój centrów logistycznych, które oferują nie
tylko przeładunek, składowanie kontenerów, ale również szereg innych usług. Także nowo powstające
terminale intermodalne są już budowane z myślą o
zapewnieniu jak najlepszej obsługi, a także o wywiązaniu się z podstawowych wymagań stawianych tego
typu inwestycjom.
Aktualny stan infrastruktury nie pozwala na przejęcie
30% ładunków z transportu drogowego przez transport kolejowy. Żeby tak się stało należy przeprowadzić zakrojone na szeroką skalę inwestycje związane z
budową nowych terminali oraz modernizacją tych
istniejących przy czym tylko tych, które oferują perspektywy rozwoju transportu kombinowanego i mają
odpowiedni potencjał. Obecne możliwości przeładunkowe terminali są niewystarczające lub też nie w pełni
wykorzystywane. Polska dysponuje na chwilę obecną
9-cioma terminalami i centrami logistycznymi, które
są w stanie przejąć duże ilości ładunków. Wśród nich
znajdują się terminale w Łodzi, Gądkach, Warszawie
Kutnie, Sławkowie, Małaszewiczach, Swarzędzu oraz
dwa w Gliwicach. Są to najlepiej oceniane terminale
ze względu na kryteria użyteczności. Nowe inwestycje
33
jakie są w planach mają charakteryzować się coraz
lepszymi parametrami operacyjnymi, a zatem mogą w
dużej mierze przyczynić się do rozwoju transportu
kombinowanego.
Literatura:
[1] Kisperska-Moroń D., Krzyżaniak S., Logistyka, Wyd.
ILiM, Poznań 2009.
[2] Analiza rynku kolejowych przewozów intermodalnych,
Urząd Transportu Kolejowego, Warszawa 2012.
[3] Biała Księga pt. Plan utworzenia jednolitego europejskiego obszaru transportu – dążenie do osiągnięcia
konkurencyjnego i zasobooszczędnego systemu transportu, Komisja Wspólnot Europejskich, COM (2011)
144, Bruksela 2011.
[4] Rocznik statystyczny Transport. Wyniki działalności w
2011 roku, Główny Urząd Statystyczny, Warszawa
2012.
[5] Umowa europejska o ważnych międzynarodowych
liniach transportu kombinowanego i obiektach
towarzyszących (AGTC), M.P. nr 3 poz. 50, 2004.
[6] Zielaskiewicz H., Terminale przeładunkowe w Polsce.
Problemy techniczne i projektowe – cz. 1,
Infrastruktura Transportu 4/2012, s. 50-54.
mgr inż. Tomasz Gazdulski
Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”
dr inż. Bartosz Czechyra
Politechnika Poznańska
Badania klimatu akustycznego pojazdu szynowo-drogowego
w warunkach normalnej eksploatacji
Pojazdy szynowo-drogowe są klasą obiektów technicznych, które coraz częściej
występują w parku maszynowym operatorów tramwajowych i kolejowych. Są to
zazwyczaj pojazdy specjalnie przystosowane do prac ratowniczych oraz obsługowych dużej infrastruktury. Zadaniem prezentowanego pojazdu jest ułatwienie
utrzymania w czystości torowisk i przystanków tramwajowych. Niezależnie od
typu pojazdu oraz jego cech funkcjonalnych musi on spełniać wszystkie wymagania ochrony kierowcy w zakresie narażenia na drgania i hałas na stanowisku
pracy.
Artykuł dotyczy problemu pomiaru hałasu występującego podczas eksploatacji
pojazdu szynowo-drogowego. W artykule omówione zostały badania terenowe
przeprowadzone na pojeździe szynowo-dorgowym IVECO-eurocargo TC-2 przeznaczonego do oczyszczania torów tramwajowych. Zaprezentowany został badany
obiekt oraz metodyka badań stworzona dla tego obiektu. Przedstawiono, także
wyniki badań terenowych, które były prowadzone w aspekcie oddziaływania hałasu, występującego wewnątrz pojazdu podczas jazdy oraz postoju na organizm
człowieka.
1. Wprowadzenie
Hałas generowany przez pojazdy drogowe oraz
szynowe jest zjawiskiem niepożądanym. W skrajnych przypadkach może być uciążliwym elementem
34
naszego otoczenia a nawet szkodliwym w codziennym życiu człowieka. Wynikiem zrozumienia negatywnego wpływu hałasu na organizm człowieka
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
jest otwarta i ożywiona dyskusja prowadzona przez
różne środowiska (w tym naukowe) oraz wszczęty
proces legislacyjny na poziomie Unii Europejskiej.
Zjawiskowe pole wibroakustyczne generowane w
wyniku eksploatacji pojazdów drogowych i szynowych ma wpływ na zakłócenia aktywności człowieka
- zarówno pasażerów jak i operatorów pojazdów
(kierowcy, maszynisty czy motorniczego). Powszechnie wiadomo, że mogą powodować odczucie
dyskomfortu, przemęczenia, wpływają niekorzystnie
na narząd słuchu, układ nerwowy oraz krążenia.
Nadmierna ekspozycja człowieka na hałas o wysokim poziomie jest przyczyną zaburzeń poczucia bezpieczeństwa i niezależności, zakłóca porozumiewanie
się oraz orientację w środowisku pracy i codziennego
życia. W konsekwencji długotrwałego oddziaływania
hałasu może dojść do wystąpienia określonych jednostek chorobowych, a w skrajnych przypadkach
nawet do śmierci.
Pojazdy szynowo-drogowe są środkami transportu
o coraz szerszym zastosowaniu. Wynika to z wielu
zalet jakie posiadają, a należą do nich niewątpliwie
[3]:
− niski koszt budowy w porównaniu z typowymi
pojazdami szynowymi,
− niskie koszty eksploatacji, obsługi i napraw
związane przede wszystkim z małym zużyciem oleju napędowego i środków smarnych,
− duża dyspozycja i pełne wykorzystanie w pracach na torze i drodze,
− możliwość postoju w typowym dla pojazdów
drogowych garażu lub pod wiatą,
− możliwość dojazdu do miejsc pracy na torze,
drogami kołowymi,
− wysoka niezawodność i bezpieczeństwo w pracach na torze i drodze.
To powoduje, iż pojazdy szynowo-drogowe z powodzeniem zastępują małe lokomotywy manewrowe
na bocznicach kolejowych, w zakładach przemysłowych oraz kopalniach. Jednakże mimo wielu zalet
istnieją pewne zagrożenia wynikające ze sposobu
tworzenia tego typu pojazdów tj. przekonstruowania
standardowych pojazdów drogowych. Do tych zagrożeń można zaliczyć możliwość pojawienia się lokalnych rezonansów konstrukcji, które mogą przełożyć
się na wysoki poziom hałasu na stanowisku operatora. Dodatkowo sytuację utrudnia brak jednoznacznych przepisów i dokumentów regulujących pomiar
hałasu w pojazdach specjalnych, do których niewątpliwie należą pojazdy szynowo-drogowe.
Celem artykułu jest przedstawienie metodyki pomiarowej oraz wyników przeprowadzonych badań
terenowych pomiaru hałasu oddziałującego na operatora w kabinie pojazdu szynowo-drogowego. Pomiarami objęto pojazd szynowo-drogowy służący do
oczyszczania infrastruktury tramwajowej w Poznań.
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
2. Obiekt badań
Obiektem badań był specjalistyczny pojazd szynowo-drogowy IVECO EUROCAGO typu TC-2,
którego dokumentacja konstrukcyjna i prototyp opracowane zostały w Instytucie Pojazdów Szynowych
„TABOR” w Poznaniu. Konstrukcja pojazdu opierała
się na seryjnym podwoziu IVECO EUROCARGO
Model 140E18W o wzmocnionej konstrukcji. Poprzez dodatkowe wyposażenie pojazdu w szynowy
układ jezdny pojazd przystosowany został do poruszania się zarówno po drogach jak i po torach tramwajowych. Widok pojazdu drogowo-szynowego gotowego do pracy przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1. Pojazd szynowo-drogowy do oczyszczania infrastruktury
tramwajowej
Omawiany pojazd został opracowany z myślą o
wykonywaniu podstawowych prac związanych
z oczyszczaniem torowiska (w tym rozjazdów i krzyżownic) oraz jego najbliższego otoczenia. Jednocześnie zostały zaimplementowane dodatkowe funkcjonalności odróżniające ten pojazd od innych dostępnych na rynku [4]. Pojazd umożliwia oczyszczanie
z różnego rodzaju zanieczyszczeń stałych torowisk
tramwajowych wydzielonych i wspólnych z jezdnią,
międzytorza torowiska wydzielonego oraz powierzchni przystanków tramwajowych.
Widok na sposób prowadzenia prac utrzymania
infrastruktury przedstawiono na rysunku 2.
Rys. 2. Wykorzystanie ssawy ręcznej do oczyszczania
powierzchni przystanku [2]
35
Znaczą zaletą pojazdu jest możliwość automatycznego oczyszczania rowków szyn tramwajowych
z piasku, kamieni oraz innych elementów drewnianych, metalowych itp. Znacząco wpływając na bezpośrednie podwyższenie bezpieczeństwa jazdy tramwaju w torze. Widok na układ oczyszczania rowków
szyn tramwajowych zamieszczono na rysunku 3.
Rys. 5. Trasa przejazdu po torach oraz miejsce wykonywania
pomiary na postoju [1]
Natomiast badanie na postoju wykonano na terenie zajezdni tramwajowej przy ulicy Gajowej (oznaczone kwadratem na rysunku 5).
Rys. 3. Widok na skrobak i ssawę do oczyszczania rowków szyn [2]
Tak zaprojektowany pojazd został wprowadzony
do eksploatacji w Miejskim Przedsiębiorstwie Komunikacji w Poznaniu.
3. Metodyka badań
3.1. Miejsce pomiarów
Ze względu na brak szczegółowych przepisów
precyzujących pomiary w pojeździe drogowoszynowym w badaniach wykorzystano normy dotyczące pomiaru hałasu na stanowisku operatora pojazdu kołowego w reprezentacyjnych warunkach eksploatacyjnych.
Ze względu na chęć minimalizowani wpływu postronnych pojazdów oraz innych źródeł dźwięku na
wyniki prowadzonych badań pomiary wykonano
nocą z 22.06.2010 na 23.06.2010 pomiędzy godziną
2340 a 2 50. Pomiarów dokonano w ruchu podczas
jazdy pojazdu po drodze kołowej (na odcinkach ulic:
Hetmańska, Żegrze i po torach tramwajowych (na
odcinkach ulic: Zwierzyniecka, Józefa Kraszewskiego, Jana Henryka Dąbrowskiego i Franklina Roosvelta. Obie lokalizację przedstawiono odpowiednio na
rysunkach 4 i 5.
3.2. Aparatura pomiarowa i punkty pomiarowe
Punkt pomiaru hałasu w pojeździe podczas jazdy i
postoju został dobrany zgodnie z wymaganiami norm
PN-ISO 9612 [7], PN-92 K-11000 [5] i PN-S-04052
[10] przyjmując rodzaj samochodu z jednym rzędem
siedzeń. Mikrofon umieszczono na wysokości 700
mm nad powierzchnią siedzenia przy uchu operatora
w odległości co najmniej 200 mm (punkt 4.1 normy
PN-N-01307 [9]) do środka pojazdu. Na rysunku 6
przedstawiono lokalizację punktu pomiarowego.
Rys. 6. Umieszczenie mikrofonu wg normy i w pojeździe [10]
Rys. 4. Trasa przejazdu na kołach gumowych [1]
36
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Wszystkie pomiary hałasu zostały wykonane całkującym miernikiem hałasu typu 2250 firmy Brüel&Kjaer. szczegółowy opis urządzenia pomiarowego na stronie producenta [12].
3.3. Procedura pomiarowa
Badania hałasu dokonano poprzez pomiar równoważnego poziomu dźwięku Li w punkcie pomiarowym przedstawionym powyżej.
Pomiaru równoważnego poziomu dźwięku na postoju dokonano przy pracującym silniku spalinowym
z obrotami 700 min-1 oraz przy pracującym silniku na
4 biegu z obrotami 1700 min-1 i włączonym wentylatorze. Łącznie dokonano czterech pomiarów,
z których każdy trwał 180 s.
Natomiast pomiary równoważnego poziomu
dźwięku podczas ruchu pojazdu wykonano oddzielnie na drodze kołowej i torze. Badania na drodze
kołowej zostały wykonane przy stałej prędkości v=50
km/h. Dokonano dwóch pomiarów, z których każdy
trwał 240 s.
Badania na torze zostały wykonane przy dwóch
stałych prędkościach: roboczej po torze prostym
v=0,8 km/h i dojazdowej po torze prostym v=7,8
km/h. Dla każdej prędkości dokonano dwóch pomiarów, z których dla prędkości v=0,8 km/h trwał 480 s,
natomiast dla prędkości v=7,8 km/h trwał 300 s.
Na podstawie zmierzonych wartości równoważnego poziomu dźwięku Li dla każdej czynności to
jest postoju, jazdy po drodze kołowej z prędkością
v=50km/h i torze z prędkościami v=0,8 km/h i v=7,8
km/h zostały wyznaczone: średnia wartość równoważnego poziomu dźwięku LAeq zgodnie z zależnością wskazaną w normie PN-N-01306 [8]:
1 n

L Aeq = 10 log ∑10 0,1⋅Li 
 n i =1

Dokument
Rozporządzenie
Ministra Gospodarki i
Pracy z dnia 5
sierpnia 2005 r.
PN-90/S04052
PN
92/K11000
Tabela 1
Wartość
Poziom ekspozycji na hałas odniesiony do 8godzinnego dobowego wymiaru czasu pracy
lub poziom ekspozycji na hałas odniesiony
do tygodnia pracy – wartość progu działania
wynosi 80 dB
Dopuszczalny poziom hałasu dla samochodów ciężarowych – 80 dB
Dopuszczalny poziom hałasu na stanowisku
maszynisty i pomocnika maszynisty pojazdu
trakcyjnego – 78 dB
4. Wyniki badań
Pomiary hałasu wewnątrz pojazdu szynowodrogowego przeprowadzono podczas postoju oraz
podczas jazdy po drodze kołowej i szynowej z różnymi prędkościami. Odpowiednio na rysunkach 7, 8 i
9 przedstawiono zestawienie wartości równoważnych
poziomów dźwięku LAeq wewnątrz pojazdu z wartością dopuszczalną zawartą w normie PN-92/K-11000
[5], zestawienie wartości równoważnych poziomów
dźwięku LAeq wewnątrz pojazdu z wartością dopuszczalną zawartą w normie PN-90/S-04052 [10] oraz
zestawienie wartości poziomów dziennych ekspozycji na hałas LEX,8h z wartością dopuszczalną zawartą
w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki i Pracy z
dnia 5 sierpnia 2005 r. [11].
(1)
gdzie:
n– liczba pomiarów
Li – zmierzony równoważny poziom dźwięku w
[dB] oraz poziom ekspozycji na hałas odniesiony do 8-godzinnego dnia pracy LEX,8h
zgodnie z zależnością wskazaną w normie
PN-ISO 1999:2000 [6]:
L EX ,8 h = L Aeq + 10 lg (Te / T0 )
Wartości dopuszczalne [Opracowanie własne]
Rys. 7. Zestawienie wartości równoważnych poziomów dźwięku
LAeq wewnątrz pojazdu z wartością dopuszczalną
(2)
gdzie:
- LAeq– wartość równoważnego poziomu dźwięku
- Te – efektywny czas dnia pracy
- T0 – czas odniesienia (=8h).
Wyniki porównano z wartościami (tabela 1) zawartymi w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki i
Pracy z dnia 5 sierpnia 2005 r. [11] oraz normach
PN-90/S-04052 [10] i PN 92/K11000 [5]
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Rys. 8. Zestawienie wartości równoważnych poziomów dźwięku
LAeq wewnątrz pojazdu z wartością dopuszczalną zawartą w
normie PN-90/S-04052
37
−
największe wartości równoważnego poziomu
ciśnienia akustycznego wahały się w granicach
77 dB podczas postoju pojazdu z włączonym
silnikiem i wentylatorem oraz podczas jazdy po
drodze szynowej z prędkością 0,8 km/h.
Powodem tego jest praca wentylatora
umieszczonego tuż za kabiną operatora.
Literatura
Rys. 9. Zestawienie wartości poziomów dziennych ekspozycji na
hałas LEX,8h z wartością dopuszczalną zawartą w Rozporządzeniu
Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 5 sierpnia 2005 r.
Przeprowadzone pomiary wykazały, że pojazd nie
przekracza dopuszczalnych wartości zawartych
w obowiązujących przepisach. Jednakże podczas
postoju z silnikiem pracującym na biegu jałowym
oraz wentylatorem a także w czasie jazdy po drodze
szynowej z prędkością 0,8 km/h wartości równoważnego poziomu dźwięku zbliżają się do wartości dopuszczalnej (rys.6).
Wartości poziomów dziennych ekspozycji na hałas LEX,8h (rys. 9) nie przekraczają wartości dopuszczalnej zawartej w Rozporządzeniu Gospodarki i
Pracy z dnia 5 sierpnia 2005 r. Na tej podstawie
można stwierdzić, że badany pojazd drogowoszynowy nie stanowi zagrożenia dla operatora w
zakresie negatywnego oddziaływania hałasu na stanowisku pracy.
5. Podsumowanie
W artykule przedstawiono kompleksową metodykę badań hałasu w pojeździe szynowo-drogowym
oraz zaprezentowano wyniki badań.
Na podstawie przeprowadzonych pomiarów sformułowano następujące wnioski:
− stworzona metodyka, przeprowadzone badania
oraz analiza zarejestrowanych sygnałów pozwoliła przeprowadzić ocenę pojazdu szynowodrogowego zgodnie z obowiązującymi przepisami,
− nie zaobserwowano przekroczenia dopuszczalnych wartości równoważnego poziomu ciśnienia
akustycznego,
− nie zaobserwowano przekroczenia wartości dopuszczalnych poziomów dziennych ekspozycji na
hałas,
38
[1] http://maps.google.pl/, (lipiec 2010 r.).
[2] Medwid M.: Hybrydowe pojazdy kolejowo-drogowe
zaprojektowane i wytwarzane w Polsce. Technika
Transportu Szynowego. 2005, nr 7-8.
[3] Medwid M., Marciniak Z.: Pojazdy szynowo-drogowe.
Poznań 1999.
[4] Medwid M., Przepióra K.: Pojazd szynowo-drogowy
do oczyszczania infrastruktury tramwajowej. Pojazdy
Szynowe 2003, nr 4.
[5] Norma PN-92/K-11000 Tabor kolejowy. Hałas. Ogólne wymagania i badania. Wytyczne do wykonywania
pomiarów na stanowisku pracy.
[6] Norma PN-ISO 1999:2000 Akustyka. Wyznaczanie
ekspozycji zawodowej na hałas i szacowanie uszkodzenia słuchu wywołanego hałasem.
[7] Norma PN-ISO 9612:2004 Akustyka. Wytyczne do
pomiarów i oceny ekspozycji na hałas w środowisku
pracy.
[8] Norma PN-N-01306:1981 Hałas. Metody pomiaru.
Wymagania ogólne.
[9] Norma PN-N-01307:1994 Hałas. Dopuszczalne wartości parametrów hałasu w środowisku pracy. Wymagania dotyczące wykonywania pomiarów.
[10]Norma PN-S-04052:1990 Samochody. Dopuszczalny
poziom hałasu wewnątrz pojazdu. Wymagania i badania.
[11] Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 5
sierpnia 2005 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny
pracy przy pracach związanych z narażeniem na hałas
lub drgania mechaniczne. Dz. U. nr 157, poz. 318.
[12] www.bksv.com
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
dr inż. Vladimir Laptev
Instytut Naukowo-Badawczy
Transportu Kolejowego, Moskwa
dr inż. Marek Babeł
Politechnika Krakowska
Filtracja magnetyczna wody chłodzącej
zapobiegająca tworzeniu się osadów w układach chłodzenia
silników spalinowych lokomotyw
W artykule zaprezentowano metodę filtracji wody w układzie chłodzenia silników
lokomotyw spalinowych poprzez zastosowanie aparatu magnetycznego, hydrocyklonu i zaworu regulacyjnego. Zastosowana metoda zapobiega powstawaniu osadów (kamienia kotłowego) i korozji na powierzchniach płaszczy wodnych tulei
cylindrowych, przewodów wodnych i sekcji chłodzących. Opisano procesy chemiczne i fizyczne zachodzące w trakcie ciągłej filtracji wody chłodzącej. Zaprezentowano sposoby zabudowy zestawów filtrujących w różnych układach chłodzenia
silników lokomotyw spalinowych. Przedstawiono przykłady zabudowanych elementów układu filtracji na lokomotywach spalinowych wraz z wynikami eksploatacyjnymi efektywności filtracji wody chłodzącej.
1. Magnetyczna filtracja wody chłodzącej.
Kombinacja wody z różnymi domieszkami
stosowana jest szeroko jako nośnik ciepła w układach
chłodzenia silników spalinowych lokomotyw. Domieszki rozpuszczane w wodzie stosuje się w celu
zapobiegania powstawaniu osadów i korozji w układzie silnika, przewodach i radiatorach układu chłodzenia. Jednakże dany sposób wymaga poniesienia w
eksploatacji określonych kosztów związanych z
przygotowaniem wody chłodzącej, dodawaniem drogich domieszek oraz ciągłą kontrolą jakości wody w
czasie pracy silnika. W taki sposób przygotowana
woda chłodząca jest nieprzyjazna dla środowiska
przy jej utylizacji.
Specjaliści z dziedziny energetyki cieplnej i budowy lokomotyw opracowali nowy sposób walki z
osadami i korozją poprzez zastosowanie aparatu magnetycznego, hydrocyklonu i zaworu regulacyjnego
w układzie chłodzenia silnika spalinowego (rys. 1.).
Układ filtracji zabudowany jest w gałęzi równoległej
(przewodzie bocznikowym) do sekcji chłodzącej
chłodnicy z możliwością regulacji ilości przepływającej wody chłodzącej przez aparat magnetyczny i
hydrocyklon niezależnie od obrotów silnika spalinowego. Konstrukcja hydrocyklonu pozwala usuwać
cząsteczki szlamu mniejsze niż 0,5 mikrona z wody
chłodzącej, która posiada temperaturę od 70 do 80°C
i określoną objętość, dla której obliczony (dobrany)
jest hydrocyklon i aparat magnetyczny.
Rys.1. Jednoobiegowy układ chłodzenia lokomotywy spalinowej
1 -podgrzewacz paliwa; 2 -sekcje
chłodzące; 3, 4, 5, 9, 13, 16, 18, 19,
22, 25, 28, 29, 30 -zawory; 6, 20, 24 złączki elastyczne; 7 -zbiornik wyrównawczy; 8 zawór do napełniania;
10 -przekaźnik termiczny; 11, 12 termometry; 14 -nagrzewnica; 15 zawór odpowietrzający; 17 -grzejnik;
21 -silnik spalinowy; 23, 26 -pompy
wodne; 27 -rurka spustowa
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
39
Wiadomo, że wpływ pola magnetycznego na wyeliminowanie zjawiska tworzenia się osadów związany jest głównie z termodynamiczną utratą równowagi
krystalicznych ciał stałych. Tworzenie się krystalicznych ciał stałych jest wynikiem zastosowanych domieszek do wody chłodzącej.
Przesycenie wody – soli osadotwórczych, przyspiesza proces tworzenia się i koncentracji krystalicznych ciał stałych. W wyniku działania sił odśrodkowych w hydrocyklonie krystaliczne cząsteczki ciał
stałych odrzucane są na wewnętrzne jego ścianki i w
wyniku zwiększenia ich koncentracji opadają do
odstojnika. Należy zaznaczyć, że proces obróbki
magnetycznej wody chłodzącej powinien odbywać
się w sposób ciągły. W przeciwnym wypadku następuje zahamowanie procesu tworzenia się krystalicznych ciał stałych w wyniku czego, spada jakość separacji w hydrocyklonie. Zwiększenie koncentracji
krystalicznych ciał stałych i powstanie efektu zapobiegającego tworzeniu się osadów jest wynikiem
kontaktu wody z polem magnetycznym w układzie
zamkniętym.
Prędkość strumienia w aparacie magnetycznym
ma duże znaczenie, np., zwiększenie prędkości prowadzi do zwiększenia efektu tworzenia się krystalicznych ciał stałych i do zmniejszenia powierzchni
wzajemnego kontaktu z upływem czasu. Z reguły,
wybór optymalnej prędkości zależy od ilościowego
składu domieszek w wodzie chłodzącej.
2. Efektywność nowej metody.
W wyniku długotrwałej pracy układu chłodzenia
silników spalinowych lokomotyw, w którym wykorzystywana była woda bez domieszek i technologia
filtracji magnetycznej, nie stwierdzono występowania
śladów korozji lub osadów (kamienia kotłowego) na
powierzchniach płaszczy wodnych tulei cylindrowych, przewodów wodnych i sekcji chłodzących.
Powierzchnie tulei cylindrowych i przewodów wodnych były pokryte warstewką magnetytu γ i ά Fe3O4
o grubości mniejszej niż 4 µm, co potwierdza właściwości antykorozyjne. Utworzenie się magnetytu
nastąpiło w wyniku tego, iż pod działaniem siły elektromotorycznej w polu magnetycznym, cyrkulacja
elektronów w układzie chłodzenia przyjęła określone
kierunki, bardziej ujemne i równomierne. W wyniku
polaryzacji powierzchni metalicznej, nastąpiła częściowa przemiana tlenku żelaza lub rdzy w tlenek
żelazawy, w rezultacie czego utworzył się magnetyt γ
i ά Fe3O4.
40
W przypadku kiedy aparat magnetyczny był zabudowany w układzie chłodzenia silnika spalinowego z osadami na jego wewnętrznych elementach,
uległy one rozpuszczeniu. Związane jest to z tym, że
objętość powstałego magnetytu γ i ά Fe3O4, była
mniejsza od objętości istniejącego tlenku żelaza lub
rdzy. Pod wpływem ciepła, parowania wody i rozszerzania się gazów następuje w efekcie pęcznienie i
stopniowe rozpuszczanie się osadów.
W próbkach wody, pobranych po przejściu strumienia przez aparat magnetyczny, stwierdzono występowanie cząsteczek o wymiarach od 0,5 do 5 µm.
W odstojniku hydrocyklonu wymiary ich były mniejsze niż 120 µm. Wymiary zbadanych cząsteczek zestawiono w tablicy 1 poniżej.
Wymiary cząsteczek zanieczyszczeń
Badany odcinek
Tab.1
Wymiary
cząsteczek, µm
Skład
procentowy
próbki
Za aparatem
magnetycznym
0,5
1,0
2,0 – 3,0
4,0 – 5,0
15
15
50
20
Za hydrocyklonem
0,5 – 1,0
2,0 – 3,0
40,0
80
10
10
2,2
4,0
44,0
100,0
120,0
20
20
10
30
20
W odstojniku
hydrocyklonu
W czasie pracy silnika spalinowego lokomotywy
w okresie 24 godzin, cała objętość wody w układzie
chłodzenia przepływa przez aparat magnetyczny i
hydrocyklon około 24 – 35 razy. Jest to w pełni wystarczające, aby usunąć osady i wtrącenia metaliczne
z układu chłodzenia.
3. Zabudowa elementów zestawu filtracji wody w
układzie chłodzenia.
Wymagania dotyczące zabudowy aparatu magnetycznego i hydrocyklonu są następujące:
1. Jeżeli układ chłodzenia jest jednoobiegowy, to
aparat magnetyczny i hydrocyklon należy zabudować zgodnie ze schematem przedstawionym
na rys. 1.
2. Jeżeli układ chłodzenia jest dwuobiegowy (obieg
główny – chłodzenie tulei cylindrowych; obieg
pomocniczy – chłodzenie oleju), to aparat magnetyczny i hydrocyklon należy zabudować w
każdym obiegu – rys. 2, uwzględniając następujące czynniki:
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Rys.2. Dwuobiegowy układ chłodzenia lokomotywy spalinowej
1, 3 -sekcje chłodzące; 2 -zawór; 4 -chłodnica obiegu głównego; 5 -chłodnica chłodzenia oleju; 6 -podgrzewacz paliwa;
7 -zbiornik wyrównawczy; 8 -zawór bezpieczeństwa; 9 -wskaźnik poziomu wody; 10 -pompa ręczna; 11 -złączki; 13, 14 czujniki temperatury; 15 -termometr; 16 -chłodnica powietrza; 17, 19 -zawory powietrzne; 18 -wymienniki ciepła; 20 -pompa
wodna; 22, 46 -zawory obiegu głównego i pomocniczego; 10, 15, 17, 21, 24, 25, 27, 28, 32, 33, 37, 41, 47, 48, 53, 57 zawory
2.1. W przypadku stałego połączenia pomiędzy
dwoma obiegami, kiedy zawór łączący obydwa
obiegi jest otwarty, a twardość wody wynosi
mniej niż 6 mg/l, aparat magnetyczny i hydrocyklon należy zainstalować na jednym z dwóch
obiegów. Jeżeli twardość wody jest większa niż 6
mg/l, aparat magnetyczny i hydrocyklon należy
zainstalować na obydwu obiegach.
2.2. W przypadku braku połączenia pomiędzy obydwoma obiegami, kiedy zawory 22 i 46 są zamknięte (rys. 2), aparat magnetyczny i hydrocyklon należy zainstalować na obydwu obiegach
niezależnie od twardości wody.
a)
b)
Rys. 3. Zabudowa elementów zestawu filtracji wody na
lokomotywach spalinowych
a) lokomotywy serii 2TE116; b) lokomotywy 2TE10
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Rys. 4. Zabudowa elementów
zestawu filtracji wody na lokomotywach spalinowych serii
BR230
4. Wnioski.
1. Wyniki eksploatacji nadzorowanej lokomotyw
spalinowych z zabudowanymi układami magnetycznej filtracji wody chłodzącej, a następnie
wieloletnie doświadczenia z eksploatacji seryjnej
lokomotyw, potwierdziły efektywność zastosowanej metody filtracji. Lokomotywy spalinowe
wyposażane są w trakcie planowych ich napraw
w przedmiotowe zestawy filtracji wody chłodzącej – rys. 3, 4.
41
2. W trakcie planowych przeglądów kontrolnych P1 lokomotyw, przeprowadzanych co
30 dni, odbywa się regularne opróżnianie odstojnika szlamu. Ustalono, na podstawie danych eksploatacyjnych, że w trakcie opróżniania odstojnika na P1 usuwanych jest średnio od 50 do 80g „twardego” szlamu z układu chłodzenia silnika spalinowego lokomotywy.
3. W układzie wodnym lokomotyw serii SM48
zabudowywany jest jeden zestaw filtra
magnetycznego; na lokomotywach serii
ST44, w tym zmodernizowanych z silnikiem
spalinowym CN26/26, montowane są dwa
zestawy, jak przedstawiono na rys. 4.
dr inż. Krzysztof Bizoń
Politechnika Śląska
Zastosowanie metod magnetycznych do oceny stopnia
degradacji zmęczeniowej staliwa LII500 na przykładzie
kół napędnych lokomotywy EU07
W artykule przedstawiono wyniki pomiarów wartości wybranych własności
magnetycznych materiału (staliwo LII500) do oceny stopnia jego degradacji
zmęczeniowej, na przykładzie koła napędnego lokomotywy EU07. Zakres badań
obejmował badania własności magnetycznych materiału obiektu rzeczywistego oraz
badania laboratoryjne własności magnetycznych próbek materiału koła. Badaniom
laboratoryjnym poddano próbki materiału koła pozyskane z obszarów o mniejszym i
większym stopniu degradacji zmęczeniowej. Badania obiektu rzeczywistego polegały
na pomiarze dynamicznej pętli histerezy magnetycznej w wybranych punktach na
wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni tarczy koła. Metodę pomiaru dynamicznej pętli
histerezy magnetycznej oparto na zasadzie pomiaru wartości indukcji magnetycznej w
szczelinie powietrznej obwodu magnetycznego, w którym jarzmo z uzwojeniem
magnesuje badany materiał. Do pomiaru wartości indukcji magnetycznej (wyrażonej
wartością napięcia) wykorzystano hallotron. Wykonano barwne mapy rozkładu
zmierzonych wartości parametrów magnetycznych. Dokonano również pomiarów
sondą działającą na zasadzie sondy Foerstera. Uzyskano barwną mapę rozkładu
parametru opisującego zmianę indukcyjności sondy pomiarowej w zależności od
miejsca pomiaru na wewnętrznej powierzchni tarczy koła.
1. Wstęp
Remont układu napędnego lokomotywy EU07 polega na jego całkowitym demontażu i przeprowadzeniu badań defektoskopowych kół napędnych metodą
wizualną i penetracyjną barwną. Badania te mają na
celu wykrycie pęknięć w kole napędnym (rys.1.).
Pęknięcie eliminuje koło z dalszej eksploatacji. Metoda wizualna i metoda penetracyjna barwna są metodami prostymi, szybkimi i skutecznymi w wykrywaniu już istniejących pęknięć kół kolejowych. Nie
są one jednak w stanie wykryć miejsc w kole napędnym o strukturze na tyle zdegradowanej, że w krótkim okresie czasu od badania wystąpi w nim pęknięcie.
42
Rys.1. Pęknięcie koła napędowego lokomotywy EU07 wykryte
metodą penetracyjną barwną.
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Pęknięcia kół napędnych charakteryzuje wysoka
powtarzalność miejsc ich powstawania (rys.2.). Przyczyny powstawania pęknięć w tego typu kołach nie
są w pełni zidentyfikowane. Symulacje komputerowe
prowadzone z wykorzystaniem metody elementów
skończonych wykazały, że w materiale koła nie następuje przekroczenie dopuszczalnej wartości naprężeń [1]. Można jednak stwierdzić, iż podczas toczenia się po szynach, koła są poddane cyklicznym,
sinusoidalnym niesymetrycznym obciążeniom. Obciążenia o takim charakterze mogą być przyczyną
zmęczeniowego pękania materiału koła [1].
że w materiale koła nie następuje przekroczenie dopuszczalnej wartości naprężeń [1]. Można jednak
stwierdzić, iż podczas toczenia się po szynach, koła
są poddane cyklicznym, sinusoidalnym niesymetrycznym obciążeniom. Obciążenia o takim charakterze mogą być przyczyną zmęczeniowego pękania
materiału koła [1]. Symulacje komputerowe przeprowadzono wykorzystując program Ansys Workbench. Warunki brzegowe (podparcia i obciążenia)
modelu dyskretnego (rys.4.) przyjęto zgodnie z obowiązującymi normami [6, 7] i wcześniejszymi pracami prowadzonymi w Katedrze Transportu Szynowego [6, 7]. Uwzględniono obciążenia od wcisku
koła na oś zestawu kołowego (poprzez zdefiniowanie
wstępnego przemieszczenia węzłów elementów
skończonych na wewnętrznej powierzchni piasty
koła), obciążenia od wzajemnego oddziaływania koła
i szyny w postaci sił skupionych dla różnych przypadków ruchu koła po szynie (jazda po prostym odcinku toru, jazda po łuku toru), obciążenia od układu
napędowego (rys.3.). Wykonano obliczenia wytrzymałościowe dla różnych punktów przyłożenia sił
oddziaływania pomiędzy szyną i kołem zmieniając
punkt przyłożenia sił po obwodzie koła symulując w
ten sposób toczenie się koła po szynie.
Rys.2. Koło napędne lokomotywy EU07 z zaznaczonymi
miejscami pęknięć.
2. Teoretyczne uzasadnienie podjętych badań
Staliwo LII500 jest podstawowym materiałem
stosowanym do produkcji napędnych kół kolejowych
lokomotyw EU07. Stopy żelaza z węglem (w tym
również staliwa) w większości przypadków mogą
być poddawane badaniom diagnostycznym magnetycznym. Wpływ naprężeń mechanicznych, wywołanych czynnikami zewnętrznymi (kształtowanie materiału, obróbka cieplna, obciążenia eksploatacyjne) na
parametry magnetyczne materiału nie jest jednakowy
dla wszystkich gatunków stali i staliw. Każdy gatunek stali bądź staliwa wymaga niezależnych badań
zmienności parametrów magnetycznych od czynników zewnętrznych pod kątem możliwości zastosowania diagnostyki magnetycznej. Wielkościami fizycznymi magnetycznymi, czułymi na strukturę materiału są przede wszystkim: dynamiczna przenikalność magnetyczna oraz tangens kąta stratności.
Wpływ procesów degradacyjnych materiału na zmiany parametrów magnetycznych każdego gatunku stali
bądź staliwa (ferromagnetyka) przebiega w sposób
charakterystyczny i indywidualny, zależny między
innymi od składu chemicznego materiału i od charakteru obciążeń zmęczeniowych [2-5].
3. Obliczenia wytrzymałościowe metodą elementów skończonych
Symulacje komputerowe prowadzone z wykorzystaniem metody elementów skończonych wykazały,
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Rys.3. Schemat obciążenia i model dyskretny koła napędnego
lokomotywy EU07.
43
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Rys.4. Przykładowe barwne mapy naprężeń w kierunku promieniowym w kole napędnym lokomotywy podczas toczenia się
koła po szynie.
Wynikiem przeprowadzonej analizy wytrzymałościowej były między innymi barwne mapy naprężeń.
Analiza map naprężeń pozwoliła wykazać, iż w obszarach koła, w których następuje pęknięcie, podczas
toczenia się koła po szynie pojawiają się naprężenia o
zmiennym znaku (rozciągające i ściskające). Poniżej
przedstawiono wybrane, przykładowe mapy naprężeń
promieniowych w kole dla różnych kątów obrotu
koła względem szyny. Na rysunkach zaznaczono
czerwoną elipsą miejsce powstawania pęknięć w
obiekcie rzeczywistym. Położenie koła przedstawione na rysunku 4a (położenie odniesienia) oznaczono
jako 0o. Rysunki przedstawiają rozkład naprężeń w
44
tarczy koła z pominięciem obręczy. Rysunki 4a, 4b,
4c pozwalają zauważyć, że dla przykładowych kątów
obrotu koła względem szyny (0o, 15o, 30o, …) naprężenia promieniowe w miejscu pękania są rozciągające, natomiast dla wybranych przykładowych kątów
obrotu koła względem szyny (120o, 135o, … 180o,
…) naprężenia promieniowe w miejscu pękania są
ściskające. Cykl taki powtarza się przy każdym obrocie koła względem szyny.
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
4. Badania własności magnetycznych materiału
obiektu rzeczywistego
Badania na obiekcie rzeczywistym przeprowadzono wykorzystując skopometr Fluke serii 190,
miernik wielkości magnetycznych oraz sondy pomiarowe [2]. Badania na obiekcie rzeczywistym przeprowadzono na terenie ZNLE w Gliwicach, wykorzystując zezłomowane (z pęknięciem wykluczającym dalszą eksploatację) koło układu napędnego
lokomotywy EU07. Pomiarów własności magnetycznych materiału koła dokonano wzdłuż czternastu
wybranych promieni koła w ośmiu punktach na każdym z wybranych promieni (ścieżek pomiarowych).
Ścieżki pomiarowe wybrano w taki sposób, aby
przebiegały one przez miejsca w bezpośrednim sąsiedztwie miejsca pęknięcia koła jak i przez miejsca
niewykazujące oznak początków utraty ciągłości
(rys.5.).
wyznaczone przy magnesowaniu materiału w zakresie średnich pól magnesujących.
Wyniki pomiarów wartości napięcia u1 – parametru proporcjonalnego do wartości natężenia koercji
Hc przedstawiono na wykresie kołowym (rys.6.).
Pomijając obręcz koła, na której zaobserwowano
największe wartości parametru natężenia koercji,
najprawdopodobniej spowodowane zmianami w materiale od długotrwałego działania karbu (podtoczenia) znajdującego się tuż obok obręczy, największe
wartości parametru Hc w tarczy koła zaobserwowano
w miejscach odpowiadających miejscom, w których
najczęściej następują pęknięcia (por. rys.2. i rys.6.).
Wyniki pomiarów wartości napięcia u2 – parametru proporcjonalnego do maksymalnej wartości wektora indukcji magnetycznej B przedstawiono na wykresie kołowym (rys.7.). Pomijając obręcz koła, na
której zaobserwowano największe wartości parametru indukcji, najprawdopodobniej spowodowane
zmianami w materiale od długotrwałego działania
karbu (podtoczenia) znajdującego się tuż obok obręczy, największe wartości parametru B w tarczy koła
zaobserwowano w miejscach odpowiadających miejscom, w których najczęściej następują pęknięcia (por.
rys.2. i rys.7.).
Rys.5. Koło napędne lokomotywy EU07 z zaznaczonymi
miejscami pęknięć.
Dokonano pomiarów dynamicznej pętli histerezy
magnetycznej. Na każdą ze zmierzonych pętli histerezy składały się cztery pełne jej przebiegi. Badania
oparte były na zasadzie pomiaru wartości indukcji
magnetycznej w szczelinie powietrznej obwodu magnetycznego, w którym jarzmo z uzwojeniem magnesuje badany materiał [7]. Do pomiaru wartości indukcji magnetycznej (wyrażonej wartością napięcia)
wykorzystano hallotron. Zworą w układzie magnesującym był badany obiekt (ograniczony obszar koła
kolejowego). Zarejestrowane przebiegi napięć u1 i u2
(na wejściu i wyjściu sondy pomiarowej) pozwoliły
na wykreślenie dynamicznej pętli histerezy magnetycznej. Zmierzona wartość napięcia u1 na wejściu
sondy pomiarowej była proporcjonalna do wartości
natężenia pola magnetycznego w obwodzie
(u1[V]=f(H[A/m])). Zmierzona wartość napięcia u2
na wyjściu sondy pomiarowej była proporcjonalna do
wartości indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej układu magnesującego (u2[V]=f(B[T])).
Dynamiczne pętle histerezy magnetycznej zostały
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
Rys.6. Mapa rozkładu parametru natężenia koercji Hc na powierzchni wewnętrznej badanego koła z zaznaczonymi miejscami powstawania pęknięć na obiekcie rzeczywistym.
Rys.7. Mapa rozkładu parametru indukcji magnetycznej B na
powierzchni wewnętrznej badanego koła z zaznaczonymi
miejscami powstawania pęknięć na obiekcie rzeczywistym.
45
Kolejnym badaniem magnetycznym materiału koła było badanie z wykorzystaniem sondy działającej
na zasadzie sondy Foerstera [8]. Pomiary wykazały
wpływ badanego materiału koła (materiał o mniejszym lub większym stopniu degradacji zmęczeniowej) na wartość indukcyjności L2 , a tym samym na
wartość mierzonego napięcia um. Układ pomiarowy
wyskalowano tak, aby wskazywał on jedynie zmianę
napięcia um czyli ∆um. Pomiary ∆um w punktach siatki
pomiarowej na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni koła pozwoliły na wykreślenie barwnej
mapy rozkładu wartości ∆um na powierzchniach
bocznych koła napędnego (rys.8.).
Największe wartości napięcia ∆um, w tarczy koła
zaobserwowano w miejscach odpowiadających miejscom, w których najczęściej następują pęknięcia (por.
rys.2. i rys.8.). Duże wartości ∆um zaobserwowano
również w obręczy koła najprawdopodobniej spowodowane zmianami w materiale od długotrwałego
działania karbu (podtoczenia) znajdującego się tuż
obok obręczy.
Rys.8. Mapa rozkładu wartości ∆um na powierzchni wewnętrznej
badanego koła z zaznaczonymi miejscami powstawania pęknięć
na obiekcie rzeczywistym.
5. Wybrane wyniki badań laboratoryjnych
Pomiary laboratoryjne przeprowadzono wykorzystując próbki materiału wycięte z badanego koła.
Próbki wycięto z miejsc bezpośrednio sąsiadujących
z miejscem pęknięcia (próbki o większym stopniu
degradacji zmęczeniowej – oznaczone jako WSD)
jak i z miejsca oddalonego od pęknięcia w kole
(próbki o mniejszym stopniu degradacji zmęczeniowej – oznaczone jako MSD). Wykorzystany do badań miernik własności fizycznych PPMS (Physical
Property Measurement System) pozwolił między
innymi na wyznaczenie krzywych pierwotnego magnesowania (rys.9.). Zaobserwowano mierzalne różnice w charakterze krzywych pierwotnego magnesowania próbek o mniejszym i większym stopniu degradacji zmęczeniowej materiału, przejawiające się
wyraźną różnicą poziomów nasycenia magnetycznego. Dokonano równiwż pomiarów krzywych pier46
wotnego magnesowania za pomocą stanowiska laboratoryjnego skonstruowanego w Katedrze Transportu
Szynowego.
6. Wnioski z badań
Przeprowadzone badania własności magnetycznych (pętle histerezy magnetycznej, natężenie koercji, krzywa pierwotnego magnesowania) materiału
koła napędnego lokomotywy EU07 wskazują na istnienie mierzalnych różnic ich wartości w zależności
od stopnia zmęczeniowej degradacji materiału koła.
Miejsca największej degradacji zmęczeniowej cechuje największa wartość natężenia koercji (rys.6), największa wartość indukcji magnetycznej (rys.7) oraz
największa wartość zmian indukcyjności (rys.8).
Badania laboratoryjne krzywych pierwotnego magnesowania materiału próbek wykazały, iż materiał z
obszarów o mniejszym stopniu degradacji zmęczeniowej cechuje wyższy poziom magnetyzacji nasycenia w odniesieniu do próbek materiału o wyższym
poziomie degradacji zmęczeniowej (rys.9).
Rys.9. Krzywe pierwotnego magnesowania próbek o większym
stopniu degradacji zmęczeniowej (WSD) i o mniejszym stopniu
degradacji zmęczeniowej (MSD).
Wyniki badań eksperymentalnych oraz analiza literaturowa wskazują na możliwość zastosowania
zaproponowanej metody pomiaru stopnia degradacji
zmęczeniowej materiału w diagnostyce kolejowych
zestawów kołowych.
Literatura
[1] Bizoń K.: Symulacyjna ocean obciążeń zmęczeniowych
w tarczy koła napędnego zestawu kołowego, I Kongres
Mechaniki Polskiej, 28-31 sierpnia 2007, Warszawa,
wydawnictwo na CD.
[2] Żurek Z. H.: Opracowanie metody magnetycznej do
wczesnej detekcji procesów zmęczeniowych w stalach
niskostopowych i niskowęglowych. Rządowy Projekt
Badawczy Własny N N507 0807 33 (zakończony
15.11.2009, (K. Bizoń – główny wykonawca).
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
[3] Bizoń k., Żurek Z. H.: Badania wytrzymałości zmęczeniowej stali stosowanej na zestawy kołowe w oparciu
o jej parametry magnetyczne, XIX Konferencja Naukowa Pojazdy Szynowe, Targanice k. Andrychowa,
15-17 września 2010, Materiały konferencyjne, tom I,
strony 29-36.
[4] Żurek Z.H., Janeczek T., Maciejewski J.: Parametry
magnetyczne stali jako kryterium diagnostyki zmęczeniowej. PAK, Pomiary Kontrola Automatyka, 9/2008,
strony 670-673.
[5] Żurek Z.H., Cząstkiewicz Z.: Pomiary magnetyczne
stali paramagnetycznych. PAK, Pomiary Kontrola Automatyka, IV/2009, 229-232.
[6] Fleischer B.: Notfallmanagement und verhalten im notfall, DZB 4, Mannheim Deine Bahn 9/2000, s.560-564
[7] Sitarz M., Sładkowski A., Chruzik K.: Metody numeryczne w projektowaniu kół kolejowych zestawów kołowych. Monografia. Katowice 2003.
[8] Bizoń K.: Wykrywanie stref wpływu procesów zmęczeniowych w tarczy koła napędnego lokomotywy EU07
metodami magneto-indukcyjnymi. 40 Krajowa Konferencja Badań Nieniszczących, referat nr R08, wydawnictwo na CD.
mgr inż. Adam Durzyński
dr inż. Zbigniew Durzyński, prof. nadzw.
dr Dariusz Kurpisz
mgr inż. Adam Sienicki
Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”
Diagnostyka eksploatacyjna pojazdów szynowych
W artykule scharakteryzowano wybrane procedury diagnostyczne oraz dostępne
na rynku oprzyrządowanie umożliwiające ich realizację. Szczególną uwagę
zwrócono na diagnozowanie podzespołów układu biegowego zarówno w spoczynku jak i w trakcie jazdy. Na podstawie wyszczególnionych badań przedstawiono koncepcję zagospodarowania stanowiska diagnostycznego.
1. Wprowadzenie
Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie
rodzaju i zakresu obowiązujących procedur
diagnostycznych oraz określenie na ich podstawie
koncepcji wyposażenia i zabudowy stanowiska
diagnostycznego przeznaczonego do weryfikacji
bieżących własności użytkowych pojazdu szynowego. Zaproponowano także sposób przetwarzania
wyników przeprowadzonych badań w celu prognozowania czasu zużycia poszczególnych elementów i
podzespołów.
Efektywne zarządzanie procesem eksploatacji pojazdu szynowego jest w ścisły sposób powiązane z jego
diagnostyką. Prawidłowo zaplanowane i przeprowadzone czynności diagnostyczne mogą nie tylko
udzielić odpowiedzi na pytanie o bieżący stan zużycia wybranych podzespołów, zakres niezbędnych
napraw, ale również posłużyć do oceny tempa zachodzących procesów zużycia, a w konsekwencji
prognozowania żywotności poszczególnych elementów. Swoistym punktem odniesienia jest tutaj stan
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
techniczny pojazdu w chwili rozpoczęcia jego eksploatacji. Informacji o nim dostarcza zespół szczegółowych badań przeprowadzonych stosownie do wymogów sprecyzowanych w [6, 7, 8, 9, 10]. W większości przypadków mają one charakter jednorazowy
jak np.: pomiar drgań i sił dynamicznych, pomiar
hałasu, oświetlenia, parametrów pracy zawieszenia,
co w szerszym kontekście uniemożliwia ocenę zmiany tych wielkości na tle zachodzącego procesu eksploatacji. W tej sytuacji interesującą koncepcją jest
okresowe powtórzenie niektórych badań o charakterze "jednorazowym" i odniesienie uzyskanych wyników do ich wartości początkowej. Efektem tego jest
konieczność poszerzenia spektrum wykonywanych
czynności diagnostycznych, a w konsekwencji uzupełnienia wyposażenia stanowiska diagnostycznego
o dodatkowe oprzyrządowanie umożliwiające ich
realizację. Niewątpliwą korzyścią płynącą z takiego
sposobu podejścia jest natomiast możliwość prognozowania zużycia tych podzespołów.
47
2. Zakres i charakter badań stanowiskowych wykonywanych przed dopuszczeniem do eksploatacji.
Badania te wykonywane są dwuetapowo i mają na
celu
orzeczenie
o
zgodności
właściwości
eksploatacyjnych pojazdu szynowego z wymogami
sprecyzowanymi w [6, 7, 8, 9, 10]. Jako pierwsze
wykonuje się badania statyczne stanowiskowe,
których głównym celem jest udzielenie odpowiedzi
na pytanie o to czy pojazd jest wystarczająco
bezpieczny, aby przeprowadzić badania ruchowe.
Badania
te
posiadają
zarówno
charakter
podstawowy, bezpieczeństwa jak i typu (tj. związany
z specyficznymi rozwiązaniami technicznymi
zastosowanymi przez producenta tylko w
określonym typie pojazdu), a zaliczmy do nich:
- sprawdzenie charakterystyk układów biegowych
pojazdu odpowiedzialnych za bezpieczeństwo
jazdy (sztywność podłużnego i poprzecznego
prowadzenia zestawów kołowych, moment oporowy wózka, sztywności skrętne reagujące na
wichrowanie toru, sztywność poprzeczna zawieszenia nadwozia na wózkach oraz zdolność tłumienia drgań przez tłumiki)
- określenie pionowych nacisków kół na tor dla
oceny rozkładu masy pojazdu i prawidłowości
regulacji pierwszego i drugiego stopnia zawieszenia wózków (wybrane stany załadowania pojazdu)
- weryfikacje wymiarów pojazdu (współczynniki
przechylania odpowiedzialne za skrajnię oraz
wysokość urządzeń sprzęgających z innymi pojazdami),
- badanie stanu elementów hamulca ciernego podstawowego i postojowego (grubość klocków lub
okładzin hamulcowych, grubość, czystość oraz
chropowatość tarcz hamulcowych, sprawność
przekładni i siłowników hamulcowych, szczelność instalacji powietrznej i sprawności technicznej układu sterującego pracą hamulca)
- określenie stanu powierzchni tocznej i obrzeży
kół (grubość, wysokość i kąt pochylenia obrzeży
oraz profil i chropowatość powierzchni tocznej),
stanu powierzchni zewnętrznej osi zestawów kołowych a także stanu osadzenia kół (obręczy) na
tych osiach
- sprawdzenie grubości blach (w tym perforacji
wywołanych korozją) i stanu elementów złącznych konstrukcji nośnych pojazdu (ram wózków,
belek nośnych i nadwozia, stan spoin, nitów i
śrub odpowiedzialnych za wytrzymałość pojazdu
i bezpieczeństwo jazdy)
- sprawdzenie ciągłości i izolacji instalacji elektrycznej pojazdu (rezystancji, impedancji, upływność i przerwanie obwodów) i funkcjonowania
elementów przeciwporażeniowych
48
- określenie stanu sprawności akumulatorów (poziom naładowania, oporność wewnętrzną,
elektrolit oraz układu kontroli jego ładowania)
- sprawdzenie poziomu emisji hałasu wytwarzanego przez urządzenia pojazdu w wybranych konfiguracjach ich działania (silnik spalinowy z
osprzętem, elektro-energetyka układu napędowego i zasilania pokładowego, klimatyzacji i wentylacji)
- sprawdzenie parametrów agregatu prądotwórczego określających jego sprawność (moc silnika,
jednostkowe zużycie paliwa, czystość filtrów powietrza, paliwa i oleju, czystość spalin, charakterystyka napięciowo-prądowa prądnicy dla wybranych obrotów i stanów obciążenia) oraz układu
sterowania i kontroli jego pracy
- sprawdzenie parametrów działania trakcyjnych
układów zasilania i napędów trakcyjnych
(charakterystyki elektryczne – napięcia, prądy i
obroty,
stan
elementów
mechanicznych
przeniesienia napędu – geometria zębów, luzy
łożysk, szczelność olejowa)
- sprawdzenie odporności na przegrzanie urządzeń
elektrycznych (prądnicy, prostowników, silników
trakcyjnych, oporników rozruchu i hamowania
oraz układów sterujących) oraz pary ciernej hamulca (klocków, kół jezdnych, okładzin i tarcz
hamulcowych)
- sprawdzenie szczelności nadwozia na wodę i
powietrze (przeciekanie poszycia pojazdu oraz
wentylacja pasożytnicza)
- sprawdzenie poprawności działania wentylacji i
klimatyzacji pojazdu (ilość świeżego powietrza,
skuteczność ogrzewania i ochładzania – temperatury i moce cieplne)
- sprawdzenie poprawności działania systemów
kontrolnych i pomocniczych wchodzących w
skład wyposażenia dodatkowego (takich jak m.
in. systemy sterowania drzwiami, komunikacji,
łączności, informacji dla pasażerów, autodiagnozy itd.) z punktu widzenia bezpieczeństwa obsługi.
Kolejnym etapem jest przeprowadzenie w warunkach zbliżonych do eksploatacyjnych następujących
badań i prób ruchowych:
- badanie charakterystyki dynamicznej pojazdu –
bezpieczeństwo przed wykolejeniem, stateczność
jazdy oraz oddziaływanie na tor (ocena Y/Q na
torach wichrowatych w warunkach quasistatycznych, występowanie poprzecznych drgań
wózków i nadwozia przy szybkiej jeździe oraz sił
pionowego Q i poprzecznego Y oddziaływania
kół na szyny)
- ocena komfortu na drgania pojazdu (przyspieszenia na podłodze i siedzeniach),
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
- ocena poziomu emisji hałasu na zewnątrz i do
środka pojazdu przez układ jezdny, wibracje
strukturalne ram wózków i nadwozia oraz urządzenia pokładowe (mikrofony kierunkowe na zewnątrz i pokładzie pojazdu oraz akcelerometry na
membranach elementów podwozia i nadwozia
pojazdu)
- ocena wentylacji i klimatyzacji pojazdu (pomiar
mocy grzewczych i chłodzących, temperatur wewnątrz i na zewnątrz pojazdu w funkcji czasu)
oraz składu powietrza podczas eksploatacji pojazdu (pomiar udziału dwutlenku węgla w powietrzu w wybranych miejscach wewnątrz pojazdu)
- ocena zdolności trakcyjnych i hamujących układu
napędowego – planowana realizacja sił pociągowych lub hamujących w wybranych stanach wysterowania układu (siły wzdłużne na zestawach
kołowych, prędkość jazdy, prądy i napięcia w
układzie zasilania, obroty agregatu prądotwórczego, temperatury silników elektrycznych i
oporników rozruchowych lub hamowania)
- ocena oporów ruchu pojazdu (realizacja ustalonych sił trakcyjnych lub jazda z wybiegu)
- ocena sprawności układu regulacji prędkości
(czas reakcji i płynność wykonywania poleceń
maszynisty przez układ, automatyczne wykonanie
poleceń zdalnych na sytuacje awaryjne)
- ocena rzeczywistych dróg hamowania dla wybranych wariantów wysterowania hamulca (tylko
hamulec cierny, tylko hamulec elektrodynamiczny, tylko hamulec szynowy oraz ich kombinacje)
z pomiarem prędkości jazdy, ciśnień w układzie
zasilającym, wielkości elektrycznych w układzie
napędowym i zasilania hamulca szynowego
- ocena skuteczności układów kontroli poślizgów
podczas napędzania i hamowania pojazdu (pomiar prędkości i przyspieszeń kół jezdnych oraz
sił trakcyjnych lub hamujących w funkcji czasu)
- sprawdzenie grzania się łożysk maźniczych,
prądnic i silników trakcyjnych (pomiar temperatury).
Każde z wymienionych badań wymaga przeprowadzenia serii szczegółowych prób służących ocenie
wyznaczanych w nim parametrów, a to łączy się z
koniecznością zastosowania metod pomiarowych
oraz urządzeń zależnych od charakteru mierzonych
wielkości i typu badanego pojazdu. Stąd dobór
optymalnej metody diagnostyki i stosowanego w niej
oprzyrządowania jest kluczowy ze względu na ocenę
prawidłowości funkcjonowania diagnozowanego
podzespołu. Istotnym ułatwieniem w ocenie bieżącej
prawidłowości funkcjonowania poszczególnych
podzespołów, na co zwrócono uwagę m. in w [2] jest
system autodiagnostyki. W przypadku lokomotyw
elektrycznych typowy system sterowania i
diagnostyki tworzą na stępujące układy:
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
- panel operatorski w kabinie 1
- panel operatorski w kabinie 2
- sterownik pulpitowy 1
- sterownik pulpitowy 2
- sterownik przetwornicy
- sterowniki napędu i hamowania ED
- sterownik tablicy pneumatycznej
- sterownik układu przeciwpoślizgowego
- sterownik układu uzdatniania powietrza
- sterownik pośredniczący
- sterownik prędkościomierza (rejestratora)
- sterownik diagnostyczny oraz modem GSM
- sterownik jazdy uproszczonej.
Komunikacja pomiędzy poszczególnymi elementami
systemu w nowoczesnych pojazdach kolejowych
odbywa się za pośrednictwem magistrali CAN.
Opracowany w Instytucie Pojazdów Szynowych
„Tabor” system sterowania tablicy pneumatycznej,
będący jednym z wyżej wymienionych, zbudowano
z sieci 9 sterowników połączonych magistralą
RS232. Dla takiego układu opracowano model
diagnostyczny
układu
hamulca
lokomotyw
elektrycznych. W wspomnianym modelu zastosowano symulator sygnałów wejściowych realizowany
przez dedykowaną aplikację oraz sterownik
centralny z modułem prądowym umożliwiającym
generowanie dwóch sygnałów prądowych odpowiadających dwóm wybranym ciśnieniom.
Dodatkowo w modelu zastosowano sterownik
mikroprocesorowy z modułem prądowym umożliwiającym generowanie dwóch sygnałów prądowych 0÷20 mA. Sterownik ten razem z modułem
realizuje uproszczony model symulatora ciśnień
MCA i MCB.
Aplikacja umożliwia zadawanie sygnałów wejściowych i zapisywanie wszystkich sygnałów wejściowych i wyjściowych do pliku tekstowego na
dysku komputera.
Symulator umożliwia zadawanie 60 sygnałów
binarnych i 10 sygnałów analogowych po magistrali
RS232. Umożliwia podgląd sygnałów wejściowych i
wyjściowych on-line oraz realizuje zapis wszystkich
danych do pliku tekstowego na dysku komputera.
Opracowanym modelem można testować wszystkie
funkcje układu hamulca. Jedną z funkcji diagnostycznych jest próba hamulca dodatkowego. Wynik
próby podlega automatycznej rejestracji.
3. Zakres badań w trakcie eksploatacji
Dostęp w sposób ciągły do wszystkich informacji o
parametrach pracy maszyn pokładowych (zasilania w
energię, napędu, hamulca, drzwi, oświetlenia oraz
obserwacji i komunikacji) i bezpieczeństwie ruchu
jest ideałem, do którego należy dążyć. Jest to
oczywiste, mimo że jeszcze na zbyt niskim
poziomie. Natomiast tworzenie dodatkowej bazy
danych o stanie pojazdu i jego urządzeń podczas
49
eksploatacji nie jest oczywiste a może mieć charakter
ciągły lub okresowy w zależności od charakteru
zużycia eksploatacyjnego lub ważności procesu.
Od samego początku eksploatacji są okresowo przeprowadzane czynności diagnostyczne dotyczące
oceny stanu elementów szybko zużywających się,
takich jak wstawek klocków i tarcz hamulcowych
oraz kół. Na niektórych pojazdach trzeba diagnozować również wykładziny gniazd czopów skrętu i
ślizgów bocznych. Znacznie rzadziej ocenie podlega
również stan wytrzymałości i kształtu pudła, jakości
powłok malarskich oraz sprawność mechanizmów.
W trakcie trwania eksploatacji celowe jest okresowe
uzupełnienie wiedzy o dane wynikające z szeregu
dodatkowych pomiarów, takich jak:
- pomiar drgań na pojeździe (maźnice, ramy
wózków i nadwozie) oraz na urządzeniach
wirujących (sprężarki, przetwornice, silniki itp.)
za pomocą akcelerometrów,
- pomiar sił oddziaływania pojazdu na tor (np.
poprzez naprężenia na osiach lub kołach zestawów kołowych) oraz sił reakcji łożysk w
wirujących maszynach pokładowych,
- stanowiskowy pomiar nacisków pionowych kół
jezdnych,
- lokalny pomiar hałasu wewnątrz pojazdu, pochodzący od podwozia i głównych urządzeń
pokładowych,
- pomiar lokalnych temperatur powietrza na
zewnątrz i wewnątrz pojazdu oraz ilość dwutlenku węgla,
- kontrola ślizgów pantografu,
- pomiar izolacyjności elektrycznej, temperatur i
przewodności cieplnej urządzeń pokładowych,
- pomiar wielkości elektrycznych takich jak
rezystancja, impedancja i charakterystyki półprzewodników,
- kontrola sprawności zaworów, przełączników i
zamków,
- sprawdzanie stanu zanieczyszczenia filtrów i
przewodów wentylacyjnych lub hydraulicznych
maszyn.
4. Opis dostępnej na rynku aparatury i koncepcja
zagospodarowania stanowiska diagnostycznego
Jak przedstawiono wcześniej prawidłowa realizacja
czynności diagnostycznych łączy się z zastosowaniem odpowiedniej aparatury, a ich charakter
uwarunkowany jest specyfiką diagnozowanego
układu. Chociaż znacząca większość badań wymienionych w dokumentach normatywnych wywiera
wpływ na bezpieczeństwo jazdy, to jednak jednymi z
najważniejszych pod tym względem są badania
układu biegowego i przeniesienia napędu.
50
Przykładowo, przedmiotem oceny diagnostycznej
mogą być elementy wózków jezdnych:
- ramy wózków
- przekładnie trakcyjne
- łożyska maźnic
- zestawy kołowe,
- sprężyny nośne, drążki skrętne i przeguby.
Ocena wytrzymałości konstrukcji ram odbywa się
już na etapie ich projektowania (obliczenia
numeryczne), a następnie na podstawie wyników
badań stanowiskowych odprężonego prototypu (w
celu niwelacji naprężeń spawalniczych powstałych w
konstrukcji ramy stosuje się metodę odprężania
wibracyjnego. Polega ona na obciążeniu konstrukcji
drganiami wibracyjnymi zbliżonymi do jej
częstotliwości jej drgań własnych a w efekcie
wprowadzeniu zjawiska kontrolowanego rezonansu.
Superpozycja naprężeń generowanych przez drgania
i naprężeń resztkowych powoduje lokalne
przekroczenie granicy plastyczności a w efekcie
„rozładowanie” szczątkowego stanu naprężenia.
Zadanie takie można zrealizować przy użyciu
urządzenia VCM25). Zjawisko korozji materiału nie
wywiera istotnego wpływu na ich żywotność. Biorąc
pod uwagę powyższe wystąpienie jej uszkodzeń w
trakcie prawidłowej eksploatacji jest bardzo mało
prawdopodobne a wobec tego realna możliwość
wystąpienia awarii dotyczy głównie podzespołów
wózka.
Jak dowodzi praktyka, najniebezpieczniejsze są
awarie występujące w trakcie jazdy. Należy tu w
szczególności wyróżnić sytuacje takie jak zagrzanie
i zablokowanie hamulca, zagrzanie łożysk osi,
deformacja bieżni kół, awaria przekładni trakcyjnej.
Każda z nich może stać się bezpośrednią przyczyną
katastrofy bądź doprowadzić do uszkodzenia
torowiska. Interesującym sposobem rozwiązania jest
tutaj System wykrywania stanów awaryjnych taboru
kolejowego podczas jazdy ASDEK [1]. Stanowi on
swego rodzaju urządzenie kontroli doraźnej stanu
technicznego pojazdu w trakcie pracy. Zespół
czujników
wbudowanych
w
torach
i
współpracujących z systemem przetwarzania
sygnałów dostarcza bieżącej informacji o stanie
hamulców, łożysk osi, bieżni kół oraz naciskach na
tor. W przypadku wykrycia nieprawidłowości
informacja jest natychmiast przekazywana do
najbliższego punktu kontroli ruchu taboru
kolejowego, co pozwala na wyłączenie z ruchu
zdefektowanej jednostki.
Badania stanowiskowe mają charakter prewencyjny,
gdyż ich głównym celem jest ocena stanu
technicznego podzespołów, a w efekcie wskazanie
części, których uszkodzenia bądź stopień zużycia
wskazują na to, że mogą one stać się przyczyną
wystąpienia awarii. Przedmiotem takich badań są:
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
- naciski kół jezdnych w obrębie jednego wózka.
Bardzo często różnią się one od wartości
wynikających z teoretycznego rozkładu masy
pojazdu na osie, co jest efektem tolerancji
wykonania ramy wózka, tolerancji sprężyn
resorowych oraz ich charakterystyk. Nierównomierny rozkład nacisków może powodować
nierównomierne zużycie kół, zakłócenia spokojności biegu wózka oraz przyśpieszone zużycie
torowiska. Oceny rozkładu nacisków pionowych
można dokonać przy zastosowaniu stanowiska
pomiarowego STOLEM [12]. Zbudowane jest ono
z prasy hydraulicznej umożliwiającej symulacje
nacisku do 200 kN na jedno koło, oraz układu
pomiaru nacisków pionowych kół (szyny ważące). Zaletą rozwiązania jest jego prostota, wadę
stanowi możliwość diagnozowania tylko niezamontowanych wózków
- zawory rozrządcze i zespoły hamulcowe - tutaj
rodzaj zalecanego urządzenia diagnostycznego
związany jest bezpośrednio z charakterem
badanego pojazdu. Oczekiwaniami stawianymi
urządzeniu diagnostycznemu są tutaj: powtarzalność zadawanych przebiegów pneumatycznych,
wysoka dokładność, wiarygodność oraz automatyzacja akwizycji uzyskanych wyników. W
zakresie badań układów hamulcowych istotna jest
także ocena stopnia zużycia powierzchni ciernej
klocków.
Badania eksperymentalne i wstępne rozważania
numeryczne [3] potwierdzają zmianę emitowanej
w trakcie hamowania fali akustycznej w zależności od bieżącej grubości okładziny ciernej.
Interesującym sposobem pomiaru generowanej
fali akustycznej jest zastosowanie mikrofonów
kierunkowych sprzężonych z systemem akwizycji
i przetwarzania sygnału.
- zestawy kołowe - szczególną uwagę należy
zwrócić na stopień zużycia powierzchni tocznej
koła oraz możliwość wystąpienia mikropęknięć
zarówno w jego obrębie jak i osi zestawu
kołowego. Oś zestawu kołowego poddana jest
złożonemu stanowi obciążenia pochodzącemu od
działania związanych z masą pojazdu obciążeń
zginających i występujących w chwili rozruchu
oraz hamowania obciążeń skręcających, na co
zwrócono uwagę w [11]. Głównym zagrożeniem
są tutaj pęknięcia zmęczeniowe. Ich wykrycia i
lokalizacji można dokonać posługując się
metodami rentgenowskimi, magnetoskopowymi
bądź defektoskopii ultradźwiękowej. Istotna może
także okazać się ocena wizualna stanu
powierzchni osi obejmująca źródła i stopień
korozji oraz ubytki materiału spowodowane
uszkodzeniami mechanicznymi. Miejsca takie
wprowadzają efekt karbu, a w efekcie mogą stać
się zalążkiem mikropęknięć zmęczeniowych.
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013
- wpływ wichrowatości toru na prace zawieszenia.
Tutaj efektywnym rozwiązaniem jest urządzenie
TENSAN [13]. Umożliwia ono ocenę prawidłowości pracy zawieszenia poprzez zastosowanie
procesu wymuszonego wichrowania toru pod
wózkiem. Sterowany komputerowo układ siłowników wymusza ruchy pionowe poszczególnych
kół oraz dokonuje bieżącej rejestracji wymaganej
przez normę siły nacisku koła i ugięcie sprężyn.
Końcowym efektem jest wykreślenie pętli
histerezy, co umożliwia wykrycie innych usterek
w zawieszeniu. Urządzenie dostępne jest w kilku
wersjach, w tym dedykowane do badań lokomotyw.
- urządzenia i aparaty pomocnicze – interesującą
metodą jest analiza widma fali akustycznej emitowanej przez pracujące urządzenia. Znajomość
parametrów fali akustycznej (takich jak amplituda
i częstotliwość) odpowiadającej prawidłowej
pracy urządzenia wsparta o umiejętność wyselekcjonowania emitowanych przez nie częstotliwości z ogółu mierzonych, pozwala z dużą
dokładnością wskazać miejsce uszkodzenia.
Realizacja tej metody wymaga jednak stworzenia
systemu akwizycji i przetwarzania sygnału.
Odbiór sygnału najlepiej realizować posługując
się mikrofonami kierunkowymi a do jego
przetwarzania wykorzystać transformatę falkową.
Uzyskane w końcowym efekcie widmo fali
akustycznej badanego urządzenia porównywane
jest z wzorcem.
- instalacje i urządzenia elektryczne – tutaj jak
podkreślono w [4] należy zwrócić uwagę na stan
parametrów krytycznych, do których zaliczamy:
- okres użytkowania ogniw galwanicznych,
- liczbę cykli ładowania rozładowania akumulatorów,
- przyrost temperatury podczas pracy,
-napięcie i prąd ładowania, rozładowania akumulatorów.
Prognozowanie stanu zużycia źródeł pierwotnych
jak i wtórnych może być realizowane poprzez
wczytanie do pamięci trwalej pojazdu granicznej
daty użytkowania (źródła pierwotne) lub
maksymalnej liczby cykli ładowań i rozładowań
(źródła wtórne). W obu przypadkach system
powinien
ze
stosownym
wyprzedzeniem
informować użytkownika o konieczności
wymiany źródła na nowe. W przypadku braku
wspomnianej możliwości należy kontrolować
końcową datę eksploatacji, bądź bieżącą liczbę
cykli.
- charakterystyka i właściwości trakcyjne - tutaj
ocenie diagnostycznej (w warunkach polowych –
na trasie) podlegają możliwości rozruchowe na tle
zachowania warunków przyczepności. Zadanie to
realizowane jest przez rejestrację cyfrową a
51
następnie przetwarzanie parametrów elektrycznomechanicznych takich jak:
- prędkość liniowa pojazdu
- droga zespołu trakcyjnego
- napięcie zasilania zespołu trakcyjnego
- natężenie prądu pobieranego przez zespół
trakcyjny
- natężenie prądu pobieranego przez falowniki w
wagonie.
Rejestracji parametrów cyfrowych i ich analizy można dokonać tak, jak opisano w [5], tj. odpowiednio
przy zastosowaniu rejestratora cyfrowego firmy
GOULD typu TA11 oraz programu Dasa View II.
Istotną rzeczą jest tutaj stwierdzenie czy w trakcie
rozruchu realizowanego w zmieniających się warunkach (szyny suche, szyny mokre, stan próżny, stan
pełnego załadowania) zachowane są wymagane
wartości przyspieszeń oraz czy nie występuje zjawisko poślizgu koła na szynie.
5. Podsumowanie
Przeprowadzone i aktualnie realizowane badania
oraz analizy możliwości oceny bieżącego stanu pojazdu kolejowego oraz prognozowania jego krótkoterminowego stanu wskazują na celowość systematycznego opracowywania i wdrażania specjalizowanych stanowisk diagnostycznych wspartych odpowiednio wydajnym zapleczem komputerowym.
Takie stanowiska pozwolą w krótkim czasie, co ma
znaczenia dla wskaźnika gotowości technicznej, a
ten przekłada się na wynik ekonomiczny, wskazać te
podzespoły wagonu, które będą wymagały naprawy
lub wymiany. Racjonalne wykonywanie prac przeglądowo-naprawczych w oparciu o wiedzę o aktualnym i prognozowanym stanie podzespołów pozwoli
w porównaniu do rutynowego działania opartego na
danych statystycznych: przebieg i czas eksploatacji
pozwoli docelowo znacznie ograniczyć koszty eksploatacji.
Ze względu na znaczącą dominację w taborze kolejowym wagonów towarowych ze względu na ich
liczbę celowe byłoby skoncentrowanie się na nich w
pierwszym okresie rozwijania eksploatacyjnych systemów diagnostycznych.
52
6. Literatura
[1] ASDEK - specyfikacja techniczna urządzenia. Firma
TENS
[2] Durzyński Z.: Katalog uszkodzeń i usterek
systemów na tle architektury pojazdu. Pojazdy
Szynowe 3/2012
[3] Kurpisz D., Durzyński A., Sienicki A.:
Prognozowanie stanu zużycia klocka hamulcowego
na podstawie parametrów sygnału akustycznego.
Pojazdy szynowe 2/2013
[4] Łastowski M.: Ocena i prognozowanie stanu
pokładowych
chemicznych
źródeł
energii
elektrycznej. Pojazdy Szynowe 3/2012
[5] Oporowski M.: Badania właściwości trakcyjnych
elektrycznego zespołu trakcyjnego typu 33WE. RP0805. IPS Tabor 2012
[6] PN-EN ISO 3095:2005. Kolejnictwo. Akustyka.
Pomiar hałasu emitowanego przez pojazdy
szynowe
[7] PN-EN ISO 3381:2011. Kolejnictwo. Akustyka.
Pomiar hałasu wewnątrz pojazdów szynowych
[8] PN-EN 12663:2010E. Kolejnictwo. Wymagania
konstrukcyjno-wytrzymałościowe dotyczące pudeł
kolejo-wych pojazdów szynowych. Cz. 1. –
Lokomotywy i tabor pasażerski (i metoda
alternatywna dla wagonów towarowych. Cz. 2. Wagony towarowe.
[9] PN-EN 13749:2011E. Kolejnictwo. Zestawy kołowe
i wózki. Metody określania wymagań konstrukcyjnych dla ram wózków.
[10] PN-EN 14363:2007P. Kolejnictwo. Badania
właściwości dynamicznych pojazdów szynowych
przed do-puszczeniem do ruchu. Badania
właściwości biegowych i próby stacjonarne.
[11] Sobaś M.: Diagnostyka osi zestawów kołowych
układów biegowych pojazdów trakcyjnych i tocznych. Pojazdy Szynowe 4/2010
[12] STOLEM - specyfikacja techniczna urządzenia.
Firma TENS
[13] TENSAN. Systemy do kontroli oceny stanu technicznego i regulacji zawieszenia taboru kolejowego
– specyfikacja techniczna urządzenia. Firma TENS.
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2013

Podobne dokumenty