Pobierz ten numer w pdf

POJAZDY SZYNOWE NR 2/2012

prof. dr hab. inż. Omelian Płachtyna dr inż.Roman Żarnowski mgr inż. Zbigniew Kłosowski Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy

Układy napędowe z silnikiem indukcyjnym oraz falownikiem, sterowanym bez PWM, zasilane z sieci trakcyjnej

W artykule przedstawiono przegląd układów napędowych możliwych do zastoso-wania w trakcji elektrycznej. Porównano cechy silnika trakcyjnego wielo-uzwojeniowego z silnikami zasilanymi konwencjonalnie, omówiono moment elektromagnetyczny w stanie ustalonym kilku układów napędowych.

1. Wprowadzenie Impulsem do elektryfikacji trakcji długo-

dystansowej o wysokim napięciu znamionowym, stały się napędy o dopuszczalnie małych w takich okolicz-nościach stratach w liniach. Maszyna asynchroniczna, a w szczególności niezawodny silnik indukcyjny był kiedyś, i jest dziś „koniem pociągowym” trakcji. Jednakże, początkowo niewyszukane systemy trójfa-zowe oferowały skromną liczbę oszczędnych ekono-micznie prędkości i wkrótce zostały zdeklasowane przez napędy oparte na silniku komutatorowym. Ostatecznie, za wyjątkiem kilku przypadków, trakcja oparta na silnikach trójfazowych przy zasilaniu z sieci AC lub DC powróciła w latach siedemdziesiątych otrzymując niejako „drugie życie”. Sukces ekono-miczny transportu opartego o nową technologię napędów trójfazowych rósł, przekroczył granice państw i aż 17 różnych bezpiecznych systemów kolejowych jest używanych obecnie w całej Europie [6]. Toteż temu zagadnieniu poświęca się ciągle wiele uwagi.

W chwili obecnej opracowano wiele elektrycznych układów napędowych z silnikami indukcyjnymi. Można tu wyróżnić dwa kierunki: - układy z falownikami sterowanymi z użyciem PWM lub sterowaniem wektorowym, - układy z zastosowaniem falowników wielopozio-mowych (kaskadowych).

W układach z PWM występuje pewna znaczna zawartość wyższych harmonicznych, które oddziałują na silnik indukcyjny, zmuszając projektantów układów do tzw. „deratingu”. Przy czym wpływ tych harmo-nicznych na moment elektromagnetyczny jest sto-sunkowo mały.

Jednakże w bieżącym czasie badania nad topologią falowników przynoszą rozwiązania, które pozwalają na łączenie falowników wielopoziomowych w układy kaskadowe. Poprawna praca takiego falownika może odbywać się pod warunkiem zasilania ze źródeł izolowanych [5]. Dlatego alternatywą dla falownika 3-poziomowego PWM [1], który charakteryzuje się niskim czasem MTBF (mean time between failures)

byłoby zastosowanie falownika kaskadowego bez PWM. Toteż interesujący jest ten drugi kierunek, polegający na zastosowaniu falowników kaskadowych do napędów, do których autorzy mogą zaliczyć rozwiązania własne przedstawione dalej.

2. Aspekt energetyczny systemu zasilania Przy zasilaniu siników trakcyjnych, z tych samych

powodów co pierwotnie, to jest minimalizacji strat, stosuje się różne strategie. Aby zrozumieć strategie zasilania silników AC stosowane przez poszczególne firmy należy krótko przeanalizować pracę łączników półprze-wodnikowych zainstalowanych w urządze-niach (falownikach) stosowanych w trakcji elek-trycznej.

Wiadomo, że łączniki w nich stosowane, nie mają idealnych charakterystyk, dlatego rozpraszają część energii, którą przewodzą. Jeśli rozpraszają jej zbyt wiele, mogą same ulec uszkodzeniu, lub doprowadzić do uszkodzenia innych elementów układu. Dlatego projektując układ należy rozważyć jak te straty zminimalizować. Podczas przejścia ze stanu nieprzewodzenia do stanu przewodzenia obserwuje się pewien czas opóźnienia włączenia łącznika td(on) [2] po którym następuje czas narastania tri. Tylko wtedy, gdy cały prąd Io łącznika płynie przez łącznik dioda wsteczna jest przeciwnie spolaryzowana, a napięcie na łączniku spada do małej ustalonej wartości Uon w czasie tfv. Występują znaczne wartości chwilowe tych wielkości w czasie przełączania tc(on).

(1) tc(on) = tri+ tfv

Nawet uproszczona analiza przebiegu strat mocy chwilowej dowodzi, że rozpraszanie mocy chwilowej odbywa się głównie podczas włączania i wyłączania łączników. Te straty mocy można opisać przybliżoną równością (2)

(2) Ps = 0,5UdI0fs(tc(on) + tc(off))

1


Jest to ważny wynik, ponieważ pokazuje, że straty w łącznikach półprzewodnikowych zmieniają się li-niowo w zależności od częstotliwości przełączeń i czasów przełączania. Oznacza to, że jeśli dostępny jest łącznik o krótkich czasach przełączania, to możli-wa jest praca przy wyższej częstotliwości, pożądanej ze względu na mniejsze filtry napięcia wyjściowego układu, jak i brak nadmiernych strat w nim. Innymi znacznymi stratami w łącznikach są straty powstałe w stanie przewodzenia (3) Pon = UonI0fston

Na podstawie powyższych rozważań można wnio-skować, że napięcie przełączania i częstotliwość po-winny być tak małe jak to jest technicznie uzasadnio-ne. Są jeszcze inne liczne warunki, których ze wzglę-du na charakter tego artykułu nie rozważa się.

W trakcji o napięciu 3 kV DC silniki AC są zasila-ne z falowników sterowanych z użyciem PWM przy częstotliwości fPWM = 300 Hz celem ograniczenia strat w falowniku [2, 5]. Jednakże występujące wtedy straty w stosunku do znanych różnego typu, są dodatkowo większe do 80 %.

W trakcji o napięciu 15 lub 25 kV AC (Niemcy) stosuje się fPWM ≤ 2000 Hz, przy napięciu członu po-średniczącego UDCLink ≤ 1000 V, a straty dodatkowe wskutek występowania wyższych harmonicznych napięcia i prądu w maszynie w tym przypadku docho-dzą do 20 % mocy znamionowej silnika. Przykładowo, według informacji producenta, w stosowanych przez ABB falownikach częstotliwość fPWM wynosi 1700 Hz, a wykorzystując low voltage principle stosuje się układ obniżający napięcie tak, że UDCLink = 400 V. Straty dodatkowe są wtedy bardzo małe i nie przekra-czają 10 % mocy znamionowej silnika. Straty w sie-ciach przesyłowych osiągają wartość do 10 % mocy znamionowej silnika. Co gorsze, nie wszystkie te stra-ty można wyznaczyć analitycznie, chociaż można je wyznaczać na drodze modelowania matematycznego układów.

Powyżej napisane prowadzi do wniosku, że ograni-czanie strat dodatkowych zmusza nas do stosowania wyższej częstotliwości fPWM, albo zmniejszenia napię-cia UDCLink poniżej 1000 V.

Wysoka wartość stromości napięcia du/dt w ukła-dach z PWM powoduje nierównomierny rozkład na-pięcia wewnątrz uzwojeń, wytwarzając szczególnie duży spadek napięcia na pierwszych kilku zwojach. Przepięcia te uszkadzają izolację międzyzwojową, obliczaną tradycyjnie na 20 V (jedna warstwa emalii) [8]. Fakt ten, jak i inne opisane dalej mogą przyczy-niać się do atrakcyjności układów kaskadowych fa-lowników (bez PWM).

3. Analiza poszczególnych układów (bez PWM) Dalej analizuje się silnik indukcyjny z kaskado-

wym falownikiem napięcia mogący pracować w sieci DC (rys. 1). Ten przypadek wymaga zastosowania liniowego przekształtnika impulsowego (choppera), który jednak w sposób zasadniczy obniża sprawność napędu jako całości [3, 7]. Napięcie z układu ma wy-soką jakość parametrów poprzez to, że wyeliminowa-no z niego najbardziej znaczące harmoniczne.

Na rysunku 1 i następnych celowo, dla przejrzysto-ści, pominięto informacje o układach sterowania. Fak-tycznie we wszystkich tych układach występują prze-kształtniki impulsowe na wejściu lub zamiennie pro-stowniki sterowane. Napięcie silnika i częstotliwość falowników są regulowane zgodnie z zasadą U/f = const.

Rys. 1. Układ falownika kaskadowego zasilającego silnik indukcyjny, korzystny dla silnika

Falownik 2VI (rys. 1) zasila napięciem wyjścio-wym spóźnionym w stosunku do falownika 1VI o 30 º transformator, który także wnosi opóźnienie o 30 º. Przekształtnikowe układy napędowe dużej mocy mimo rozwoju energoelektroniki mają ograniczone możliwości zwiększania mocy. Dzieje się tak ze względu na dopuszczalne wartości maksymalne prą-dów obciążenia przekształtników.

a)

Rys. 2. Sposób kształtowania napięcia na silniku (z rys. 1), przy czym ud stanowi przyłożone do układu napięcie stałe, -a) aspekt

teoretyczny, -b) napięcie badane [7]

2


b)

Rys. 3. Schemat zasilania silnika dwuuzwojeniowego.

Dlatego zastosowanie silnika dwuuzwojeniowego (stojana) pozwala na obniżenie napięć i prądów fazo-wych, obniżając wymagania dotyczące falowników. Schemat układu przedstawiono na rysunku 3. Układ napędowy nie zawiera transformatorów sumu-jących, jednakże silnik jest skomplikowany ponieważ sumowanie pól elektromagnetycznych odbywa się w nim. Ma on również podniesioną masę ze względu na podwójne uzwojenia wykonane z miedzi. Jest to roz-wiązanie techniczne, w którym nie ma w momencie elektro-magnetycznym wpływu 6. harmonicznej. Tu falowniki generują fale napięcia przesunięte względem siebie o kąt 30 º elektrycznych i zasilają uzwojenia przesunięte także o ten kąt w przestrzeni. Napięcia fazowe mają przebieg taki jak napięcie ua1 z rysun-ku 2. Układ ten jest nieomal równoważny (skutkiem energetycznym) układowi z rysunku 1. Straty mocy wywołane wyższymi harmonicznymi w układzie z transformatorem (rys.1) przenoszą się do silnika, a w momencie elektromagnetycznym silnika, nie występu-je 6. harmoniczna wskutek złożonego sumowania pól harmonicznej 5. i 7.

Praktycznym sposobem w napędach trakcyjnych, w których występują wózki parami, jest ten jaki przed-stawiono na rysunku 4. Falowniki, podobnie jak po-przednio, generują fale napięcia przesunięte względem siebie o 30 º elektrycznych. Wtedy także w momencie nie występuje wpływ 6. harmonicznej. W tej sytuacji można porównywać schematy napędowe z rysun-ków 1, 3 i 4 ze względu na jakość momentu elektro-magnetycznego.

Rys. 4. Układ mechaniczno-elektryczny do napędu trakcyjnego, w którym występują wózki parami.

Dla linii trakcyjnej AC autorzy proponują układ stanowiący ich rozwiązanie własne [9] przedstawione na rysunku 5. W tym przypadku silnik jest klasyczny, prosty. Przebiegi momentu w stanie ustalonym są takie jak silnika z rysunku 1.

Rys. 5. Sposób zasilania silnika w celu uniknięcia w momencie elektromagnetycznym wpływu 6 harmonicznej

Istota układu przejawia się w tym, że układ ten jest zasilany czterema napięciami stałymi, z których pierwsze ma wartość względną równą 1 i zasila po-przez równoległą baterię kondensatorów falownik trójfazowy, a pozostałe trzy napięcia o wartości względnej równej 1/?3 każde, zasilają poprzez równo-ległe trzy baterie kondensatorów trzy jednofazowe falowniki napięcia, które z kolei dodają swoje napięcia do napięć fazowych falownika trójfazowego. Trójfazowy falownik napięcia kształtuje napięcie fa-zowe, które w przedziale kątów 0 ÷ π przebiega nastę-pująco: w przedziale 0 ÷ π/3 napięcia mają wartość 1/3ud, w przedziale π/3 ÷ 2π/3 napięcia mają wartość 2/3ud, w przedziale 2π/3 ÷ π napięcia mają wartość 1/3ud. Dla kątów większych od π funkcja przebiega antysymetrycznie.

3


W przedziale kątów 0 ÷ π każdy z jednofazowych falowników napięcia kształtuje napięcia o następu-jącym przebiegu: w przedziale 0 ÷ π/6 napięcia mają wartość 0, w przedziale π/6 ÷ 5π/6 napięcia mają wartość 1/?3ud, w przedziale 5π/6 ÷ π napięcia mają wartość 0. Dla kątów większych od π funkcje przebiegają antysymetrycznie. Reasumując, można przyjąć, że napięcie na silniku (rys. 5) przebiega jak napięcie u1 z rysunku 2b. Wyeliminowanie z napięcia harmonicznych 5. i 7. skutkuje wyeliminowaniem z momentu wpływu 6. harmonicznej. Wada układu z rysunku 1 i rysunku 5, duża masa, w napędzie trakcyjnym nie jest oczywista, ponieważ lokomotywa powinna mieć pewną masę, a tę powiększa transformator.

Niejako upraszczając ten układ dochodzi się do rozwiązania, które przedstawiono na rysunku 6.

2VI

~

=

1VI

~~

M~~~

~

~

=

~~

1R

2R

a1

b1

c1

a2

b2

c2

CH1

CH2

Rys. 6. Inny w stosunku do sposobu z rysunku 5 sposób zasilania silnika w celu ograniczenia w momencie elektromagnetycznym

wpływu 6. harmonicznej

W układzie następuje ograniczenie wpływu 6. i 12. harmonicznej. Nie eliminuje się w nim całkowi-cie tego wpływu. W tym wypadku wynika to z prze-biegu napięcia fazowego na silniku.

Rys. 7. Przebieg napięcia fazowego na uzwojeniu silnika w przypadku zasilania silnika jak na schemacie z rysunku 6

Przebieg napięcia na silniku z rysunku 8 przedsta-wiono na rysunku 9. Układem, w którym wyelimino-wano z momentu harmoniczne 6. i 12. jest układ z rysunku 8, równoważny pod względem zawartości harmonicznych w momencie elektromagnetycznym układowi z rysunku 10.

Rys. 8. Schemat układu zasilania silnika, w którym wyeliminowano z napięcia harmoniczne rzędu 5, 7, 11, 13 oraz 17

i 19 a z momentu silnika harmoniczne rzędu 6, 12, 18 [7]. Transformator T3 połączony jest w tzw. przedłużony trójkąt

Układ (rys. 10) stanowi silnik wielou-zwojeniowy bardziej rozbudowany w stosunku do silnika z rysunku 3.

Rys. 9. Przebieg napięcia na silniku z rysunku 8 (z badań eksperymentalnych falownika kaskadowego z rys. 8 [7])

Rys. 10. Schemat silnika wielouzwojeniowego, w którego momencie elektromechanicznym nie wystąpią harmoniczne rzędu

6, 12 i 18

4


W silniku kolejne uzwojenia zasilane są napięciami fazowymi przesuniętymi w czasie i przestrzeni, jak to wyjaśniono na rysunku 10. Wprawdzie układ nie za-wiera transformatorów, to jednak jest on skompliko-wany ze względu na złożoną budowę silnika, w któ-rym odbywa się sumowanie pól od poszczególnych faz.

4. Wnioski Ponieważ każdy element elektroniczny obniża

MTBF, więc powinno być ich w układzie możliwie najmniej. Wyeliminowanie transformatorów z układu skutkuje stratami w skomplikowanym silniku. W za-prezentowanych układach występuje zminimalizowa-na liczba łączników półprzewodnikowych w obwo-dach mocy, a eliminacja z góry określonych harmo-nicznych z momentu elektroma-gnetycznego czyni je konkurencyjnymi w stosunku do układów z PWM. Zapewniają one dobrą jakość momentu elektromagne-tycznego i są wykonalne.

Literatura [1] Lipiński L., Miszewski M., Żarnowski R., Nowoczesne asyn-chroniczne napędy przekształtnikowe dla pasażerskich pojazdów trakcyjnych na napięcie 3 kV prądu stałego. WE, 2007, nr 6 [2] Mohan N., Unlead T.M., Robbins W.P., Power electron-ics. Converters, Applications and Design. J. Wiley & Sons, 2003 [3] Płachtyna O., Żarnowski R., Wielopoziomowy falownik w zastosowaniu do silnika indukcyjnego lub autonomicznej prądnicy indukcyjnej albo synchronicznej. PEMiNE Rytro, 2010 [4] Plakhtyna O., Gientkowski Z., Żarnowski R., AC Converter Drive System with Cascaded Inverter Compatible with Motor and Utility Grid. 5th International Conference-Workshop-CPE Gdynia, 2007 [5] Skvarenina T. L., The Power Electronics Handbook. Industrial Electronics Series CRC Press. Washington, 2000 [6] Steimel A., Electric traction – Motive Power and Energy Sup-ply. Oldenburg Industrieverlag GmbH, 2008 [7] Żarnowski R., Analiza i badania układu autonomicznej prądnicy indukcyjnej z kaskadowym falownikiem napięcia. Rozprawa doktorska, Akademia Morska Gdynia, 2010 [8] Niekorzystny wpływ przekształtników na izolację silników. Wiadomości Elektrotechniczne 2003, Nr 1-2 na podstawie art. IEEE Power Engineering Review, 2002 nr 1 [9] Płachtyna O., Żarnowski R.: Zgłoszenie patentowe do UPRP Nr P.380141/07, Układ trójfazowego kaskadowego falownika napięcia

5


W artykule omówiono aktualny zakres prac zrealizowanych w ramach projektu celowego nr. 6ZR6 2009C/07185 „System zawieszenia pneumatycznego wagonów osobowych, zespołów trakcyjnych i lekkich pojazdów szynowych z układem aktywnego sterowania”. Przedstawiono i uzasadniono celowość wprowadzenia w przyszłości mikroprocesorowego sterowania zawieszeniem pneumatycznym przeznaczonego dla pojazdów szynowych. Opisano badane sprężyny pneumatyczne oraz zaprezentowano zbudowane w IPS Tabor stanowisko do ich wszechstronnych badań.

dr inż. Marian Kaluba dr inż. Tadeusz Jakubowski Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”

Układ aktywnego sterowania zawieszeniem pneumatycznym pojazdów szynowych

Rys.1 Dotychczas stosowany system sterowania napełniania sprężyny pneumatycznej w pojazdach

1. Opis stanu dotychczasowego Dotychczasowe układy usprężynowania pneumatycz-nego pojazdów szynowych składają się z siłowników pneumatycznych i układu sterowania ciśnieniem w zawieszeniu pneumatycznym (rys.1) opartym na tak zwanych zaworach pneumatycznych poziomu. Zawory te zasilane są sprężonym powietrzem z prze-wodu zasilającego najczęściej poprzez układ ograni-czający maksymalne ciśnienie w tym zawieszeniu (np. poprzez reduktor ciśnienia). Zawór poziomu jest zaworem napełniająco-opróżniającym sterowanym położeniem dźwigni połączonej mechanicznie z wózkiem poprzez regulacyjną śrubę rzymską z dwo-ma przegubami kulistymi. Zawór posiada pewną stałą histerezę i zmienną zdolność napełniania i opróż-niania w funkcji wychylenia kątowego jego ramienia (rys. 2).

Rys. 2 Histereza i przebieg zmienności natężenia przepływu zaworka napełniającego i opróżniającego zaworu poziomu w

funkcji wychylenia kątowego jego ramienia

Zawór poziomu montowany jest na podwoziu pojazdu i poprzez ramię dźwigni oraz regulacyjną śrubę rzymską połączony jest z ramą wózka. Dzięki temu po zasileniu zaworu poziomu sprężonym powietrzem następuje napełnianie sprężyny pneumatycznej (siłownika pneumatycznego) do momentu aż nie osiągnie ona zadanej (wyregulowanej długością śruby rzymskiej) wysokości. Zmiana obciążenia pudła prowadzi do zmiany wysokości sprężyny i tym samym do jej napełniania lub opróżniania przez zawór poziomu sterowany położeniem kątowym ramienia dźwigni. Dzięki temu bez względu na obciążenie pojazdu poziom podłogi pojazdu znajduje się na stałej wysokości względem główki szyny, z dokładnością wynikającą z histerezy ugięcia niezbędnej do otwarcia zaworka napełniającego lub opróżniającego.

2. Układ mikroprocesorowego sterowania ciśnie-niem zawieszenia pneumatycznego Docelowe sterowanie mikroprocesorowe zawieszenia pneumatycznego pojazdu składać się będzie z czujnika ultradźwiękowego lub laserowego umiesz-czonego wewnątrz sprężyny pneumatycznej do pomiaru jej wysokości, sterownika zawieszenia (CPU), zaworu elektropneumatycznego napełnia-jącego i opróżniającego sprężynę, a w przyszłości również innych czujników mierzących stan pojazdu podczas jazdy (rys. 3). Sterowanie mikroprocesorowe umożliwi sterowanie wysokością sprężyny tak by niezależnie od wartości obciążenia sprężyny (pojazdu) jej wysokość pozostawała stała. Ponadto umożliwi wyeliminowanie zużywających się mechanicznych elementów zawie-szenia, takich jak zawór poziomu sterowany ramieniem dźwigni oraz śruby rzymskiej z przegu-bami kulistymi. Dodatkowo dzięki zastoso-waniu mikroprocesorowego sterowania ciśnieniem w sprężynach pneumatycznych zawieszenia pojazdu szynowego z elektrycznym pomiarem wysokości sprężyny, układ może zapewniać podczas eksplo-atacji:

6


Rys. 3. Ogólny układ sprężyny pneumatycznej sterowanej mikroprocesorowo

− zmienną regulowaną wysokość podłogi pojazdu (możliwość automatycznego dopasowania się wysokości pudła do zróżnicowanej wysokości peronów),

− realizację sztucznej wymuszonej przechyłki pojaz-du w łuku w funkcji zmierzonego przyspieszenia dośrodkowego (poprawa komfortu i możliwość zwiększenia prędkości maksymalnej pojazdu w łuku),

− możliwość wprowadzenia zmiennej histerezy zawieszenia pneumatycznego ( rys.4) w zależności od parametrów dynamicznych zmierzonych pod-czas jazdy pojazdu np. prędkości (rys.5) czy przyspieszeń (rys.6). Na przykład dla prędkości V=0 km/h histereza może wynosić ± 1 mm, a dla innych prędkości może być regulowana i zmieniać się np proporcjonalnie do prędkości.

Rys.4. Histereza i charakterystyka natężenia przepływy powietrza przez elektrozawór sterowany mikroprocesorowo

Rys. 5. Wielkość histerezy w funkcji prędkości pojazdu

Rys. 6. Zmiana wysokości sprężyny pneumatycznej w funkcji przyspieszenia dośrodkowego

3. Elementy zawieszenia pneumatycznego pojazdu W ramach projektu opracowano dwa siłowniki (sprężyny) pneumatyczne pokrywające zapotrzebowa-nie obciążeń stosowanych w pojazdach szynowych. Zgodnie z podstawowymi parametrami charakteryzu-jącymi przedmiot wdrożenia opracowane siłowniki powinny pokryć zapotrzebowanie obciążenia piono-

wego co najmniej w zakresie 8 – 16 ton masy pudła pojazdu przypadającego na jeden siłownik (sprężynę). W związku z powyższym do realizacji przyjęto dwa rodzaje sprężyn pneumatycznych: o średnicy około 600 mm i o średnicy 800 mm (rys. 7).

Rys. 7. Widok ogólny przyjętych do realizacji sprężyn pneumatycznych

Sprężyna o średnicy 600 mm (dla lekkich pojazdów szynowych) może realizować następujące obciążenia:

− przy ciśnieniu 200 kPa około 5 650 kg, − przy ciśnieniu 400 kPa około 11 300 kg.

Sprężyna o średnicy 800 mm może realizować następujące obciążenia:

− przy ciśnieniu 200 kPa około 10 000 kg, − przy ciśnieniu 400 kPa około 20 000 kg.

Zakłada się, że dla obu sprężyn pneumatycznych następujące podstawowe parametry:

− maksymalne dopuszczalne ciśnienie 700 kPa, − maksymalne ciśnienie robocze 500 kPa, − minimalne ciśnienie robocze 100 kPa, − maksymalne ugięcie pionowe około 60 mm, − maksymalne odbicie pionowe około 160 mm

7


W ramach projektu opracowano dokumentację techniczną sprężyny pneumatycznej o średnicy około 600 mm i dokumentację techniczną sprężyny pneu-matycznej o średnicy 800 mm spełniające wyżej podane wymagania. W skład dokumentacji obu sprężyn pneumatycznych wchodzą „miechy pneu-matyczne” o wyżej wymienionych średnicach i zunifikowane specjalne sprężyny gumowo-metalowe oparcia awaryjnego. Sprężyny te wykorzystywane są w pojeździe w przypadku awaryjnego sprężystego oparcia pudła na ramie wózka, na skutek awarii układu zawieszenia pneumatycznego w pojeździe. Unifikacja sprężyn gumowo-metalowych polega na tym, że sprężyny dla obu średnic miecha składają się z dwu zunifikowanych wymiarowo elementów gumowych. Sprężyna gumowo-metalowa sprężyny pneumatycznej o średnicy 600 mm składa się tylko z dwu elementów gumowych zwulkanizowanych ze stożkowymi tulejami stalowymi, a sprężyna gumo-wo-metalowa sprężyny pneumatycznej o średnicy 800 mm składa się z trzech elementów gumowych przy czym dwa z nich są identyczne jak w sprężynie pneumatycznej o średnicy 600 mm. Wyżej wymieniona dokumentacja techniczna została opracowana w oparciu o wymagania zawarte w aktualnie obowiązującej normie PN-EN 13597 „Ko-lejnictwo – Gumowe elementy zawieszenia – Gumo-we przepony sprężyn zawieszenia pneumatycznego” listopad 2003 (norma europejska: EN13597:2003 „ Railway applictions – Rubber suspension components – Rubber diaphragms for pneumatic suspension springs”). W ramach projektu firma „Intergum” opracowała dokumentację oprzyrządowania, form i technologię wytwarzania sprężyn pneumatycznych, w oparciu o dokumentację techniczną sprężyn opracowaną przez IPS Tabor. Wykonane przez firmę „Intergum” oprzyrządowanie i formy posłużyły do wykonania prototypowych sprężyn pneumatycznych do przewi-dzianych w projekcie badań, które są przepro-wadzane na opracowanym i wykonanym przez IPS stanowisku do badań. W ramach realizowanego zadania wytypowano do badań układu: czujnik pomiaru odległości, dobrano sterownik mikroprocesorowy do sterowania zawie-szeniem pneumatycznym oraz wytypowano zawór elektropneumatyczny napełniająco-opróż-niający do badań układu i opracowano niezbędne oprogramo-wanie do przeprowadzenia prób na stanowisku badawczym. Dla docelowego układu wytypowano ciśnieniowy (do 6 bar) czujnik ultradźwiękowy do pomiaru wysokości UP56-211118 firmy Sick mocowany wewnątrz sprężyny pneumatycznej, natomiast do badań zakupiono czujnik ultradźwię-kowy MIKROSONIC typ mic+35/IU/TC firmy Introl. Czujnik ten podczas badań jest zamocowany pomiędzy płytami sprężyny pneumatycznej. Do

badań wytypowano sterownik mikroprocesorowy RSSA 8iA 10o24 10i24 wyprodukowany przez IPS Tabor i zawór napełniająco-opróżniający 7ZH 510000-1-00 również produkcji IPS Tabor. Stanowisko do badań zawieszenia opracowano w zakresie funkcjonalnym oraz w celu możliwości zrealizowania badań zgodnie z wymaganiami określonych w normie PN-EN 13597 „Kolejnictwo – Gumowe elementy zawieszenia – Gumowe przepony sprężyn zawieszenia pneumatycznego”, których celem jest potwierdzenie możliwości spełnienia przez wykonane zawieszenie pneumatyczne postawionych założeń.

4. Stanowisko do badań sprężyn pneumatycznego zawieszenia Na rys. 8 przedstawiono projekt stanowiska do badań badań gumowych elementów zawieszenia zgodnie z normą PN-EN 13597 oraz aktywnego układu zawieszenia pneumatycznego.

Rys. 8. Stanowisko do badań sprężyn pneumatycznych

8


Stanowisko umożliwia wytworzenie wymaganych obciążeń i ugięć w kierunku pionowym i po-przecznym a także umożliwia wzajemne przemiesz-czenia promieniowe i obrót podstaw sprężyny. Do realizacji obciążeń pionowych i poprzecznych służą dwa siłowniki serwo-hydrauliczne (2 i 3) typu PL 160N firmy Instron o zakresie ±160 kN i skoku ±125 mm. Przegubowo zamontowany siłownik poziomy (3) umożliwia realizację przemieszczeń poprzecznych podstawy sprężyny oraz przy w przypadku połączenia dolnej płyty (5) z cięgłem (11) zapewnia jej obrót (rys. 11) - wymagany dodatkowo programem prób . Obciążenia osiowe i poprzeczne mierzone są dyna-mometrami tensometrycznymi (4) typu PM 160GL2 firmy Instron o zakresie ±160 kN współpracującymi ze wzmacniaczami pomiarowymi serii 8800. W celu zapewnienia warunków pracy odpowiada-jącym pracy sprężyn pneumatycznych zamon-towa-nych pomiędzy pudłem i ramą wózków na pojazdach szynowych, oraz w celu spełnienia wymagań w/w normy podczas badań gumowych elementów zawie-szenia, płytę dolną (5), na której zamontowano sprężynę (1) zawieszono na wieszakach (7) o długości około czterech metrów. Zapewnia to zacho-wanie wystarczającej równoległości płyty dolnej do płyty górnej (6) w trakcie realizacji obciążeń i prze-mieszczeń poprzecznych pomiędzy płytami, wywo-łanymi siłownikiem (3). Natomiast dla zachowania równoległego położenia płyty górnej względem płyty dolnej podczas obciążeń i przemieszczeń w kierunku pionowym i poprzecz-nym (wywołanych podczas badań siłownikiem pio-nowym 2 i siłownikiem poziomym 3), płytę górną sprężyny pneumatycznej połączono z dwoma płytami bocznymi (10) i z równoległymi sztywnymi waha-czami (8 i 9) stanowiącymi wspólnie czworobok przegubowy. Ogólny widok zrealizowanego stanowiska do badań sprężyn pneumatycznych przedstawiono na rys.9 i 10.

Rys. 9. Ogólny widok stanowiska do badań sprężyn pneumatycznych

Rys. 10. Fragment stanowiska badawczego z badaną sprężyną pneumatyczną

Na stanowisku można też dokonywać pomiarów przemieszczeń w kierunku pionowym i poziomym, pomiarów ciśnienia w sprężynie pneumatycznej, pomiarów wysokości sprężyny oraz rejestracji tych parametrów w funkcji czasu. Na stanowisku można również przebadać układ mikroprocesorowego stero-wania wysokością sprężyny pneumatycznej, którego schemat blokowy pokazano na rys. 12.

Rys. 11. Sprężyna w trakcie badań oddziaływania na nią przemieszczeń poprzecznych i obrotowych

9


5. Zakończenie Na przedstawionym stanowisku badawczym przeba-dano już sprężynę pneumatyczną o średnicy 800 mm zgodnie z wymaganiami zawartymi w normie PN-EN 13597 oraz wykonano część zaplanowanych prób z zastosowaniem sterowania mikroprocesorowego. Wykonana w ramach wymienionego na wstępie projektu celowego sprężyna pneumatyczna o średnicy 800 mm spełniła wymagania wyżej wymienionej normy. Badania będą kontynuowane w 2012 roku i obejmą także sprężynę o średnicy około 600 mm. Przeprowadzenie badań w całym zakresie i dla obydwu rodzajów sprężyn oraz analiza uzyskanych wyników pozwoli na ostateczną, całościową ocenę badanego układu aktywnego sterowania zawie-szeniem pneumatycznym dla pojazdów szynowych.

Rys.12. Układ mikroprocesorowego sterowania wysokością sprężyny pneumatycznej na stanowisku badawczym

10


dr hab. Agnieszka Merkisz-Guranowska Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” inż. Hanna Stawecka Politechnika Poznańska

Recykling kolejowych wagonów towarowych na przykładzie Polski

W artykule przedstawiono zagadnienia związane z recyklingiem towarowych wagonów kolejowych. Mimo braku regulacji prawnych związanych z zagospodarowaniem pojazdów szynowych recykling jest prowadzony z uwagi na korzyści ekonomiczne, które można czerpać z odzysku części i podzespołów wykorzystywanych jako części zamienne oraz z odzysku surowców wtórnych. W artykule opisano możliwości zagospodarowania wagonów towarowych wycofywanych z użytku na przykładzie Polski. Przedstawiono skalę zjawiska, istniejącą infrastrukturę oraz proces demontażu i recyklingu na przykładzie największego polskiego przewoźnika towarowego PKP Cargo.

1. Wprowadzenie Rozwój gospodarczy, oprócz pozytywnych aspektów takich jak podnoszenie poziomu jakości życia społe-czeństw, pociąga za sobą także negatywne skutki dla człowieka i środowiska naturalnego. Jednym z tych skutków są odpady generowane między innymi przez środki transportu zarówno na etapie produkcji, eks-ploatacji jak i wycofania z użytku. Sposobem na ogra-niczenie tego negatywnego wpływu jest odzysk, czyli gospodarcze wykorzystanie odpadów. Rosnąca świa-domość ekologiczna we współczesnych społeczeń-stwach, wprowadzane regulacje prawne mające na celu ograniczanie ilości odpadów przeznaczonych do składowania, ale również korzyści ekonomiczne jakie można uzyskać z utylizacji zużytych produktów po-wodują, że tworzenie sieci recyklingu odpadów stało się ważnym problemem, szczególnie w krajach rozwi-niętych. W 2010 roku na całym świecie było eksploatowanych 2679,1 tys. wagonów towarowych, z tego 907,4 tys. w Europie. Ilość ta uległa zmniejszeniu od 2000 roku o 626,2 tys. sztuk w skali świata, w tym w Europie o 592,6 tys. wagonów [1]. Zmniejszenie ilości wagonów wynikało z faktu kasacji wagonów zużytych technicz-nie o znacznie mniejszych możliwościach przewozo-wych ładunków od wagonów towarowych wprowa-dzanych do eksploatacji w ostatnich kilkunastu latach, zwłaszcza w Europie i krajach wysoko rozwiniętych. Wycofywanie z użytku wagonów niezależnie od tego czy następuje w celu zastąpienia ich bardziej efektyw-nymi jednostkami czy zmniejszenia taboru powoduje konieczność ich odpowiedniego zagospodarowania. Środki transportu kolejowego są cennym źródłem materiałów, których recykling przynosi wymierne korzyści ekonomiczne. Wagony towarowe, podobnie jak inne środki transportu zbudowane są z różnych materiałów takich jak: stal, żeliwo, inne metale, drew-no, kompozyty, malarskie powłoki ochronne, guma,

elastomery, brezenty, smary. Odzysk tych materiałów z jednej strony przyczynia się do ograniczenia zapo-trzebowania na surowce pierwotne, a z drugiej strony zmniejsza zagrożenie dla środowiska naturalnego związane z niewłaściwym zagospodarowaniem głów-nie poprzez unikanie zanieczyszczenia ziemi i wód gruntowych substancjami niebezpiecznymi wykorzy-stanymi w ich budowie. W tej sytuacji, wtórne wykorzystanie wycofywanych z eksploatacji wagonów towarowych jest wyzwaniem zarówno dla przewoźników podejmujących decyzje o ich wycofaniu, jak i producentów wagonów oraz ad-ministracji państwowej.

2. Uregulowania prawne Kwestie recyklingu środków transportu zostały uregu-lowane wyłącznie w przypadku pojazdów samocho-dowych i to tylko samochodów osobowych i dostaw-czych o masie całkowitej do 3,5 tony. Z uwagi na to, że ilość odpadów powstających w wyniku wycofania z użytku taboru kolejowego jest znacznie mniejsza niż ilość odpadów z wycofanych z eksploatacji samocho-dów, zarówno władze międzynarodowe jak i krajowe, do chwili obecnej nie uregulowały kompleksowo pro-blematyki recyklingu pojazdów szynowych. Jedynym dokumentem odnoszącym się do recyklingu pojazdów szynowych jest Kodeks (Karta) Międzyna-rodowego Związku Kolei (UIC – International Union of Railways). Karta nr 345 E zatytułowana „Specyfi-kacje środowiskowe dla nowych pojazdów szyno-wych” [2] została wydana w czerwcu 2006 roku. Do-kument ten odnosi się do aspektów ekoprojektowania i uwzględnienia na etapie projektowania oddziaływań środowiskowych generowanych przez pojazdy szy-nowe w trakcie całego cyklu życia. Karta UIC 345 E określa, że już na początku projektowania pojazdu

11


szynowego producenci powinni stosować metodę REPID 2003, umożliwiającą uwzględnienie w proce-sie konstruowania takich aspektów jak: recykling materiałowy, efektywne zarządzanie zasobami, unika-nie powstawania odpadów, uzyskiwanie jak najwyż-szego poziomu odzysku. Mimo tego, że nie wprowadzono regulacji prawnych dotyczących odzysku wycofanych pojazdów szyno-wych, producenci i uczestnicy rynku przewozów kole-jowych powinni wspierać europejską politykę w za-kresie zagospodarowania odpadów. Jako punkty od-niesienia powinny posłużyć standardy przemysłu sa-mochodowego. Jednym z postulatów jest uwzględnia-nie w projektowaniu nowych pojazdów szynowych wymaganych poziomów odzysku i recyklingu okre-ślonych w Dyrektywie 2000/53/EC Parlamentu Euro-pejskiego i Rady z dnia 18 września 2000 roku w sprawie pojazdów wycofanych z eksploatacji [3]. Zgodnie z wspomnianą dyrektywą wymagane pozio-my odzysku powinny wynieść do 2015 roku 85%, a od 2015 roku 95% masy pojazdu. Ponadto do 2015 roku maksymalnie 5% masy może zostać poddane odzyskowi energii (spalenie w celu wykorzystania energii zawartej w materiałach), a 80% masy powin-no zostać poddane recyklingowi (recykling produkto-wy lub materiałowy). Od 2015 roku wskaźnik recy-klingu zostanie podwyższony do 85%, a maksymalnie 10% masy będzie mogło zostać spalone w celu odzy-sku energii. W karcie 345 E postuluje się także wykorzystanie metody obliczeniowej zdolności pojazdów drogowych do recyklingu i odzysku, zawartej w normie ISO 22628, jako wzoru dla sektora kolejowego.

3. Skala problemu w Polsce W Polsce w grudniu 2010 roku eksploatowano łącznie 89270 wagonów towarowych. Dla porównania w tym samym okresie eksploatowano 7885 wagonów do przewozu pasażerów [4]. W ciągu pięciu lat liczba wagonów towarowych zmniejszyła się o prawie 14%, a wagonów osobowych o 11%. Strukturę rodzajową wagonów towarowych eksploatowanych na koniec 2010 roku w Polsce przedstawiono w tabeli 1.

Wagony towarowe 89 270

Wagony kryte 5 818

Wagony węglarki 58 572

Wagony platformy 11 976

Wagony cysterny 7 329

Wagony pozostałe 5 575

Struktura rodzajowa wagonów towarowych eksploatowanych

w Polsce na koniec 2010 roku [4] Tabela 1

W wyniku dokonanej w PKP w 1998 roku analizy posiadanych wagonów towarowych, uwzględniającej ilość według rodzajów, wiek wagonów, ich rozwiąza-nia konstrukcyjne, techniczne zużycie oraz kształtują-ce się zmiany rodzajowe w kolejowym rynku przewo-zowym, opracowano program wycofania z użytku (kasacji) wagonów towarowych [6]. W programie tym założono wycofanie z użytku 27536 wagonów towa-rowych, ale w wyniku modyfikacji programu, liczba wagonów przeznaczonych do likwidacji uległa zwięk-szeniu. W latach 2003-2010 PKP Cargo wycofało z użytku 32609 wagonów (tab.3). Największą liczbę wagonów wycofano z eksploatacji w 2010 roku, kiedy poddano recyklingowi 6305 wa-gonów. Począwszy od 2011 roku skala likwidacji wagonów ma być mniejsza i będzie wahać się od kil-kuset do około 2 tysięcy wagonów rocznie. Na 2011 rok zaplanowano kasację 1805 wagonów towarowych. W przypadku pozostałych przewoźników kolejowych obecnych na polskim rynku przewozu ładunków nie występował dotychczas proces recyklingu wagonów. Dysponują oni stosunkowo młodym taborem, w części dzierżawionym lub leasingowanym. Problem recy-klingu wagonów towarowych w tych przedsiębior-stwach w większej skali zacznie występować pod koniec obecnej dekady. 4. Zagospodarowanie wycofanych wagonów to-

warowych przez PKP Cargo Wobec braku międzynarodowych jak i krajowych uregulowań prawnych w zakresie recyklingu wago-nów towarowych, największy polski przewoźnik kole-jowy dokonuje kasacji wagonów w oparciu o własne, wewnętrzne uregulowania, stworzone na bazie wielo-letnich doświadczeń, a także w oparciu o przepisy prawne z zakresu ochrony środowiska. Pierwszym dokumentem regulującym sprawy likwi-dacji i recyklingu wagonów towarowych w spółce PKP Cargo było Zarządzanie nr 36 Zarządu PKP Car-go S.A. z 9 października 2002 roku w sprawie zasad i trybu wycofywania wagonów towarowych z eksploatacji ze względu na ich stan techniczny, li-kwidacji wagonów jako środków trwałych i kasacji wagonów wycofanych z eksploatacji [7]. W wyniku zdobytego w ciągu kilku lat obowiązywania powyż-szego zarządzania doświadczenia i wiedzy, opraco-wano nowy dokument pt. Zasady likwidacji wago-nów”, który został wdrożony uchwałą nr 422/2009 Zarządu PKP Cargo S.A. z 20 sierpnia 2009 roku [8]. Zasady te wyznaczają tok postępowania od momentu zgłoszenia wagonu do wycofania z eksploatacji aż do zakończenia procesu jego fizycznej likwidacji. Likwi-dacja wagonów obejmuje całokształt czynności z punktu widzenia przewoźnika, czyli właściciela wa-gonu, związanych z wycofaniem wagonu z eksploata-cji. Zasady definiują także czynności powiązane z likwidacją wagonów jak np. kasacja wagonu, czyli

12


Struktura wiekowa wagonów towarowych należących do PKP Cargo w 2010 roku [5] Tabela 2

Typ wagonu 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Ogółem Wagony kryte budowy normalnej 416 782 709 798 342 894 1315 1628 6884

Wagony platformy bu-dowy normalnej 76 157 207 146 103 305 309 934 2237

Wagony węglarki budo-wy specjalnej 23 42 34 135 492 318 434 781 2259

Wagony z dachem od-chylnym 1 1

Wagony chłodnie 50 86 78 13 4 231

Wagony węglarki budo-wy normalnej 2506 3457 2321 2217 832 2207 1775 2785 18100

Wagony cysterny 4 1 1 2 8

Wagony specjalne 1695 187 205 181 19 69 66 152 2574

Wagony platformy bu-dowy specjalnej 50 5 23 10 2 162 5 23 280

Wagony kryte budowy specjalnej 27 5 1 1 1 35

Razem 4843 4725 3577 3500 1795 3958 3906 6305 32609

Struktura wagonów towarowych wycofanych z użytku przez PKP Cargo w latach 2003-2010 [5] Tabela 3

13

Średni wiek wagonu w latach

Rodzaj wagonu Liczba Udział

% do 5 lat

6 – 10 lat

11 – 15 lat

16 – 20 lat

21 – 25 lat

26 – 30 lat

> 30 lat

Średni wiek

wagonu Węglarki budowy normalnej 38 061 54,97 1 651 62 1 852 1 22 699 6 976 4 820 24,3

Węglarki budowy specjalnej 11 150 16,10 959 2 093 749 0 590 713 6 046 24,5

Kryte budowy normalnej 3 806 5,50 0 0 0 176 1 452 840 1 338 28,7

Kryte budowy specjalnej 2 092 3,02 1 214 751 103 455 68 500 21,3

Platformy budowy normalnej 6 066 8,76 0 0 102 348 2 007 1 506 2 103 27,6

Platformy budowy specjalnej 5 102 7,37 145 76 373 28 2 275 551 1 654 25,8

Z otwieranym dachem 747 1,08 0 0 60 0 404 201 82 24,6

Specjalne 1 701 2,46 0 0 0 0 0 1 651 50 29,2

Cysterny 34 0,05 0 0 0 0 0 0 34 41,0

Służbowe 486 0,70 0 0 0 0 202 9 275 38,1

Razem 69 245 100,0 2 756 2 445 3 887 656 30 084 12 515 16 902 25,1

Udział [%] 100,0 3,98 3,53 5,61 0,95 43,45 18,07 24,41


całokształt działań formalnych, technicznych i organi-zacyjnych, mających na celu fizyczną likwidację wa-gonu towarowego. W zakres kasacji wagonu wchodzą: − rozbiórka oraz cięcie wagonu z pozyskaniem:

sprawnych części, zespołów, podzespołów, ele-mentów i materiałów oraz złomu,

− rozliczenie odzyskanych części, materiałów oraz złomu, rozliczenie odpadów i ubytków, przygoto-wanie wymaganych dokumentów.

Kasacja obejmuje zatem demontaż wagonów, segre-gację części oraz odpadów do ponownego wyko-rzystania, a także odpadów do składowania i przeka-zanie ich odpowiednim jednostkom. Proces likwidacji wagonów towarowych określony w Zasadach likwidacji wagonów obejmuje następujące fazy:

1. Tryb zgłoszenia wagonów do wycofywania z eksploatacji ze względu ma stan techniczny.

2. Komisyjne oględziny wagonu zgłoszonego do wycofywania ze względu na stan techniczny.

3. Decyzja o wycofaniu wagonu z eksploatacji. 4. Przekazanie wagonów do fizycznej likwidacji. 5. Kasacja wagonów. 6. Rozliczenie kasacji wagonów.

Po ocenie wagonów komisja kasacyjna ostatecznie ustala listę podzespołów i części nadających się do dalszego wykorzystania w eksploatacji, które należy odzyskać z kasowanego wagonu. Lista ta w szczególności obejmuje: wózki, zestawy kołowe, urządzenia cięgłowe, zderzaki, resory, zawór rozrząd-czy. Części te podlegają tzw. recyklingowi produkto-wemu, czyli są traktowane jako części zamienne do wykorzystania w trakcie obsługi serwisowej wagonów będących w eksploatacji bezpośrednio lub po prze-prowadzeniu procesu regeneracji. Wagony są następnie przekazywane do demontażu. Demontaż może być przeprowadzany albo w zakła-dzie należącym do spółki PKP Cargo zajmującym się kasacją wagonów albo w uprawnionym do tego pod-miocie zewnętrznym na podstawie umowy lub jeżeli transport wagonów nie jest możliwy w miejscu ich postoju. W miejscu postoju wagonu demontaż prze-prowadzany jest albo przez pracowników spółki lub przez pracowników innych przedsiębiorstw na pod-stawie zawartej umowy. Spółka PKP Cargo posiada wymagane pozwolenia na wytwarzanie odpadów i gospodarowanie nimi oraz zbiórkę i składowanie surowców wtórnych, powstają-cych w wyniku kasacji wagonów, ich przeglądów i napraw oraz wymiany w nich podzespołów [5]. Niezależnie od miejsca wykonywania demontażu kasacja wagonów powinna być przeprowadzona z należytą starannością, w szczególności, jeżeli chodzi o odzyskiwanie zespołów i podzespołów, segregację złomu, drewna i odpadów oraz minimalizację ubyt-ków, z zachowaniem obowiązujących przepisów

BHP, przeciwpożarowych i ochrony środowiska. Ka-sacja powinna być prowadzona w taki sposób, aby nie była możliwa odbudowa wagonu, a żaden zespół lub podzespół zakwalifikowany na złom, nie mógł zostać ponownie wykorzystany w innym wagonie. Cel ten uzyskuje się poprzez przecięcie palnikiem głównych części konstrukcji. Podczas kasacji każdego wagonu istnieje obowiązek pocięcia wagonu na złom klasy W1, N5 (zestawy kołowe), N10 oraz ZZ8 w taki sposób, aby uzyskać jak największą ilość złomu klasy W1. Złom odzyska-ny z kasowanego wagonu należy posegregować na klasy i przechowywać w postaci posegregowanej do momentu jego odbioru. Odzyskane z kasowanych wagonów części zamienne i podzespoły przewidziane do dalszego obrotu materiałowego oraz złom w usta-lonych klasach, cenach i wadze przekazywane są do magazynu. Ważnym zapisem ujętym w Zasadach likwidacji wa-gonów jest zapis, zgodnie z którym podczas rozlicze-nia kasowanego wagonu w ogólnym bilansie dopusz-cza się maksymalnie do 5% ubytków łącznej masy w stosunku do łącznej masy wagonu ustalonej przed jego kasacją w wyniku ważenia bądź szacowania.

5. Miejsca przeprowadzania recyklingu wagonów w Polsce

W Polsce funkcjonuje około 10 niezależnych przed-siębiorstw zajmujących się demontażem oraz recy-klingiem materiałowym wagonów kolejowych oraz 11 zakładów należących do grupy PKP Cargo (rys.1).

Rys.1. Lokalizacja przedsiębiorstw zajmujących się recyklingiem wagonów wycofanych z użytku

14


Główny obszar działalności przedsiębiorstw nie nale-żących do PKP Cargo obejmuje inną działalność niż zagospodarowanie pojazdów szynowych. Zajmują się one przede wszystkim naprawą i modernizacją taboru kolejowego, zagospodarowaniem złomu i surowców wtórnych (w tym samochodów wycofanych z eksplo-atacji), a nawet produkcją wagonów. Są to przedsię-biorstwa takie jak:

− Wagon Ostrów S.A. w Ostrowie Wielopolskim, − Zakłady Naprawcze Taboru Kolejowego „Ła-

py” S.A. w Łapach, − Zakłady Naprawcze Taboru Kolejowego „Pate-

rek” S.A. w Paterku k/Nakła nad Notecią, − Fabryka Wagonów „Gniewczyna” S.A. w

Gniewczynie Łańcuckiej, − Przedsiębiorstwo Przerobu Złomu Metali „Se-

gromet” Sp. z o.o. w Sokołowie Podlaskim, − Złomowanie, Recykling, Autozłom, Surowce

Wtórne Olmet Sp. z o.o. w Tarnowskich Gó-rach,

− Punkt Skupu Surowców Wtórnych Kazimierz Bandzmer w Lęborku,

− „Złomstal FHU Podczasy S.” w Imbramowi-cach,

− Inverta – Bocar Sp. z o.o. w Tarnowskich Gó-rach.

Z kolei w Grupie PKP Cargo recyklingu wagonów towarowych dokonuje się w 11 wydzielonych organi-zacyjnie podmiotach zajmujących się przede wszyst-kim naprawą i serwisowaniem taboru, ale świadczą-cych także usługi złomowania i recyklingu wagonów w 15 miejscowościach zlokalizowanych na obszarze całego kraju [5]. Są to:

− PKP Cargo Wagon – Jaworzyna Śląska Sp. z o.o.,

− PKP Cargo Wagon – Kraków Sp. z o.o. (wyko-nująca usługi w zakresie wagonów towarowych w Krakowie – Prokocimiu i Krakowie – Nowej Hucie),

− PKP Cargo Wagon – Szczecin Sp. z o.o., − PKP Cargo Wagon – Tarnowskie Góry Sp. z o.

o., − PKP Cargo Wagon – Toruń Sp. z o.o. (wykonu-

jąca usługi w zakresie wagonów towarowych w Toruniu i Inowrocławiu – Rąbinku),

− PKP Cargo Tabor – Czerwieńsk Sp. z o.o. , − PKP Cargo Tabor – Karsznice Sp. z o.o., − PKP Cargo Tabor – Ostrów Wielkopolski Sp. z

o.o.,

6. Zakres recyklingu W przypadku wagonów kolejowych możliwe są dwie metody recyklingu: ręczna i zmechanizowana. Należy jednak pamiętać, że wykorzystując metodę zmechani-zowaną nie ma możliwości zastosowania pełnej me-

chanizacji tak jak przy demontażu taśmowym stoso-wanym w stacjach demontażu samochodów wycofa-nych z eksploatacji. Ręczny demontaż jest konieczny zawsze w celu pozyskiwania zespołów, elementów i części nadających się do dalszego użytku lub regene-racji (recykling produktowy). Demontaż mechaniczny ma na celu przyspieszenie operacji związanych z cię-ciem i transportem elementów i służy do odzyskiwa-nia surowców wtórnych (recykling materiałowy). Proces recyklingu produktowego rozpoczyna się od zdemontowania wózków, zderzaków i elementów cięgłowych oraz elementów aparatury hamulcowej. Po demontażu podzespołów dokonuje się wzrokowej oceny elementów pod względem braku pęknięć, po-krzywień, przerdzewiałych miejsc i przydatności do bezpośredniego ponownego wykorzystania lub rege-neracji. W przypadku stwierdzenia uszkodzenia ramy wózka (pęknięcia, przerdzewiałe miejsca, pokrzywienia), przy jednoczesnym potwierdzeniu przydatności omaźnicowanych zestawów kołowych lub samych osi posiadających znaki cechowania określających ich rok produkcji, dokonuje się demontażu wózka, przezna-czając ramę na złom, a zestawy kołowe z maźnicami lub osie do dalszego użytkowania. Analogicznie po-stępuje się, gdy uszkodzone są zestawy kołowe lub osie, a rama jest nieuszkodzona. W przypadku demon-tażu wózka wymontowuje się trójkąty hamulcowe stwierdzając ich przydatność do dalszego użytku lub przeznaczając na złom. Zdemontowane zderzaki z wkładami elastomerowymi, w przypadku stwierdzenia braku mechanicznych uszkodzeń lub pęknięć elemen-tów metalowych przeznacza się do regeneracji. Części i podzespoły wykorzystywane w recyklingu produktowym to najczęściej: wózki, ramy wózków, zestawy kołowe, ostoje wagonu, urządzenia cięgłowe, zderzaki, resory, trójkąty hamulcowe, kurki końcowe, systemy hamulcowe, zawory rozrządcze hamulca, zawory ważące. Pozyskanie powyższych zespołów i części do napraw, modernizacji i produkcji nowych wagonów towarowych ma istotny wpływ na opłacal-ność procesu recyklingu. Odzyskane produkty z wy-cofywanych z użytku wagonów stanowią średnio w zależności od rodzaju wagonu od 18,9% do 28,4% przeciętnej masy wagonów [9]. Po wyselekcjonowaniu i wymontowaniu części i pod-zespołów nadających się do dalszego użytkowania, kolejnym etapem jest odzysk materiałów. Najpierw w celu uniemożliwienia ponownego, nielegalnego wprowadzenia do ponownego obiegu elementów przeznaczonych do likwidacji, dokonuje się przy-najmniej jednokrotnego przecięcia ostoi wagonu i ramy wózków, a kasowane zestawy kołowe zostają uszkodzone przez ukośne nacięcie czopa osi na szero-kości i głębokości nie mniejszej niż 40 mm oraz jed-nomiejscowe nacięcie obrzeży kół na głębokości nie mniejszej niż 40 pod kątem 900 [9]. Następnie przy-

15


stępuje się do pocięcia wszystkich pozostałych ele-mentów w tym pudła wagonu. Operacja ta może być przeprowadzona ręcznie przy pomocy palników lub mechanicznie z wykorzystaniem wielofunkcyjnych, głównie mobilnych, maszyn i urządzeń. Do mecha-nicznego demontażu można wykorzystywać między innymi wielofunkcyjną maszynę wyposażoną w noży-ce do cięcia złomu, chwytak, płytę magnetyczną oraz hak ładunkowy. Do transportu wewnętrznego złomu można stosować samojezdną ładowarkę hydrauliczną, urządzenie często wykorzystywane w przedsiębior-stwach zajmujących się skupem i obrotem złomu. W wyniku recyklingu materiałowego wagonów towa-rowych, największą odzyskiwaną masę stanowi złom stalowy zaliczany zgodnie z polską normą PN – 85/H – 15000 do następujących klas:

Udział procentowy złomu w ogólnej masie wagonów towarowych wycofanych z użytku przez PKP Cargo w 2011 r. [5] Tabela 4

− W1 – złom stalowy kawałkowy wsadowy nie-stopowy o największych wymiarach 1000 x 500 x 500 mm o grubości 6 mm i powyżej oraz maksymalnej masie 2000 kg; koła i obręcze ko-lejowe o średnicy do 1100 mm,

− N10 – złom stalowy pomieszany niewsadowy niestopowy.

Niezależnie od powyższych dominujących klas złomu uzyskuje się także niewielkie ilości złomu wysokiej klasy oznaczonego symbolem W1R oraz złomu że-liwnego oznaczonego symbolem ZZ8. Udział uzyski-wanego złomu klasy W1R zależnie od rodzaju wago-nu stanowi od 0,2% do 4,6% całkowitej masy wago-nu, a udział złomu żeliwnego stanowi od 0,1% do 0,4% ogólnej masy wagonu (tab.4). Ponadto w wyni-ku złomowania niektórych elementów wyposażenia wagonu towarowego m.in. kurka końcowego uzyskuje się nieznaczne ilości złomu metali kolorowych jak np.

mosiądzu czy aluminium. Ilości te maksymalnie mogą wynosić kilka kilogramów. W procesie utylizacji wagonów towarowych odzysku-je się także materiały, które nie są wykorzystywane w recyklingu materiałowym, ale są wykorzystywane jako źródło energii (tzw. odzysk energii). Do tych materiałów należą głównie drewno oraz w niewielkich ilościach smary i elementy gumowe, elastomerowe oraz brezenty. Udział drewna w masie wagonu w za-leżności od rodzaju wagonu wynosi od 2,7% do 11,4% masy wagonu. W procesie zagospodarowania wagonów towarowych oprócz odzysku produktów i materiałów nadających się do ponownego użycia, powstają odpady, które podlegają wyłącznie składowaniu. Odpady te to mię-dzy innymi skorodowane powłoki malarskie, zabru-dzenia i zanieczyszczenia pochodzące z przewożo-nych towarów i ładunków.

7. Podsumowanie Mimo, że nie istnieją w obszarze pojazdów szyno-wych regulacje prawne odnoszące się do recyklingu wycofanego z eksploatacji taboru, odpowiednie zago-spodarowanie tego typu odpadów jest koniecznością wynikającą z ogólnych zasad gospodarowania odpa-dami. Do tej pory główną motywacją do przeprowa-dzania recyklingu były korzyści ekonomiczne jakie można czerpać z odzysku metali lub sprzedaży podze-społów nadających się do dalszego wykorzystania. Należy liczyć się jednak z tym, że zwłaszcza w kra-jach rozwiniętych, gdzie wdrażana jest polityka zrów-noważonego rozwoju, problematyka recyklingu po-jazdów szynowych stanie się przedmiotem zaintere-sowania, a docelowo ścisłych regulacji prawnych.

16

Rodzaj wagonu Przeciętna

masa wagonu w kg

Złom stalowy

W1

Złom stalowy

N10

Złom stalowy

W1R

Złom żeliwny

ZZ8

Węglarka budowy normalnej z podłogą metalową - 4-osiowa

18554 60,2% 8,9% 1,2% 0,3%

Węglarka budowy normalnej z podłogą drewnianą-4 osiowa

18518 56,5% 8,1% 0,2% 0,4%

Wagon kryty budowy normalnej 4 osiowy

21139 47,9% 9,8% 0,4% 0,3%

Wagon kryty budowy normalnej 2 osiowy

14128 55,2% 11,5% 0,5% 0,2%

Wagon platforma budowy normalnej 4 osiowa

21705 66,6% 1,5% 0,4% 0,1%

Wagon węglarka budowy specjalnej 2 osiowa

11780 60,6% 9,3% 4,6% 0,2%

Wagon platforma budowy normalnej 2 osiowa

10327 66,0% 1,2% 0,0% 0,1%

Wagon węglarka budowy specjalnej 4 osiowa

28000 68,9% 9,0% 1,2% 0,3%


Odpowiednie zagospodarowanie wycofanych pojaz-dów szynowych, w tym wykorzystanie produktów i surowców pozyskanych w drodze recyklingu przy-czynia się bowiem do:

− zmniejszenia zanieczyszczenia środowiska na-turalnego,

− zmniejszenia zużycia surowców pierwotnych, − obniżenia kosztów produkcji i napraw wyro-

bów, − zmniejszenia kapitałochłonności i energochłon-

ności produkcji. Osiągnięcie wysokich poziomów recyklingu i odzysku wymaganych dla pojazdów samochodowych nie sta-nowi problemu w przypadku zagospodarowania wa-gonów towarowych, natomiast będzie stanowić pro-blem w przypadku pojazdów trakcyjnych oraz wago-nów przeznaczonych do przewozu osób. Zagwarantowanie odpowiedniego poziomu odzysku możliwe będzie wyłącznie wtedy, kiedy wymagania związane z demontażem i recyklingiem będą uwzględniane na etapie konstruowania pojazdów szy-nowych. Trzeba wprowadzić system nowoczesnych modułowych technologii zapewniających łatwą bu-dowę pojazdów i jednocześnie ułatwiony demontaż (zapewnienie łatwego i prostego rozdziału materiałów przy kasacji pojazdu). Poza tym istotny jest także dobór materiałów i udostępnienie przez producentów odpowiedniej dokumentacji pojazdów. W Polsce istnieje odpowiednia baza techniczna umoż-liwiająca fizyczną utylizację pojazdów szynowych. Należy jednak liczyć się z inwestycjami w wyposaże-nie techniczne niezbędne do przeprowadzenia procesu recyklingu produktowego i materiałowego pojazdów szynowych zwłaszcza zespołów trakcyjnych.

Literatura: [1] International Union of Railways , Railway Statistics

Synopsis 2000- 2009, www.uic.org [2] Kodeks UIC 345 E pt. Specyfikacje środowiskowe dla

nowych pojazdów szynowych, International Union of Railways, Wydanie 1, 1.06.2006.

[3] Dyrektywa 2000/53/EC Parlamentu Europejskiego i Rady z 18 września 2000 w sprawie pojazdów wyco-fanych z eksploatacji, Dziennik oficjalny OJ269, 21.10.2000.

[4] Transport Wyniki Działalności w 2010 roku, Główny Urząd Statystyczny, Warszawa 2011.

[5] Materiały informacyjne PKP Cargo S.A. [6] Polityka inwestycyjna PKP w zakresie taboru trakcyj-

nego i wagonowego na lata 1999-2010, Kraków 1998. [7] Zarządzenie nr 36 Zarządu PKP Cargo S.A. z 9 paź-

dziernika 2002 roku w sprawie zasad i trybu wycofy-wania wagonów towarowych z eksploatacji ze wzglę-du na ich stan techniczny, likwidacji wagonów jako środków trwałych i kasacji wagonów wycofanych z eksploatacji. Dokumenty wewnętrzne PKP Cargo S.A.

[8] Zasady likwidacji wagonów. Regulamin PKP Cargo S.A. z 20 sierpnia 2009. Dokumenty wewnętrzne PKP Cargo S.A.

[9] Materiały przedsiębiorstw przeprowadzających de-montaż wagonów towarowych m.in. Wagon Ostrów w Ostrowie Wlkp., Tabor Szynowy w Opolu, spółki gru-py PKP Cargo, Olmet w Tarnowskich Górach, Złom-stal FHU Podczasy S. w Imbramowicach, Segromet w Sokołowie Podlaskim.

17


dr inż. Marek Sobaś Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”

Przedswięwzięcia zwiększające prognozowaną żywotność osi zestawów kołowych w skali Unii europejskiej

W artykule przedstawiono metody zwiększenia bezpieczeństwa i niezawodności osi zestawów kołowych na przykładzie wagonów towarowych. Poruszono istotne pro-blemy związane z projektowaniem osi zestawów kołowych zespołów trakcyjnych dalekobieżnych, gdzie zaproponowano bardziej ostrożne podejście do przyjmowa-nia naprężeń dopuszczalnych, wynikających z bardzo dużego przebiegu kilome-trowego. Artykuł został opracowany w ramach projektu badawczo-rozwojowego Nr R 10 004806/2009 pt. „Mikroprocesorowy system diagnostyczny głównych systemów trakcyjnego pojazdu szynowego uwzględniający ocenę bieżącą i progno-zowanie stanów”, finansowanego z budżetu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyż-szego. Projekt badawczy własny nr N N509 pt. ”Prognozowanie stanu technicznego głównych systemów pojazdu szynowego na podstawie analizy zmian wartości cha-rakterystycznych parametrów podzespołów”.

1. WSTĘP

Problematyka związana z rozwojem technologii wytwarzania osi zestawów kołowych została przed-stawiona w opracowaniach [4,8,12]. Bardzo duża rolę odgrywa wprowadzenie normy europejskiej PN-EN 13261+A1:2011 [19], która zastąpiła dotychczas obo-wiązująca kartę UIC 811-1 [15] oraz PN-93/K-91045 [20]. Zwiększa się również rola diagnostyki w nieza-wodnej eksploatacji zestawów kołowych [6,7,9,10,11,13,14,16,19,22]. Niezależnie od wzrasta-jącego nacisku położonego na jakość technologii wy-twarzania po katastrofie kolejowej pociągu towarowe-go, ciągnącego wagony towarowe-cysterny w Viareg-gio (Włochy) podjęto w Europie szeroko zakrojoną akcję prewencyjną, mającą na celu zapobieżenie po-dobnym wypadkom oraz mających na celu zwiększe-nie bezpieczeństwo eksploatacji osi zestawów koło-wych. Ww. akcję uzasadniano również faktem zwięk-szającej się liczby wypadków wagonów towarowych w skali europejskiej, wynikających ze źle utrzyma-nych zestawów kołowych. Współpraca w tym temacie została podjęta roku przez Europejską Agencję Kole-jową (niem. „Europäische Eisenbahnagentur”- ERA), krajowe urzędy transportu kolejowego, odpowiedzial-ne za bezpieczeństwo ruchu kolejowego oraz przed-siębiorstwa kolejowe (koleje państwowe oraz prywat-ne, właściciele wagonów oraz producenci, zrzeszone w UIP). Ww. grupa Joint Sektor Group opracowała program roboczy, mający na celu zwiększenie bezpie-czeństwa eksploatacji wagonów towarowych i został on zatwierdzony przez Unię Europejską i krajowe urzędy transportu kolejowego. Celem programu roz-winiętego przez JSG jest eliminacja zagrożeń eksplo-atacyjnych na podstawie przeprowadzonej kontroli

wizualnej i dalsza optymalizacja opanowania możli-wego ryzyka w eksploatacji zestawów kołowych w eksploatacji zestawów kołowych europejskich wago-nów towarowych, których łączny przebieg kilome-trowy wynosi ok. 50 miliardów kilometrów w ciągu roku. Grupa JSG skupiała członków następujących organi-zacji kolejowych:

⇒ Związku Kolei Europejskich - CER ⇒ Związku Prywatnych Przedsiębiorstw Prze-

wozowych Ładunków - EFRA ⇒ Związku Prywatnych Właścicieli Wagonów

Towarowych - UIP ⇒ Związku Operatorów Transportu Kombino-

wanego - UIRR ⇒ Związku Producentów Zestawów Kołowych -

UNIFE.

2. OPIS PROGRAMU OPRACOWANEGO PRZEZ JSG

Program roboczy składa się z trzech zakresów dzia-łań. Zakres I. Opracowanie Katalogu Wizualnej Kontroli Uszkodzeń Osi Zestawów Kołowych tzw. EVIC- Katalog (ang. European Visual Inspection Catologue), opisuje lub przedstawia przykładowe referencyjne uszkodzenia mechaniczne lub uszkodzenia spowodo-wane procesami korozji osi zestawów kołowych. Kon-trola wizualna osi jest przewidziana naprawach lub przeglądach wagonów towarowych w warsztacie, jeśli wagon znajduje się na kanale lub jest podniesiony. Zestawy kołowe, które wykazują wady niedopusz-czalne, należy wyłączyć z eksploatacji i przeprowa-

18


dzić naprawę przy użyciu badań nieniszczących. Ska-talogowane kryteria uszkodzeń EVIC są obliga-toryjne od 1.04.2010. Okres trwania programu jest ograniczony tzn.: • standardowe wagony towarowe muszą być spraw-

dzone co 6 lat • wagony przewożące ładunki niebezpieczne, które

są eksploatowane w agresywnym środowisku muszą być sprawdzone w co 4 lata.

Katalog uszkodzeń EVIC musi być przekazany warsz-tatom naprawczym przez właścicieli, zlecającym przeglądy osi zestawów kołowych i są one zobowią-zane do przekazywania informacji o wykonanych przeglądach. Joint Sektor Group opracował specjalny dokument z danymi, które podlegają kontroli. W celu wdrożenia i kontroli programu wyznaczono w poszczególnych krajach krajowe gremia Joint EVIC Bodies, do których zadań należało przetłumaczenie katalogu EVIC na język danego kraju oraz organiza-cja szkoleń dla zainteresowanych organizacji kolejo-wych, właścicieli i warsztatów naprawczych. Katalog EVIC został przetłumaczony na 11 języków krajów, zrzeszonych w Unii Europejskiej. Przeprowadzono około 50 kursów szkoleniowych z udziałem 750 uczestników. Od czasu startu programu zostało prze-badanych 180 000 osi wagonów towarowych w kra-jach członkowskich Unii Europejskiej. Struktura kon-troli w poszczególnych krajach Unii Europejskiej jest przedstwiona w tabeli 1.

L.p. Kraj

Ilość spraw-

dzanych wagonów

Osie ze-stawów

kołowych Inne1)

Wynik pozytywny „OK.”2)

Wynik negatywny

„X”3)

Dalsza eks-ploatacja do

następnej kontroli

„C”4)

1. Unia Eu-ropejska 34 356 133 184 11033 68983 3082 50176

2. Austria 980 3713 1582 1301 264 566 3. Belgia 459 1873 1871 2 0 4. Szwajcaria 1976 6639 293 2706 192 3348 5. Czechy 19 76 76 0 0 6. Niemcy 23 632 93607 7200 44126 2140 40141 7. Estonia 66 161 0 90 12 59 8. Francja 3372 12396 1820 9522 110 944 9. Węgry 271 989 2 580 2 405

10. Włochy 1768 6780 82 3971 309 2418 11. Polska 829 3253 35 2723 44 451 12. Słowacja 966 3645 10 1893 5 1737 13. Słowenia 18 52 9 34 2 7

Struktura kontroli osi zestawów kołowych 86 właścicieli wagonów towarowych w 12-tu krajach Unii Europejskiej w ujęciu ilościowym wg [1]

Tabela 1

1) wykluczone z eksploatacji z innych powodów 2) wynik badań nieniszczących pozytywny, dalsza eksploatacja

3) natychmiastowe wykluczenie z eksploatacji 4) dalsza eksploatacja aż do następnej kontroli wg katalogu EVIC

Z danych przedstawionych w tabeli 1 widoczna jest wiodąca rola kolei niemieckich we wdrażaniu nowe-go systemu kontrolnego. Łącznie zostało przebada-nych 93 607 osi zestawów kołowych wagonów towa-rowych, co stanowi 70% łącznej ilości przebadanej w ramach kolei krajów członkowskich Unii Europej-skiej. Zaskakujący jest przy tym fakt pozytywnie zwe-ryfikowanych osi zestawów kołowych, wynoszących 44126, co stanowi zaledwie 33% łącznej ilości prze-badanej w ramach kolei krajów członkowskich Unii Europejskiej. Znacznie lepszy wyniki takiej kontroli mogą odnotować przewoźnicy, których koleją pod-stawiającą są koleje francuskie, przy zastrzeżeniu że kontroli poddano znacznie mniejszą ilość osi zesta-wów kołowych. Struktura wyników kontrolowanych osi zestawów kołowych wagonów towarowych 86 właścicieli w 12 krajach Unii Europejskiej jest przedstawiona na rys.1.

0

20000

40000

60000

80000

100000

inne O.K X C

inne) osie wykluczone z eksploatacji z innych powodów OK) wynik badań nieniszczących pozytywny X) natychmiastowe wykluczenie osi z eksploatacji C) wynik badań pozytywny, osie dopuszczone do dalszej eksploatacji.

Rys.1. Wyniki kontrolowanych osi zestawów kołowych wagonów towarowych w krajach Unii Europejskiej

19


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

inne O.K X C

Struktura wyników kontrolowanych osi zestawów kołowych wagonów towarowych w Polsce jest przed-stawiona na rys.2.

Rys.2. Wyniki kontrolowanych osi zestawów kołowych wagonów towarowych w Polsce w ramach Unii Europejskiej

inne) osie wykluczone z eksploatacji z innych powodów OK) wynik badań nieniszczących pozytywny X) natychmiastowe wykluczenie osi z eksploatacji C) wynik badań pozytywny, osie dopuszczone do dalszej eksploatacji.

1) osie wykluczone z eksploatacji z innych powodów 2) wynik badań nieniszczących pozytywny

3) natychmiastowe wykluczenie osi z eksploatacji 4) wynik badań pozytywny, osie dopuszczone do dalszej eksploatacji.

L.p. Kraj Ilość spraw-dzanych wa-

gonów

Osie ze-stawów

kołowych Inne1)

Wynik pozytywny „OK.”2)

Wynik negatywny

„X”3)

Dalsza eks-ploatacja do

następnej kontroli

„C”4)

[%]

1. Unia Euro-pejska 34 356 133 184 8,28 51,72 2,31 37,67

2. Austria 980 3713 42,6 35,03 7,11 15,24 3. Belgia 459 1873 0 99,89 0,106 0 4. Szwajcaria 1976 6639 4,41 40,75 2,89 50,42 5. Czechy 19 76 0 100 0 0 6. Niemcy 23 632 93607 8,61 47,13 2,28 42,88 7. Estonia 66 161 0 55,90 7,45 36,64 8. Francja 3372 12396 14,68 76,81 0,88 7,61 9. Węgry 271 989 2,02 58,64 0,20 40,95

10. Włochy 1768 6780 1,20 58,56 4,55 35,66 11. Polska 829 3253 0,99 77,24 1,24 12,80 12. Słowacja 966 3645 0,27 51,93 0,13 47,65 13. Słowenia 18 52 17,3 65,38 3,84 13,46

Struktura kontroli osi zestawów kołowych 86 właścicieli w 12-tu krajach Unii Europejskiej w ujęciu procentowym wg [1] Tabela 2

Na uwagę zasługują dobre wyniki, kontroli przepro-wadzonej w Polsce. Porównując bardzo podobne ilości przebadanych zestawów kołowych w Austrii, Słowacji oraz w kraju wg tych samych kryteriów najwięcej zestawów kołowych zostało zakwalifikowanych do dalszej eksploatacji po stwierdzeniu pozytywnego wyniku badań ultradźwiękowych. Zakres II: Zakres ten programu opracowanego przez JSG jest dostarczenie dowodu, że wizualna inspekcja osi zestawów kołowych eliminuje w sposób nieza-wodny możliwe ryzyko eksploatacyjne. Z wszystkich czterech zakresów kwalifikacyjnych (oznaczonych „X”, „OK.”, „inne” oraz „C“) wytypowano 24 000 osi zestawów kołowych wagonów towarowych, które przeszły z wynikiem pozytywnym lub nie zostały zakwalifikowane na zgodność z kryteriami EVIC do

bardzo szczegółowych badań nieniszczących np. badań ultradźwiękowych. Na bazie porównań i ocen grupa JSG zobowiązała się do wdrażania dalszych przedsięwzięć technicznych. Realizacja programu jest przewidziana na 12 miesięcy i będzie koordynowana w ramach danego państwa i wdrażana, przy czym odpowiednie należy zebrać odpowiednie pliki danych i przekazać dalej po 6-ciu miesiącach. Program jest uzgadniany zarówno przez Unię Europejską jak również krajowe urzędy i rozpoczął się w czerwcu 2010 roku. Zakres III: Opiera się na propozycji opracowania danych do przeprowadzenia przeglądów zestawów kołowych. Propozycja ta została zgłoszona na posiedzeniu Europejskiej Agencji Kolejnictwa (ERA) w dniu 22.06.2010. Za pomocą odpowiedniej metodyki można dokonać szybkiej identyfikacji wad materiałowych i ułatwić ustalenia przyczyn wypadków kolejowych. Łącznie należy zarejestrować 47 parametrów dla różnych części składowych zestawów kołowych. Dalej należy zdefiniować badania nieniszczące, które należy wykonać na zestawie kołowym w zależności od sytuacji. System został wprowadzony od sierpnia 2010 roku. Licząc od tej daty muszą być wszystkie dane rejestrowane i wtedy niniejsze dane muszą być rejestrowane na bieżąco we wszystkich w krajach Unii Europejskiej. Od 01.01.2012 dane muszą być rejestrowane w elektronicznym systemie przetwarzania danych.

3. NOWOCZESNE ZASADY PROJEKTOWANIA ZESTAWÓW KOŁOWYCH

20


Doświadczenia eksploatacyjne zespołów trak-cyjnych, przystosowanych do wysokich prędkości, zwłaszcza ICE w DB AG dostarczyły nowego mate-riału bazowego do analiz osi pod względem wytrzy-małościowym. Przebieg kilometrowy zespołów trak-cyjnych dalekobieżnych wynosi około 500 000 km w skali rocznej (ok. 1370 km w przeliczeniu na dzień, ok. 57 km w przeliczeniu na jedną godzinę).. Dla po-równania przebieg zespołów trakcyjnych ruchu lokal-nego wynosi około 100 000 km w skali rocznej. Jak okazuje się z praktyki eksploatacyjnej przy takim in-tensywnym przebiegu już podczas 21 dni jest osiągnięta bazowa wartość cykli 107 cykli. Zakładając średnią średnicę toczną koła 0,900 m, wynika że oś jest obciążona 350 cyklami w przebiegu przeliczenio-wym na jeden kilometr, co daje 484 000 cykli obcią-żeń na jeden dzień. Z takich przeliczeń wynika, że zakładając 30-letnią żywotność otrzymuje się łączny przebieg, wynoszący 15 milionów kilometrów, co odpowiada 109 cykli obciążeń (100x107 cykli obcią-żeń). Z tego wynika, że zakładana wartość 107 cykli obciążeń jest w praktyce wielokrotnie przekraczana (nawet 100 razy). W związku z tym wytrzymałość eksploatacyjna takich elementów jak osie nabiera szczególnego znaczenia i zależy od wielu czynników, które są wymienione na rys.3.

OBCIĄZENIE EKPLOSTACYJNE

KONSTRUKCJA

WYTRZYMAŁOŚĆ EKSPLOATACYJNA

WARUNKI OTOCZENIA MATERIAŁ I WYKONANIE

ZAPEWNIENIE JAKOŚCI,

WYKRYWANIE WAD, KONSERWACJA

Rys.3. Schemat blokowy czynników mających wpływ na wytrzymałość eksploatacyjną osi zestawów kołowych wraz z ich

wzajemnymi powiązaniami

Z przeprowadzonych badań naukowych i doświadczeń praktycznych znane są ograniczenia prostego opisu wytrzymałości zmęczeniowej. Jako istotne ogranicze-nia należy wymienić:

⇒ najczęściej występujące obciążenia eksploata-cyjne nie posiadają charakteru sinusoidalnego, lecz są to obciążenia o zmiennym przebiegu, a wskutek tego występuje mechanizm kumula-cji uszkodzeń o odmiennym charakterze

⇒ na częściach występujących w eksploatacji nie można mówić o wytrzymałości zmęczeniowej w tradycyjnym ujęciu, wskutek czego po 106 lub 107 cykli obciążeń odnotowuje się dalszy spa-

dek wytrzymałości co wyznacza krzywa o po-chyleniu k2, szczególnie to odczuwa się przy po-łączeniach wtłaczanych (na odsadzeniach kół, łożysk, kół przekładni i tarcz hamulcowych) i przy występowaniu korozji

⇒ warunek wytrzymałości zmęczeniowej dla osi jest spełniony, jeśli współczynnik bezpieczeń-stwa S, definiowany jako stosunek pomiędzy naprężeniem dopuszczalnym oraz naprężeniem rzeczywistym. wynikającym z eksploatacji jest większy od 1.; w rzeczywistych warunkach eks-ploatacyjnych stosunek ten może być mniejszy w wyniku działania ekstremalnego naprężenia, spowodowanego wystąpienia maksymalnej siły podczas przejazdu przez łuk toru.

Żywotność przy zmiennej amplitudzie naprężeń i wy-nikającym z tego układu naprężeń jest opisana przez krzywą Gassnera, która została zastosowana w budo-wie części pojazdów szynowych w latach 80-tych. Krzywa Gassnera jest przedstawiona na rys.4.

Rys. 4. Określenie amplitudy naprężenia aσ wg hipotezy ekwi-walentnych uszkodzeń wg [3]

Została ona opracowana już w latach trzydziestych XX wieku i wykorzystana w projektowaniu lekkich konstrukcji w przemyśle lotniczym, a następnie wyko-rzystana również w budowie pojazdów. Również krzywa Gassnera została opisana przez rozproszenie i pochylenie k*. Krzywa Gassnera może być zastosowa-na do charakterystyki wytrzymałości zmęczeniowej przy określonych warunkach brzegowych oraz do oceny wytrzymałości eksploatacyjnej i żywotności przy znanym obciążeniu eksploatacyjnym. Przy przed-łożeniu reprezentatywnego układu obciążeń jako ukła-du do konstrukcji dla przewidywanej żywotności wy-wodzi się naprężenie ekwiwalentne dla uszkodzenia (rys.5).

21


Rys.5. Określenie naprężenia „ekwiwalentnego”, odpowiadającemu uszkodzeniu

Naprężenie ekwiwalentne σa,äq, odpowiadające uszko-dzeniu jest obciążeniem o przebiegu sinusoidalnym przy zdefiniowanej ilości cykli obciążeń Nv, które wywoła analogiczne uszkodzenie jak układ obciążeń z maksymalną wartością naprężenia σa,betr i ilości cykli obciążeń NB. Naprężenie ekwiwalentne σa,äq wyznacza się za pomocą hipotezy Palmgrena-Minera, przy czym wykorzystuje się pochylenie krzywej Wöhlera k2=2k1-1 lub k2=2k1-2, powyżej ilości cykli Nv na podstawie przedłożonych danych, zebranych doświadczeń i za-leżnie od mechanizmów uszkodzeń. Niniejszy sposób postępowania określa się jako projektowanie dopaso-wane do warunków eksploatacyjnych, przy czym jest zagwarantowane, że wykazana jest wymagana żywot-ność, przy której unika się przedwczesnego pęknięcia części decydujących o bezpieczeństwie, do jakich należą osie lub koła zestawów kołowych. Jako pod-stawę do uszkodzenia bierze się za podstawę „pęknię-cie techniczne”, przy którym jest zachowana pełna funkcjonalność części (rys.6.)

Rys.6. Schematyczna ilustracja projektowania dostosowanego do warunków eksploatacji z odpowiednimi, miarodajnymi

parametrami

Jako miarodajną dla żywotności osi przyjęto więc ilość cykli obciążeń NB≈109, odpowiadającą rzeczywistym warunkom eksploatacyjnym. Przyjęto założenie, że przy odpowiednim zaprojektowaniu osi (zwymiaro-waniu osi) prędkość propagacji pęknięcia jest relatyw-nie mała i można przewidzieć normalne okresy:

międzynaprawcze. W przeciwieństwie do tego przy częściach, wykazujących mniejsze wymiary („kon-strukcja niedowymiarowana”) zwiększa się prawdo-podobieństwo wystąpienia pęknięcia, przy określo-nych warunkach wytężenia materiału i prowadzi to do istotnie zmniejszonych okresów międzynaprawczych. Tak więc projektowanie osi zgodnie z obciążeniami eksploatacyjnymi nabiera również znaczenia ekono-micznego. Dotychczasowe wyniki uzyskane z badań oraz zdoby-tych doświadczeń z przemysłu pokazały, że występuje logarytmiczny związek pomiędzy żywotnością L i naprężeniem σ oraz pomiędzy średnicą przekroju osi d i żywotnością. Żywotność osi określa się z zależności:

*

*,

*,

BX LLk

betra

Ba

=

σσ

(1)

Zależność wymiarową wyznacza się z zależności:

*/1

X

BXB L

Ldd

kn⋅

= (2)

gdzie: Lx - oczekiwana żywotność przy występowaniu naprężenia eksploatacyjnego *

,betraσ LB - żywotność odpowiadająca projektowaniu

*,Baσ - naprężenie, które jest w stanie przenieść

konstrukcja osi, aby osiągnąć żywotność LB osi zestawu kołowego;

dx - średnica rozpatrywanego przekroju osi n - wykładnik naprężenia (n=1÷2 dla wieńca i tarczy koła, n=3 dla osi zestawu kołowego) k* - wykładnik żywotności (k*=5÷8, zależny od

gradientu naprężenia, stanu powierzchni i stanu obciążenia w rozpatrywanej strefie elementu konstrukcyjnego).

Z oczekiwanej żywotności Lx i wymaganej żywotności projektowej LB można ustalić wymagane zmniejszenie naprężeń *

,betraσ względnie zwiększenie średnicy dx.

Z drugiej strony z naprężenia *,betrtaσ , które jest w

stanie przenieść konstrukcja i ekwiwalentnego naprę-żenia σaäq, äq można określić oczekiwaną żywotność Lx w porównaniu do wymaganej żywotności projek-towej LB:

*k

aqa,

betra,BX σσ

LL

= (3)

Wg tego wzoru, wyrażającego zależność pomiędzy żywotnością i naprężeniami, naprężenie większe o 10 % w stosunku do wartości naprężenia, które jest w stanie przenieść konstrukcja zmniejsza żywotność o

22


współczynnik wynoszący 2 przy współczynniku po-chylenia krzywej k*=6. Zwiększenie naprężenia o 10% może być spowodowane zmniejszeniem średnicy przekroju osi o około 3%. Obliczenia osi tocznych oraz trakcyjnych zespołu trakcyjnego dalekobieżnego ICE TD zostały wykonane w oparciu odpowiednio o PN-EN 13103:2009 [17] oraz PN-EN 13104:2009 [18].Osie toczne były wykonane z materiału normali-zowanego cieplnie EA1N (24CrMo4), natomiast osie trakcyjne z materiału ulepszanego cieplnie EA4T (34CrNiMo6). Naprężenia dopuszczalne przyjęto na podstawie ww. norm europejskich. Obydwa typy spełniały więc wymagania wytrzymałości zmęczenio-wej we wszystkich strefach ze współczynnikami bezpieczeństwa S=σa,zul/σa,betr≥1 wg ww. norm. Osza-cowanie żywotności wg metodyki projektowania wg widma z eksploatacji, przy założeniu przebiegu wynoszącego 15 milionów kilometrów prowadzi jed-nak do zupełnie innych rezultatów. Ponadto z po-miarów eksploatacyjnych ustalono, że uwzględnia się około 20% większe naprężenie w stosunku do obli-czeń wg normy. Jeśli przyjąć, że dotychczasowy przebieg kilometrowy LX wynosił 3 miliony kilome-trów (aż do ujawnionego pęknięcia w najbardziej wy-tężonym miejscu w łuku przejściowym), a wymagany wynosi LB=15 milionów kilometrów to wówczas sto-sunek obydwu przebiegów wynosi LB/LX=5. Jeśli przyjąć, że n=3 (dla osi) oraz k*=6 to wówczas zgod-nie z zależnością (2):

dx=d0⋅5(1/3×6)= 1.09⋅d0 (4)

Oznacza to, że w krytycznych miejscach osi średnica powinna wzrosnąć o 9%, aby spełnić wymaganie ży-wotności LB=15 milionów kilometrów. Niniejszy wniosek dotyczył osi napędnej, co przełożyło się na zmianę średnicy osadzenia ze 179 mm z łukiem przej-ściowym 160 mm, na średnicę osadzenia 195 mm z łukiem przejściowym 174 mm. Z obliczeń wytrzyma-łościowych za pomocą metody elementów skończo-nych wynika, że największa koncentracja naprężeń występuje w strefie oznaczonej kolorem czerwonym, która jest przedstawiona na rys.7 (lewa strona). Na rys.8 jest przedstawiony przełom zmęczeniowy osi zespołu trakcyjnego ICE 3, który wystąpił po przebie-gu 3 milionów kilometrów i po 7,7 latach eksploatacji (średni przebieg roczny ok. 390 000 km).

Rys.7. Usytuowanie pęknięcia zmęczeniowego w łuku osi napędnej zespołu trakcyjnego ICE 3, które wystąpiło po 7,7 latach

eksploatacji i przebiegu 3 milionów kilometrów (analiza wytrzymałościowa metodą elementów skończonych)

W wyniku analizy pęknięcia osi, które wystąpiło w 2008 roku uznano, że jego przyczyną były zanieczysz-czenia materiałowe, wynikające z procesu wytwarza-nia o długości ok. 0,9 mm, które przekroczyły dopusz-czalną wartość.

Rys.8. Przełom zmęczeniowy osi napędnej zespołu trakcyjnego dalekobieżnego ICE 3, który wystąpił po 7,7 latach eksploatacji i

przebiegu 3 milionów kilometrów

Pękniecie osi trakcyjnej innego zespołu trakcyjnego dalekobieżnego typu ICE 3 wystąpiło na trasie Nür-nberg-Chemnitz w dniu 2.12.2002 po rocznej eksplo-atacji i przebiegu wynoszącym około 350 000 km, który doprowadził do wykolejenia, nie powodując

ofiar wśród pasażerów. Przełom zmęczeniowy osi w strefie osadzenia koła został spowodowany korozją cierną w tym rejonie i jest przedstawiony na rys.9 i powstało w tym samym miejscu jak na rys.7. Graficzne przedstawienie wytrzymałości zmęczenio-wej osi zestawów kołowych wg obliczeń zgodnie z normą PN-EN 13103 (osie toczne) [17] oraz PN-EN 13104 (osie trakcyjne) [18] w zależności od ilości cykli obciążeń znajduje się na rys.10.

23


Rys.9. Przełom zmęczeniowy osi napędnej zestawu kołowego zespołu trakcyjnego dalekobieżnego ICE po rocznym przebiegu 350 000 km

Rys.10. Oszacowanie wytrzymałości zmęczeniowej osi zespołu trakcyjnego ICE (osadzenie koła na osi) w zależności od ilości

cykli obciążeń

Jak wynika z przebiegu krzywej zmęczenia, napręże-nia pomierzone są o ok. 30% wyższe aniżeli przed-stawione w normie PN-EN13104:2009 [18]. Okazuje się, że w takim przypadku projektowanie zestawów kołowych wg normy musi prowadzić bezwzględnie do uszkodzeń, ponieważ wychodzi się z fałszywych zało-żeń. Po przejściowym zatrzymaniu 19-tu zespołów trakcyjnych typu ICE-3 dokonano wymiany wszyst-kich osi. Nowe osie posiadały nieznaczną modyfika-cję geometryczną i były pokryte molibdenem. W wy-niku dokonanych zabiegów konstrukcyjnych można było osiągnąć tylko 10 letnią żywotność. W związku z powyższym proponuje się:

⇒ projektowanie obliczeniowe (konstrukcja) na podstawie obciążeń i danych obliczeniowych

⇒ sprawdzenie wytrzymałości za pomocą prób ⇒ sprawdzenie obciążeń na podstawie pomiarów

na trasie ⇒ ostateczne ustalenie projektowanej konstrukcji,

włączenie z planem przeglądów oraz kontroli międzynaprawczych.

Jako dodatkowy środek zaradczy, zwiększający nie-zawodność kursujących dalekobieżnych pojazdów trakcyjnych, przystosowanych do wysokich prędkości należy uznać kontrolę za pomocą sensorów właściwo-ści eksploatacyjnych, między innymi kół i osi. Ten nowoczesny i kontrowersyjny pogląd na odmienne podejście do projektowania osi jest oparty na przeko-naniu, że każdy doświadczony inżynier powinien mieć świadomość, że normy obowiązujące w kolejnictwie odpowiadają najniższemu poziomowi technicznemu, który jest uzgodniony przez fachowców i odbiegają mocno aktualnego stanu technicznego. Metodyka ob-liczeń osi dla takich przypadków powinna być porów-nana z innymi metodykami, które choćby są stosowa-ne w innych działach techniki, do których zalicza się budowę samolotów lub samochodów. W wyniku przedstawionego rozumowania zaleca się, aby na in-stalować odpowiednie sensory w nowoczesnych po-jazdach szynowych, aby dokonywać kontroli własno-ści dynamicznych układów biegowych, a w szczegól-ności osi i kół zestawów kołowych. Dodatkowym wsparciem dla nowego podejścia do projektowania zestawów kołowych jest wielkość niezrównoważone-go przyspieszenia w zależności od zastosowanej prze-chyłki na łukach toru. Wyniki te są zebrane w tabeli 3.

Legenda: TRS - zestaw kołowy napędny (niem. Treibradsatzwelle) LRS - zestaw kołowy toczny (niem. Laufradsatazwelle)

24


Wielkości niezrównoważonego przyspieszenia w kierunku poprzecznym w zależności od przechyłki toru dla osi napędnych i tocznych wg [5]

Tabela 3

Niedostateczność przechyłki

Kąt Frouda

Niezrównoważone przyspieszenie od-

środkowe

Współczynnik dy-namiczny dla ze-stawu kołowego napędnego oraz

prowadzącego ze-stawu kołowego

tocznego

Współczynnik dynamiczny dla nieprowadzące-

go zestawu kołowego tocznego

I βqc aqc fy fy

[mm] [rad] [m/s2] [-] [-]

100 0,0667 0,65378 2,625 2,250

130 0,0867 0,84991 2,019 1,731

150 0,1000 0,98067 1,750 1,500

153 0,1020 1,00028 1,716 1,471

160 0,1067 1,04604 1,641 1,406

168 0,1120 1,09834 1,563 1,339

180 0,1200 1,17680 1,458 1,250

183 0,1220 1,19641 1,434 1,230

240 0,1600 1,56906 1,094 0,938

275 0,1833 1,79789 0,955 0,818

300 0,2000 1,96133 0,875 0,750

306 0,2040 2,00056 0,858 0,735

Pojazd na przechyłce łuku toru jest przedstawiony na rys.11

C C

C

QCQC qa β⋅=

Rys.11. Pojazd na przechyłce toru

Rys.12. Schemat obciążenia zestawu kołowego siłami pionowymi oraz poprzecznymi

25


Pudło pojazdu wraz z ładunkiem, znajdujące się na przechyłce łuku toru jest poddane obciążeniu odśrod-kowemu aQC = g?βQC. Poprzeczną siłę łożyskową moż-na wyznaczyć ze wzoru:

H = fy⋅aQC⋅m1 (5) gdzie: fy - współczynnik Frouda aqc - niezrównoważone przyspieszenie w kierunku

poprzecznym m1 - masa przypadająca na czopy zestawu kołowego

(włącznie z masą łożysk i korpusem maźnicy). Po wstawieniu aQC = g?βQC do wzoru (5) otrzymuje

się:

H = fy⋅ g⋅βQC⋅m1 (6)

Siłę pionową P1 działającą na lewy czop osi zestawu kołowego wyznacza się z zależności:

1QCy1

1Z1 mgβf

bhf

21P ⋅⋅

⋅⋅+⋅= (7)

Siłę pionową P2 działającą na prawy czop osi zestawu kołowego wyznacza się z zależności:

1QCy1

1Z2 mgβf

bhf

21P ⋅⋅

⋅⋅−⋅= (8)

Analizując niezrównoważone przyspieszenia aqc w zależności od przechyłki toru, w raporcie ORE/ERRI B136/Rp.11/D [21] oraz PN-EN 13103:2009 [17] przyjęto wartość przyspieszenia poprzecznego dla osi tocznych β=0,15g=1,47 m/s2 natomiast w przypadku osi napędnych PN-EN 13104:2009 [18] wartość β=0,175g=1,71 m/s2.W przypadku bardzo dużych przechyłek toru, przeznaczonych dla pojazdów trak-cyjnych z przechylnym pudłem niezrównoważone przyspieszenie jest znacznie większe aniżeli przyjęte w PN-EN 13103:2009 [17] oraz PN-EN 13104:2009 [18]. Widoczne to jest dla przechyłek toru o wartości większej niż 240 mm. W związku z powyższymożna wnioskować o trzech istotnych punktach, w których normy PN-EN 13103:2009 [17] oraz PN-EN 13104:2009 [18] posiadają istotne mankamenty, a mianowicie pominięcie:

⇒ masy zestawu kołowego ⇒ kołysania i ewentualnego przechyłu pudła ⇒ zbyt małe współczynniki bezpieczeństwa

dla dopuszczalnych naprężeń przy bardzo dużych niedostatecznościach przechyłki.

4. AUTOMATYCZNY MONITORING ZESTA-WÓW KOŁOWYCH WAGONÓW TOWA-ROWYCH

Jednym z istotnych elementów zwiększenia nie-zawodności zestawów kołowych jest ich monitoring. Jak wynika niemieckich doświadczeń eksploatacyj-

nych kolei niemieckich około 100 000 wagonów towa-rowych jest w codziennej eksploatacji. Okres między-naprawczy wynosi 6 lat i ma być wydłużony nawet do 8 lat. W przeciwieństwie do pojazdów trakcyjnych, których przeglądy są zależne od przebiegu kilometro-wego, wagony towarowe podlegają naprawom okre-sowym, które są związane z określonymi czasookre-sami. Z tego też względu jest trudne do ustalenia jaki przebieg kilometrowy posiadają zestawy kołowe wa-gonów towarowych. W tej sytuacji Federalny Urząd Kolejnictwa (EBA) w Bonn wydał rozporządzenie jesienią 2009 roku, aby dokonać kontroli zestawów kołowych 4450 wagonów towarowych. Przeprowa-dzona kontrola wykazała wady, wpływające na bez-pieczeństwo eksploatacyjne. W związku z powyższym powstał plan wdrożenia monitoringu zestawów koło-wych, na podstawie którego można by zarejestrować przebieg kilometrowy. Przedsiębiorstwo Eureka Navi-gation Solutions AG w Monachium wraz z niemiec-kim koncernem Deutsche Telekom rozwinęło nowo-czesny rozwiązanie RodoTAG. Rejestrator, miniatu-rowej wielkości można zainstalować w ciągu kliku minut za pomocą pasków taśm szybkomocujących (rys.13).

Sensory zainstalowane są wewnątrz urządzenia i mie-rzą prędkość obrotową zestawu kołowego. Na podsta-wie takiego parametru można ustalić prędkość i prze-bieg wagonu. Urządzenie to jest przystosowane do następujących warunków eksploatacyjnych:

⇒ najniższa temperatura otoczenia: -40ºC ⇒ siły bezwładności wynoszące do 80g=785

m/s2 ⇒ orientacyjny czasookres eksploatacji: siedem

lat. Jedną z zalet nowego urządzenia typu RodoTAG są jego zdolności komunikacyjne. Przekazywanie danych odbywa się za pomocą modułu GSM przez sieć ra-diową do centrali Deutsche Telekom gdzie podlegają

Rys.13. Urządzenie RodoTAG, zamocowane na osi zestawu koło-wego wagonu towarowego wg [2]

26


obróbce, a następnie są przekazywane do użytkownika wagonu lub do systemu komunikacyjnego T, zbudowanego przez filię firmy Deutsche Telekom. Istotną korzyścią wprowadzenia nowego systemu jest możliwość wdrożenia nowoczesnego sytemu konserwacyjno-naprawczego, który może się odbywać w zależności od rzeczywistych przebiegów kilometrowych wagonów towarowych. Jest to tym bardziej uzasadnione, że niektóre wagony towarowe mają bardzo małe przebiegi kilometrowe w skali rocznej, a inne z kolei posiadają znaczące przebiegi, wynoszące 150 000 km na rok. Z tego można wnioskować, że wagony towarowe o małym przebiegu nie będą podlegały wcześniejszemu, natomiast z większym przebiegiem zbyt późnemu przeglądowi. Wymiana zużytych części we właściwym czasie przyczynia się do zmniejszenia kosztów przeprowadzenia napraw i konserwacji. Wielu przewoźników kolejowych przetestowało nowy system w praktyce i wyposażyło swój tabor wagonowy w urządzenie RodoTAG już od września 2010 roku. Istotną zaletą nowego systemu jest nie tylko możliwość dokładnej rejestracji przebiegów kilometrowych, ale również możliwość automatycznej identyfikacji zestawów kołowych w miejscach naprawczych lub serwisowych. Wdrożenie nowego systemu wspomagają firmy telekomunikacyjne Eureka i Deutsche Telekom.

5. WNIOSKI

Jak widać z przeprowadzonej analizy tenden-cji rozwojowych problem, związany z zasadami kon-strukcji osi zestawów kołowych pojazdów szynowych jest wciąż problemem otwartym. Wynika to z trendów rozwojowych kolejnictwa europejskiego oraz świato-wego, polegającym na zwiększeniu efektywności przewozowej przez zwiększenie nacisków zestawów kołowych na tor oraz prędkości pojazdu. Jednoczesne zwiększenie prędkości pojazdów i ich przebiegów, niewątpliwie przyczyniło się do znaczącego przyrostu cykli obciążeń (tzw. „zakres gigacyklowy”). Zakres ten nie był wcześniej badany na stanowiskach stacjo-narnych. Pęknięcia osi zestawów kołowych daleko-bieżnych zespołów trakcyjnych wysokich prędkości są nowym doświadczeniem, które powinno być grun-townie przeanalizowane i uwzględnione w PN-EN 13103 [17] oraz PN-EN13104 [18]. Problem diagno-styki, przeglądów uzależnionych od faktycznego prze-biegu kilometrowego jest też bardzo istotny, zwłasz-cza dla takich pojazdów jak wagony towarowe. Próba skodyfikowania wad zestawów kołowych w formie katalogu uszkodzeń jest istotnym kierunkiem, zwięk-szającym bezpieczeństwo zestawów kołowych w eks-ploatacji. Jest to jeszcze jedne dowód na to, że o bez-pieczeństwie i niezawodności osi zestawów kołowych decyduje aktualny stan techniczny, a nie wiek zesta-wów kołowych, jeśli nie jest on powiązany z przebie-

giem kilometrowym. Jeśli przyjąć, że roczny przebieg kilometrowy wagonu towarowego wynosi 50 000 ÷100 000 km, to wówczas podczas 30 letniej eksplo-atacji można się spodziewać łącznego przebiegu 1,5÷3 milionów kilometrów. Przebieg ten jest 5÷10 razy mniejszy od zakładanego dla dalekobieżnych zespo-łów trakcyjnych wysokich prędkości. Należy wziąć również pod uwagę specyfikę transportu kolejowego ładunków, polegającego na tym że część przejazdów odbywa się w stanie próżnym lub częściowo załado-wanym, co powoduje że nie można w takim przypad-ku mówić o pełnym cyklu obciążenia. Ww. metody, zmierzają jednak do ustalenia metodyki obliczeniowej oraz okresu pomiędzy kontrolami i naprawami w za-leżności od przebiegu kilometrowego, a nie „sztyw-no” określonych okresów międzynaprawczych. Jest to kolejna próba dopasowania konstrukcji do rzeczywi-stych warunków eksploatacyjnych. Z przedstawionej analizy różnych metod, służących do zwiększenia niezawodności zestawów kołowych i znajdujących się w eksploatacji wynika również ich dostosowanie do specyfiki pojazdu. Wagony towarowe posiadają znacznie mniejsze przebiegi kilometrowe aniżeli ze-społy trakcyjne wysokich prędkości. Gruntowne roz-poznanie rzeczywistych przebiegów eksploatacyjnych oraz działających obciążeń pozwala na rzeczywiste prognozowanie faktycznej żywotności osi zestawów kołowych. Przedstawione podejście kładzie nacisk na doświadczalne zbieranie danych z eksploatacji, a nie bezkrytyczne przyjmowanie metodyki projektowania przedstawionej w normach europejskich, które podle-gają zmianom w zależności od aktualnego poziomu technicznego, akceptowalnego z punktu widzenia państw członkowskich Unii Europejskiej. Z przedsta-wionych analiz wytrzymałości zmęczeniowej osi ze-stawów kołowych, wynika konieczność utrzymywania jej na jak najwyższym poziomie, którą można zapew-nić stosując zabiegi technologiczne.

Literatura [1] Engelmann J., Wirtgen J., Nicolin J.: Europäisches

Aktionsprogramm für die Güterwagensicherheit. Ei-senbahntechnische Rundschau Nr. 11/2010.

[2] Gökcek E., Behrends V.: Automatisches Radsatzmo-nitoring für Güterwagen. ETR-Eisenbahntechnische Rundschau Nr.11/2010

[3] Grubisic V., Fischer V.: Sichere Bemessung von ICE-Radsatzwellen. Eisenbahntechnische Rund-schau, Nr.1-2, 2011

[4] Gumbiowski M., Poschmann I., Bowi M., Bardehle T.: Oberfläschenschutz von Radsätzen. Eisenbahnin-genieur Nr.9/2002.

[5] Hasslinger H.: Lastannahmen für Radsatzwellen–Bestandsanalyse. Eisenbahntechnische Rundschau. Nr. 12, 12.2009.

[6] Liedgens K.: Inspektionskonzept für Radsatzwellen bei der Hamburger Hochbahn. Eisenbahningenieur. Nr. 3/2010.

27


[7] Malkiewicz T.: Metaloznawstwo stopów żelaza. PWN Warszawa-Kraków. Wydanie III.1976.

[8] Murawa F., Winkler M..: Randschichtbehandelte Radsatzwellen. Eisenbahningenieur Nr.7 /2007.

[9] Richard A., Sander M., Wirxel M., Lebehahn J.: Ermitt-lung von Inspektionsinterwallen mittels Risswachs-tumsuntersuchungen. Eisenbahningenieur. Luty 2010.

[10] Sobaś M.: Diagnostyka osi zestawów kołowych ukła-dów biegowych pojazdów trakcyjnych i tocznych. Po-jazdy Szynowe nr 4/2010

[11] Sobaś M: Kryteria obiektywnej oceny prognozowa-nych stanów osi zestawów osi zesta- wów koło-wych pojazdów trakcyjnych. Pojazdy Szynowe nr 1/2011.

[12] Sobaś M: Zabiegi technologiczne zwiększające ży-wotność osi zestawów kołowych. Pojazdy Szynowe nr 4/2011

[13] EN 473: Kwalifikacja i certyfikacja personelu do badań nieniszczących. Ogólne zasady. Marzec 1993.

[14] EN 45013: Ogólne wymagania dotyczące opinii i akredytacji placówek certyfikujących (ISO/IEC Tom 61:1996).1998.

[15] Karta UIC 811-1: Warunki techniczne na dostawę osi zestawów kołowych dla pojazdów trakcyjnych i wagonów.

[16] Karta UIC 960: Kwalifikacja i certyfikacja personelu odpowiedzialnego za prowadzenie badań nieniszczą-cych elementów zespołów pojazdów szynowych w procesie ich utrzymania.2-gie wydanie z grudnia 2001.

[17] PN-EN 13103:2009: Kolejnictwo. Zestawy kołowe i wózki. Osie zestawów kołowych tocznych. Zasady konstrukcji.

[18] PN-EN 13104:2009: Kolejnictwo. Zestawy kołowe i wózki. Osie zestawów kołowych napędnych. Zasady konstrukcji.

[19] PN-EN 13261+A1:2011: Kolejnictwo. Zestawy ko-łowe i wózki. Osie. Wymagania dotyczące wyrobu.

[20] PN-93/K-91045: Pojazdy trakcyjne. Osie zestawów kołowych. Wymagania i badania.

[21] Raport ORE/ERRI B136/Rp.11/D: Zestawy kołowe z nasadzanymi łożyskami tocznymi. Konstrukcja, utrzymanie i standaryzacja. Obliczenie osi zestawów kołowych dla wagonów towarowych i osobowych. Utrecht, kwiecień 1979.

[22] OR-9666: „Diagnostyka układów biegowych pojaz-dów tocznych i trakcyjnych. IPS „Tabor” Wrzesień 2010.

28


dr inż. Zygmunt Marciniak Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”

Wykorzystanie urządzeń hydrostatycznych w układach napędowych spalinowych pojazdów trakcyjnych

typu autobus szynowy

Artykuł jest poświęcony układom napędowym stosowanym od wielu lat w po-jazdach szynowych pomocniczych i specjalnych. Zaprezentowano w nim ogólne opisy układów napędowych i wykorzystanych w nich urządzeniach hydrostatycznych w wózkach motorowych, pociągach sieciowych i do utrzy-mania sieci trakcyjnej oraz w pojazdach szynowo-drogowych. Wykorzystu-jąc doświadczenia zdobyte w projektowaniu układów napędowych pojazdów pomocniczych i specjalnych przedstawiono propozycje wykorzystania urzą-dzeń hydrostatycznych w budowie układów napędowych możliwych do za-stosowania w autobusach szynowych przeznaczonych do obsługi ruchu pa-sażerskiego na liniach drugorzędnych. W zakończeniu przedstawiono prze-widywane korzyści wynikające z zastosowania układów napędowych.

1. Wstęp Ostatnie lata charakteryzują się ożywieniem na rynku przewozów pasażerskich na liniach lokalnych, podmiejskich i regionalnych. Prowadzone są obecnie próby reaktywowania przewozów na liniach nieuży-wanych od wielu lat, które wymagać będą szczegóło-wych przeglądów i napraw w szczególności torów i podtorza, peronów, wiat i ewentualnie budynków stacyjnych oraz układów związanych ze sterowaniem ruchem kolejowym i bezpieczeństwem ruchu. Do prób przejęcia tych linii i wprowadzenia do ruchu pociągów pasażerskich obsługiwanych najczęściej lekkimi pojazdami trakcyjnymi (autobusami szyno-wymi) dążą zarówno prywatni operatorzy kolejowi jak i działające na rynku przewozowym i powstające koleje regionalne finansowane z funduszy marszał-kowskich. Przewoźnicy ci będą zapewne zainteresowani zaku-pem tanich, prostych w obsłudze i niezawodnych lekkich pojazdów o uproszczonej konstrukcji gwaran-tujących jednocześnie bezpieczeństwo eksploatacji dla przewożonych pasażerów i obsługi. Obecnie w kraju eksploatowane są lekkie pojazdy trakcyjne (autobusy szynowe) w których stosowane są następujące konfiguracje układów napędowych [1]:

• spalinowe z przekładnią hydrauliczną (hydro-mechaniczną)

• spalinowo-elektryczne z przekładnią elektrycz-ną

• elektryczne. Zdaniem autora należałoby rozważyć wdrożenia do eksploatacji również innych prostych i tanich lekkich pojazdów szynowych mających swój pierwowzór w autobusach drogowych wyposażonych w układy na-pędowe oparte na urządzeniach hydrostatycznych stosowanych ponadto w pociągach sieciowych, ma-

szynach torowych, wózkach motorowych oraz w nie-których konstrukcjach pojazdów szynowo-drogo-wych. Pozwoliłoby to również na zmniejszenie ceny pojazdu oraz obniżenie kosztów eksploatacyjnych. Do rozwa-żenia jest również wprowadzenie tego typu układów dla autobusów szynowych wycofywanych z eksplo-atacji. W dalszej części artykułu postaramy się przedstawić koncepcje układów napędowych w oparciu o lekkie silniki spalinowe, pompy i silniki hydrostatyczne jako alternatywa do stosowanych obecnie układów napę-dowych autobusów szynowych.

2. Układy napędowe hydrostatyczne pojazdów pomocniczych, specjalnych oraz pojazdów szynowo-drogowych

Układy napędów hydrostatycznych są stosowane przede wszystkim do napędu pojazdów pomocniczych i specjalnych takich jak wózki motorowe, pociągi sieciowe, pojazdy do utrzymania torów, pojazdy do utrzymania sieci i oświetlenia oraz pojazdy szynowo-drogowe. Należy również zaznaczyć, że napędy hy-drostatyczne stosowane są z powodzeniem w zagra-nicznych lekkich lokomotywach spalinowych prze-znaczonych do prac manewrowych oraz prowadzenia pociągów osobowych (najczęściej w ruchu turystycz-nym) w trudnych terenach górskich i podgórskich. Obecnie w kraju napędy hydrostatyczne zastosowane zostały w pojazdach pomocniczych i specjalnych produkowanych przez Zakład Pojazdów Szynowych w Stargardzie Szczecińskim [8, 9. 10, 11] oraz w po-jeździe szynowo-drogowym przeznaczonym do

29


oczyszczania infrastruktury tramwajowej opracowa-nym i wykonanym na bazie samochodu Iveco Euro-cargo Model 140E18W przez Instytut Pojazdów Szy-nowych „Tabor” w Poznaniu [4]. Identyczne napędy w pojazdach szynowo-drogowych zostały zastosowane w samochodach Iveco produko-wanych przez firmy „Astride” Costamasnaga S.A. i „Sivć” S.A. (Włochy) oraz w samochodach firmy Mercedes wykonanych przez Spezialfahrzeugaufbaut und Kabeltechnick GmbH z Halle (Niemcy) oraz Sta-dler – Fahrzeuge A G Bussnang (Szwajcaria) [3].

2.1. Układ napędowy wózka motorowego WM-15H.00

Układ napędowy wózka motorowego typu WM-15.00 składa się z silnika spalinowego, przystawki napędo-wej, przekładni osiowej oraz hydraulicznego układu napędu jazdy [10]. Wysokoprężny silnik spalinowy firmy Deutz o mocy 240 kW napędza poprzez koło zamachowe i sprzęgło podatne zespół pomp hydraulicznych wy-twarzających ciśnienie w obwodach hydrauliki jazdy oraz hydrauliki roboczej pojazdu. Przekładnie osiowe zamontowane na obu zestawach kołowych są przekładniami dwustopniowymi kąto-wymi – pierwszy stopień tworzy para kół zębatych stożkowych, drugi natomiast para kół zębatych wal-cowych. Przekładnia jest zawieszona na ramie wózka za pośrednictwem elastycznego ciągła. Układ hydrauliczny napędu jazdy składa się z:

• wysokociśnieniowej pompy tłokowo-osiowej o zmiennym wydatku i zmiennym kierunku tło-czenia

• wysokociśnieniowych tłokowych silników hy-draulicznych o zmiennej chłonności oleju, mo-cowanych za pośrednictwem przystawki napę-dowej do przekładni osiowej

• chłodnicy powietrznej z wentylatorem napę-dzanym oraz zbiornika oleju

• sterownika elektronicznego umożliwiającego w sposób automatyczny sterowanie wydatkiem pompy hydraulicznej z zależności od obciąże-nia oraz prędkości jazdy wózka

• bloku zaworowego zabezpieczającego silnik spalinowy przed nadmiernym i niekontrolo-wanym wzrostem obrotów podczas hamowania hydraulicznego .

Sterowanie jazdą wózka może być automatyczne lub ręczne. Zastosowany w wózku układ biegowy jest układem typowym dla wagonów towarowych dwuosiowych i umożliwia eksploatację pojazdu z prędkościami do 80 km/h. Widok ogólny wózka motorowego oraz układu napę-dowego przedstawiono na rys. 1.

a)

b)

Rys. 1 – Wózek motorowy typu WM-15H.00 (a) wraz z układem napędowym (b)

2.2. Układ napędowy pociągu sieciowego PS-00. M/B i pojazdu do utrzymania sieci i oświetle-nia PUSiO.05

Hydrostatyczny układ napędowy pociągów siecio-wych typu PS-00.M/B oraz pojazdu do utrzymania sieci i oświetlenia typu PUSiO.05 składa się z silnika spalinowego, przekładni osiowej oraz hydraulicznego układu napędu jazdy. W pojeździe typu PS-00.M/B zastosowano silnik spa-linowy wysokoprężny firmy Deutz typu TCD 2015 V 064V o mocy 240 kW natomiast w pojeździe PU-SiO.05 silnik spalinowy firmy Deutz typu TCD 2013 o mocy 181 kW [8, 11]. W obu pojazdach zabudowano ten sam typ przekładni osiowej typu P-35. Jest to dwustopniowa przekładnia zębata o kołach walcowych, zębach prostych oraz osiach równoległych i służy do przeniesienia napędu z silnika hydrostatycznego na koła jezdne oraz do roz-łączenia napędu na czas transportu pojazdów w skła-dzie pociągu lub holowania. Hydrauliczny układ napędu jazdy składa się z pompy hydraulicznej, dwóch silników hydrostatycznych, chłodnicy i zbiornika oleju oraz elektronicznego ste-rownika i jest identyczny jak dla wózka motorowego typu WM-15H.00. Sterowanie jazdą może odbywać się w sposób auto-matyczny, ręczny oraz za pośrednictwem fal radio-wych. Układ jezdny obu pojazdów jest zbudowany z dwóch zestawów kołowych napędnych, które prowa-dzone są przez układ prowadników wzdłużnych. Układ zawieszenia jest jednostopniowy wykorzystu-jący sprężyny śrubowe oraz tłumiki hydrauliczne. Widok ogólny pojazdów PS-00.M/B i PUSiO.05 oraz zastosowanego w nich układu napędowego przedsta-wiono na rys. 2.

30


Rys. 2 – Pociąg sieciowy PS-00.M/B (a) i pojazd do utrzymania sieci i oświetlenia PUSiO. (b)

oraz zastosowany w nich układ napędowy (c)

a)

b)

c)

2.3. Układ napędowy uniwersalnego ciągnika szy-nowego UCS-40.00

Układ napędowy uniwersalnego ciągnika szynowego typu UCS-40.00 tworzą [9]:

• wysokoprężny silnik spalinowy firmy Caterpil-lar typu C18 ACERT o mocy 522 kW

• przekładnie osiowe dwustopniowe, zębate o ko-łach walcowych, zębach prostych i osiach rów-noległych (identyczne jak dla pojazdów PS-00.M/B i PUSiO.05)

• hydrauliczny układ napędu jazdy składający się z dwóch pomp hydraulicznych, czterech silni-ków hydrostatycznych, dwóch chłodnic oleju, zbiornika oleju oraz elektronicznego sterownika jazdy.

Układ biegowy ciągnika tworzą dwa dwuosiowe wózki typu 27TN i 27TNa zaprojektowane specjalnie dla maszyn torowych. Widok ogólny uniwersalnego ciągnika szynowego typu UCS-40.00 oraz zastosowanego w nim układu napędowego przedstawiono na rys. 3.

a)

b)

Rys. 3 – Uniwersalny ciągnik szynowy typu UCS-40.00 (a) i zastosowany w nim układ napędowy (b)

2.4. Układ napędowy pojazdu szynowo-drogowego TC do oczyszczania infrastruktury tramwajo-wej

Układ napędowy pojazdu szynowo-drogowego typu TC do oczyszczania infrastruktury tramwajowej skła-da się z pompy hydrostatycznej o zmiennej wydajno-ści i zmiennym kierunku tłoczenia napędzanej z silni-ka spalinowego o mocy 134 kW bazowego samocho-du Iveco Eurocargo [4]. Pompa hydrostatyczna napę-dza osiowe silniki hydrostatyczne pracujące w ukła-dzie szeregowym [5]. Silniki hydrostatyczne (bez hamulca, z hamulcem) przykręcane są bezpośrednio do wahaczy. Napęd z silników hydrostatycznych jest przekazywany na rolkę jezdną za pośrednictwem spe-cjalnej tarczy łożyskowanej w wahaczu. Widok ogólny pojazdu szynowo-drogowego wraz z widokiem na przedni układ napędowy przedstawiono na rys. 4.

a)

Rys. 4 – Pojazd szynowo-

drogowy typu TC do

oczyszczania infrastruktury tramwajowej (a) oraz jego przedni układ napędowy (b)

b)

31


Prędkości eksploatacyjne przedstawionych pojazdów są niewielkie i nie przekraczają 80 km/h. Nie oznacza to, że w innej konfiguracji nie będzie można jej zwiększyć do około 100 ÷ 110 km/h, a więc wystarczającej dla lekkich pojazdów szynowych przeznaczonych do eksploatacji w ruchu pasażerskim na liniach drugorzędnych [6, 7].

3. Koncepcje układów napędowych z wykorzy-staniem urządzeń hydrostatycznych

Eksploatacja układów napędowych hydrostatycznych w pojazdach pomocniczych pozwala na „optymizm” w ich zastosowaniu również w napędach lekkich po-jazdów, zwanych autobusami szynowymi, przezna-czonych przede wszystkim do wykorzystania w ruchu pasażerskim na liniach drugorzędnych i wydzielo-nych. Wprowadzenie nowego typu napędu może dać nastę-pujące korzyści [2]:

• obniżenia masy pojazdów w wyniku rezygnacji z ostrych wymagań wytrzymałościowych

• uproszczenia układów pociągowo-zderznych (np. jak dla tramwajów)

• wycofania z pojazdów części urządzeń związa-nych z bezpieczeństwem ruchu

• rezygnacja ze skomplikowanych urządzeń reje-strujących

• uproszczenia układu hamulca (możliwe zasto-sowanie hamulca pneumatycznego lub hydrau-licznego)

• uproszczenia układów sterowania i diagnostyki (w tym rezygnacja ze sterowania wielokrotne-go).

Nowe układy napędowe byłyby oparte o urządzenia (pompy i silniki) hydrostatyczne, które znalazły zasto-sowanie również w pomocniczych maszynach toro-wych i sieciowych [3 ÷ 11]. Pierwszy i drugi z układów zaprezentowanych na rys. 5 i 6 jest układem tradycyjnym z jedną pompą i dwo-ma silnikami hydrostatycznymi możliwym do zasto-sowania w lekkim pojeździe szynowym (jednoczło-nowym autobusie szynowym) z wózkami dwuosio-wymi.

Rys. 5 –Układ napędowy z jedną pompą i dwoma silnikami hydrostatycznymi szybkoobrotowymi o zmiennej chłonności: 1 –

silnik spalinowy; 2 – pompa hydrostatyczna; 3 – silnik hydrostatyczny; 4 – przekładnia osiowa; 5 – zestaw kołowy

toczny; 6 – zestaw kołowy napędny

Rys. 6 –Układ napędowy z jedną pompą i dwoma silnikami hydrostatycznymi szybkoobrotowymi o zmiennej chłonności

(napęd na jeden zestaw kołowy) 1 – silnik spalinowy; 2 – pompa hydrostatyczna; 3 – silnik hydrostatyczny; 4 – przekładnia

osiowa; 5 – zestaw kołowy napędny; 6 – zestaw kołowy toczny.

Natomiast trzeci (o konfiguracji podobnej dla pojaz-dów szynowo-drogowych) wymagać będzie przebu-dowy wózków trakcyjnych i zastosowania kół (rezy-gnacja z całkowitych osi) z indywidualnym napędem.

Rys. 7 –Układ napędowy z silnikami hydrostatycznymi zamonto-wanymi na osiach kół 1 – silnik spalinowy; 2 – pompa hydrosta-

tyczna; 3 – silnik hydrostatyczny.

Biorąc pod uwagę możliwości pomp i silników hydro-statycznych można by było podjąć próbę wprowadze-nia napędów hydrostatycznych (dla autobusów jedno- i dwuczłonowych) z wykorzystaniem takich urządzeń. W układach tych możliwe byłoby do zastosowania przekładnie osiowe przedstawiono na rys. 8.

Rys. 8 –Układ przekładni osiowych a – dwustopniowa (stożkowa i walcowa); b – jednostopniowa

(stożkowa); c – jednostopniowa (walcowa); d – dwustopniowa (walcowa)

4. Wstępny dobór urządzeń hydrostatycznych oraz określenie charakterystyki trakcyjnej

Dla udowodnienia możliwości wykorzystania urzą-dzeń hydrostatycznych w układzie napędowym typo-wego (eksploatowanego) autobusu szynowego prze-prowadzono wstępną analizę i obliczenia symulacyjne dla następujących danych wyjściowych autobusu jed-noczłonowego:

– masa własna / z pasażerami 47/57 Mg – max. siła pociągowa 85 kN

32


• max. prędkość eksploatacyjna 120 km/h • przełożenie przekładni ≤ 7 • promień koła 920 mm • liczba osi 2 ÷ 4 • moc silnika spalinowego 380 ÷ 400 kW • prędkość obrotowa silnika spalinowego

600 ÷ 2100 obr/min. Wyniki analizy wykazały, że istnieje możliwość realizacji napędu hydrostatycznego z wykorzystaniem dwóch pomp hydrostatycznych typu A4V6 175/40 o mocy 346,3 kW oraz czterech silników hydrostatycznych typu A6VM280/71 firmy Rexroth Bosch [12, 13]. Uzyskane parametry dla autobusu jednoczłonowego z wózkami dwuosiowymi przedstawiono w tabeli 1, a charakterystykę trakcyjną na rys. 9.

Rys. 9 – Charakterystyka trakcyjna autobusu szynowego jednoczłonowego z wózkami dwuosiowymi

Dobrane główne urządzenia hydrostatyczne układu napędowego przedstawiono na rys. 10, a propozycje układu napędowego dla autobusu jednoczłonowego na rys. 11.

Rys. 10 – Główne urządzenia hydrostatyczne w proponowanym układzie napędowym hydrostatycznym a)– pompa hydrostatyczna typu A4VG 175/40 o mocy 364,3 kW; b) – silnik hydrostatyczny

A6WM280/71

a) b)

Rys. 11 – Propozycja układu napędowego autobusu szynowego jednoczłonowego z dwoma napędnymi wózkami dwuosiowymi :1 – silnik spalinowy; 2 – pompa hydrostatyczna; 3 – silnik hydrosta-tyczny; 4 – przekładnia osiowa; 5 – zestaw kołowy napędny; 6 – prądnica (alternator); 7 – sprężarka; 8 – sterownik mikroproceso-

rowy

Dla autobusu szynowego dwuczłonowego proponu-jemy układ zdwojony przy czym moce pomp i silni-ków hydrostatycznych będą dwukrotnie wyższe. Pro-pozycję takiego układu napędowego w zastosowaniu do autobusu dwuczłonowego z dwoma dwuosiowymi wózkami napędowymi przedstawiono na rys. 12.

Rys. 12 – Propozycja układu napędowego autobusu szynowego jednoczłonowego z dwoma napędnymi wózkami dwuosiowymi 1

– silnik spalinowy; 2 – pompa hydrostatyczna; 3 – silnik hydrosta-tyczny; 4 – przekładnia osiowa; 5 – zestaw kołowy napędny; 6 – zestaw kołowy toczny; 6 – prądnica (alternator); 8 – sprężarka; 9

– sterownik mikroprocesorowy

Nie należy również wykluczyć innych konfiguracji układów napędowych np. w zastosowaniu do autobu-sów szynowych wyposażonych w wózki jednoosiowe.

5. Podsumowanie W pojazdach do przewozu pasażerów na liniach dru-gorzędnych wykorzystywane lekkie pojazdy szynowe (autobusy) wyposażone są najczęściej w przekładnie hydrauliczne, a następnie w przekładnie elektryczne, przy czym jednostką napędową pozostaje zawsze silnik spalinowy. Należy jednak zastanowić się nad innym rodzajem napędu wykorzystującego pompy i silniki hydrostatyczne. Byłoby to alternatywne roz-wiązanie dla nowych rodzajów napędów, a jednocze-śnie uproszczenie układu w którym zastosowano by mniej skomplikowane i łatwiejsze w utrzymaniu urządzenia hydrostatyczne. Ponadto uproszczeń należy się spodziewać w innych systemach i układach pojazdów takich jak np.: układy sterowania, hamulcowe oraz obniżenia wymagań w zakresie wytrzymałości konstrukcji, urządzeń pocią-gowo-zderznych oraz układów związanych z bezpie-czeństwem ruchu i rejestracją parametrów pracy po-jazdu.

33


O wdrożeniu takich układów zarówno dla autobusów nowych jak i modernizowanych zdecyduje przede wszystkim rachunek ekonomiczny oraz zaintereso-wanie użytkowników takim rodzajem pojazdów do przewozu pasażerów.

Literatura

[1] Marciniak Z.: Propozycja układu napędowego dla krajowych autobusów szynowych do ruchu regio-nalnego Pojazdy Szynowe 2004, nr 2.

[2] Marciniak Z.: Układy napędowe lekkich pojazdów szynowych z wykorzystaniem urządzeń hydrosta-tycznych. Materiały XIX Konferencji Naukowej „Pojazdy Szynowe” Targanice/k. Andrychowa, 2010.

[3] Marciniak Z., Medwid M.: Pojazdy szynowo-drogowe. Wydawnictwo Ośrodka Badawczo-Rozwojowego Pojazdów Szynowych, Poznań, 1999.

[4] Medwid M., Przepióra K.: Pojazd szynowo-drogowy do oczyszczania infrastruktury tramwa-jowej. Pojazdy Szynowe, 2003, nr 4.

[5] Pomierski W.: Hydrostatyczny napęd jazdy oraz roboczy pojazdu szynowo-drogowego do oczysz-czania infrastruktury tramwajowej. Pojazdy Szy-nowe 2004, nr 3 i 4.

[6] Pomierski W.: Analiza wybranych hydrostatycz-nych napędów jazdy pod kątem ich własności trak-cyjnych. Materiały Seminarium Technicom 05, Gdańsk 2005.

[7] Pomierski W.: Hydrostatyczny napęd jazdy i robo-cze w wybranych budowanych w kraju maszynach torowych. Materiały Seminarium PPM-T Gdańsk, 2006.

[8] Dokumentacja techniczno-ruchowa pociągu sie-ciowego typu PS-00.M/B, PS-00.M/B-80-0. Mate-riały ZPS Stargard Szczeciński.

[9] Dokumentacja techniczno-ruchowa i instrukcja obsługi uniwersalnego ciągnika szynowego typu UCS-40.00. Materiały ZPS Stargard Szczeciński.

[10] Dokumentacja techniczno-ruchowa – Instrukcja obsługi wózka motorowego typu WM-15H.00, WM-15H.00-80-0. Materiały ZPS Stargard Szcze-ciński.

[11] Dokumentacja techniczno-ruchowa – Instrukcja obsługi pojazdu utrzymania sieci i oświetlenia typu PUSiO.05, PUSiO.05-80-0. Materiały ZPS Star-gard Szczeciński.

[12] Axial Piston Variable Pump A4VG. Katalog pomp hydrostatycznych firmy Rexroth Bosch.

[13] Axial Piston Variable Pump A4VM. Katalog silni-ków hydrostatycznych formy Rexroth Bosch.

34


dr inż. Stanisław Bocian mgr inż. Jerzy Frączek mgr inż. Mieczysław Stypka Instytut Pojazdów Szynowych "TABOR"

W artykule omówiono urządzenie służące do symulacji w określonym zakresie pracy układu hamulcowego pojazdu szynowego. Omawiane urządzenie jest zbudowane na bazie odpowiednio oprogramowanego sterownika programowalnego PLC. Konfiguracja urządzenia jest realizowana przez program omówiony w [1], który w tym celu został rozbudowany o potrzebne funkcje. Układ pracuje w ramach komunikacyjnej sieci przemysłowej CANopen [2] wykorzystywanej obecnie w układach sterująco – pomiarowych pojazdów szynowych. Celem budowy tego urządzenia jest umożliwienie testowania w warunkach laboratoryjnych niektórych aspektów tworzonych układów sterujących hamulca. Artykuł powstał w wyniku realizacji Projektu Badawczego MN i SzW nr N N509 398236 „Mikrosystemy cyfrowe do inteligentnego, rozproszonego i współbieżnego sterowania pojazdami szynowymi”.

Urządzenie symulujące pracę układu hamulcowego pojazdu szynowego

1. Wprowadzenie Niniejszy opis dotyczy urządzenia symulującego w określonym zakresie pracę układu hamulcowego pojazdu trakcyjnego. Urządzenie generuje dwa przebiegi prądowe w zakresie 4..20mA. Odpowiadają one przebiegom wyjściowym dwóch przetworników ciśnienia mierzących ciśnienia realizowane przez układ hamulcowy. Urządzenie symuluje układ hamulcowy wyposażony w sterownik pracujący w sieci CANopen. Oznacza to, że odbiera od układu nadrzędnego takie same zlecenia jak układ rzeczywisty (przez sieć CANopen) i na swoich wyjściach wytwarza przebiegi sygnałów odpowia-dające rzeczywistym przebiegom ciśnień. Typowo są to ciśnienia: w przewodzie głównym i w cylindrze hamulcowym. Obecnie przebiegi są realizowane w sposób przybliżony czyli jako zmieniające się liniowo w czasie. Omawiane urządzenie jest zrealizowane na bazie ste-rownika programowalnego PLC firmy WAGO (p.2). Program sterownika Copn_s2 został napisany w środowisku WAGO – IO – Pro32 wersja 2.1.

2. Konfiguracja sprzętowa sterownika Urządzenie zbudowano z elementów wchodzących w skład systemu modułowego WAGO – I/O – SYSTEM 750 firmy WAGO. Niezbędny zestaw modułów, to: – 750-837 moduł sterownika programowalnego i wę-zła sieci CANopen [5] – moduł wyjść analogowych 0..20 mA – 750-552 (2 wyjścia 0..20mA) lub – 750-553 (4 wyjścia 0..20mA) – 750-600 moduł końcowy.

3. Konfiguracja sterownika jako węzła sieci CANopen Omawiane urządzenie współpracuje z komputerem (lub sterownikiem) zewnętrznym za pośrednictwem sieci CANopen. W celu zapewnienia poprawnej współpracy elementy CANopen muszą być odpo-wiednio skonfigurowane. Do wykonania tego zadania można użyć dowolnego programu konfiguracyjnego CANopen. Szczególne ułatwienia zawiera program Copn_m [1]. Konfiguracja dotyczy głównie obiektów Pdo służą-cych do wymiany informacji. Konfiguracja polega na wykonaniu odpowiednich zapisów w słowniku obiek-tów węzła CANopen za pomocą serwisu Sdo [1,2].

Oprogramowanie systemowe CANopen sterow-nika WAGO zawiera standardowy układ obiektów RPdo1..4 i TPdo1..4 [1]. Konfiguracja dodatkowych obiektów Pdo obejmuje przydzielenie tym obiektom identyfikatorów COB – ID. Identyfikatory te są przy-dzielane zgodnie z zasadą opisaną w [3], p.4.2.

4. Oprogramowanie sterownika Sterownik ma załadowany program WG_Copn_s2, który realizuje dwie funkcje. Funkcją główną jest symulacja sygnałów wyjściowych dwóch przetworni-ków ciśnienia pracujących w układzie hamowania. Funkcją pomocniczą jest edycja i modyfikacja tablic zawierających dane dla realizacji funkcji głównej.

4.1. Symulacja przetworników ciśnienia Program steruje dwoma wyjściami analogowymi, prądowymi 4..20mA. Sygnały wyjściowe symulują sygnały wyjściowe dwóch przetworników ciśnienia.

35


Symulowane ciśnienia oznaczane są pMG i pMC (ciśnienie w przewodzie głównym i cylindrze hamul-cowym). Przyjmuje się, że charakterystyka symulo-wanych czujników jest liniowa i przechodzi przez punkty: 0 kPa – 4 mA, 1000 kPa – 20 mA.

Program steruje zmianami sygnałów wyjścio-wych zgodnie ze zleceniami odbieranymi przez sieć CANopen. Zlecenia informują o wymaganym typie badania oraz o położeniu nastawnika hamowania. Dla każdego typu badania jest określona na stałe liczba położeń nastawnika. Dla każdego położenia nastawni-ka są określone cztery wielkości: – wartość ciśnienia przy zwiększaniu stopnia hamo-wania [kPa] – wartość ciśnienia przy zmniejszaniu stopnia hamo-wania [kPa] – tempo zmiany ciśnienia [kPa/s] lub czas dojścia do

ciśnienia [s] przy zwiększaniu stopnia hamowania – tempo zmiany ciśnienia [kPa/s] lub czas dojścia do

ciśnienia [s] przy zmniejszaniu stopnia hamowa-nia.

Obecnie standardowy zestaw danych jest przygotowany pod kątem badań układu hamulcowego i obejmuje realizację pięciu typów badań: – HZ – hamulec zespolony – HD – hamulec dodatkowy – HN – hamowanie nagłe – PS – próba szczelności – WC – wyrównywanie ciśnień

Program steruje zmianami sygnałów wyjścio-wych zgodnie ze zleceniami odbieranymi przez sieć CANopen. Zlecenia są przesyłane do sterownika za pomocą dwóch obiektów: Pdo5 i Pdo6. Są to zlecenia analogiczne do zleceń wysyłanych przez rzeczywisty układ sterujący hamulcem do ste-rownika wykonawczego hamulca.

4.2. Możliwości modyfikacji bazy danych sterownika W programie są zapisane tablice zawierające standar-dowe dane (ciśnienia i tempa zmiany lub czasy) dla wszystkich typów danych. Podczas pracy programu dane te mogą być edytowane i modyfiko-wane. Po zresetowaniu programu tablice przyjmują na powrót wartości standardowe. Powyższa edycja i modyfikacja bazy danych sterow-nika jest wykonywana za pomocą programu [1] pracu-jącego na komputerze PC i również włączonego do sieci CANopen. W stosunku do wersji opisanej w [1] program został rozszerzony o funkcję umożliwiającą wygodną realizację powyższego zadania. Rys. 1 przedstawia okno programu, które pokazuje prawi-dłowe wartości ciśnienia. Rys. 2 przedstawia okno programu, które pokazuje nieprawidłowe wartości ciśnienia. Dodatkowo z poziomu tego programu (rys. 1 i 2), na karcie 'Sterowanie ręczne' można ustawiać dowolne stany wyjść symulatora i zlecać realizację przebiegów ciśnień.

Rys. 1. Zestaw danych dla próby z prawidłowymi wartościami ciśnień MG i MC.

Rys. 2. Zestaw danych dla próby z nieprawidłowymi wartościami ciśnień MG i MC.

5. Przykład współpracy symulatora z rzeczywistym układem sterownia hamulcem Na rysunku 3 przedstawiony jest schemat blokowy współpracy symulatora ciśnień ze sterownikiem pneumatyki. W układzie tym można testować wybra-ne fragmenty algorytmu związane z próbami hamul-cowymi. Dla przeprowadzenia wybranych prób ukła-du pneumatycznego w założonym zakresie zaangażo-wane są następujące elementy układu sterowania: – sterownik główny lokomotywy (MASTER), – sterownik pneumatyki (SLAVE1), – symulator ciśnień tablicy pneumatycznej (SLAVE2), – symulator manipulatorów pulpitowych i paneli ope-ratorskich, – komputer serwisowy.

Rys. 3. Schemat blokowy współpracy symulatora ze sterownikiem pneumatyki

SYMULATOR MANIPULATORÓW

PULPITOWYCH I PANELI OPERATORSKICH

KOMPUTER SERWISOWY

RS232

SYMULATOR CIŚNIEŃ TABLICY PNEUMATYCZNEJ

SLAVE 2 WY ANALOG

RS232

STEROWNIK PNEUMATYKI

SLAVE 1

WE ANALOG

STEROWNIK GŁÓWNY

MASTER

MGMC

Magistrala CAN OPEN

36


Na rysunku 4 przedstawiona jest realizacja sprzętowa układu przedstawionego na rysunku 3.

Rys 4. Schemat montażowy symulatora układu pneumatycznego lokomotywy

W układzie na rysunku 4 zastosowano następujące sterowniki: 1. Master – sterownik mikroprocesorowy CPU 723–T

+ moduł 8 wyjść cyfrowych DOT701 + moduł 8 wejść cyfrowych DIT 701

2. Slave 1 – sterownik CPU 723–T + moduł 8 wyjść cyfrowych DOT701 + moduł 8 wejść analogowych AIT 701 + moduł 8 wejść cyfrowych DIT 701

3. Slave 2 – sterownik WAGO + moduł wejść cyfrowych + moduł wyjść cyfrowych + moduł 2 wyjść analogowych. Na rysunku 5 przedstawiono widok aplikacji

Symulator Manipulatorów i Pulpitu za pomocą której możemy generować sygnały po RS232 odpowiadające wybranym stanom z manipulatorów lub z panelu. Umożliwia to wstępne testowanie algorytmów sterowników mikroprocesorowych bez rozbudowania układu. Właściwa weryfikacja algorytmów powinna być realizowana w układzie jak najbardziej zbliżonym do układu docelowego.

Przy pomocy pól poniżej napisu „Generowanie stanu wejść cyfrowych” można wstawić stan 40 sygnałów binarnych odpowiadających potrzebnym dla danej próby sygnałom cyfrowym z manipulatorów lub z panelu. Przy pomocy pól poniżej napisu „Generowanie stanu wejść analogowych” można zadać wartości 8 sygnałów analogowych (ciśnień). W tabeli „ODEBRANE DANE” można obserwować na bieżąco wszystkie zmienne cyfrowe (wejściowe i wyjściowe) oraz analogowe z testowanego sterownika mikroprocesorowego, które równolegle zapisywane są na dysku komputera.

Rys 5. Aplikacja Symulatora Manipulatorów i Pulpitu [6]

Za pomocą powyższej aplikacji możemy przeprowadzić różne testy w zależności od potrzeb. Możemy programowo wybrać próbę ręczną i próbę automatyczną. Próba ręczna (PR_HZ) wymaga zmia-ny stopni hamowania hamulca zespolonego lub ha-mulca dodatkowego przez operatora a zmiany ciśnień realizowane są automatycznie według założonego programu przez SYMULATOR CIŚNIEŃ TABLICY PNEUMATYCZNEJ. Przy próbie automatycznej (PR_HZ) zmiany stopni hamowania hamulca zespolo-nego realizowane są automatycznie, a zmiany ciśnień realizowane są również automatycznie jak powyżej.

Opisano przebieg próby hamulca zespolonego przy realizowaniu zestawu 1 (rys. 1) z prawidłowymi wartościami ciśnień w cylin-drach hamulcowych MC i ciśnienia w przewodzie głównym MG oraz przy realizowaniu zestawu 2 (rys 2) z nieprawidłowymi wartościami ciśnień MC i MG. Sterownik główny otrzymuje sygnały z symulatora manipulatorów pulpitowych i panelu operatorskiego dotyczące rodzaju próby i sposobu jej przeprowadze-nia. Sygnały te przesyłane są do sterownika pneuma-tyki, który realizuje odpowiedni algorytm wybranej próby i do symulatora ciśnień, który generuje przebie-gi ciśnień według wywołanego scenariusza. Przebieg całej próby jest rejestrowany przez komputer serwi-sowy na dysku. Po zakończeniu próby zapisany plik umożliwia dokładną analizę próby i wyeliminowanie ewentualnych błędów algorytmu lub programu.

Dla uproszczenia algorytmu przyjęto, że Pró-ba PR_HZ składa się z 16 kroków. Przed końcem danego kroku (pojawia się sygnał FOCENA – Flaga Oceny) realizowana jest ocena częściowa próby (oce-na danego stopnia) a po dojściu do ostatniego 16 kro-ku realizowana jest ocena końcowa. Ocena końcowa próby widoczna jest do momentu zakończenia próby czyli zmiany sygnału PR_HZ na 0. W tabeli 1 przed-stawiono program działania hamulca zespolonego według którego realizowano próbę PR_HZ. Próba stopniowania hamulca zespolonego polega na zmianie kolejnych stopni hamowania od pozycji wyluzowanego hamulca (L – dla dia_ham1) do maksymalnego stopnia hamowania (tutaj przyjęto 7 stopni hamowania) i następnie z powrotem do pozycji LvJ (dia_ham2) „pozycja jazdy”. Daje to 16 kroków a w każdym z nich następuje zmiana stopnia hamowania oraz zmiana ciśnień. W każdym kroku realizowana jest przez sterownik pneumatyki ocena zarówno dla ciśnienia MC jak i dla ciśnienia MG. Nieprawidłowy stan jest zapamiętywany i po przejściu całej procedury generowana jest ocena negatywna dla danej próby. Ocena pozytywna jest wtedy gdy nie ma w kolejnych krokach żadnej oceny negatywnej. Na rysunku 6 przedstawiony jest przebieg sygnałów związanych z daną próbą. Na rysunku 7 przedsta-wiony jest przebieg próby z prawidłowymi ciśnienia-mi a na rysunku 8 przebieg z nieprawidłowymi ciśnie-niami.

37


Tabela 1. Przykładowy program działania manipulatora hamulca zespolonego

Stan zaworów elektropneumatycznych Sygnały dla SLAVE2

Funkcja hamulca zespolonego

HS0

HS1

HS2

HS3

LvJ

L

HN

rosnące st.Ham

malejące st.Ham

Luzowanie 0 0 0 0 1 1 1 dia_ham1

Jazda (stan gotowości) 0 0 0 0 0 1 1 dia_ham2

dia_ham2

I stopień 1 1 0 0 0 0 1 dia_ham3

dia_ham3

II stopień 1 0 1 0 0 0 1 dia_ham4

dia_ham4

III stopień 1 1 1 0 0 0 1 dia_ham5

dia_ham5

IV stopień 1 0 0 1 0 0 1 dia_ham6

dia_ham6

V stopień 1 1 0 1 0 0 1 dia_ham7

dia_ham7

VI stopień 1 0 1 1 0 0 1 dia_ham8

dia_ham8

Hamowanie stopniowe

VII stopień 1 1 1 1 0 0 1 dia_ham9

Hamowanie nagłe Stan dowolny 0 1 – zawór elektropneumatyczny wzbudzony 0 – zawór elektropneumatyczny nie wzbudzony

Sygnały cyfrowe od zadajnika do sterownika pneuma-tyki biorące udział w próbie HZ HSO, HS1, HS2, HS3, LvJ,L,HN

Rys 6. Przebieg sygnałów podczas próby hamulca zespolonego PR_HZ

FOCENA – sygnał dla oceny danego stopnia hamo-wania, ocena realizowana jest po pojawieniu się zbo-cza dodatniego sygnału, korelacja pomiędzy sygnałem FOCENA o stopniami hamowania przedstawiona jest na rysunku 6. LvJ, L, HS0, HS1, HS2, HS3 – sygnały generowane automatycznie według tabeli 1 Dla lepszej widoczności przebiegi cyfrowe FOCENA, LvJ, L, HS0, HS1, HS2, HS3 i PR_HZ są przesunięte o 10 jednostek i pomnożone przez 5. Skala osi x wy-rażona jest w cyklach sterownika mikroprocesorowe-go przy czym 1 cykl = 100 ms. Przedstawiony prze-bieg trwający 2500 cykli oznacza czas próby 250 s. Użyte skróty oznaczają: PR_HZ – wybór próby hamulca zespolonego OMG_N – ocena ciśnienia MG dla danego stopnia hamowania, w przypadku oceny negatywnej sygnał OMG_N=1 OMC_N – ocena ciśnienia MC dla danego stopnia hamowania, w przypadku oceny negatywnej sygnał OMC_N=1 OK_P – ocena końcowa próby, gdy jest pozytywna sygnał OK._P = 1 OK_N – ocena końcowa próby, gdy jest negatywna sygnał OK._N = 1 Na rysunku 7 przedstawiony jest przebieg próby ha-mulca zespolonego gdy wartości ciśnień dla odpo-wiednich stopni hamowania są prawidłowe i ocena końcowa próby jest pozytywna.

38


Rys 7. Przebieg próby hamulca zespolonego przy prawidłowej wartości ciśnień MC i MG

Na rysunku 7 wszystkie wartości dla kolejnych przejść są prawidłowe i oceny kolejnych kroków OMC_N, OMG_N są równe 0. W przypadku gdy wszystkie oceny pośrednie są pozytywne to końcowa ocena też jest pozytywna. Na rysunku 8 wartości 2 stopni hamowania nie mają prawidłowej wartości ciśnienia MG i MC dla tych przypadków ocena pośrednia OMG_N i OMC_N ma wartość 1. W przypadku gdy tylko jedna ocena po-średnia ma wartość 1 to końcowa ocena jest negatyw-na

Rys 8. Przebieg próby hamulca zespolonego przy nieprawidłowej wartości ciśnień MC i MG

Podsumowanie W opracowaniu przedstawiono wykorzystanie SY-MULATORA CIŚNIEŃ TABLICY PNEUMA-TYCZNEJ do testowania algorytmu prób hamulca zespolonego. Po dodaniu kolejnych wyjść analogo-wych do układu symulatora można włączyć do testo-wania dodatkowe sygnały ciśnień. Przez odpowiedni dobór testów zapisanych do symulatora można wszechstronnie sprawdzić działanie algorytmu dia-gnostyki tablicy pneumatycznej. Mimo, że końcowym sprawdzianem działania algorytmu są jego testy na obiekcie rzeczywistym, to jednak zastosowanie symu-latora umożliwi wyeliminowanie błędów na etapie wcześniejszym.

Literatura

[1] Bocian S., Frączek J.: Program do badań układu sterująco – pomiarowego, pracującego w sieci CANo-pen, przeznaczonego do pojazdu szynowego, Poznań, IPS „TABOR”, Pojazdy Szynowe nr4/2008.

[2] Frączek J.: Koncepcja układu do badania algoryt-mów sterujących w pojazdach szynowych. Opisu ukła-du sieciowego CANopen. Opracowanie OR–9200. Ar-chiwum, IPS „TABOR”. Poznań maj 2009.

[3] Frączek J.: Koncepcja układu do badania algoryt-mów sterujących w pojazdach szynowych w oparciu o sieć CANopen. Program testowy algorytmów sterują-cych. Opracowanie OR–9280. Archiwum, IPS „TA-BOR”. Poznań styczeń 2010.

[4] Stypka M.: Urządzenie symulujące pracę układu hamulcowego pojazdu szynowego. Opracowanie OR–9280. Archiwum, IPS „TABOR”. Poznań marzec 2010.

[5] Modular I/O system. CANopen 750–837. Manual. m083700e.pdf. WAGO Kontakttechnik GmbH, Hansa-straße 27, D–32423 Minden, Version 1.0.0., 2005, www.wago.com

[6] Haba M.: Opracowanie własne. IPS „TABOR”. Poznań.

39


dr inż. Wojciech Sawczuk Politechnika Poznańska

Badanie współczynnika tarcia hamulca tarczowego

W niniejszy artykule zaprezentowano metodykę badań oraz wyniki uzyskane na bezwładnościowym stanowisku po przeprowadzeniu badań ciernych na kolejowym hamulcu tarczowym. Na podstawie serii badań o charakterze trybologicznym przebadano pary cierne hamulca tarczowego i wyznaczono charakterystyki procesu hamowania w zależności od prędkości hamowania, docisku okładzin do tarczy hamulcowej oraz mas hamujących. Na podstawie wyników z ciernych badań stanowiskowych wyznaczono zależności współczynnika tarcia (chwilowego i średniego), w funkcji zużycia okładzin i prędkości początku hamowania.

Wyniki pomiarów średniego współczynnika tarcia ślizgowego między okładziną a tarczą hamulca kolejowego Tab. 1

Nr hamowa-nia

Średni współ-czynnik tar-cia µ

Nr hamo-wania

Średni współ-czynnik tar-cia µ

Nr hamo-wania

Średni współ-czynnik tarcia µ

1 0,344 11 0,339 21 0,336 2 0,338 12 0,341 22 0,335 3 0,339 13 0,338 23 0,334 4 0,337 14 0,339 24 0,334 5 0,343 15 0,341 25 0,331 6 0,340 16 0,335 7 0,338 17 0,335 8 0,340 18 0,337 9 0,345 19 0,335 10 0,340

20 0,333

1. Wstęp

Ze względu na coraz większe prędkości jazdy pociągów pasażerskich i towarowych, hamulec tar-czowy staje się podstawowym urządzeniem hamulco-wym zarówno w wagonach, jak i w lokomotywach. Również szereg zalet tego rodzaju hamulca, jak np. stały przebieg współczynnika tarcia w funkcji prędko-ści w stosunku do tradycyjnego hamulca klockowego, uzasadnia jego stosowanie i to zarówno w pojazdach kolejowych, jak i w pojazdach szynowych komunika-cji miejskiej. Mimo wielu zalet układu hamulcowego, zamocowanie tarcz hamulcowych na osi pomiędzy kołami zestawu kołowego znacznie utrudnia kontrolę zużycia pary ciernej tarcza-okładzina. Wymusza ono na obsłudze i pracownikach zakładów naprawczych wchodzenie pod wagon w celu zdiagnozowania ukła-du hamulcowego, sprawdzenia poprawności jego działania, kontroli zużycia oraz przeprowadzenia nie-których napraw bieżących. W artykule przedstawiono zależności przebiegu współczynnika tarcia w funkcji wybranych grubości okładzin ciernych oraz innych parametrów hamowania uzyskanych po przeprowa-dzeniu stanowiskowych badań kolejowego hamulca tarczowego w Instytucie Pojazdów Szynowych TA-BOR w Poznaniu.

2. Wyznaczenie minimalnej ilości hamowań do oceny statystycznej

Przed zasadniczymi badaniami stanowiskowy-mi, wykonano serię 25 hamowań do oceny statystycz-nej. Badanie miało na celu wyznaczenie minimalnej ilości powtórzeń, zapewniających otrzymanie wyni-ków w zadowalającym przedziale ufności, wynoszą-cym 95%, przy przyjętym poziomie istotności, α=0,05, przy którym obserwuje się najmniejszy współczynnik zmienności. Analizie statystycznej pod-dano wartość średniego współczynnika tarcia ślizgo-wego µ, zmierzonych w 25 próbach przy niezmiennej prędkości początku hamowania wynoszącej 120 km/h. Pomiar został przeprowadzony po dotarciu okładzin zgodnie wymaganiami zawartymi w Karcie UIC 541-3. Każde kolejne hamowanie było poprzedzone chło-dzeniem tarczy na wolnym powietrzu poprzez jej swobodny obrót, przez co symulowano jazdę wagonu z prędkością 100km/h. Po obniżeniu temperatury tar-czy do wartości 60°C przerywano jej chłodzenie i rozpoczynano kolejne hamowanie. Wyniki pomiaru wartości średniego współczynnika tarcia na homolo-gowanym stanowisku kolejowego hamulca tarczowe-go przedstawia tab. 1.

40


Wyniki obliczeń statystycznych wartości współczynnika tarcia µ między okładziną a tarczą hamulca kolejowego

Tab. 2

Liczba pomiarów n

Średnia

x

Odchylenie standardowe S

Wsp. T-Studenta t

Przedział ufności

α−121 L

Górna granica przedziału ufności x(+)

Górna granica przedziału ufności x(-)

Współ-czynnik

zmienności W[%]

1 2 0,341 0,00424 0,05 12,706 0,05391 0,879765 1,244 3 0,340 0,00321 0,05 4,303 0,01383 0,545325 0,945 4 0,340 0,00311 0,05 3,182 0,00989 0,457898 0,916 5 0,340 0,00311 0,05 2,776 0,00865 0,409418 0,915 6 0,340 0,00279 0,05 2,571 0,00716 0,334464 0,819 7 0,340 0,00267 0,05 2,447 0,00654 0,297229 0,786 8 0,340 0,00247 0,05 2,365 0,00585 0,257448 0,728 9 0,340 0,00288 0,05 2,306 0,00663 0,281702 0,845 10 0,340 0,00272 0,05 2,262 0,00614 0,252333 0,798 11 0,340 0,00261 0,05 2,228 0,00582 0,231372 0,767 12 0,340 0,00250 0,05 2,201 0,00550 0,211925 0,734 13 0,340 0,00248 0,05 2,179 0,00540 0,202057 0,729 14 0,340 0,00240 0,05 2,160 0,00519 0,188677 0,706 15 0,340 0,00233 0,05 2,145 0,00499 0,176557 0,684 16 0,340 0,00259 0,05 2,131 0,00552 0,190372 0,761 17 0,340 0,00276 0,05 2,120 0,00586 0,197441 0,814 18 0,339 0,00275 0,05 2,110 0,00580 0,190773 0,809 19 0,339 0,00285 0,05 2,101 0,00599 0,192994 0,841 20 0,339 0,00310 0,05 2,093 0,00649 0,204546 0,915 21 0,339 0,00307 0,05 2,086 0,00641 0,197922 0,907 22 0,339 0,00309 0,05 2,080 0,00642 0,194491 0,912 23 0,338 0,00315 0,05 2,074 0,00654 0,194343 0,932 24 0,338 0,00317 0,05 2,069 0,00655 0,191162 0,936 25 0,338 0,00342 0,05 2,064 0,00706 0,202434 1,012

W celu wyznaczenie minimalnej liczby hamo-wań, wykorzystano zależności na następujące wzory statystyczne [2, 5]: 1. Wartość średnia:

∑=

=n

iix

nx

1

1 (1 )

gdzie: xi – i-ta wartość zmiennej, x=1, 2, …, n, n – liczba hamowań.

2. Odchylenie standardowe:

( )∑=

−=n

ii xx

nS

1

21 (2)

gdzie: x – wartość średnia, xi – i-ta wartość zmiennej, x=1, 2, …, n.

3. Przedział ufności:

( ) nStL n ⋅= −−− αα 1;112

1 (3)

gdzie: t – współczynnik testu t-studenta, n – liczba hamowań. 4. Górna i dolna granica przedziału ufności:

α

α

−−

−+

−=

+=

1)(

1)(

2121

Lxx

Lxx (4)

gdzie: α−121 L – przedział ufności dla α=0,05,

5. Współczynnik zmienności:

%100⋅=xSW (5)

Po zastosowaniu zależności (1-5), otrzymano wyniki z obliczeń statystycznych z pomiaru średniego współczynnika tarcia µ, co przedstawiono w tab. 2. Rys. 1 prezentuje wartość współczynnika tarcia uzy-skanego z danego hamowania oraz wartość średnią współczynnika tarcia z uwzględnieniem górnej i dol-nej granicy przedziału ufności przy założonym po-ziomie istotności α=0,05.

41


0,250

0,260

0,270

0,280

0,290

0,300

0,310

0,320

0,3300,340

0,350

0,360

0,370

0,380

0,390

0,400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Nr hamowania

Wsp

ó³cz

ynni

k ta

rcia

, µ [-

]

Wartoœæ wspó³czynnika tarcia z kolejnego hamow ania

Wartoœæ œrednia wspó³czynnika tarcia

Rys.1. Przebieg współczynnika tarcia między okładziną a tarczą hamulcową oraz średnia jego wartość z 25 pomiarów

Na rys. 2 jest przedstawiony procentowy prze-bieg współczynnika zmienności W wyznaczonego z pomiaru współczynnika tarcia, na podstawie którego możliwe było określenie liczby pomiarów.

Wsp

ółcz

ynni

k zm

ienn

ości

, W

[%]

0 0,2 0,4 0,6 0,8

1 1,2 1,4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Nr hamowania

Wsp

ółcz

ynni

k zm

ienn

ości

, [%

]

Rys.2. Przebieg współczynnika zmienności dla 25 pomiarów współczynnika tarcia

Na podstawie rys. 2, po wykonaniu 25 pomia-rów stwierdzono, że akceptowalna liczba powtórzeń hamowań, zapewniających otrzymanie wyników śred-niego współczynnika tarcia w oczekiwanym przedzia-le ufności, przy przyjętym poziomie istotności α=0,05, wynosi 8 pomiarów. Dla 8 pomiarów uzyskano zado-walającą wartość współczynnika zmienności mimo, że jego najniższą wartość uzyskano dla 15 hamowań.

Ze względu na wartości liczbowe współczynni-ka zmienności dla pomiarów średniego współczynnika tarcia, nie przekraczające 10%, zgodnie z [8], stwier-dzono nieistotne zróżnicowanie statystyczne analizo-wanych wielkości.

Badaniami została objęta tarcza hamulcowa o wymiarach 610×110 z wentylującymi łopatkami wy-konana z żeliwa szarego oraz trzy komplety okładzin hamulcowych typu 200 FR20H.2 firmy Fenoplast. Do badań stanowiskowych zastosowano jedną parę okła-dzin nowych o grubości g1=35mm oraz dwie pary zużyte o grubości g2=25 mm i g3=15 mm.

Badania zostały przeprowadzone na stanowisku hamulcowym bezwładnościowym, przedstawionym na rys. 3. Na stanowisku jest możliwe wykonanie badań kolejowego hamulca klockowego oraz hamulca tarczowego, odzwierciedlających rzeczywiste warun-ki, jakie występują podczas hamowania wagonu.

a)

b)

3. Metodyka stanowiskowych badań ciernych ha-mulca tarczowego

Badania dotyczące wyznaczenia charakterystyk

procesu hamowania w zależności od zużycia okładzin ciernych zostały przeprowadzone w oparciu o założe-nia eksperymentu czynnego zgodnie z [4, 9, 10]. W czasie badań celowo i w określony sposób zmieniano parametry wejściowe (stanu układu hamulcowego) i obserwowano ich wpływ na zmianę parametru wyj-ściowego.

Rys. 3. Stanowisko hamulcowe do badań kolejowych układów hamulcowych (klockowych i tarczowych): a) widok części

napędowej stanowiska, b) widok części pomiarowej stanowiska

Badania stanowiskowe na hamulcach kolejo-wych, prowadzono zgodnie z programami zawartymi w karcie UIC 541-3. Każdy program badań odnosi się do specyficznych warunków pracy hamulca w czasie eksploatacji pojazdu. Do badań wybrano program badawczy C – szybka jazda. Parametrami sterowany-mi w czasie badań trybologicznych były:

- grubość okładziny ciernej: g1=35 mm, g2=25 mm i g3=15 mm,

- docisk okładziny do tarczy: p= 28 i 44kN,

42


- prędkość początku hamowania: v= 50, 80, 120, 160 i 200km/h,

- masa hamująca przypadająca na jedną tarczę: M= 4.4 i 7.5t.

120

160

200

80

50 p=28

p=44

M=4,4

M=7,5

8

g1

g2

g3

Prędkość [km/h] v [km/h]

Docisk okładziny

[kN] p [kN]

Okładziny Tarcza hamulcowa

Ilość prób Masa

hamująca [t]

Rys. 4. Schemat przebiegu badań z uwzględnieniem kombinacji hamowań

Przed rozpoczęciem zasadniczych badań o cha-rakterze trybologicznym, przeprowadzono serię ha-mowań docierającą okładziny cierne. Zgodnie bo-wiem z [7], hamowania wstępne należy prowadzić do chwili uzyskania odnowienia powierzchni ciernej okładziny przekraczającej 75% powierzchni przed docieraniem. Następnie rozpoczęto badania, w któ-rych parametrem wyjściowymi były współczynnik tarcia µ (chwilowy oraz średni).

Na rys. 4 przedstawiono przebieg procesu ba-dań na stanowisku hamulcowym z uwzględnieniem możliwych kombinacji hamowań. W czasie badań zmieniano grubości okładzin ciernych, prędkości ha-mowania, docisk okładzin ciernych do tarczy oraz masy hamujące. Podczas badań, dla każdej grubości okładziny, prędkości początku hamowania, docisku do tarczy i masy hamującej, wykonano po 8 powtórzeń. Uzasadnienie powyższej ilości prób omówiono w podpunkcie 2.

W sumie, podczas badań trybologicznych wy-konano 480 hamowań bez docierania okładzin cier-nych.

4. Wyniki badań

Badanie współczynnika tarcia przeprowadzono na parze ciernej utworzonej z okładziny typu FR20H.2 wykonanej z materiału organicznego oraz tarczy hamulcowej Kovis z żeliwa szarego.

Celem badania było wyznaczenie współczynni-ków tarcia w zależności od grubości okładzin cier-nych, nacisku N okładziny do tarczy oraz masy hamu-jącej M.

Wyniki z badań chwilowego współczynnika tarcia dla trzech okładzin (35, 25 i 15 mm) zostały przedstawione na rysunkach 5-8 z uwzględnieniem granicy górnej i dolnej chwilowego współczynnika tarcia dla pojazdów szynowych zawartego w karcie UIC 541-3 [7] dla kolejowego hamulca tarczowego. Po scałkowaniu wartości chwilowego współczynnika tarcia po drodze hamowania s, otrzymano wartość średnią współczynnika tarcia. Zależność średniego współczynnika tarcia dla tych samych parametrów hamowania, jak przy badaniu chwilowego współ-czynnika tarcia, przedstawiają rys. 9-12. Wyniki zo-stały odniesione do odchyłki górnej i dolnej średniego współczynnika tarcia wymaganego przez kartę UIC 541-3 [7].

Rys. 5. Zależność chwilowego współczynnika tarcia od prędkości początku hamowania dla okładzin o grubości G1=35mm, G2=25mm i G3=15mm, przy nacisku na tarczę N=44kN i masie hamującej M=7,5t

43





Rys. 9. Zależność średniego współczynnika tarcia od prędkości początku hamowania dla okładzin o grubości G1=35mm, G2=25mm i G3=15mm, przy nacisku na tarczę N=44kN i masie hamującej M=7,5t



44



Podczas badań stanowiskowych stwierdzono, że zakresy wartości chwilowego współczynnika tarcia w funkcji prędkości początku hamowania dla trzech rozpatrywanych grubości okładzin ciernych w dużej części pokrywają się ze sobą. Jedynie różnice stwier-dzono w obrębie górnej granicy wartości chwilowego współczynnika tarcia badanych okładzin. W przypad-ku okładziny nowej o grubości 35mm stwierdzono wyższą wartość współczynnika tarcia w całym zakre-sie prędkości początku hamowania względem okła-dzin o grubości 25 i 15mm przy docisku okładziny do tarczy z siła N=44kN i masą hamującą M=7,5t. W pozostałych przypadkach hamowań: docisk do tarczy N=28kN, masie hamującej M=7,5t, docisk do tarczy N=44kN, masa hamująca M=4,4t, oraz docisk do tar-czy N=28kN i masa hamująca M=4,4t, obserwuje się wpływ grubości okładziny na obniżenie chwilowego współczynnika tarcia dopiero przy hamowaniach z prędkości powyżej 80km/h. Ponadto podczas badań stwierdzono, że poza hamowaniem z naciskiem okła-dziny do tarczy N=44kN i masie hamującej M=7,5, otrzymane wartości maksymalnego i minimalnego współczynnika tarcia mieszczą się w przedziale mię-dzy górną i dolną granicą wartości chwilowego współczynnika tarcia zalecanego przez kartę UIC 541-3 dla pary ciernej: żeliwna tarcza i okładzina z two-rzywa sztucznego. Hamowania powyżej 160km/h dla powyższego przypadku (N=44kN i M=7,5t), powodu-ją obniżenie wartości minimalnego współczynnika tarcia poniżej wartości dolnej granicy chwilowego współczynnika tarcia, co stwierdzono dla okładziny o grubości 25 i 15mm.

Z zależności średniego współczynnika tarcia µm w funkcji prędkości początku hamowania wynika, że przy nowej okładzinie o grubości 35mm rejestruje się najwyższe wartości współczynnika w stosunku do okładzin o grubości 25 i 15mm. Zaobserwowano, że do prędkości hamowania wynoszącej 80km/h przebie-gi współczynnika tarcia okładziny o grubości G1=35mm pokrywają się z przebiegami współczynni-ka tarcia dla okładziny o grubości G2=25mm (rys. 9,

10 i 12). Dalszy wzrost prędkości początku hamo-wania powoduje wzrost średniego współczynnika tarcia µ okładziny nowej względem pozostałych grubości okładzin, niezależnie od docisku okładziny do tarczy i zastosowanej masy hamującej.

Po dokonaniu analizy statystycznej średnich współczynników tarcia stwierdzono, że przy założo-nym poziomie istotności α=0,05, istotne różnice śred-nich współczynników tarcia występują w przypadku okładzin o grubościach G1 oraz G3. W przypadku okładziny G2, niezależnie od prędkości początku ha-mowania, obserwuje się nachodzenie na siebie słup-ków błędu uzyskanych z okładziny G1 lub okładziny G3. Przy hamowaniu z dociskiem do tarczy N=44kN i masie hamującej M=7,5t (rys. 9), istotne różnice śred-nich współczynników tarcia okładzin G1 oraz G3, wy-stępują po hamowaniach z prędkości powyżej 120km/h. W przypadku hamowań z naciskiem na tarczę N=28kN, masie hamującej M=75kN (rys. 10) oraz naciskiem na tarczę N=44kN i masie hamującej M=4,4t (rys. 11), a także z dociskiem do tarczy N=28kN i masie hamującej M=4,4t (rys. 12) stwier-dzono wyraźną zależność średniego współczynnika tarcia okładziny G1 względem G3 w całym zakresie prędkości początku hamowania.

Podczas badań stanowiskowych zaobserwowa-no w kilku przypadkach obniżenie wartości średniego współczynnika tarcia, dla trzech rozpatrywanych gru-bości okładzin ciernych poniżej dolnej odchyłki śred-niego współczynnika tarcia. Przy dużych dociskach okładzin do tarczy i masach hamujących (N=44kN, M=7,5t), co przedstawiono na rys. 9 spadek mierzo-nego współczynnika poniżej wartości dolnej odchyłki średniego współczynnika tarcia okładzina G1 uzyskuje przy prędkości początku hamowania powyżej 160km/h, okładzina G2 przy 120km/h a okładzina G3 już przy 100km/h. Podczas hamowania z mniejszym dociskiem do tarczy (N=28kN i masie hamującej M=7,5t), obniżenie wartości współczynnika tarcia poniżej dolnej odchyłki zaobserwowano przy okładzi-nie G3 już przy hamowania z prędkości 120km/h (rys. 10). Większe dociski do tarczy N=44kN i małe masy hamujące M=4,4t (rys. 11) przyczyniają się do obni-żenia współczynnika tarcia okładzin G2 oraz G3 przy hamowaniu z prędkości 160km/h. Hamowania z ma-łym naciskiem na tarczę oraz masie hamującej (N=28kN i M=4,4), powoduje obniżenie wartości współczynnika tarcia poniżej dolnej odchyłki średnie-go współczynnika tarcia przy małych prędkościach początku hamowania (do 80km/h) oraz przy prędko-ściach dużych, powyżej 160km/h (rys. 12). Powyższe zależności stwierdzono tylko przy okładzinie ciernej o grubości G3=15mm.

45


5. Podsumowanie Przeprowadzone badania stanowiskowe dowio-

dły występowania istotnej zależności średniego współczynnika tarcia od zużycia okładziny tylko dla okładziny o grubości G3=15mm (okładzina o najwięk-szym badanym zużyciu). Wartości pośrednie zużycia, np. dla grubości okładziny G2=25mm, nie pozwalają wnioskować o występowaniu zależności współczyn-nika tarcia od zużycia okładziny. Otrzymane wyniki współczynników tarcia okładzin o grubości G1 i G2 mieszczą się w przedziałach błędu statystycznego. Wykonane badania dowodzą, że pogarszający się stan pary ciernej, determinowany zużyciem tarczy hamul-cowej i okładzin, ma tendencję do obniżania współ-czynnika tarcia zużywającej się okładziny aż do prze-kroczenia wartości dolnej jego odchyłki µm, co stwier-dzono na okładzinach o grubościach G2 oraz G3 przy różnych prędkościach początku hamowania. Na obni-żenie współczynnika tarcia, szczególnie przy hamo-waniach z dużych prędkości (powyżej 160km/h) mogą mieć wpływ zarówno procesy termiczne oraz zjawi-sko powstawania warstwy trzeciej w styku okładziny z tarczą otrzymanej z produktów zużycia pary ciernej, opisane w pracach [1, 3, 11]. Dłuższe czasy hamowa-nia powodują, że ze względu na trudności w odpro-wadzeniu zużytego materiału ciernego, na styku tar-czy i okładziny powstaje dodatkowa warstwa zwięk-szająca poślizg okładziny względem tarczy hamulco-wej, co zostało przedstawione w pracach [6, 12].

Badania współczynnika tarcia mogą ułatwić dobór pary ciernej, nie powodujące jego zmian w procesie eksploatacji bez przekroczenia dolnej od-chyłki średniego współczynnika tarcia. Może mieć to istotny wpływ na bezpieczeństwo jazdy pociągu. Zu-życie okładziny wpływa na wydłużenie drogi i czasu hamowania, co jest związane z obniżeniem się współ-czynnika tarcia między okładzina a tarczą i pogorszo-nymi warunkami współpracy okładziny ciernej z tar-czą hamulcową. Zjawisko obniżenia średniego współ-czynnika tarcia poniżej dolnej odchyłki µm jest szcze-gólnie ważne dla okładzin o małej grubości i podczas hamowań z dużych prędkości powyżej 120km/h.

Literatura

[1] Dżuła S, Urbańczyk P.: Wpływ zużycia elementów pary ciernej klocek hamulcowy – koło zestawu ko-łowego na siłę hamowania, XIV Konferencja Na-ukowa POJAZDY SZYNOWE 2000, Kraków, Arka-nów, 9-13 październik 2000, t. 2, s. 231-242.

[2] Gajek L., Kałuszka M.: Wnioskowanie statystyczne – modele i metody. WNT, Warszawa, 2000.

[3] Gąsowski W., Kaluba M.: Trybologiczne badanie okładzin ciernych hamulca tarczowego pojazdów szynowych, Pojazdy Szynowe 1999 nr 1, s. 14-21.

[4] Jósko M.: Metodologiczne aspekty oceny przyczep-ności powłok regeneracyjnych metodą ultradźwię-kową, Politechnika Poznańska – Rozprawy nr 372 (Praca habilitacyjna), Poznań 2002.

[5] Kadziński A.: Niezawodność pojazdów szynowych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 1992.

[6] Kaluba M.: Zużycie okładzin ciernych hamulca tarczowego pojazdów szynowych, Pojazdy Szynowe 1999 nr 4, s. 24-29.

[7] Karta UIC 541-3, Hamulec: hamulec tarczowy i okładziny hamulcowe, warunki ogólne dla prób na stanowisku badawczym, Wydanie 6-te listopad 2006.

[8] Krysicki W., Włodarski L.: Analiza matematyczna w zadaniach, Wydawnictwo PWN, Warszawa, 2007.

[9] Leszek W.: Badania empiryczne, Studia i rozprawy – Instytut Technologii Eksploatacji, Radom 1977.

[10] Mańczak K.: Technika planowania eksperymentu, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1976.

[11] Piec P.: Analiza zjawisk kontaktowych typu sick-slip w miejscu styku koła z klockiem hamulcowym, Mo-nografia, Kraków 1995.

[12] Ścieszka S.F.: Hamulce cierne. Zagadnienia mate-riałowe, konstrukcyjne i tribologiczne, Wydawnic-two Gliwice-Radom 1998, s.15.

46


inż. Roch Tarczewski Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”

Spójność pomiarowa jeden z determinantów wiarygodności wyników badań

Wyniki badań będące źródłem obiektywnej wiedzy niezbędnej dla oceny wy-robu, winny być wiarygodne, dokładne i adekwatne. Jednym z podstawo-wych determinantów wiarygodności wyników badań jest wymaganie doty-czące zachowania przez laboratoria spójności pomiarowej stosowanej apa-ratury w odniesieniu do wzorców metrologicznych. Spełnianie tego wyma-gania sprowadza się w praktyce do właściwego nadzorowania i wzorcowa-nia aparatury pomiarowej. Artykuł ma na celu przybliżenie pojęcia spójno-ści pomiarowej decydentom i użytkownikom aparatury pomiarowej stoso-wanej w procesach badawczych, których wyniki są podstawą certyfikacji pojazdów szynowych.

1. Wstęp Naturalne dążenie do zachowania maksymalnej pre-cyzji pomiarów, zostało sformalizowane w punkcie 5.6 normy [1] pod hasłem zapewnienia spójności po-miarowej. Nadano mu status wymagania systemowe-go, determinującego uzyskanie akredytacji przez labo-ratoria badawcze. Przez spójność pomiarową rozumie się udokumento-wane formalnie powiązanie metrologiczne pomiędzy stosowanym w praktyce laboratoryjnej sprzętem po-miarowym a wzorcami wielkości mierzonej. Powią-zanie to posiada zwykle charakter „łańcuszkowy” rozpoczynający się od wzorca o randze międzynaro-dowej, poprzez wzorce państwowe, regionalne do wzorca lokalnego i wreszcie do miernika użytkowego. Warto w tym miejscu przytoczyć podział metrologii na prawną i laboratoryjną. Metrologia prawna po-twierdza przydatność przyrządu w zastosowaniach do czynności urzędowych, rozliczeń finansowych, ochrony zdrowia i ekologii [2]. Formalnym potwier-dzeniem jest świadectwo legalizacji, określające speł-nienie określonych wymagań w zakresie dokładności pomiaru. Metrologia laboratoryjna w zastosowaniu do badań naukowych i technicznych, opiera się na wzor-cowaniu czyli spełnianiu spójności pomiarowej. For-malnym potwierdzeniem wzorcowania jest świadec-two, identyfikujące wzorzec oraz obiekt wzorcowania, zapisy wyników wskazań obu mierników oraz wyzna-czoną niepewność rozszerzoną wzorcowania. Do wy-stawiania świadectw wzorcowania uprawnione są tylko akredytowane laboratoria wzorcujące [3].

2. Nadzorowanie aparatury pomiarowej Określenie potrzeb w zakresie aparatury pomiarowej, następuje w oparciu o wymagania definiowane przez klientów w obszarze badań, wymagania normatywne i prawne, plany rozwojowe laboratorium, oferty dostawców, wymagania metrologiczne.

Laboratoria prowadzą rejestry kwalifikowanych do-stawców wyposażenia pomiarowego i badawczego oraz na bieżąco monitorują ich oferty. W wyniku analiz sporządza się specyfikacje, określające nazwę, typ, rodzaj, wyposażenia, parametry techniczne, ro-dzaj wykonania, warunki pracy, wymagania metrolo-giczne (legalizacja, zatwierdzenie typu, wzorcowanie, sprawdzanie). Warunkiem profesjonalnego zarządzania wyposaże-niem pomiarowym, jest jego nadzorowanie [4]. Dla zapewnienia identyfikacji, przyrząd otrzymuje numer identyfikacyjny, oznaczony trwale, jest wpi-sany do ewidencji wyposażenia, oraz posiada „Karto-tekę wyposażenia.” W oparciu o instrukcje obsługi producenta, dokonuje się uruchomienia i testowania zakupionego przyrządu. Jeżeli uruchomienie i testowanie daje wynik pozy-tywny, laboratorium dokonuje kwalifikacji metrolo-gicznej wyposażenia, ustalając częstość wzorcowania lub sprawdzania, zależnie od intensywności i warun-ków jego eksploatacji, sposobu wykorzystywania oraz dostępności odpowiednich wzorców. Wzorcowanie kluczowej aparatury np. wzorców kon-trolnych, winno być wykonywane przez akredytowa-ne laboratoria wzorcujące, co stanowi gwarancję za-chowania spójności pomiarowej, wymaganej w punk-cie 5.6 normy [1], [3]. Pozostała aparatura pomiarowa może być wzorcowana przez użytkownika a więc laboratorium badawcze, które winno posiadać po-twierdzone kompetencje metrologiczne w ramach posiadanej akredytacji. Każdy rodzaj potwierdzenia metrologicznego nieza-leżnie od wykonawcy usługi musi nosić cechy wzor-cowania. Laboratorium prowadzi rejestr kwalifikowa-nych i akredytowanych dostawców usług metrolo-gicznych. Rejestr jest aktualizowany, a dostawcy

47


usług okresowo oceniani wg kryteriów jakości, termi-nowości i kosztów usług. Laboratorium zamawia usługi żądając podania przy świadectwie odniesienia do wzorca (typ, nr identyfi-kacyjny), zapisów z wzorcowania oraz wyznaczenia niepewności. Świadectwo potwierdzenia metrologicz-nego identyfikujące wzorzec oraz zapisy i niepewność jest podstawą nadania wyposażeniu statusu zgodności (zielona nalepka), co jest odnotowywane w kartotece wyposażenia. Uruchomione i metrologicznie potwierdzone wyposa-żenie wraz z nalepką statusu i dokumentami towarzy-szącymi może być stosowane w laboratorium. Bieżące nadzorowanie wyposażenia pomiarowego dla spełnienia wymagań punktu 5.6 normy [1] jest reali-zowane poprzez wzorcowanie (niezależnie od wyma-gań metrologii prawnej, które dotyczą wyposażenia, stosowanego w rozliczeniach finansowych, czynno-ściach urzędowych oraz testach medycznych i ochro-nie środowiska - legalizacja). Wzorcowanie (kalibracja) jest to zbiór operacji ustalających, w określonych warunkach, relacje między wartościami wielkości mierzonej, wskazy-wanymi przez obiekt wzorcowania a odpowiednimi wskazaniami wzorca [5]. Wzorcowanie wykonuje się także niezależnie od usta-lonej częstości w przypadku stwierdzenia niesprawno-ści wyposażenia lub podejrzenia co do poprawności jego pracy. W odniesieniu do przyrządów o drugorzędnym zna-czeniu dla badań (np. wskaźniki pomocnicze) lub jeżeli klient nie wymaga wielkiej precyzji pomiaru, lub gdy wzorcowanie jest niemożliwe ze wzglądów fizycznych, organizacyjnych lub ekonomicznych, zamiast wzorcowania można dokonywać sprawdza-nie [6], [7]. Sprawdzanie jest to zbiór czynności stwierdzają-cych zgodność wskazań przyrządu sprawdzanego z wymaganiami określonymi wartością błędu gra-nicznego podanego przez producenta. Polega ono na porównaniu wskazań miernika sprawdzanego z innym miernikiem wcześniej wzorcowanym /zielona nalepka/ lub uczestnictwie z wynikiem pozytywnym w badaniach porównawczych. Protokół potwierdzają-cy pozytywny wynik sprawdzenia wg kryterium speł-nienia wymagań (±2σ – podwójnego odchylenia stan-dardowego) jest podstawą do nadania miernikowi statusu zgodności (zielona nalepka z napisem „spraw-dzony”). Częstość sprawdzeń ustala użytkownik wg kryteriów jak przy wzorcowaniu. Przegląd techniczny dotyczy tej części wyposażenia Laboratorium, która nie podlega wzorcowaniu bądź sprawdzaniu (w tym też innym potwierdze-niom metrologii prawnej) ale może mieć wpływ na jakość prowadzonych badań oraz ich wyniki.

W zakres przeglądu technicznego urządzeń i maszyn, stanowisk badawczych i oprzyrządowań wchodzą: oględziny, sprawdzenie zużycia części, luzów i za-bezpieczeń, sprawdzenie funkcjonalne, pomiary pa-rametrów deklarowanych na zgodność z dokumenta-cją producenta, sprawdzenie stanu bezpieczeństwa. Każdy przegląd kończy się protokołem i jest odnoto-wywany w kartotece z której wynika zakres i częstość przeglądów. Przegląd jest wykonywany także nieza-leżnie od ustalonej częstości w przypadku stwierdze-nia niesprawności lub podejrzenia co do poprawności działania wyposażenia. Status wyposażenia sprawne-go oznacza się zieloną nalepkę z naniesioną datą waż-ności. Status niezgodności oznacza się nalepką czerwoną, a status wyłączenia z eksploatacji (zawieszenia) nalepką żółtą. Przed rozpoczęciem badań dokonuje się pomiaru kontrolnego celem upewnienia się czy zastosowany przyrząd działa poprawnie. Pomiar wykonuje się zgodnie z zastosowaną procedurą pomiarową a z przeprowadzonego pomiaru sporządza się zapis po-twierdzający pomiar kontrolny. Po zakończeniu badań dokonuje się pomiaru kontro-lnego celem upewnienia się czy zastosowany przyrząd nadal działa poprawnie a z przeprowadzonego pomia-ru sporządza się zapis potwierdzający pomiar kontrol-ny. Diagnozowanie wyposażenia niezgodnego polega na organoleptycznym lub pomiarowym stwierdzeniu przyczyny i zakresu niezgodności. Diagnozowanie kończy się protokołem podającym zalecenia w zakre-sie naprawy lub sugestie dotyczące likwidacji.

3. Proces wzorcowania przyrządu pomiarowego. Dla wykonania wzorcowania przyrządu pomiarowe-go, niezbędne jest znalezienie relacji pomiędzy dział-kami odczytowymi na jego skali a wskazaniami wzor-ca. Oba mierniki podłączone są do tego samego źró-dła wielkości mierzonej o regulowanej wartości (np. stabilizowanego źródła napięcia regulowanego). Na-suwa się pytanie, ile odczytów porównawczych wy-konać? Odpowiedź zależy od dwóch czynników: li-niowości charakterystyki przyrządów i od osobliwości wartości średniej, której rozrzut znacznie maleje ze wzrostem ilości pomiarów [6]. W praktyce wystarcza-jące jest już wykonywanie do około 10 pomiarów na zakresie wskazań, jeżeli założyć, że wzorzec jest li-niowy, a obiekt wzorcowania posiada także charakte-rystykę zbliżoną do liniowej. Przy obiektach nielinio-wych ilość pomiarów należy zwiększyć tak, aby wier-nie odwzorować charakterystykę miernika i uzyskać niepewność wzorcowania poniżej błędów granicznych obiektu, określonych przez wytwórcę. Praktycznie, przyjęta ilość pomiarów winna odpowiadać ilości działek znaczących(opisanych) na skali miernika, nie

48


pomijając zera. Wskazania obu mierników porównuje się, ustawiając wskazanie dla danej działki znaczącej na skali obiektu wzorcowanego i odczytuje się wska-zanie wzorca. Dla uwiarygodnienia wzorcowania, dla każdej działki znaczącej należy wykonać więcej niż jedno porównanie (pomiar); narastająco i malejąco dla uwzględnienia histerezy oraz powtarzalności wska-zań obiektu wzorcowanego. Przy dwukrotnym takim zabiegu, uzyskuje się cztery wartości, z których obli-cza się wartość średnią. W porównywaniu wskazań wzorca N i obiektu wzor-cowanego W, może być niekiedy przydatne wykorzy-stywanie ich cech indywidualnych. Wzorzec jest z zasady miernikiem o dużej stabilności wskazań, do-brej klasie dokładności i skali o dużej rozdzielczości, umożliwiającej precyzyjny odczyt. Obiekt wzorcowa-nia, bywa zwykle miernikiem o mniejszej stabilności wskazań, gorszej klasie dokładności i skali o mniej-szej rozdzielczości a więc także mniejszej dokładno-ści odczytu. Zatem wydaje się być korzystnym, doko-nywanie wyboru punktów wzorcowania na skali obiektu wzorcowanego (działek znaczących – zwykle grubszych i dokładnie zaznaczonych). Jest to szcze-gólnie istotne w przypadku mierników analogowych, wskazówkowych – uchylnych. Wówczas odczyt na wybranych działkach znaczących skali obiektu wzor-cowanego może być liczbą całkowitą, bardziej czytel-ną i jednoznaczną, wyrażaną w działkach lub jednost-kach skali. W ten sposób, zadając wartość wskazań obiektowi wzorcowania, umożliwia się najdokład-niejsze określenie jego wskazań rzeczywistych. Po-równanie wskazań obiektu wzorcowanego i wzorca przedstawia rys.1 0 1 2 3 4 5

Obiekt (miernik wzorcowany) Działki znaczące na skali: 0-5 jednostek Działka elementarna 0,1 jednostki

0 1 9 2 7 0 2 0 3 2 Sygnał rosnący Sygnał malejący

0 1 9 3 8

W1 W2 W3 W4 0 2 0 4 1

Wzorzec (miernik wzorcowy)

Rys. 1. Przykładowa relacja pomiędzy miernikiem wzorco-wym(cyfrowe pole odczytowe) a miernikiem wzorcowanym (skala analogowa) podczas wzorcowania. Odczyty wykonuje się dla każdej działki znaczącej na skali miernika wzorcowanego.

Z wyników czterech pomiarów wzorcowania, odczy-tanych na wzorcu, a odnoszących się do wybranej działki znaczącej obiektu wzorcowanego, wyznacza się wartość średnią, a więc najbardziej zbliżoną do wartości poprawnej. Cała operacja odbywa się przez kolejne zadawanie wartości wskazania na kolejnych wybranych działkach skali obiektu wzorcowanego. Wyniki odczytów podlegają udokumentowaniu (za-pis techniczny). Różnica wskazań określana jest jako

błąd systematyczny a wzięta ze znakiem przeciwnym jest zwana poprawką [6], [8]. Poprawka podlega także rozkładowi prawdopodo-bieństwa o charakterze przypadkowym [9] a więc posiada element niepewności, zatem:

)()( ww PUWNP ±−= (1)

gdzie: Pw - poprawka – wartość dodana do wskazania miernika, w celu uzyskania wartości poprawnej N - wskazanie wzorca W - wskazanie obiektu wzorcowanego (wartość średnia z odczytów dla danego punktu skali). U(Pw) - niepewność rozszerzona wyznaczenia po-prawki. Jest to wartość niepewności wypadkowej standardo-wej, u(Pw) pomnożona (rozszerzona) przez współ-czynnik rozszerzenia k, który uwzględnia bezpieczeń-stwo pomiaru ze względu na propagację rozrzutu wy-ników. Różne wartości współczynnika rozszerzenia podano w tabeli.1. Na podstawie zapisanych wyników wzorcowania wyznacza się najpierw niepewność standardową wy-rażoną przez odchylenie standardowe wg metody A, następnie określa się pozostałe czynniki wpływające na niepewność wzorcowania w celu wyznaczenia złożonej niepewności standardowej [6] wg wzoru (2). Każdy czynnik wpływający na niepewność wzorco-wania może posiadać inną propagację do której należy dobrać adekwatny rozkład prawdopodobieństwa. W tabeli 1 przedstawiono cztery przykładowe, najczę-ściej stosowane rozkłady z których trzy pierwsze na-leżą formalnie do rozkładów innych niż statystyczne (metoda typu B) a czwarty jest rozkładem statystycz-nym- normalnym-Gaussa (metoda typu A). W przy-padku małej ilości odczytów, zamiast rozkładu Gaus-sa korzystniej jest stosować rozkład Studenta z tabelą współczynników korygujących [9]. Niepewność wypadkową (złożoną) standardową dla poprawki u(Pw), wyznacza się jako sumę geome-tryczną niepewności standardowych, pochodzących od poszczególnych czynników wpływających na nie-pewność wzorcowaniana [6].

)(...........)()( 22 NuWuPu w ++= ( 2 )

Na niepewność wypadkową standardową wzorcowa-nia mogą mieć wpływ różne czynniki w tym zjawiska zewnętrzne i wewnętrzne o charakterze przypadko-wym. Czynniki te nie zawsze dają się precyzyjnie zdefiniować i ująć liczbowo (np. wpływ zakłóceń elektromagnetycznych, zmian ciśnienia atmosferycz-nego, drgań). Dla przejrzystości procesu wzorcowa-nia, zaleca się stosowanie tzw. budżetu niepewności [8].

49


σ – odchylenie standardowe dla serii odczytów W – przedział zmienności wartości odczytywanej u(W) –niepewność wyznaczenia wartości poprawnej(oczekiwanej) R – rozstęp a, b – granice rozstępu (zbioru wyników) k – współczynnik rozszerzenia f(W) – funkcja rozkładu prawdopodobieństwa

50

Tabela.1. Wybrane metody wyznaczania niepewności pomiaru

Metoda Przebieg funkcji rozkładu prawdopodobieństwa Współczynnik rozszerzenia

na poziomie ufności p = 0,95

Preferencje

Roz

kład

arc

sin

8

22 R=σ

25,0)( RWu =

k = 1,34

Jeżeli rozrzut wyników w rozstępie R jest duży na skrajach zbioru i maleje w środku zbioru wyników.

Roz

kład

pr

osto

kątn

y ró

wno

mie

rny

12

22 R=σ

35,0)( RWu =

k = 1,65

Jeżeli rozrzut wyników w rozstępie R jest mały i równomierny w całym zbiorze wyników.

Met

oda

typu

B

Roz

kład

y pr

awdo

podo

bień

stw

a in

ne n

iż st

atys

tycz

ne

Roz

kład

tró

jkąt

ny

Sim

pson

a

24

22 R=σ

65,0)( RWu =

k = 2,33

Jeżeli rozrzut wyników w rozstępie R jest mały na skrajach zbioru i rośnie w środku zbioru wyników.

Met

oda

typu

A

Roz

kład

sta

tyst

yczn

y

Roz

kład

nor

mal

ny

)1()( 2

2

−−

= ∑nn

WWiσ

95,0)( RWu =

k = 2

Jeżeli rozrzut wyników w rozstępie R jest duży w całym obszarze zbioru a przyczyny rozrzutu nie dają się jednoznacznie zdefiniować, posiadają zatem charakter przypadkowy.


Tabela. 2. Przykład budżetu niepewności wzorcowania

Jeżeli rozrzut wskazań W podczas wzorcowania jest dominujący w stosunku do innych czynników (np. sposobu odczytu, rozdzielczości skali czy wrażliwości na zmiany sygnału wzorcowego) to można uznać go za główne znaczące źródło niepewności, pomijając pozostałe. Przeświadczenie takie winno być poprze-dzone analizą. W tym celu w budżecie niepewności, wyszczególnia się kolejno wszystkie, możliwe do przewidzenia czynniki mogące mieć niekorzystny wpływ na niepewność wzorcowania. Każdy z czynni-ków winien być przeanalizowany, zdefiniowany i w miarę możliwości opisany ilościowo. Jeżeli nie jest to możliwe, dokonuje się oszacowania w oparciu o ana-

logie z dotychczasowej praktyki, literaturę lub najlep-szą wiedzę i doświadczenie kompetentnego personelu. Ostatnim czynnikiem wpływającym na niepewność wzorcowania jest niepewność wskazań zastosowane-go wzorca u(N). Każdy wzorzec jest zdefiniowany w świadectwie wzorcowania, poprzez typ, numer identy-fikacyjny oraz wartość niepewności rozszerzonej. Niepewność rozszerzona jest iloczynem niepewności wzorcowania wzorca i współczynnika rozszerzenia, który zależy od charakteru rozkładu prawdopodobień-stwa niepewności wzorcowania wzorca. Dla potrzeb metrologii laboratoryjnej, na poziomie ufności rów-nym 0,95, wartości współczynnika rozszerzenia k w

51

Czynniki wpływa-jące na niepew-

ność wzorcowania

Źródła niepewności Definicja Sposób wyznaczania

2 3 4 5 Rozrzut (niepowta-rzalność) wskazań obiektu wzorcowa-nego w obrębie wybranej działki znaczącej z odczy-tów podczas wzor-cowania

1.Niestabilność ustroju pomia-rowego obiektu. 2.Wpływ czynników przypad-kowych trudnych do zdefinio-wania

Miarą rozrzutu jest odchylenie standardowe wyznaczenia war-tości średniej (zbliżonej do poprawnej, oczekiwanej)

)1()(

)(2

−−Σ

=nn

WWWu i

lub

=)(Wu wg tabeli 1 Niedokładność od-czytów na skali obiektu

1.Rozdzielczość skali odczyto-wej obiektu 2.Technika odczytu

Rozrzut wyników ze względu na rozdzielczość skali odczytowej obiektu.

=)(du wg tabeli 1 d – działka elementarna na skali lub miejsce znaczące w polu odczytu cyfrowego

Wrażliwość na nie-stabilność sygnału wzorcowego do którego są przyłą-czone obydwa mier-niki: obiekt i wzo-rzec

Niestabilność wynikająca z konstrukcji lub wykonawstwa źródła sygnału wzorcowego

Zakres oddziaływania niestabil-ności sygnału wzorcowego na niepewność wzorcowania.

Wfcu

∂∂=)(

Niepewność standar-dowa wypadkowa wzorca (miernika wzorcowego)

Niedoskonałość konstrukcyjna i wykonawcza miernika wzorco-wego

Niepewność rozszerzona podana w świadectwie wzorcowania miernika wzorcowego podzielo-na przez współczynnik rozsze-rzenia k dla przyjętego poziomu ufności.

kNUNu )()( =

Wypadkowa nie-pewność standardo-wa wzorcowania obiektu

Łączny wpływ czynników nie-korzystnych na niepewność wzorcowania

Suma geometryczna składowych budżetu niepewności wzorco-wania

u(Pw) =

222 ()()()( Nucuduwu +++

Niepewność wzor-cowania rozszerzona

Propagacja niepewności Niepewność wypadkowa po-mnożona przez współczynnik rozszerzenia k dla przyjętego poziomu ufności.

U(W) = u(Pw) k Przy pomiarach technicznych, przyj-muje się najczęściej poziom ufności 0,95 oraz współczynnik rozszerzenia k odpowiedni dla przyjętego rozkładu prawdopodobieństwa wg tabeli 1.

Odniesienie do błędu granicznego Eg, deklarowanego przez producenta miernika

Struktura obiektu (miernika wzorcowanego)

U(W) ? Eg

Kryterium praktyczne U(W) ≤ (0,1÷ 0.5)Eg


zależności od charakteru rozkładu przedstawia tabela 1. Przykład budżetu niepewności wzorcowania przedsta-wiono w tabeli.2.

Ilość czynników w budżecie może być znaczna szczególnie przy wzorcowaniu złożonych układów pomiarowych, zawierających wiele członów przetwa-rzających, pracujących w trudnych warunkach oto-czenia. Należy je wówczas wprowadzić do wzoru (2 ). W tabeli.2 wpisano przykładowo w poz.1-3 czynniki dotyczące obiektu wzorcowanego a w poz. 4 niepew-ność pochodzącą od wzorca w formie przystosowanej dla zastosowania w obliczeniach pokazanych w poz. 5. W poz. 6 wyznaczono niepewność rozszerzoną wzorcowania obiektu w formie stosowanej w świa-dectwach wzorcowania zgodnie z wymaganiami [3]. Poz. 7 budżetu zawiera kryterium błędu granicznego, pozwalające ocenić niepewność wskazań miernika na tle jego potencjalnych możliwości. Wg [5] niepew-ność wzorcowania winna być kilkakrotnie mniejsza od błędu granicznego określonego przez wytwórcę miernika.

4. Podsumowanie

1)Wynik pomiaru jako źródło prawdy obiektywnej winien być uzyskiwany z wiarygodnej aparatury. 2)Wiarygodność aparatury uzyskuje się poprzez jej wzorcowanie, czyli okresowe porównanie z uznawa-nymi wzorcami metrologii krajowej i międzynarodo-wej na zasadzie nieprzerwanego łańcucha porównań (pojęcie trasabilności). 3)Ponadto aparatura pomiarowa winna być chroniona przed destruktywnymi narażeniami i okresowo prze-glądana oraz nadzorowana [10].

[1] Norma PN-EN ISO/IEC 17025:2005. Ogólne wyma-gania dotyczące kompetencji laboratoriów badaw-czych i wzorcujących.

[2] Prawo o miarach. Ustawa z dnia 11 maja 2001 z późniejszymi zmianami.

[3] Polityka Polskiego Centrum Akredytacji dotycząca zapewnienia spójności pomiarowej. Wydanie 3. War-szawa, 20.06.2007.

[4] Norma PN-EN ISO 10012:2004. Systemy zarządzania pomiarami. Wymagania dotyczące procesów pomia-rowych i wyposażenia pomiarowego.

[5] Wzorcowanie aparatury pomiarowej. Podstawy teore-tyczne i trasabilność według norm ISO 9000 i zaleceń międzynarodowych. Janusz Piotrowski, Krystyna Ko-styrko. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2000.

[6] Jerzy Arendarski, Niepewność pomiarów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2003.

[7] Międzynarodowy Słownik Podstawowych i Ogólnych Terminów Metrologii. Główny Urząd Miar, Warsza-wa, 1996.

[8] Dokument EA-4/02, Wyrażanie niepewności pomiaru przy wzorcowaniu. Grudzień 1999.

[9] Przewodnik, Wyrażanie niepewności pomiaru. Główny Urząd Miar, Warszawa, 1999.

[10] Roch Tarczewski, System jakości stosowany w IPS „TABOR” i kompetencje techniczne gwarancją utrzymania wiarygodności współpracy z klientami. Pojazdy Szynowe nr 2/2007

[11] Roch Tarczewski, Certyfikacja pojazdów szynowych narzędziem spełniania wymagań bezpieczeństwa i in-teroperacyjności. Pojazdy Szynowe nr 4/2008.

4)Aparatura pomiarowa winna posiadać aktualne pa-rametry pozwalające na bieżące określenie niepewno-ści wykonanego pomiaru [11]. 5)Spełnienie wymienionych warunków wypełnia po-stulat spójności pomiarowej zawarty w wymaganiach punktu 5.6 normy [1].

Literatura:

52


mgr inż. Tomasz Antkowiak Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”

Diagnostyka i prognozowanie stanu węzła łożyskowego układu biegowego pojazdu szynowego

W artykule przedstawiono klasyfikację badań diagnostycznych oraz opisano podstawowe metody prognozowania stanu maszyn. Przedstawiono charakterystykę węzła maźnicznego układu biegowego z wyszczególnieniem elementów składowych. Zaprezentowano kryteria m.in. temperaturowe, fizyko-chemiczne oraz eksploatacyjne łożysk oraz maźnic pojazdów trakcyjnych. Artykuł został opracowany w ramach projektu badawczo-rozwojowego Nr 10 00 4806 pt. „Mikroprocesorowy system diagnostyczny głównych systemów trakcyjnego pojazdu szynowego uwzględniający ocenę bieżącą i prognozowanie stanów”, finansowanego z budżetu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

1. WPROWADZENIE Układ biegowy pojazdu szynowego wywiera

znaczny wpływ na bezpieczeństwo eksploatacyjne i własności dynamiczne pojazdu oraz współpracę po-jazdu z torem dlatego tak ważne jest, aby wiele z jego głównych elementów i zespołów pracowało bezawa-ryjnie. Z powyższego wynika jak istotna jest bieżąca ocena stanu technicznego głównych zespołów układu biegowego do których można zaliczyć: zestawy kołowe łożyska osiowe i maźnice usprężynowanie I-go i II-go stopnia prowadzenie zestawów kołowych oparcie nadwozia pojazdu na wózkach układy przeniesienia sił hamujących i pociągo-

wych układy powiązań międzywózkowych (np. sprzęg

międzywózkowy). W trakcie eksploatacji elementy układu biegowe-

go ulegają zużywaniu się tzn. niszczeniu normalnemu oraz uszkadzaniu, które możemy uznać za niszczenie normalne. Procesy zużycia prowadzą do konkretnych uszkodzeń, o różnych skutkach dla całego układu biegowego. Jeśli nie zostaną wykryte i zatrzymane w porę, prowadzą do uszkodzeń całkowitych tj. awarii całego układu lub też jego elementu. Zużywanie się elementów układu biegowego następuje z różną inten-sywnością. Wynika z tego, że łatwiej jest mówić o jego zużyciu w odniesieniu do konkretnego obiektu.

Prawidłowe współdziałanie zestawów kołowych z torem, zwłaszcza w pojazdach przewidzianych do wysokich prędkości jazdy, zależy w dużym stopniu od rozwiązania węzłów łożyskowych. Istniejące kon-strukcje tych węzłów umożliwiają uzyskiwanie coraz korzystniejszych własności dynamicznych wózków, zwiększenie bezpieczeństwa jazdy oraz poprawę wa-runków eksploatacji. Zadaniem węzłów łożyskowych jest: przenoszenie obciążeń pionowych z wózka na

zestawy kołowe, a podczas jazdy przenoszenie z kół przez łożyska na ramę wózka poziomych sił wzdłuż-nych pociągowych i hamowania oraz sił poprzecz-nych, powstających głównie wskutek nierówności poprzecznych toru oraz jazdy pojazdu w łukach toru. Elementy składowe węzła łożyskowego przedstawiono na rys. 1.

1 – korpus maźnicy; 2 – łożysko toczne wraz z uszczelnieniem; 3 – piasta pośrednia;4 – pokrywa przednia; 5 – pokrywa tylna; 6 –

śruby mocujące Rys. 1. Elementy składowe węzła łożyskowego pojazdu szynowego

[1]

Z powyższego wynika, że węzeł łożyskowy jest jednym z newralgicznych miejsc w pojeździe, od sta-nu którego zależy prawidłowe funkcjonowanie pojaz-du. Z tego też względu istotne jest zagwarantowanie ciągłej i bezawaryjnej pracy łożyska poprzez zapew-nienie optymalnych warunków pracy oraz prowadze-nie ciągłego monitoringu stanu technicznego łożyska. Należy pamiętać, że uszkodzenia węzłów łożysko-wych może być następstwem innych awarii. Dlatego też istotne jest, aby ocenie stanu technicznego węzła łożyskowego towarzyszyło określenie przyczyny uszkodzenia łożyska.

53


2. DIAGNOSTYKA I PROGNOZOWANIE 2.1. Badania diagnostyczne

Badania diagnostyczne pojazdów szynowych można klasyfikować biorąc pod uwagę różne kryteria. Do najważniejszych należy zaliczyć poziom automa-tyzacji i czas trwania pomiarów.

Biorąc jako kryterium poziom automatyzacji można wyróżnić następujące kategorie [3]:

badania manualne, podczas których rola człowieka polega na wykonywaniu czynności związanych z pomiarami, analizą oraz archi-wizacją wyników, a także wizualizacją i for-mułowaniem oceny stanu technicznego

badania na stanowiskach skomputeryzowa-nych, dzięki łatwej archiwizacji wyników, umożliwiają sporządzenie charakterystyk zmian parametrów diagnostycznych; jest to szczególnie istotne w przypadku badania szybkozmiennych parametrów diagnostycz-nych jak również wtedy, gdy ważny jest kształt charakterystyki ich zmian.

SERWISOWE BADANIA DIAGNOSTYCZNE

badania skomputeryzowane

krótkotrwałe długotrwałe

badania manualne

długotrwałe krótkotrwałe

Rys. 2. Klasyfikacja serwisowych badań diagnostycznych [1]

Badania diagnostyczne charakteryzują się mnogo-ścią metod i środków. Podstawą oceny stanu tech-nicznego pojazdu jest uzyskanie pomiarów wykona-nych przy użyciu prostych urządzeń jak i tych bardziej skomplikowanych, ponieważ dopiero to daje nam obraz o badanym obiekcie i pozwala na opracowanie metody optymalizującej działanie danego układu.

Zastosowanie w procesie eksploatacji metod ozpo-znawania stanu pojazdów i maszyn roboczych wyma-ga optymalizacji:

zbioru parametrów diagnostycznych testów i programów diagnostycznych metod genezowania i metod prognozowania.

Rozwiązanie tych zadań zależy od wielu czynni-ków związanych:

ze stopniem złożoności maszyn z wykorzystaniem obserwacji wielosympto-

mowych z jakością procesu eksploatacji oraz procesu

zużycia. Rozpoznawanie stanu pojazdów i maszyn robo-

czych to proces, który ułatwia określenie technicznego stanu maszyny w czasie bieżącym na podstawie wyni-ków badań diagnostycznych. Umożliwia to kontrolę

a) zbioru parametrów diagnostycznych w zależności od czasu pracy maszyny, wartości kroku czasowe-go i liczebności optymalnego zbioru parametrów diagnostycznych;

b) metody wyznaczania testów i programów diagno-stycznych w zależności od wiarygodności diagno-zy, ilości informacji, prawdopodobieństwa uszko-dzenia zespołów maszyny i kosztu testu lub pro-gramu diagnostycznego;

c) metody prognozowania w zależności od horyzontu prognozy, minimalnej liczby elementów szeregu czasowego niezbędnej do uruchomienia predykcji oraz czasu pracy maszyny.

d) metody genezowania w zależności od horyzontu genezy, minimalnej liczby elementów szeregu cza-sowego niezbędnej do uruchomienia genezy oraz czasu pracy maszyny. Rozpoznanie stanu pojazdów, badanie dynamiki

ich konstrukcji, wysokie wymagania odnośnie spraw-ności oraz przepisy prawne dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska decydują o ciągłym poszukiwa-niu nowych metod diagnozowania oraz sposobów wyznaczania stanu diagnostycznego w procesie eks-ploatacji.

2.2 Prognozowanie stanu Integralnym elementem procesu diagnozowania

stanu jest prognozowanie, czyli przewidywanie sta-nów maszyny, które zaistnieją w przyszłości. Każdo-razowo więc, wyznaczony model: stan-symptom lub często stan-czas eksploatacji maszyny, powinien mieć nie tylko właściwości wyjaśniające naturę przekształ-cenia, lecz także właściwości predykcyjne umożliwia-jące przewidywanie zmian stanu maszyny. Ma to szczególne znaczenie dla maszyn krytycznych, któ-rych unieruchomienie może być przyczyną znacznych strat materialnych, a nawet zagrożenia zdrowia i życia ludzkiego. Rozpoznanie przewidywanych zmian stanu w określonym horyzoncie czasowym jest naogół nie-odzowne dla uzyskania właściwej efektywności dzia-łania maszyn, pozwalających użytkownikowi podej-mować racjonalne decyzje dotyczące terminu i zakre-su niezbędnych prac obsługowych [5].

Metody prognozowania stanów badanego obiektu można podzielić na:

metody intuicyjne metody matematyczne.

Metody intuicyjne obejmują rozległy obszar roz-ciągający się od wypowiedzi poszczególnych fachow-ców i ekspertyz zbiorowych opracowanych wg zasady przegłosowania, aż do metody dyskusji panelowych i metody delfickiej.

Ankietowanie grupy specjalistów bywa prowa-dzone w nadziei, że niektóre błędy zawarte w opiniach indywidualnych ulegną „przegłosowaniu” w opinii zbiorowej. Dyskusje panelowe zmuszają grupę eks-pertów do bezpośrednich kontaktów wzajemnych, co

54


umożliwia konstruktywną wymianę poglądów i moż-liwość uściślenia podejmowanych decyzji [4].

W matematycznych metodach prognozowania stanów nadzorowanych maszyn, wszelkie subiektyw-ne przesłanki dotyczące badania zmian stanów są formułowane w języku matematycznym, w oparciu o dostępne modele matematyczne [4].

Realizacja prognoz w systemach diagnostycznych uwarunkowana jest procesem identyfikacji trendu zmian wartości kontrolowanych symptomów. Przy-datność różnych formalizacji prognostycznych dla systemów diagnostycznych pozwala pogrupować je w następujące grupy [4]:

klasyczna ekstrapolacja wartości szeregów czasowych

adaptacyjne modele trendu autonomiczna ekstrapolacja procesów stocha-

stycznych modele obserwatora zmian monitorowanego

stanu dynamicznego, opisanego stochastycz-nymi równaniami różniczkowymi

statystyczne modele zmian symptomowych. W zastosowaniach praktycznych warto wesprzeć

się na ocenie metod prognozowania przeprowadzonej w zależności od zachowania się trendu nadzorowane-go symptomu wyróżniającej dwa przypadki:

znany lub łatwy do wyznaczenia a posteriori z obserwacji modelu trendu symptomu

nie znany i prawie niemożliwy do wyznacze-nia model trendu.

3. WĘZEŁ ŁOŻYSKOWY – WYMAGANIA Prawidłowe współdziałanie elementów tworzą-

cych węzeł łożyskowy pojazdu szynowego zależy od poprawnego wykonania elementów składowych jak i ich odpowiedniego montażu. 3.1 Mażnica

Norma EN 12082:2008 [10] określa zasady i me-tody dotyczące badań eksploatacyjnych zespołów maźnic z łożyskami tocznymi zgodnymi z EN 12080:2008 [8] oraz ze smarami zgodnymi z EN 12081:2008 [9].

Norma została opracowana, w celu ustalenia badań eksploatowanych maźnic stosowanych we wszystkich typach taboru kolejowego i zapewnienia ich przydat-ności w użytkowaniu, tj. dostosowania zespołu złożo-nego z korpusu, łożysk, uszczelnień i smaru do wy-magań eksploatacyjnych.

Badania prowadzone są w dwóch etapach: etap I - „badanie stanowiskowe”, które po-

lega na umieszczeniu dwóch maźnic na stanowisku badawczym i poddaniu ich wielokrotnym cyklom obciążenia, wynika-jącym z warunków eksploatacyjnych po-jazdów wyposażonych w te maźnice

etap II - „badania terenowe” polegające na monitorowaniu wystarczająco dużej próbki maźnic w czasie długodystansowej jazdy pojazdów w eksploatacji.

Oba etapy należy wykonywać na kompletnych maźnicach.

Rys. 3 Strefy czujników temperatury i próbek smaru [1]

Kryteria dopuszczenia maźnicy do ruchu zawarte są również w karcie UIC 515-5 [6]. Podjęte badania maźnic zestawów kołowych wszystkich rodzajów pojazdów służą do ustalenia zdolności do działania, to znaczy będzie przebadane, czy [6]:

cała część, składająca się z korpusu maźnicy, łożysk tocznych, uszczelnień i smaru odpowiada wymaganiom użytkowym

łożyska toczne będą smarowane przepisowo i dla długiego czasu stosowane

maźnice są wodoszczelne. Badanie to obejmuje trzy etapy:

etap I – obejmuje badanie szczelności na stanowisku badawczym

etap II – polega na badaniu na stanowisku badawczym działania łożysk w zakresie symulowanej długiej jazdy na trasie kolejowej

etap III – obejmujący wypróbowanie ruchowe w pojazdach za pomocą wystarczającej liczby prób łożysk tocznych dotyczących sprawności biegowej; ze względów bezpieczeństwa etap ten przeprowadzany jest z tylko jeżeli wyniki obu innych etapów były zadowalające.

Kryteria stawiane maźnicy obejmują również jej zabudowę na wózku i odnosi się to do widoczności maźnic dla stałych urządzeń do wykrywania przegrzanych maźnic. Karta UIC 510 [7] zawiera szereg przepisów dotyczących detekcji dla pojazdów jak również przepisów HOA dla urządzeń kolejo-wych.

55


Kryteria temperaturowe, mechaniczne i fizyko-chemiczne Tabela 1

Kryteria temperaturowe charakterystyka wymagania

maksymalna temperatura łożyska w strefie obciążenia, w czasie pierwszych 20 jazd elementarnych, przy temp. otoczenia 20°C C100o≤

maksymalna temperatura łożyska w strefie obciążenia w czasie każdej jazdy elementarnej z wyłączeniem pierwszych 20 jazd,

przy temperaturze otoczenia 20°C

C100o≤ dla maksimum 1% jazd elementarnych

dopuszcza się temperaturę maksymalną w granicach od 90°C do 100°C

maksymalna temperatura w strefie odczytu HBD w czasie pierwszych 20 jazd elementarnych, przy temperaturze otoczenia

20°C C80o≤

maksymalna temperatura w strefie odczytu HBD w czasie każdej jazdy elementarnej z wyłączeniem pierwszych 20 jazd,

przy temperaturze otoczenia 20°C


dopuszcza się temperaturę maksymalną w granicach od 70°C do 80°C

h/km200V ≤ h/km200V >

maksymalna różnica temperatury pomiędzy dwiema maźnicami, zarejestrowana równocześnie w strefach obciążenia w czasie każdej jazdy elementarnej, z wyłączeniem pierwszych 20 jazd, gdy maksymalna temperatura bardziej gorącej maźnicy

w strefie obciążenia jest C50o≥


dopuszcza się temperaturę

maksymalną w granicach od 15°C do

25°C




25°C

maksymalna różnica temperatury między dwiema maźnicami, zarejestrowana równocześnie w strefach odczytu HBD w czasie

każdej jazdy elementarnej, gdy maksymalna temperatura bardziej gorącej maźnicy w strefie obciążenia jest C50o≥




25°C




25°C

maksymalna różnica temperatury każdej maźnicy, zarejestrowana w strefie obciążenia między dwiema kolejnymi

jazdami elementarnymi, z wyłączeniem pierwszych 20 jazd




25°C




25°C Kryteria mechaniczne i fizyko-chemiczne

− wałeczki i pierścienie łożyska nie powinny wykazywać żadnych uszkodzeń, takich jak odpryski, zabrudzenia smarem, przegrzanie

− koszyki nie powinny wykazywać żadnych uszkodzeń, takich jak złamania, pęknięcia, odkształcenia lub nietypowe ślady zużycia

− zawartość żelaza w smarze nie powinna przekraczać 0,5% w strefie 2 (strefa środkowa rys. 3) i powinna być niższa niż 1% w strefach 1 i 3 (strefy w kierunku przedniej i tylnej pokrywy rys. 3)

− w przypadku koszyków wykonanych ze stopu miedzi, zawartość miedzi w smarze nie powinna przekraczać 0,1% w strefie 2 i 0,2% w strefach 1 i 3

3.2 ŁOŻYSKA 3.2.1. Uwagi ogólne

Łożyska toczne, będące jednym z elementów wę-zła maźnicznego, są bardzo precyzyjnymi elementami, których żywotność bezpośrednio wpływa na ich osią-gi. Rzeczywista ocena żywotności łożysk uzależniona jest od wielu czynników. Przedwczesne uszkodzenia

łożysk powodują kosztowne przestoje maszyn, cza-sem nawet z bardzo poważnymi konsekwencjami. Optymalizacja okresu żywotności łożyska ma swój początek we właściwym jego wyborze. Odpowiedni dobór łożyska uwzględniający stan pracy, obciążenia, sztywność, środowisko pracy powoduje zwiększenie jego żywotności.

56


Łożyska pochodzące od renomowanych producen-tów są wytwarzane zgodnie z najnowszą technologią i podlegają rygorystycznym procedurom zapewnienia jakości. Niemniej jednak celem zapewnienia optymal-nej żywotności łożysk, należy zwrócić szczególną uwagę na następujące kwestie:

właściwe składowanie staranny montaż i demontaż odpowiednie smarowanie i przesmarowywa-

nie odpowiednie monitorowanie warunków pracy wykonywanie we właściwym czasie czynno-

ści obsługowych oraz dobre szkolenie perso-nelu [13].

3.2.2. Zasady przechowywania łożysk Wszystkie łożyska powinny być składowane w ich

oryginalnym opakowaniu do czasu montażu. Powinny być trzymane w czystym, nie wilgotnym otoczeniu przy w miarę stabilnej pokojowej temperaturze. Łoży-ska toczne powinny być składowane z dala od kurzu, wody i agresywnych chemikaliów. Wibracje i wstrzą-sy mogą trwale mechanicznie uszkodzić łożyska i z tego względu łożyska nie mogą być na nie narażone podczas transportu i składowania.

W zasadzie wszystkie łożyska powinny być skła-dowane na płasko. Szczególnie łożyska większe, a tym samym cięższe mogą się zdeformować pod wła-snym ciężarem, kiedy zostaną postawione pionowo i pozostawione tak przez dłuższy czas. Należy zwrócić uwagę na składowanie łożysk ze smarem. W ciągu długiego okresu składowanie smar z takich łożysk może zmienić swoją konsystencję. Z tego względu okres składowania łożysk powinien być kontrolowany przez system FIFO (First In First Out pierwsze przy-szło pierwsze wyszło) [13].

Prawidłowe magazynowanie łożysk tocznych wią-że się z zapewnieniem odpowiedniej czystości. Jak już wcześniej wspomniano łożyska toczne są elementami wykonanymi z dużą dokładnością i precyzją. Po-wierzchnia styku łożyska z osią charakteryzuje się dużą gładkością (rzędu 47 1010 −− ÷ mm). Oznacza to, że warstwa styku jest miejscem newralgicznym, które jest wrażliwe na uszkodzenia.

Grubość filmu olejowego pomiędzy powierzchnią styku łożyska z osią ma zwykle grubość od 0,2÷1µm. Zanieczyszczenia, których cząsteczki mają większy rozmiar od warstwy smarującej, mogą zostać wtło-czone przez elementy toczne, powodując miejscowe naprężenia w stali łożyskowej, i w końcu spowodo-wać przedwczesne zmęczenie materiału. Zwykły kurz z otoczenia ma rozmiar ziarna o wielkości do 0,1 mi-kronów, co już może uszkodzić łożysko [13].

3.2.3. Montaż i demontaż łożysk Montaż i demontaż łożysk powinien być przepro-

wadzany z wykorzystaniem odpowiednich narzędzi. Zły montaż może prowadzić do uszkodzenia łożyska

oraz w konsekwencji do wykolejenia pojazdu. Istnieją udokumentowane przypadki wypadków kolejowych, które były konsekwencją uszkodzenia łożyska poprzez jego nieodpowiedni montaż. Ze względu na fakt, iż montaż łożyska może następować w różnym otocze-niu, należy zwrócić szczególną uwagę, aby zapewnić optymalne warunki. Przede wszystkim montaż należy wykonywać zgodnie z obowiązującą dokumentacją producenta (dokumentacja konstrukcyjna, instrukcje montażu i demontażu łożysk itp.)

W zależności od zastosowania, rozmiaru oraz przede wszystkim typu łożyska należy wybrać odpo-wiednią metodę montażu – mechaniczną, termiczną lub hydrauliczną oraz odpowiednie narzędzia. Siły użyte do montowania łożysk nie powinny nigdy być wywierana poprzez elementy toczne. Mogłoby to łatwo prowadzić do miejscowego nadmiernego obcią-żenia w obszarze styku elementów tocznych oraz bieżni, co z kolei powoduje przedwczesne uszkodze-nia łożysk [13].

Powierzchnie łożysk nie powinny być nigdy ude-rzane bezpośrednio żadnymi utwardzonymi narzę-dziami. Może to powodować pęknięcie lub odłupanie pierścienia łożyska. Zawsze należy przestrzegać in-strukcji dostawcy odpowiedniego wyposażenia mon-tażowego.

Podczas montażu/demontażu łożyska należy za-chować odpowiednie procedury wskazane przez pro-ducenta. Ponadto przy demontażu łożyska należy zwrócić uwagę na elementy współpracujące (korpus, oś) celem znalezienia ewentualnego ich uszkodzenia.

3.2.4. Trwałość łożyska Na ogół łożyska toczne są szczególnie trwałe choć

nie mają one nieograniczonej żywotności. Tak jak wszystkie inne ważne elementy w mechanizmie, po-winny być one regularnie sprawdzane i poddawane czynnościom obsługowym. To, jak często należy przeprowadzać kontrole i wykonywać czynności ob-sługowe, zależy od ważności danego zastosowania oraz warunków roboczych poszczególnych urządzeń.

Doświadczenia praktyczne wykazały, że pozornie identyczne łożyska toczne pracujące w identycznych warunkach, niekoniecznie uzyskają taką samą trwa-łość zmęczeniową. Znormalizowane metody oblicze-nia trwałości pomagają dokonać opartego na nauce wyboru wielkości łożyska do określonego zastosowa-nia. Przemysł zwraca się w stronę znormalizowanych obliczeń żywotności z dobrego powodu: w rzeczywi-stości niepraktycznie jest z perspektywy czasu i kosz-tów przeprowadzanie badania wielu łożysk do okre-ślonej aplikacji, w specyficznych warunkach pracy, z wymaganym poziomem ufności [14].

Rozwój standardu obliczeń zmierzał w kierunku udoskonalenia metod wyznaczania trwałości tak, aby można było z większą dokładnością przewidzieć rze-czywistą żywotność w danej aplikacji, przy założeniu

57


określonych parametrów pracy: innymi słowy, do-kładniejsze dopasowanie trwałości obliczeniowej do uzyskanej trwałości eksploatacyjnej. Ostatnie osią-gnięcia naukowe w zakresie produkcji łożysk, trybo-logii, rozwoju materiałów, monitorowania stanu ło-żysk przez użytkowników końcowych oraz dostęp do technik i urządzeń obliczeniowych doprowadziły do uzyskania możliwości wykonywania bardziej złożo-nych i dokładniejszych obliczeń żywotności łożysk [14]. Zgodnie z [11] trwałość łożyska definiuje się następu-jąco:

trwałość – dla pojedynczego łożyska toczne-go liczba obrotów wykonywanych przez jeden z pierścieni łożyska względem drugiego pier-ścienia do wystąpienia pierwszych widocz-nych objawów zmęczenia materiału jednego z pierścieni lub elementów tocznych

trwałość nominalna (L10) – w odniesieniu do pojedynczego łożyska lub grupy łożysk po-zornie identycznych, pracujących w takich samych warunkach, jest to trwałość odpowia-dająca niezawodności 90%, przy obecnie po-wszechnie stosowanym materiale i jakości wytwarzania oraz normalnych warunkach pracy

trwałość modyfikowana – trwałość uzyskana przez skorygowanie trwałości nominalnej dla żądanego poziomu niezawodności, specjal-nych własności materiału i warunków pracy.

Ponadto w pracy [8] można znaleźć dodatkowe określenia trwałości:

trwałość średnia (L10) – w przybliżeniu pię-ciokrotnie większa od obliczeniowej trwałości nominalnej

trwałość eksploatacyjna – rzeczywista trwa-łość osiągana przez łożysko w warunkach pracy do momentu jego uszkodzenia lub gdy konieczna jest wymiana łożyska z innych po-wodów

trwałość dokumentacyjna – generalnie jest to trwałość nominalna L10, a u jej podstaw le-ży doświadczenia producenta z podobnymi aplikacjami.

Dobór łożyska jest zwykle dokonywany w oparciu o trwałość łożyska i modele zmęczenia materiału współpracujących powierzchni tocznych służące do wyznaczenia żywotności. Dlatego wstępny dobór wielkości łożyska do danej aplikacji zazwyczaj rozpo-czyna się od porównania nośności łożyska z przyłożo-nymi obciążeniami, które powodują zmęczenie mate-riału, wywołując naprężenia mające wpływ na trwa-łość eksploatacyjną i niezawodność łożyska. Nieza-leżnie od siebie muszą zostać sprawdzone warunki obciążenia dynamicznego i statycznego.

Nominalna nośność dynamiczna jest przyjmowa-na do obliczeń trwałości łożysk obciążonych dyna-micznie, to znaczy łożysk, które obracają się pod ob-ciążeniem. Nośność zdefiniowana w ISO 281 określa obciążenie łożyska, przy którym łożysko uzyska trwa-łość nominalną (L10) równą jeden milion obrotów. Obciążenia dynamiczne powinny zostać sprawdzone na podstawie reprezentatywnego cyklu pracy lub spektrum obciążeń działających na łożysko, włącznie z wartościami szczytowymi (wysokimi), które mogą wystąpić [14].

Nominalna nośność statyczna jest wykorzysty-wana do obliczeń, jeżeli łożyska obracają się z pręd-kościami mniejszymi niż 10 obr/min, wykonują bar-dzo wolne ruchy oscylacyjne lub w pewnych okresach czasu pozostają nieruchome pod obciążeniem. Obcią-żenia statyczne to nie tylko siły przyłożone do łożyska znajdującego się w stanie spoczynku lub wykonujące-go powolny ruch obrotowy. Należy także uwzględnić statyczny współczynnik bezpieczeństwa wynikający z działania wysokich obciążeń udarowych (obciążeń występujących bardzo krótko). Nadmierne obciążenia statyczne mogą uszkodzić łożysko powodując od-kształcenia plastyczne w miejscach styku elementów tocznych z bieżniami [14].

Obciążenia działające na łożysko można obliczyć zgodnie z zasadami mechaniki klasycznej, jeżeli zna-ne są siły zewnętrzne lub można je wyznaczyć. Przy-kładowo, te obciążenia zewnętrzne mogą obejmować siły pochodzące od przenoszenia napędu, siły robocze lub siły bezwładności .Przy obliczaniu elementów składowych obciążenia pojedynczego łożyska, przyj-muje się, że wał jest belką na sztywnych podporach, wolnych od momentu utwierdzenia. W podstawowych obliczeniach katalogowych lub obliczeniach uprosz-czonych zazwyczaj nie uwzględnia się odkształceń sprężystych łożyska, oprawy lub korpusu maszyny, ani momentów powstających w łożyskach w wyniku ugięcia wału. Historycznie w celu uproszczenia stan-daryzowane metody obliczania nośności i obciążeń równoważnych są oparte na podobnych założeniach.

Ponieważ trwałość pojedynczego łożyska może być przewidywana tylko statystycznie, szczególnie ważne jest uwzględnianie, że obliczenia trwałości odnoszą się do całej populacji łożysk i założonego poziomu niezawodności. Trwałość nominalna L10 dotyczy niezawodności 90% łożysk wykonanych z materiału wysokiej jakości, charakteryzujących się dobrą jakością wykonania i pracujących w normal-nych warunkach [14].

Oczywiście w praktyce trwałość nominalna może znacznie różnić się od rzeczywistej trwałości eksplo-atacyjnej w danej aplikacji. Przykładowo, opubliko-wane wyniki pokazały, że faktyczna uzyskana w wy-niku testów trwałość może różnić się względem trwa-łości nominalnej prawie pięciokrotnie. „Trwałość eksploatacyjna” wyraża faktyczną żywotność łożyska

58


w prawdziwych warunkach roboczych do momentu jego uszkodzenia. „Trwałość eksploatacyjna” bar-dziej uwydatnia, że uszkodzenia łożysk mogą być wynikiem „przyczyn pierwotnych” a nie zmęczenia materiału łożyska. Kiedy łożysko ulega uszkodzeniu, w większości spotykanych obecnie przypadków przyczyną są nieprawidłowo wysokie naprężenia w łożysku, będące rezultatem złych warunków pracy. Przykładami „przyczyn pierwotnych” powodujących uszkodzenia są zanieczyszczenia, zużycie, nie-współosiowość, korozja, uszkodzenia montażowe, smarowanie lub system uszczelniający [14].

Postępy w nauce i technice łożyskowej na przestrzeni lat spowodowały, że nastąpiło udos-konalenie konstrukcji i procesu produkcji łożysk, zapewniające wydłużenie trwałości łożysk i zmniejszenie ich wrażliwości na ciężkie warunki pracy. Rozwijane były metody obliczeniowe tak, aby dokładniej można było przewidzieć trwałość eksploatacyjną łożysk. Norma ISO 281:1990 określająca trwałość nominalną i sposób jej obliczania (ISO 281) została zmodyfikowana równolegle do tych zmian, gdyż producenci i użytkownicy łożysk powszechnie zaakceptowali i zastosowali nowsze technologie. Trwałość łożyska obliczana zgodnie z nowymi metodami znacznie zwiększa w chwili obecnej moż-liwość przewidywania przez użytkownika rzeczywi-stej trwałości eksploatacyjnej łożyska przy znanych warunkach pracy. To prowadzi do wielu korzyści [14]:

możliwość zastosowania łożyska o mniej-szych wymiarach gabarytowych przy pracy w dobrych warunkach, dzięki czemu zmniejsza się tarcie, zużycie energii i wagę

dobór sposobu smarowania i stopnia filtracji pozwala maksymalnie wydłużyć trwałość ło-żyska i systemu

w kontrolowanych warunkach pracy można wydłużyć czas gwarancji lub międzyobsłu-gowe okresy pracy

możliwość lepszej oceny wpływu parame-trów pracy na poszczególne rodzaje i kon-strukcje łożysk.

W związku z tym, że obliczenia trwałości łożysk zawierają pewne ryzyko należy zwróć uwagę na na-stępujące zagrożenia:

wyniki obliczeń są uzależnione od warunków pracy: obciążenia, temperatury, warunków smarowania i zanieczyszczenia; jeżeli zostaną przyjęte nieprawidłowe założenia do doboru łożyska, może to prowadzić do przedwcze-snych problemów z łożyskiem

metodologia i obliczenia zakładają, że łożyska mają nowoczesną konstrukcję, do ich wyrobu są stosowane najnowsze procesy produkcyjne i materiały zgodne z wymaganiami technicz-

nymi dla stali łożyskowej przyjmuje się, że łożyska są montowane i

obsługiwane prawidłowo. Informacje i wsparcie z doświadczonych źródeł

posiadających odpowiednią wiedzę techniczną i znajomość zagadnień łożyskowych może pomóc użytkownikom w uzyskiwaniu założonej trwałości ich łożysk. 3.2.5. Uszkodzenia podczas eksploatacji

Najczęściej nie można bezpośrednio obserwować łożysk tocznych podczas eksploatacji. Jednak w większości wypadków na podstawie odgłosów wydawanych przez łożysko, drgań, temperatur i smarowania można ocenić, czy mogą wystąpić zakłócenia i jakiego rodzaju. Typowe cechy uszkodzeń i ich przyczyny są podane w tabeli 2 [12].

Powyższe przyczyny powodują konkretne uszko-dzenia pozostawiając specyficzny ślad w uszkodzo-nym łożysku. Badając i prowadząc szczegółowe oglę-dziny uszkodzonego łożyska można wyciągnąć wnio-ski, co do przyczyny uszkodzenia i podjęć właściwe działania zapobiegawcze.

O uszkodzeniu łożyska świadczą nie tylko pozo-stawione na nim ślady. Istnieje szereg symptomów, które świadczą o możliwości poważnego uszkodzenia łożysk. Do grupy tej należy zaliczyć [2]:

1. Przegrzanie łożyska

Przyczynami podwyższonej temperatury pracy ło-żyska mogą być:

nieodpowiedni rodzaj smaru plastycznego lub oleju w danych warunkach roboczych

zbyt niski poziom oleju zbyt mało smaru w oprawie zbyt wysoki poziom oleju mały luz łożyska wskutek nagrzewania się

łożyska poprzez wał odkształcenie oprawy, nierówna po-

wierzchnia podparcia ocierania uszczelnienia lub odrzutników

oleju o elementy nieruchome zatkane kanały powrotne oleju zbyt mały luz łożyska wskutek nadmierne-

go wydłużania się wału, zbyt silnie dokrę-cona nakrętka tulei

niewyważenie elementów wirujących zbyt duży otwór w oprawie niewspółosiowe ustawienie wałów.

2. Hałas łożyska Zmiana charakteru i poziomu hałasu węzła ło-żyskowego może wynikać z następujących zda-rzeń:

niewystarczające smarowanie wynikające np. z nieodpowiedniego dobrania smaru lub oleju w danych warunkach roboczych łożyska

zbyt niski poziom oleju

59


Uszkodzenie łożysk i środki zapobiegawcze [12] Tabela nr 2

Uszkodzenia Przyczyny Kroki zapobiegawcze Złuszczenia powierzchnia bieżni wykazuje ślady zużycia. W dalszej eksploatacji występu-ją wyraźnie widoczne wykruszenia

• za duże obciążenie lub złe obchodzenie się z łożyskiem • nieprawidłowy montaż • niewystarczająca dokładność osadzeń wału i oprawy • za mały luz • cząstki obce • korozja

spadek twardości z powodu zbyt wysokich temperatur roboczych

• sprawdzić obciążenie łożyska • wybrać inny rodzaj łożyska • sprawdzić luz łożyska • sprawdzić dokładność wykonania wału i oprawy • sprawdzić dobór części współpracujących z łożyskiem • sprawdzić metodę montażu • sprawdzić smar i sposób smarowania

Blokowanie temperatura łożyska stale wzrasta, łożysko zmienia barwę względnie łożysko się blokuje

• za mały luz łożyskowy ew. wskutek błędów kształtu czopów • niewystarczające smarowanie lub niewłaściwie dobrany smar • za wysokie obciążenie (zbyt duży nacisk) • skośne obciążenie elementów tocznych

• sprawdzić luz łożyskowy • sprawdzić środki smarowne i metodę smarowania • sprawdzić warunki eksploatacji • skorygować niewspółosiowość • sprawdzić otoczenie łożyska i pasowania sprawdzić metodę montażu

Rysy i karby miejscowe wykruszenia, widoczne małe rysy i karby

• zbyt duże obciążenie udarowe • za ciasne pasowanie • duże łuszczenia na bieżniach • rysy ślizgowe

niedopasowanie zaokrągleń łożyska o gniazda, wału niewłaściwe obchodzenie się z łożyskiem

• sprawdzić warunki eksploatacji • sprawdzić pasowania materiału wału względnie oprawy • sprawdzić sposób montażu i staranniej obchodzić się z łożyskiem • sprawdzić smarowanie

sprawdzić metodę montaż Koliste ślady wytarcia rysy lub nieregularne koliste ślady wytarcia pozostawione przez elementy toczne na powierzchni bieżni

• wał lub obudowa są niewystarczającej dokładności • niewłaściwy montaż – niewystarczająca sztywność wału lub obudowy wał wiruje z powodu zbyt dużego luzu wewnętrznego w łożysku

• sprawdzić luz wewnętrzny w łożysku • sprawdzić dokładności wału i obudowy • sprawdzić sztywność mocowania wału i odbudowy

Uszkodzenia koszyka wyłamane nitowania koszyka, uszkodzenia koszyka. Łączenia się koszyka rozłączają się lub łamią

• za duże obciążenie momentem • za duża prędkość obrotowa lub przyspieszenie • niewystarczające smarowanie • ingerencje siły wewnętrznej • za duże wibracje • nieprawidłowy montaż • za wysoka temperatura robocza łożyska

• sprawdzić warunki eksploatacji • sprawdzić sposób smarowania • dobór koszyka

staranniej obchodzić się z łożyskiem ocenić sztywność oprawy wału

Smarowanie, zacieranie się powierzchnie bieżni są nierówne i wykazują ślady wytarcia pozostawione przez elementy toczne na powierzchni bieżni

• niewystarczające smarowanie • drobnoziarniste cząstki obce • ukośnie położone wałeczki wskutek błędów współliniowości • ruch ślizgowy elementów tocznych • zbyt duża chropowatość powierzchni

zbyt duże obciążenie osiowe

• sprawdzić środek smarowy i system smarowania • sprawdzić warunki robocze • sprawdzić napięcie wstępne łożyska • poprawić uszczelnienia • staranniej obchodzić się z łożyskiem

Rdza i korozja

60


powierzchni posiada miejscowo lub ogólnie ślady korozji. Ślady rdzy/korozji przy linii podziałowej elementów tocznych

• nieodpowiednie warunki przechowywania • niewłaściwe opakowanie • niewłaściwa konserwacja łożyska • kontakt z wodą, kwasem • dotykanie gołymi rękoma

• poprawić warunki składowania łożysk • poprawić uszczelnienie • sprawdzić środki smarne • staranne obchodzenie się z łożyskiem, unikać kontaktu z nieosłoniętymi rękoma • poprawić konserwację łożyska unikać wtargnięcia wody, wpływów chemicznych, potu

Ślady zatarcia wskutek korozji stykowej powstaje drobny rdzawy proszek na matowych powierzchniach lub wgniecenia Brinella na bieżni od elementów tocznych

• niewystarczający wcisk przy wtłaczaniu • oscylujące mikroruchy • niewystarczające smarowanie • obciążenia pulsujące • wibracje lub drgania w trakcie transportu

• sprawdzić pasowanie i smarowanie łożyska • pierścieniewewnętrzne i zewnętrzne transportować osobno • jeśli pierścienie nie mogą być transportowane osobno, ustawić napięcie wstępne sprawdzić środek smarowy względnie zmienić rodzaj łożyska

Zużycie zużycie powierzchni, zmieniona dokładność kształtu, ślady zadrapań i szorstkie powierzchnie

• cząstki obce w środku smarnym • niewystarczające smarowanie • przekoszenie wałeczków

• sprawdzić środek smarny i metodę smarowania • poprawić uszczelnienia • skorygować błędy współliniowości

Korozja elektrolityczna kratery na bieżniach, powstawanie rowków na bieżniach

• prąd płynie przez łożysko • wykonać mostek prądowy • zaizolować łożysko

Wgniecenia i zadrapania zdarcia podczas montażu, zadrapania spowodowane przez twarde cząstki obce, wgniecenia spowodowane czynnikami mechanicznymi

• cząstki obce w łożysku • niestaranne smarowanie pierścienia wewnętrznego i zewnętrznego • nieprawidłowy montaż niewspółliniowe zamontowanie części upuszczenie łożyska lub inne nieostrożne obchodzenie się z łożyskiem

• staranny montaż • poprawić czystość na stanowisku pracy • sprawdzić czystość na stanowisku pracy • sprawdzić czystość wszystkich części maszyn

Pełzanie (ang. Creeping) powierzchnie otworu i powierzchnia gniazda są gładkie jak lustro lub odbarwione, mogą być widoczne wżery

• za mały wcisk przy pasowaniu • tuleja wciągana niewystarczająco naciągnięta • anormalne wydłużenia termiczne • za wysokie obciążenia

• sprawdzić pasowanie • sprawdzić warunki eksploatacji • sprawdzić warunki osadzeń

Zmatowienie powierzchni powierzchnia bieżni jest matowa, szorstka i/lub równomiernie wgłębiona. Powierzchnia pokryta drobnymi wgnieceniami

• niewystarczające smarowanie • przeniknięcie do łożyska obcego zanieczyszczenia

• sprawdzić środek smarny i metodę smarowania • poprawić uszczelnienia • sprawdzić czystość środka smarnego (filtr może być nadmiernie zanieczyszczony)

Łuszczenie komasowanie drobnych złuszczeń (rozmiar ok. 10µm). Liczne cienkie linie widoczne przed złuszczeniem (uszkodzenie często spotykane w łożyskach wałeczkowych)

• niewystarczające smarowanie • przeniknięcie do łożyska obcego zanieczyszczenia

• sprawdzić środek smarny i metodę smarowania • poprawić uszczelnienia (aby zapobiec wnikaniu zanieczyszczeń)

61


zbyt mało smaru w oprawie zbyt mały luz łożyska wynikający z na-

grzewania łożyska poprzez wał, zbyt duża rozszerzalność cieplna pierścienia we-wnętrznego

pojawienie się zanieczyszczeń w oprawie łożyska

wniknięcie do oprawy łożyska środków przyspieszających korozję

odkształcenie oprawy łożyska, nierówna powierzchnia podparcia, zbyt mały otwór w oprawie

ocierania uszczelnień lub odrzutników ole-ju o elementy nieruchome

mały luz łożyska wynikający z nadmierne-go wydłużenia się wału

mała średnica wału, tuleja wciągana nie jest wystarczająco dokręcona

zbyt silnie dokręcona nakrętka tulei wcią-ganej

niewyważenie części wirujących zbyt duży otwór w oprawie łożyska spłaszczenie elementów tocznych na sku-

tek poślizgu skrzywienie wału odkształcenie uszczelnień łożysk drgania spowodowane zbyt dużym luzem

roboczym łożyska odkształcenie wału lub innych części łoży-

skowania wskutek ich przegrzania obracanie się pierścienia zewnętrznego w

powiększonym otworze oprawy drgania łożysk podczas postoju.

3. Drgania Poziom drgań uszkodzonych łożysk rosnący wraz

z ich zużyciem może się radykalnie obniżyć tuż przed awarią. We wczesnych stanach degradacji łożyska drgania charakteryzują się dużymi częstotliwościami. W późniejszych stanach rośnie składowa obrotowa drgań oraz wiele jej wielokrotności.

Podwyższony poziom drgań węzłów łożyskowych może wynikać z:

zabrudzenia łożyska odkształcenia oprawy łożyska wniknięcia do oprawy łożyska środków przy-

spieszających korozję zbyt małej średnicy wału niewyważenia elementów wirujących zbyt dużego otworu w oprawie łożyska spłaszczenia elementów tocznych na skutek

poślizgu nierównomiernego obciążenia łożyska na sku-

tek błędu kształtu wału i gniazda oprawy skrzywienia wału odkształcenia wału pierścienia wewnętrznego odkształcenia oprawy i pierścienia zewnętrz-

nego

niewspółosiowości wałów maszyn zbyt dużego luzu roboczego obracania się pierścienia zewnętrznego w po-

większonym otworze oprawy łożyskowej. Z powyższego wynika, jak ważny jest odpowiedni

dobór łożyska jak i elementów z nim współpracują-cych. Dobór właściwego łożyska jest zagadnieniem prostym. Procedura rozpoczynająca się od ustalenia rodzaju obciążenia oraz jego charakteru oddziaływa-nia w kolejnych krokach wymaga szczegółowego przewidzenia lub ustalenia istniejących warunków pracy. W przeciwnym wypadku wybór może okazać się niewłaściwy.

4. ZAKOŃCZENIE Obecnie projektowane pojazdy szynowe mają stawiane wysokie wymagania odnośnie sprawności i niezawodności. Wiele z nich posiada wbudowane systemy diagnostyczne monitorujące newralgiczne miejsca w pojeździe. Systemy te pozwalają usunąć potencjalna usterkę poprzez odpowiednio wczesne jej wykrycie oraz przesłanie informacji do użytkownika. Postęp techniczny oraz stosowanie coraz bardziej zaawansowanych technologii w konstrukcji pojazdów szynowych decyduje o poszukiwaniu nowoczesnych metod diagnostycznych oraz sposobów oceny stanu technicznego pojazdu. Diagnostyka pojazdu nie tylko daje nam informacje o obecnym stanie pojazdu, ale również ma wpływ na optymalizację konstrukcji po-jazdu. Miejsca newralgiczne w pojeździe wskazane w procesie diagnozowania mogą być skorygowane pod-czas modernizacji pojazdu oraz mają wpływ na kon-strukcję nowych pojazdów. W procesie oceny stanu technicznego pojazdu istotną rolę odgrywa również prognozowanie, czyli przewidywanie stanów maszyny, które zaistnieją w przyszłości. Rozpoznanie przewidywanych zmian stanu pojazdu w czasie, pozwala uzyskać informacje o właściwej efektywności działania pojazdu, mającej wpływ na podejmowanie decyzji dotyczącej terminu i zakresu niezbędnych prac obsługowych. W układach biegowych pojazdów szynowych jednym z newralgicznych miejsc mających wpływ na sprawność pojazdu jest węzeł maźniczy. Ze względu na swoją konstrukcję oraz umiejscowienie maźnica spełnia rolę „nośnika” informacji mających wpływ na stan pojazdu.

Łożyska toczne, będące jednym z elementów wę-zła maźnicznego, są bardzo precyzyjnymi elementami, których żywotność bezpośrednio wpływa na ich osią-gi. Uszkodzenia łożysk przyczyniają się do kosztow-nych przestojów pojazdu, często z poważnymi konse-kwencjami dla właściciela lub użytkownika pojazdu. Z powyższego wynika jak ważny jest odpowiedni dobór łożyska uwzględniający stan pracy, obciążenia itp.

62


5. LITERATURA

[1] Antkowiak T.:Węzeł łożyskowy. Diagnostyka i prognozowanie. 10.2010. OR 9842 (dokument przechowywany w archiwum IPS „Tabor” Po-znań)

[2] J. Dwojak, M. Rzepiela„Diagnostyka i obsługa techniczna łożysk tocznych”, Warszawa 2003

[3] Kowalski Sł., Sowa A., Klasyfikacja metod dia-gnostyki technicznej stosowanych w zakładzie napraw taboru kolejowego, Problemy eksplo-atacji nr.2, 2007

[4] H.Tylicki „Algorytm rozpoznawania stanu ma-szyn” MOTROL, 2007

[5] B. Żółtowski „Podstawy diagnostyki maszyn”, WUAT-R. 1996

[6] karta UIC 515-5„Badanie maźnic zestawów kołowych”

[7] karta UIC 510„Widoczność maźnic zestawów kołowych dla stałych urządzeń do wykrywania przegrzanych maźnic (HOA)”

[8] EN 12080:2008„Kolejnictwo – Maźnice – Łożyska toczne“

[9] EN 12081:2008„Kolejnictwo – Maźnice – Smary”

[10] EN 12082:1998„Kolejnictwo. Maźnice. Badania eksploatacyjne”

[11] ISO 281:1990„Łożyska toczne. Nośność dynamiczna i trwałość”.

[12] www.albeco.com.pl [13] www.utrzymanieruchu.pl [14] www.utrzymanieruchu24.pl

63

Documents

Pobierz ten numer w pdf