Villamos mozdonyok fejlesztési irányai

Villamos mozdonyok fejlesztési irányai Kiss Csaba MÁV Zrt. VMMSZK Fejlesztési és Mérnöki Szolgáltató Osztály fejlesztőmérnök BME Vasúti Járművek és Járműrendszeranalízis Tanszék, tanársegéd

Magyar Államvasutak ZRt.

A tartalomból •Vasúti vontatójárművek fejlesztésének főbb irányai •Vontatójármű fejlesztési tendenciák megközelítési módjai •Korszerű villamos mozdony néhány jellemző tulajdonsága •A vontatójárművek fejlesztési irányai a jármű alrendszerei szerkezeti felépítése tekintetében •A vontatójárművek fejlesztési irányai a vontatójárművek üzeme tekintetében •A vontatójárművek fejlesztési irányai a vontatójárművek fenntartása vonatkozásában •Érdekességek, újdonságok •Összefoglalás, kitekintés


A vasúti vontatójárművek fejlesztésének főbb irányai • Vasúti szállítás minőségi jellemzőinek fokozása társadalmi igény •A

vasúti

közlekedés

energiafogyasztásának

csökkentése

összességében és fajlagosan is, gazdaságosság • Részben az előzőt is magában foglalja a vasúti közlekedés környezetterhelésének csökkentése. környezetvédelem


A

vontatójármű

fejlesztési

tendenciák

szempontjai,

megközelítésének módjai Ø a jövőben várható piaci igények vasút piaci részesedése nem romlik a közlekedési munkamegosztásban Øa járműfejlesztés, a műszaki tartalom enegiafogyasztás

csökkentése

összességében

fajlagosan is Ø a vontatási szolgáltatást nyújtó szempontjából nyereséges piaci szereplés


és

A korszerű villamos mozdony néhány jellemző tulajdonsága nagyterhelésű és nagy sebességű vontatójármű járműcsalád tagja, legmesszebb menőkig érvényesül az építő szekrény elv a szerkezeti felépítésében eltérő jellegű vontatási feladatok ellátására is alkalmas (univerzális jelleg) nagy értékű, nagy teljesítőképességű, nagy igényű szerkezeti felépítésű műszaki, energetikai rendszer pénzügyi élettartama közelítőleg 20+ év, műszaki élettartama közel 40 év beszerzési

ára

egyszeri

viszonylag

nagy

költség,

azonban

élettartam költsége ennél közelítőleg egy nagyságrenddel nagyobb


Villamos mozdonyok vontatási és energetikai jellemzői 1. szilárdsági határ: a jármű vontató berendezése által kifejthető maximális vonóerő

Fk Fki

2. fizikai határ: erőkapcsolati tényező sebességfüggése 3. teljesítőképességi határ: a beépített teljesítményből számítható vonóerő

…..

ηk2

ηk1

kerékkerületi hatásfok: ηk1> ηk2>… >ηkn 4. futástechnikai határ: a hordmű futástechnikai jellemzői korlátozzák

ηkn vmax

v

5. terhelés: a vonatott kocsisor menetellenállása Magyar Államvasutak ZRt.

A

jármű

konstrukcióval

kapcsolatos

kérdéseket

főbb

alrendszerekként tekintjük át: •főüzemi energiaátalakító berendezés, •segédüzemi energiaátalakító berendezés, •a vonat villamos energiával történő ellátását biztosító alrendszer, •irányítástechnikai rendszer, •sűrített levegős rendszer, •fékrendszer, •járműszerkezeti rész.


Főbb állomások (mérföldkövek) a járművek fejlesztésében az elmúlt évtizedekben • kétirányú energiaáramlást lehetővé tevő, szabályozható teljesítménytényezőjű áramirányító topológia (1974), • teljes értékű teljesítményfélvezető kifejlesztése (GTO (1975), IGBT (1987)), • háromfázisú váltakozó áramú vontatómotoros hajtások irányításának elméleti megalapozása, kiépítése (1960-as és 1970-es évek részben az 1980-as évek), • nagydinamikájú, ipari kivitelű, folyamatirányító rendszerek gyakorlati megvalósítása (megbízható minőségben, nagy darabszámban, kedvező áron) (1980-as, 1990-es évek), • a fenti ponthoz kapcsolódóan az ahhoz szükséges informatikai rendszerek kifejlesztése és gyakorlati alkalmazása (1980-as, 1990-es évek) Ezek révén a kommutátoros vontatómotor kiváltása Magyar Államvasutak ZRt.

Elvárások a korszerű villamos vontatójárművekkel kapcsolatban

környezetbarát gazdaságos

áramnem Vonatbefolyásolás Szabványok, normák Engedélyeztetés

Forrás: Siemens Transportation Inc. Magyar Államvasutak ZRt.

rugalmasság ár LCC

Egy nagy teljesítményű korszerű villamos mozdony főáramköre

Forrás: Siemens Transportation Inc. Magyar Államvasutak ZRt.

Vontatómotor típusok • Rövidrezárt forgórészű aszinkron motor, • Szinkron motor gerjesztőtekercsekkel, • Állandó mágnesű szinkron motor. Tengelyhajtás • Marokcsapágyas (rugózatlan), • Félig rugózott, • Teljesen rugalmas vontatómotor felfüggesztés.


Marokcsapágyas tengelyhajtás

Forrás: Alstom Magyar Államvasutak ZRt.

Teljesen rugalmas tengelyhajtás

Forrás: Bombardier Transportation Magyar Államvasutak ZRt.

Segédüzemi energiaátalakító berendezés Táplálás történhet a főtranszformátor segédüzemi tekercsről vagy az egyenáramú közbenső körből. A segédüzemi fogyasztók két csoportba oszthatók: • Változó fordulatszámú fogyasztók, • Állandó fordulatszámú fogyasztók.


Az irányítástechnikai rendszer járműdiagnosztika az elmúlt időszakban a vasúti járművek felépítése nagymértékben egységessé vált a járművek felépítése számottevően bonyolultabbá vált a járművekben zajló folyamatokat a járműbe beépített, ipari kivitelű, folyamatirányító számítógépek irányítják az irányításhoz jelentős mennyiségű valós idejű adat szükséges az irányítandó berendezések állapotáról és működési jellemzőiről a járműdiagnosztika ma már a járművek irányítástechnikai rendszerének szerves része


Egy korszerű jármű segédüzeme

Forrás: Siemens Transportation Magyar Államvasutak ZRt.

Irányítástechnika feladatai Irányítástechnikai rendszer Az irányítástechnika célja, hogy adott rendszerek viselkedését általunk kívánt tulajdonságúvá tegye illetőleg a rendszerek viselkedését megadott szempontoknak, céloknak megfelelővé, optimálissá tegye. q Vontatás irányítás q Fékberendezés irányítása q Segédüzemi berendezés irányítása q Automatikus menet/fék irányítás q Központi mozgásállapot érzékelés q Vonatkommunikáció q Járműdiagnosztika


Irányítástechnikai rendszer szintjei 1. Vonatirányítás - távvezérlés, - ingavonati üzem stb. 2. Járműirányítás - jármű folyamatai irányítása - diagnosztika 3. Alrendszer - hajtás - segédüzem stb.

Forrás: Bombardier Transportation


Egy korszerű villamos mozdony irányítástechnikai rendszere

Forrás: Siemens Transportation Magyar Államvasutak ZRt.

Egy korszerű irányítástechnikai rendszer felépítése DAVIS 185

WLAN

MMI - Diagnose

GSM/GPRS

MMI - ERTMS

DCPU1 LS+

GPS

I/O

DCPU2

ZBF

CAN

rechts

MVB

links

MMI - ERTMS

MMI - Diagnose

rechts links Videokameras FR2

Videokameras FR1

BC

BC

D,A


Profibus

UIC

MBS

Klima

PL

LZB

SR1

HBU2

PZB

ZMS

HBU1

SHP

Teloc (JRU)

EBICAB 2000

SR2

Egy jármű diagnosztikai rendszerének felépítése

Betriebsdiagnose Warnung / Alarm Fehlerliste Abhilfemaßnahmen Selbsttest

NFS InstandhaltungsDiagnose

Prozeßkontrolle

DCU ZSG

FEHLER-Erkennung

FEHLER-Speicherung


Fehlerliste mit Filter Historie Umfelddaten Reparaturhinweise

FEHLER-Ausgabe

Sűrített levegős rendszer - sűrített levegő termelése, szállítása, tárolása és elosztása - Hagyományos dugattyús kompresszor helyett olajmentes dugattyús kompresszor vagy csavarkompresszor - A nyomásszintek miatt a jövőben is csak térfogatkiszorítású légsűrítők Fékrendszer - az egyik legalapvetőbb közlekedésbiztonsági berendezés - Tuskós féket kiszorítja a tárcsafék, melyet többnyire a keréktárcsán helyeznek el - a mechanikus fék szerepét -ahol lehet- a hajtóműfék vagy a villamos fék veszi át - valamennyi fékműködtetéshez szükséges elem egy panelen történő elhelyezése


Egy korszerű villamos mozdony fékállványa


Korszerű villamos mozdony levegős vázlata


Az ERTMS\ETCS rendszer alapvető architektúrája Történeti előzmények 1.jelenlét ellenőrzése 2.cselekvőképesség ellenőrzése 3.vonatbefolyásolás


ETCS rendszer


Egy korszerű vontatójármű ETCS-konfigurációja


A

vonat

villamos

energiával

történő

ellátását

biztosító

berendezés Helyhezkötött energiaellátó berendezésről táplált járművek esetén a táplálás a transzformátor külön tekercséről Beépített erőforrással rendelkező illetve kétéltű járművek esetén a rendszer lehetséges felépítése -

váltakozóáramú

generátor+statikus

áramirányító

berendezés (Head End Power) - villamos erőátvitelű váltakozóáramú vontatómotoros mozdonynál az egyenáramú közbenső körből statikus áramirányító berendezésen

keresztül

közbeiktatásával.


potenciál

elválasztó

transzformátor

Járműszerkezeti rész Melynek részei • járműszekrény: - döntően önhordó, hegesztett szerkezetekkel kell majd számolni, - a közeljövőben még szerkezeti acélokalkalmazása valószínű, - döntő hatása a járművek kialakítására az EN15227 szabványnak (Vasúti járműszekrények ütközésbiztonsági követelményei) • forgóváz: - hegesztett (vagy öntött) szerkezetek, - alapvető kialakításukat döntően az erőátvitel típusa, rendszere határozza meg • forgóváz-járműszekrény kapcsolat: - „Z”-bekötés, - húzó-, nyomórudas. Magyar Államvasutak ZRt.

Húzó-nyomórudas vonóerőbekötésű forgóváz


„Z-bekötés”-es forgóváz

Forrás: Siemens Transportation


A járművek üzemével kapcsolatos kérdések - alapvető igény: az üzemben eltöltött idő maximális és az elfogyasztott energia minimális legyen, - a jármű üzem- és segédanyagokkal történő kiszolgálásához szükséges idő minimalizálása, - a jármű folyamatos üzemkész állapotának biztosíthatósága szolgálatmentes időkben (parkoló állás) -

a

jármű

biztonságos

üzeme,

rendelkezésre

állása,

megbízhatósága és a jármű tartóssága, - a jármű gyors és kedvező viselkedése tranziens (instacionárius) üzemállapotokban is


A vontatójármű energiaátalakítási hatásfoka állandó javításának okai, céljai • ugyanakkora beépített teljesítmény esetén a jobb hatásfokú jármű

nagyobb vonó- illetve fékezőerőt tud kifejteni → kedvezőbb vonattovábbítási dinamika és a járműbe beépített teljesítmény jobb kihasználhatósága • azonos vontatási feladat teljesen azonos körülmények mellett történő végrehajtása esetén kisebb energiafogyasztás, kisebb energiaköltség • kedvezőbb energiaátalakítási hatásfok miatt a jármű egyes szerkezeti elemeinek kisebb termikus igénybevétele, kisebb hűtéssel elvezetendő veszteséget eredményez, kisebb hűtési teljesítményigény • a jármű kedvezőbb teljesítménytényezője és energiaátalakítási hatásfoka nemcsak a vontatójármű, hanem a helyhez kötött energiaellátó berendezés veszteségei is kisebbek Magyar Államvasutak ZRt.

A vontatójárművek üzemének energiaoptimális irányítása Erre alapvetően 3 területen van lehetőség: 1.A járművekben zajló folyamatok energiaoptimális irányítása, 2.Járműgazdálkodás, 3.Forgalomirányítás. Ennek megvalósítása • hitelesített energiafogyasztás mérő rendszerek a vontatójárműveken valós idejű kapcsolattal, • szolgálatmentes, de üzemben lévő vontatójárműveknél energiafogyasztás csökkentést lehetővé tevő rendszerek alkalmazása (parkoló állás), • közlekedés folyamatosságának javítása és • energiaoptimális vezetés a járműre telepített tanácsadó rendszerek segítségével.


Energiaoptimális közlekedésirányítás

Forrás: Bombardier Transportation


A jármű fenntartásával kapcsolatos kérdések - karbantarthatóság, - vizsgálati szintek gyakorisága, ciklusideje, normaideje, tartalma, - javítási szintek gyakorisága, ciklusideje, normaideje, tartalma, - az egyes fenntartási szintek emberi erőforrás-, anyag- és munkaóraköltségei. Alapvető elvárások a vontatójármű fenntartásával kapcsolatban • maximális elérhető rendelkezésre állás, • maximális elérhető üzemi megbízhatóság, • minimális költségű fenntartás.


Az előző követelmények teljesítéséhez • Kis fenntartás igényű szerkezet, • A fenntartási eseményszám lehető csökkentése, • A fenntartás összes időigényének csökkentése, • A fenntartási események döntően megelőző jellegűek legyenek, azaz tervezhetőek minden szempontból, • A fenntartási tevékenységet begyakorlott kezekre és kevés számú kifogástalanul felszerelt helyre célszerű összpontosítani.


Last-Mile villamos mozdony Iparvágányok, rakodó terminálok tolató mozdony nélküli kiszolgálása


Last-Mile villamos mozdony gépezeti elrendezése


Középfrekvenciás mozdony

transzformátorral

Forrás: Elektrische Bahnen (2005) Magyar Államvasutak ZRt.

felszerelt

villamos

Kétéltű dízel és villamos mozdony elvi kapcsolási vázlata


Összefoglalás, következtetések • A villamos mozdonyok fejlesztése a jövőben a környezetterhelés mérséklése és a vasút versenyképességének növelése jegyében fog eltelni. • Ennek következtében a vontatójármű fejlesztés fő hajtóereje a vasút energia fogyasztásának, a környezetnek okozott zaj illetve rezgés

terhelésének

mérséklése,

költségeinek mérséklése lesz.


valamint

a

vasút

saját

Köszönöm megtisztelő figyelmüket! Magyar Államvasutak ZRt.

Villamos mozdonyok fejlesztési irányai

Recommend Documents