VYSOCE PODDAJNÁ SPOJKA A JEJÍ APLIKACE NA PODVOZKU ŽELEZNIČNÍHO VOZIDLA SVOČ – FST 2010 Bc. Jakub Lomberský, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Česká republika ABSTRAKT Diplomová práce, která je podkladem tohoto textu, se zabývá návrhem vysoce poddajných spojek pro pohon přímým motorem. Navržené spojky jsou zapracovány do hnacího podvozku lokomotivy Škoda 109E. Ve spojkách je navržen kompozitový element, který odstraňuje nevýhody silentbloku. Tento kompozit je navržen díky MKP výpočtům v softwaru MSC Marc. Navržený kompozit byl vyroben a podroben testování pro verifikaci MKP výpočtů. KLÍČOVÁ SLOVA hnací podvozek lokomotivy, pohon přímým motorem, spojka, kompozit, technologie výroby, testování, CAD, MKP ÚVOD Tato diplomová práce se zabývá tématem vysoce poddajných spojek a jejich aplikací na podvozku železničního vozidla. Daná problematika je zpracovávána pro firmu Škoda Transportation a.s., která má zájem vyvinout hnací podvozek lokomotivy s přímým pohonem. Přenos výkonu od motoru na podvozek lze při tomto řešení uskutečnit dvěma způsoby: 1. Náprava dvojkolí je přímo součástí rotoru motoru. 2. Motor je dutý, náprava dvojkolí prochází touto dutinou a přenos výkonu z motoru na dvojkolí je řešen spojkou. Tato práce se zaměřuje na druhou variantu a snaží se dát odpověď na to, zda je tato konstrukce v praxi možná a jaké přináší výhody či nevýhody. Nejde o použití standardního řešení konstrukce spojek, ale je zde navržen nový, moderní přístup, který by původní konstrukci co nejvíce zdokonalil, a odstranil tak nejproblematičtější články celé spojky. Navržené spojky by měly být schopny vykonat axiální deformaci ± 10 mm a radiální deformaci ± 40 mm. Zároveň by měly být navrženy pro maximální rychlost 200 km/h, krouticí moment 55 kNm, průměr dvojkolí 1250 mm a maximální nápravové zatížení 22,5 t. POPIS A KONSTRUKCE SPOJKY ALSTHOM Dnes prakticky jediný používaný ojničkový mechanismus, který je v současném provedení opatřen pryžovými silentbloky na čepech ojniček. Smyslem jejich použití je odstranit opotřebení a přispět k vhodnému vypružení pohonu. Tyto silentbloky také limitují svou životností meziopravní proběhy pohonu i charakteristické parametry (momenty, otáčky). Mechanismus je uspořádán v oblasti snížených otáček (velkých momentů) a pohon bývá proto proveden jako oboustranný. Pro ilustraci je na obr. 1 uvedeno konstrukční provedení pohonu Alsthom, které je z důvodů prostorových i lepší přístupnosti vyneseno vně hnacích kol; to si vynucuje náročnější tvarování kotoučů kol, eventuelně zvětšení vzdálenosti středů nápravových ložisek, a tím i zvýšení ohybového namáhání nápravy.
Obr. 1: Konstrukční řešení ojničkového mechanismu Alsthom [2]
Každý z mechanismů se skládá ze dvou párů ojnic střídavě připojených ke střední paletě. Silentbloky na konci jednoho páru ojnic je mechanismus připojen k unášeči spojenému s dutým hřídelem a na konci druhého páru ojnic s hnacím kolem. Přenos momentu se tedy uskutečňuje podle obr. 2 touto cestou: unášeč na dutém hřídeli (1) – ojnice k paletě (O1) – paleta (P) – ojnice ke kolu (O2) – hnací kolo (2). Velikost momentu kola Mk je tvořena dvojicí sil v ojnicích F0 = Mk / r.
Obr. 2: Přenos momentu na ojničkovém mechanismu Alsthom [1] Předností tohoto mechanismu, ve srovnání s ostatními, je účelné využití zastavěného prostoru plynoucí z obvodového uspořádání ojnic a středová souměrnost umožňující jeho dobré vyvážení. Přesto je třeba konstatovat, že z hlediska vysokých rychlostí nelze již dnes tento mechanismus považovat za optimum právě z hlediska jeho vyvážení, které je narušováno pohybem palety a ojnic. Navržená konstrukce spojky Alsthom je zachycena na obr. 3. Tato spojka ovšem nemá v otočných uloženích použit pryžový silentblok, ale místo něj je použita kompozitová lamela.
Obr. 3: Konstrukční řešení spojky Alsthom Kompozitová lamela (obr. 4) se skládá ze dvou nábojů, které jsou z oceli. Osová vzdálenost těchto nábojů je 399,5 mm. Vnitřní průměr náboje je 80 mm a vnější průměr je 145 mm. Šířka náboje je 70 mm. Na obou nábojích je zápich o velikosti 15x10, který je zakončen rádiusem o velikosti 5 mm. Tento rádius je velmi důležitý z důvodu zamezení střihání vlákna kompozitu při axiální deformaci. Do zápichu se do smyčky navine kompozit, čímž se vytvoří vysoce poddajná kompozitová lamela. Uvnitř náboje je vloženo plastové pouzdro o vnitřním průměru 75 mm a tloušťce 2,5 mm. Toto plastové pouzdro má funkci kluzného ložiska a je vyrobeno z materiálu od firmy Murtfeldt s obchodním názvem Murlubric. Jedná se o plast PA 6 – G s příměsí oleje. Tento materiál má vysokou odolnost proti opotřebení a nízký součinitel tření. Dále se na bocích nábojů nachází na průměru 104 mm zápichy o velikosti 14 x 8,5, do kterých se umístí stírací kroužky, které zajistí prachovou odolnost lamely vůči okolnímu prostředí. Ta je velmi důležitá z důvodu použití plastových kluzných ložisek, které takovouto konstrukci přímo vyžadují. Stírací kroužky byly vybrány od firmy
Trelleborg pod obchodním názvem V- kroužky. Konkrétně v tomto případě se jedná o V – kroužek – typ A o průměru hřídele v rozmezí 98 -105 mm, typové označení TWVA01000. Kompozitové očko bude muset přenést tahové zatížení 80 kN a umožnit příčnou deformaci lamely o 6 mm na obě strany; přitom musí být oba náboje stále souosé. Dále také nesmí dojít k vytržení kompozitu při tlaku, kdy vlivem výrobních nepřesností může dojít k potřebě mírné deformace lamely tak, aby mohla druhá spojka (na druhé straně) plně zabírat. Aby nedošlo k vytržení kompozitového očka z pouzder, jsou na obou stranách lamely, pomocí dvou šroubů M10, přišroubovány kovové příložky. Tyto příložky mají úhel opásání 27°. Rozměry kompozitového očka a úhel opásání příložky byly stanoveny podle výpočtů MKP.
Obr. 4: Konstrukční řešení kompozitové lamely POPIS A KONSTRUKCE HOMOKINETICKÉ OJNIČKOVÉ SPOJKY Další variantou spojky eliminující radiální a axiální deformace mezi vstupním a výstupním hřídelem s velmi malými axiálními rozměry je tzv. devítiprvková homokinetická ojničková spojka. Základní kinematické schéma je na obr. 5 vlevo. Spojka se skládá ze tří dílčích mechanismů, které jsou vzájemně otočně propojeny v centrálním uzlu.
Obr. 5: Kinematické schéma homokinetické ojničkové spojky [2] Na obr. 5 vpravo je pro zjednodušení naznačen jeden z těchto tří mechanismů, aby byl patrný silový tok mezi vstupním a výstupním hřídelem. Moment je tedy přenášen z čepu unášeče vstupního hřídele (I.) na ojnici (II.), která je připevněná k palci palety (IV.); na druhé straně palety je moment přenášen přes druhý palec palety (V.) na ojnici (VI.) a z ojnice následně na výstupní hřídel (VII.). Na obr. 6 je znázorněno jedno z možných konstrukčních provedení. Toto provedení nemá ve středu spojky dutinu, proto není vhodné pro aplikaci přímého pohonu kolejového vozidla, jelikož uvnitř spojky musí procházet náprava dvojkolí. Tato konstrukce jasně vystihuje všechny zásady, které jsou nutné při tvorbě takovéto spojky, ať už se jedná o vzájemné ložiskování palet, či otočné uložení ojnic v palcích palety.
Obr. 6: Konstrukční provedení homokinetické ojničkové spojky [2] Mechanismus umožňuje radiální deformaci mezi vstupním a výstupním hřídelem, přičemž nedochází ke kinematické chybě, a při radiálním vychýlení mezi vstupním a výstupním hřídelem se uzel tří palet postaví do střední polohy mezi vstupním a výstupním hřídelem a nekmitá na malé kružnici, jako při použití spojky Alsthom. Toto devítiprvkové uspořádání spojky ovšem znamená, že jedna z ojnic je při přenosu kroutícího momentu namáhaná na tah a druhá ojnice je namáhána na tlak. V této práci navržená kompozitová lamela nahrazující ojnici je ovšem schopna přenášet pouze tahové namáhání. Proto muselo dojít k úpravě tohoto mechanismu, a to následujícím způsobem: Ze tří antiparalelogramů, které jsou mezi sebou uprostřed spojeny rotační vazbou, jsou vytvořeny tři paralelogramy, rovněž uprostřed spojené rotační vazbou. Touto úpravou tedy došlo k tomu, že všechny ojnice ve spojce jsou pouze namáhány na tah, nikoliv už však na tlak. Navržená konstrukce homokinetické ojničkové spojky je zachycena na obr. 7. Tato spojka opět nemá v otočných uloženích použit pryžový silentblok, ale místo něj byla použita kompozitová lamela.
Obr. 7: Konstrukční řešení homokinetické ojničkové spojky Kompozitová lamela je stejné konstrukce jako u spojky Alsthom. Rozdíl je pouze ve velikosti, protože osová vzdálenost nábojů je 260 mm, vnitřní průměr náboje 55 mm, vnější průměr 100 mm a šířka náboje 40 mm. Na obou nábojích je zápich o velikosti 10x10, který je zakončen rádiusem o velikosti 3 mm. Dále se na bocích nábojů o průměru 63 mm nachází zápichy o velikosti 6 x 6, do kterých se umístí stírací V – kroužky. Kompozitové očko bude přenášet tahové zatížení 50 kN a musí umožnit příčnou deformaci lamely o 6 mm na obě strany za podmínky, že oba náboje zůstanou stále souosé. Dále také nesmí dojít k vytržení kompozitu při tlaku, kdy vlivem výrobních nepřesností může dojít k potřebě mírné deformace lamely tak, aby mohla druhá spojka na opačné straně plně zabírat. Aby nedošlo k vytržení kompozitového očka z pouzder, jsou na obou stranách lamely, pomocí dvou šroubů M 8, přišroubovány kovové příložky. Tyto příložky mají úhel opásání 24°. Rozměry kompozitového očka a úhel opásání příložky byly stanoveny podle výpočtů MKP.
VÝROBA KOMPOZITOVÝCH LAMEL Výroba lamel byla provedena pro homokinetickou ojničkovou spojku na Fakultě aplikovaných věd, Katedře mechaniky. Tato spojka má osovou vzdálenost kratší než spojka Alsthom, což je vhodné pro uchycení do trhacího stroje; zároveň je její namáhání při ohybu větší, proto bylo rozhodnuto o vyrobení a prozkoumání této lamely. Celkem byla naplánována výroba čtyř vzorků. Tři vzorky v měřítku 1:2, byly určeny pro tahovou zkoušku a jeden vzorek v měřítku 1:1, pro otestování ohybových vlastností lamely. K navinutí kompozitových lamel bylo nutné vyrobit kovová pouzdra, do kterých se kompozitové vlákno navine a navíjecí přípravek umožňující zafixování pouzder v daných osových vzdálenostech. Celý proces navíjení byl proveden v laboratorních podmínkách. Nejprve bylo důležité připravit pracovní stůl se všemi potřebnými náležitostmi. Na jednu stranu stolu byla umístěna cívka s navinutým uhlíkovým vláknem T700 o průřezu snopku vlákna Af = 0,444 mm2. Toto vlákno má stejné vlastnosti, jaké byly nadefinovány v MKP výpočtech. Na druhé straně stolu, byl ve stojanu vytvořeném z laboratorních závaží, rotačně upevněn navíjecí přípravek se zafixovanými pouzdry. Celý pohled na pracovní stůl je na obr. 8.
Obr. 8: Pohled na pracovní stůl Další důležitou částí celé výroby byla příprava pryskyřice LG120, která v dané kompozitové lamele působí jako matrice. Pryskyřice se před nanášením smíchala s tvrdidlem EM100 v poměru 100: 34. Po připravení všech důležitých částí se přistoupilo k samotnému navíjení. Uhlíkové vlákno se rozmotalo na stůl a štětcem se prosytilo pryskyřicí. Poté se vlákno začalo navíjet na pouzdra upevněná v navíjecím přípravku. Pro co nejpevnější ovinutí bylo vlákno ručně dopínáno. Pokaždé, když se prosycená část uhlíkového vlákna namotala, bylo nutné další rozvinutou část vlákna důkladně prosytit. Tímto postupem se pokračovalo, až do zaplnění celého zápichu v pouzdrech kompozitem. Poté se uhlíkové vlákno odstřihlo a zbytek vlákna se koncem štětce zatlačil do pryskyřice v navinuté lamele. Po navinutí byla lamela ponechána v upínacím přípravku ještě další dvě hodiny a pak byla i s navíjecím přípravkem vložena na 12 hodin do sušičky rozehřáté na teplotu 40 °C. Poté byla teplota v sušičce zvyšována každou hodinu o 20 °C až na výsledných 100 °C, ve kterých lamela zůstala dalších 24 hodin. Po uplynutí této doby se sušička vypnula a lamela se v ní nechala pomalu vychladnout. Po vychladnutí se pouzdra uvolnila z navíjecího přípravku a tím byla celá výroba kompozitové lamely ukončena. Dvě z vyrobených lamel jsou na obr. 9.
Obr. 9: Kompozitové lamely v měřítku 1:2 a 1:1
TESTOVÁNÍ VYROBENÝCH LAMEL A POROVNÁNÍ VÝSLEDKŮ S MKP VÝPOČTY Vyrobená lamela v měřítku 1:1 byla podrobena několika testům, které měly za úkol ověřit ohybové vlastnosti lamely a porovnat je s MKP výpočtem. První měření, které bylo provedeno, bylo měření ohybu vedené lamely (obr. 10). Měření se skládalo z upnutí jednoho konce lamely pomocí upínky k pevnému stolu. Druhý konec lamely byl vedený ve vedení tak, aby byla zaručena souosost obou nábojů lamel i při zatížení. Vedení bylo pevně přišroubováno ke stolu. K odměřování bylo použito laserové zařízení a zároveň se prováděly pomocí fotoaparátu snímky, které umožnily vyhodnotit na počítači deformace pomocí vzdálenosti pixelů. Výsledkem tohoto měření bylo, že při síle 1000N se lamela ohnula o 5,6 mm. V MKP výpočtu vycházela síla 1050 N na ohnutí lamely o 6 mm. Tento nepatrný rozdíl je způsoben třením a křížením lamely ve vedení, jenž MKP výpočet není schopen postihnout.
Obr. 10: Ohyb kompozitové lamely v měřítku 1:1 ve vedení Další měření probíhalo podobným způsobem jako měření předchozí, pouze daná lamela byla volně uložená, to znamená, že neměla žádné vedení. Pohled na měření volné lamely je na obr. 11. Měřením bylo zjištěno, že při síle 500N se lamela ohnula o 16,5 mm. V MKP výpočtu vycházel při síle 500 N ohyb lamely o 16,9 mm. Tento nepatrný rozdíl je zanedbatelný a lze konstatovat, že se MKP výpočet shoduje s realitou.
Obr. 11: Ohyb volné kompozitové lamely v měřítku 1:1 Pro další ověření správnosti MKP výpočtů bylo rozhodnuto o provedení tahové zkoušky na vyrobených vzorcích lamel. Tyto vzorky byly vyrobeny v měřítku 1:2, aby bylo možné jejich upnutí do trhacího stroje Trebel. Celkem došlo k odzkoušení tří vzorků, které se v tomto stroji postupně přetrhly. Síla, při které došlo k přetržení lamely, se zaznamenala a porovnala s výsledky z MKP výpočtu. Přetrhané vzorky lamel jsou na obr. 12. Bohužel u vzorku č. 2 nedošlo při výrobě k dokonalému spojení uhlíkového vlákna z pryskyřicí, což se projevilo rozpletením při tahovém zatížení, a tak musel být tento vzorek z měření odstraněn. Lamela č. 1 byla vyrobena jako první, při jejím navíjení se dosáhlo tloušťky kompozitu t = 3,45 mm a objemového podílu vláken Vf = 0,5. Výpočet MKP ukázal, že síla, při které dojde k přetržení, je 65 kN. Reálná síla, při které došlo k přetržení na trhacím stroji, byla 56 kN. Při navíjení lamely č. 3 se dosáhlo tloušťky kompozitu t = 4,3 mm a objemového podílu vláken Vf = 0,65. Výpočet MKP ukázal, že síla, při které dojde k přetržení, je 76 kN. Reálná síla, při které došlo k přetržení na trhacím stroji, byla 88 kN. Tato síla je již vyšší než vypočtená síla o velikosti 50 kN, která kompozitovou lamelu bude ve
skutečnosti tahově namáhat. Z toho lze tedy usoudit, že je daná kompozitová lamela dobře navrhnuta a že je schopna všechny provozní zatížení vydržet.
Obr. 12: Přetrhané vzorky kompozitových lamel v měřítku 1:2 STUDIE ŘEŠENÍ KOMPLETNÍHO PODVOZKU Pro obě navržené spojky byla provedena studie celkového zapracování do podvozku vycházejícího z hnacího podvozku lokomotivy Škody 109E. Z původního podvozku zůstal kompletně celý rám, primární vypružení a sekundární vypružení. Nově navrženým prvkem byl celý mechanismus pohonu. Původní pohon dutým hřídelem byl nahrazen přímým pohonem. Motor je dutý a je umístěn v ose nápravy. K rámu podvozku je připevněn dvěma úchyty na čelníku a jedním úchytem na příčníku. Pomocí deseti šroubů M30 jsou k motoru přišroubovány jednotlivé unášeče navržených spojek. Na podvozku jsou pro názornost umístěny obě navržené spojky. Kola dvojkolí jsou jiné konstrukce, než tomu bylo v původním řešení. Jedná se o náhradu kol s disky pro kotoučovou brzdu klasickými koly, ve kterých jsou vytvořeny otvory pro unašeč spojky. Z toho vyplývá, že u tohoto podvozku musí být kotoučová brzda nahrazena brzdou špalíkovou. Celý model podvozku je vidět na obr. 13 a 14.
Obr. 13: Pohled na celkovou konstrukci podvozku
Obr. 14: Pohled seshora na celkovou konstrukci podvozku
Na obr. 15 jsou vidět jednotlivé spojky zakomponované do podvozku. Tyto spojky mají natolik zdařilou konstrukci, že mohou být použity bez jakýchkoliv úprav na podvozku, což je dáno hlavně jejich malou axiální délkou. Není nikterak nutné zasahovat do původní konstrukce rámu, ložiskové skříně či primárního vypružení.
Obr. 15: Pohled na obě spojky zapracované do podvozku ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Tato diplomová práce přinesla nový pohled na problematiku vysoce poddajných spojek. Nově navržený pružný element ve spojkách umožnil odstranit velmi problematické silentbloky ze spojek. Místo nich je možné do spojky zakomponovat kompozitovou lamelu s kluznými pouzdry, která nahradí všechny pohyby silentbloku. Kompozitová lamela je navržena pro statické namáhání na tah a na ohyb pomocí MKP výpočtů. Tyto výpočty se podařilo verifikovat díky vyrobeným a odzkoušeným vzorkům. Bohužel ale tyto testy nedokážou nic říci o únavových vlastnostech lamely. Pokud by byl tento druh pohonu použit v provozu, měla by být daná oblast únavového namáhání důkladně prozkoumána. Při navrhování homokinetické ojničkové spojky bylo díky kompozitové lamele možné upravit celkovou konstrukci spojky tak, že ze tří antiparalelogramů byly vytvořeny tři paralelogramy. Tato úprava je velmi výhodná, protože umožní obejít patent p. Chivariho a tím snížit výrobní náklady této spojky. Studie řešení kompletního podvozku ověřila, že je možné navržené spojky zabudovat do hnacího podvozku Škody 109E. Zároveň přinesla i jednu z možných variant řešení přímého pohonu. Diplomová práce splnila požadované zadání a zároveň přinesla i nové pohledy na konstrukci důležitých uzlů v podvozku kolejového vozidla. Navržená kompozitová lamela nemusí být použita jen u spojky Alsthom a homokinetické ojničkové spojky, ale může najít uplatnění i v dalších aplikacích. PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Petru Hellerovi, CSc. a konzultantovi Ing. Petru Špalkovi, kteří mi v průběhu řešení ochotně pomáhali s řadou dílčích problémů. Velké poděkování patří také Ing. Radku Kottnerovi, Ph.D, který mi pomohl s řešením, výrobou a testováním navržených kompozitových lamel. Mé poděkování patří rovněž kolektivu pracovníků na Katedře konstruování strojů a na Katedře mechaniky. LITERATURA [1]
ŠÍBA, J. Kolejová vozidla II – pojezd, Praha: Ediční středisko ČVUT, 1991.
[2]
BIRJUKOV, I. V., BELGAJEV, A. I., RYBNIKOV, E. K. Trakční pohony, Moskva: Nakladatelství Transport, 1986.
