VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV VÝROBNÍCH STROJŮ SYSTÉMŮ A ROBOTIKY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF PRODUCTION MACHINES, SYSTEMS AND ROBOTICS

KONSTRUKCE ZKUŠEBNÍHO ZAŘÍZENÍ PRO OVLIVŇOVÁNÍ ADHEZE V KONTAKTU KOLA S KOLEJNICÍ THE DESIGN OF THE TEST EQUIPMENT FOR INFLUENCING THE ADHESION OF THE CONTACT WHEEL AND RAIL

VEŘEJNÁ VERZE PUBLIC VERSION

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER’S THESIS

AUTOR PRÁCE

Bc. PETR KEJDA

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2015

Ing. FRANTIŠEK BRADÁČ, Ph.D.

Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky ABSTRAKT, KLÍČOVÁ SLOVA, BIBLIOGRAFICKÁ CITACE

ABSTRAKT Cílem této diplomové práce je konstrukce zkušebního zařízení pro pozitivní změnu adheze v kontaktu mezi kolem a hlavou kolejnice. Toho lze dosáhnout změnou velikosti koeficientu tření, čímž jsou eliminovány negativní vlivy doprovázející provoz kolejové dopravy (akustická emise a nadměrné opotřebení). Snížením tření však nesmí být ohrožena trakce či brzdění vozidla. Zařízení se řadí mezi Top of Rail systémy, kde je jako aplikační médium použit modifikátor tření. Studie obsahuje přehled dostupných druhů modifikátorů tření a aplikátorů systému Top of Rail. Samotný návrh aplikátoru je postaven na bázi off-board systému, který se umísťuje před kolejový oblouk s malým poloměrem křivosti.

KLÍČOVÁ SLOVA Top of Rail, modifikátor tření, mazání, kolej, adheze, off-board systém

ABSTRACT This thesis aims to design a test equipment for positive change the adhesion contact between the wheel and the rail head. This can be achieved by changing the size of the coefficient of friction, which are eliminated negative effects accompanying the operation of the rail transport (acoustic emissions and excessive wear). Reducing friction must not be compromised traction or braking. Equipment ranks among to Top of Rail systems where as medium is used the friction modifier. The study includes an overview of available types of friction modifiers and applicators Top of rail system. The design of the applicator is built based on the off-board system that is placed in front of the arc track with a small radius of curvature.

KEYWORDS Top of Rail, friction modifier, lubrication, rail, adhesion, off-board system

strana

1

Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky ABSTRAKT, KLÍČOVÁ SLOVA, BIBLIOGRAFICKÁ CITACE

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE KEJDA, P. Konstrukce zkušebního zařízení pro ovlivňování adheze v kontaktu kola s kolejnicí. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2015. 72 s. Vedoucí diplomové práce Ing. František Bradáč, Ph.D.

strana

2

Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že tato diplomová práce je mým původním dílem a že jsem ji zpracoval samostatně pod odborným vedením Ing. Františka Bradáče, Ph.D., s použitím uvedených zdrojů.

V Brně, dne..………………

………………………………..... Vlastnoruční podpis autora

strana

3

Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky PODĚKOVÁNÍ

PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat svému vedoucímu Ing. Františkovi Bradáčovi, Ph.D., za odborné vedení a podmětné připomínky. Děkuji za cenné rady také mým spolupracovníkům z fimy Tribotec. Velké poděkování však patří zejména mé rodině a snoubence za značnou podporu během celého studia.

strana

4

Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky OBSAH

OBSAH ÚVOD ...................................................................................................................... 6 1

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ ........................................ 7 1.1 Komerčně dostupné modifikátory tření .................................................... 7 1.1.1 Kelsan KELTRACK - tekutý MT ....................................................... 7 1.1.2 Kelsan HPF – tuhý MT......................................................................... 7 1.1.3 Tram – silence (Fuchs) ......................................................................... 8 1.1.4 TOR Armor (Whitmore)....................................................................... 8 1.1.5 TOR RailGuard (Whitmore)................................................................. 8 1.1.6 TOR-FM (Loram) ................................................................................. 8 1.1.7 HeadLub 90 (Igralub) ........................................................................... 9 1.2 Systémy Top of rail aplikace na bázi off–board i on–board jednotek ..... 9 1.2.1 Lincoln a SKF....................................................................................... 9 1.2.2 DROPSA ............................................................................................ 15 1.2.3 L. B. Foster ......................................................................................... 16 1.2.4 Rebs .................................................................................................... 19 1.2.5 Beka .................................................................................................... 22

2

ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE ................................................. 25 2.1 2.2

3

Variantní výběr možných způsobů řešení .............................................. 25 Cíle práce: ............................................................................................... 25

KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ .......................................................................... 26 3.1 Předpokládaná funkce zařízení ............................................................... 26 3.2 Detailnější popis jednotlivých částí systému .......................................... 27 3.2.1 Modifikátor tření ................................................................................ 27 3.2.2 Aplikační lišta ..................................................................................... 28 3.2.3 Čerpací přístroj ................................................................................... 30 3.2.4 Snímač projíždějícího vozidla ............................................................ 45 3.2.5 Řídicí systém ...................................................................................... 50 3.3 Analýza vlivu na způsobilost použití zařízení v dopravních aplikacích 55 3.3.1 Vliv na bezpečnost provozu ............................................................... 55 3.3.2 Vliv na trať, kde bude zařízení instalováno ........................................ 55

ZÁVĚR ................................................................................................................. 57 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ .................................................................... 58 SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ A ZDROJŮ........................................... 61 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK ....................................... 64 SEZNAM PŘÍLOH.............................................................................................. 66

strana

5

Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky ÚVOD

ÚVOD V dnešní době díky rostoucí potřebě logistiky a cestování rostou nároky i na kolejovou dopravu. Kolejová doprava je vhodná k přepravě velkého množství zátěže na dlouhé vzdálenosti. Přepravit větší zátěže ve vnitrozemí je možné také pomocí vodní dopravy, která se lze provozovat jen v některých územních celcích. Jedna z největších výhod, kterou se kolejová doprava může pyšnit, je vysoká energetická účinnost. Tato její nezpochybnitelná výborná vlastnost je způsobena tím, že v kontaktu kola s kolejnicí dochází k valivému tření, které má řádově mnohem menší rameno valivého odporu než kontakt pneumatiky s vozovkou u silniční dopravy. Kolejová doprava se v posledních letech dostává do popředí především díky svému nízkému negativnímu dopadu na životní prostředí. Ve větších městech se setkáváme také s dopravou tramvajovou, bez níž bychom si už hromadnou dopravu snad ani nedokázali představit. Stále rostoucí požadavky na snižování energetické náročnosti u většiny strojních zařízení a obzvláště u dopravních prostředků vede ke snižování trakčního odporu. Velkou roli v kontaktu kola s kolejnicí hraje adheze neboli přilnavost materiálu [1]. Když je adheze příliš malá tak nastává problém při brzdění, rozjezdu a samotné trakci – jak se lidově říká „klouže to“. Vysoká adheze však představuje i vysoké tření a z toho vyplývají vysoké pasivní odpory, které je nutno překonávat. Velké tření má za následek i větší opotřebení jak na běhounu kola a hlavy kolejnice (situace při průjezdu přímým úsekem trati) tak okolku kola a boční strany hlavy kolejnice (situace při průjezdu kolejovým obloukem). Zvýšené nerovnoměrné tření má za následek i doprovodnou zvukovou emisi, která je velmi nevhodná v urbanizovaných územích. Tyto negativní vlivy se snaží snížit aplikace modifikátoru tření pomocí systému Top of Rail. Základní myšlenka celé koncepce spočívá ve snaze o vytvoření přesné hodnoty tření, která je nejvýhodnější jak pro energeticky nenáročný provoz (nízký koeficient tření) tak pro zachování dostatečné adheze při brzdění či trakci. Z těchto požadavků vyplynula tzv. střední hodnota tření, která představuje velikost třecího koeficientu 0,35 [8]. Díky použití modifikátu tření za účelem pozitivního ovlivňování adheze v systémech Top of Rail lze dosáhnout nejen nižšího opotřebení kola a kolejnice ale řady dalších výhod, mezi které bezpochyby patří i nižší spotřeba paliva.

Obr. 0.1 Kontakt kola s kolejnicí: 1-okolek, 2-nákolek, 3-plocha odvalování = běhoun, 4-hlava kolejnice, 5-boční strana hlavy kolejnice [20]

strana

6

Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ

1

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ

Tato kapitola shrnuje komerčně dostupné modifikátory tření (MT). Dále se zde zaměříme na běžně používané systémy Top of Rail na bázi off board i on-board jednotek od různých světových výrobců.

1.1 Komerčně dostupné modifikátory tření MT má na rozdíl od mazacího tuku, který pouze snižuje tření, klíčový úkol – snižovat a udržovat koeficient tření na určité – předem stanovené – hodnotě, při níž je koeficient tření poměrně malý, ale stále je zachována trakční a brzdící schopnost vozidla. MT jsou vyvinuty pro řízení tření mezi hlavou kolejnice a běhounem kola. Jeden z komerčně dostupných MT je produkt - KELTRACK® [4] od společnosti L. B. Foster. Tento MT je aplikován za účelem snížení tření na jízdních plochách kolejnice, čímž je dokázáno snížení laterální sily (tj. síly rovnoběžné s povrchem, působící mezi jednotlivými atomy na površích v kontaktu). Pozitivní vliv má na snížení opotřebení a únavy materiálů kontaktních těles [21]. 1.1.1

Kelsan KELTRACK - tekutý MT

Základ tohoto MT tvoří voda. Neobsahuje žádné oleje ani tuky a je podobný latexovým barvám. Je navržen tak, aby se voda rychle odpařila, MT rychle uschnul a vytvořil tenký film na hlavě kolejnice (Top of Rail), která bude následně udržovat koeficient tření na střední hodnotě, předem stanovené jako 0,35 +/- 0,05 [5]. Hlavní výhodou suchého MT je, že nezvyšuje kontaktní únavu (RCF – Rolling contact fatigue) [4]. Ke kontaktní únavě dochází při opakovaném styku dvou nekonformních povrchů, které se stýkají na velmi malé ploše a přenáší poměrně velká zatížení, přičemž s rostoucím zatížením se zvětšuje i kontaktní plocha [6].

Obr. 1.1 Závislosti třecích vlastností MT Keltrack [25]

1.1.2

Kelsan HPF – tuhý MT

Tento produkt (stejně jako Kelsan KELTRACK) je vyvinutý kanadskou společností Kelsan Technologies a používaný v systémech firmy L. B. Foster. HPF (High Positive Friction) je tuhý MT ve formě tyčinky, která působí při styku jízdní plochy kola s hlavou kolejnice. Kelsan HPF není mazivo, ale přesto snižuje tření mezi kolem a kolejnicí v rozmezí od 0,17µ během odvalování kol a 0,35µ při skluzu kol. V důsledku svého složení Kelsan

strana

7


HPF pozitivně ovlivňuje charakteristiku tření mezi jízdní plochou, tj. běhounem kola a hlavou kolejnice. Výrobce MT garantuje snížení hlučnosti až o 20dB, pokles laterálních sil o 30-50% a podstatné snížení spotřeby energie [25]. 1.1.3

Tram – silence (Fuchs)

Tento MT je od německé světově proslulé firmy Fuchs zabývající se výrobou maziv. Tram – silence je na vyroben na olejové bázi s velkým podílem pevných maziv a dalšími přísadami. Mezi jeho přední vlastnosti patří teplotní rozsah -20 až +80 °C. Výrobce uvádí, že se tento MT používá především v extrémně prudkých zatáčkách. Může se nanášet manuálně, ale především se aplikuje automatickými systémy [26]. Ve svých aplikátorech ho používá Camafer, Delimon a Woerner [27] 1.1.4

TOR Armor (Whitmore)

Tento MT je k dostání dvou variantách dle rozsahu provozní teploty. TOR Armor Low Temp je určen pro teplotu od -40 do 16°C a TOR Armor je vhodný do prostředí od -12 do 60°C. Výrobce uvádí, že při normálním odvalování se MT chová jako běžné mazivo, ale v případě, že nastane prokluz tak se projeví jako prostředek pro zvýšení tření, redukuje prokluz a s ním spojené opotřebení a „pískání“ [28]. 1.1.5

TOR RailGuard (Whitmore)

Existují tři typy tohoto MT – Light, Medium a Heavy. Liší se od sebe hlavně provozní teplotou a viskozitou. Light – se používá při nízkých teplotách od -40°C a je poměrně řídký. Medium je určen pro nízké záporné teploty a vypadá jako tekutý gel. Pro teploty nad nulou je určen Heavy, který má podobu gelu. Výrobce garantuje dlouhou výdrž MT – až 1,5 km – v kontaktu kola s kolejnicí. Studie prováděné na tratích v Evropě ukázaly, že tento MT snižuje tření až o 75% [30]. 1.1.6

TOR-FM (Loram)

Tento MT neobsahuje žádné pevné částice jako např. grafit. Je poměrně dost tekutý a způsob jeho nanášení je rozstřik směsi (MT se vzduchem) pomocí trysky. Systémy, ve kterých je tento MT využíván, jsou od společnosti Loram např.: YardGlide, CraneGlide a TracGlide [32].

Obr. 1.2 TOR-FM modifikátor tření (a) [32], YardGlide WL1000 v akci (b) [33]

strana

8


1.1.7

HeadLub 90 (Igralub)

Je to vysokotlaké „mazivo“ obsahující vybrané chemické sloučeniny pro lepší konzistenci. Jsou zde iontové částice, které urychlují vyhlazení látky v kontaktu a tak snižují tření na větší ploše záběru. MT se používá u on-board systému a aplikuje se pomocí trysek přímo na pojezdovou část kola nebo na svršek hlavy kolejnice. Má odpuzující účinek pro vodu a vydrží dlouho na kolejnici [34].

Tab. 1.1 Přehled komerčně dostupných MT a jejich základních vlastností [26, 28, 29, 30, 31, 32, 34]

Firma

L.B. Foster

Fuchs

Whitmore Whitmore Whitmore

Název MT

Kelsan Keltrack

Tram silence

RailArmor Low Temp

RailArmor

Barva

---

stříbřitě šedá

tmavě šedá

Tepelný rozsah použití [°C]

-16 až ---

-20 až 80

Základ

---

Odolnost vůči vodě

Loram

Igralub

RailGuard

TOR-FM

HeadLub 90

tmavě šedá

černá

světle zelená

šedá

-40 až 16

-12 až 60

-40 až 13

-40 až ---

-30 až 100

rostlinný olej

---

---

olej

voda

olej

ano

ano

---

---

ano

---

ano

Rozpustnost ve vodě

ne

---

ano

ano

ne

ano

ne

Hustota [kg/m3]

---

---

1270

1270

998

---

1200

1.2 Systémy Top of rail aplikace na bázi off–board i on–board jednotek 1.2.1

Lincoln a SKF

Společnost Lincoln, která je součástí SKF, je jednou z největších představitelů mazací techniky pro různé aplikace, mezi které bezpochyby patří i systémy TOR s pozitivním ovlivňováním adheze v kontaktu kola a kolejnice. Pro údržbu hlavy kolejnice slouží především systémy: Gauge face (GF) a Top of Rail (TOR) [3]. U GF systému jde především o aplikaci MT na boční část hlavy kolejnice a u TOR systému přímo na hlavu kolejnice nebo na běhoun kola. Vytvořený tenký film MT zásadně snižuje opotřebení z důsledku zvýšeného nerovnoměrného tření, které vzniká z důsledku působení vysokých bočních sil v kontaktu okolku a boční části hlavy kolejnice. Toto se odehrává především v kolejových obloucích s malým poloměrem. Výhodou aplikace MT je také snížení hladiny hlukové emise a eliminace typického „pískání“, které je běžně možné zaslechnout u tramvají a vlakových souprav při průjezdu obloukem nebo

strana

9


křižovatkou. V těchto problémových místech dochází k zvýšenému tření a nárůstu laterálních sil, které způsobují ono zmiňované „pískání“ [9].

Obr. 1.3 Typická sestava mazání hlavy kolejnice (a) [3], pumpa s řídícími a napájena pomocí solárních panelů (b) [10]

Lincoln a SKF nazývají své zařízení na bázi „off-board“ Wayside Lubrication – což se dá volně přeložit jako „mazání strany koleje (cesty)“. Avšak při použití MT místo mazacího tuku lze tento systém (zobrazený na Obr. 1.3) zařadit mezi Top of Rail systémy. Má velmi univerzální použití. Lze aplikovat jak u vlakových (širokopatních) kolejí, tak i u tramvajových (žlábkových) kolejí, do kterých jsou vrtány otvory pro rozvod MT.

Obr. 1.4 Příklad vrtaných otvorů ve žlábkové a širopatní kolejnici (a), schéma umístění jednotlivých prvků systému u vlakové trati (b) [9]

Cyklus mazání začíná, když detektor, někdy také označovaný jako čítač nebo čidlo (Obr. 1.5), zaznamená signál od projíždějícího kolejového vozidla. (Je schopen počítat jednotlivé nápravy a posílá informaci do řídící jednotky, která předá signál pumpě, aby zahájila svoji činnost.)

strana

10


Obr. 1.5 Čidla pro detekci přijíždějícího kolejového vozidla [3,10]

Pumpa běží tak dlouho, dokud dostává signály od řídící jednotky závislé na čítači. Celková velikost dávky MT se odvíjí od počtu projíždějících náprav.

Obr. 1.6 Mazací přístroje k možnému použití v TOR (a), příklad uložení mazací stanice v zemi (b) [8]

Z pumpy je mazivo vytlačováno přes vysokotlaké hadice do aplikační lišty umístěné z boční strany kolejnice (Obr. 1.7 a Obr. 1.9). Firma Lincoln a SKF používá více variant. Liší se od sebe především způsobem, jak je MT rozveden do jednotlivých vývodů na aplikační liště. V případě varianty s lištou v kombinaci se štětečky je zde progresivní rozdělovač. Výhodou aplikátoru se štětečky je možnost lepšího nanesení MT do kontaktu kola s kolejnicí. Štětečky se přizpůsobí tvaru okolku konkrétního projíždějícího vozidla a dokonale „kopírují“ profil kola a boční profil kolejnice. Toto je dobře patrné z Obr. 1.8. Štětečky jsou náchylné k mechanickému poškození a postupnému opotřebení. S tímto problémem je však počítáno a štětečky lze jednoduše vyměnit. Aplikátor bez štětečků má velmi bytelnou

strana

11


konstrukci a má výhodu, že je částečně odpružený. Pokud by se stalo, že by kolo projíždějícího vozu zasahovalo do aplikátoru tak ho jen zatlačí na pružinách směrem dolů aniž by mohlo dojít k nechtěné havárii.

Obr. 1.7 Stacionární aplikační lišty pro nanášení na boční stranu hlavy kolejnice - se štětečky (a), bez štětečků - jiná konstrukce (b) [3]

Obr. 1.8 Patenty aplikačních lišt vlastnící firma Lincoln [11,12]

Dalším off-board zařízením je aplikační lišta s názvem Top of Rail SLID, která je navržena tak, aby MT nanášela (nastříkla) přímo a přesně na hlavu kolejnice. Lišta je umístěna z vnitřní strany koleje a je nutné, aby byla namontována ve správné poloze vůči hlavě kolejnice (Obr. 1.9). Nástřik probíhá pomocí čtyř trysek, které vedou ze čtyř komor natlakovaných MT ukrytých v aplikační liště. Před průjezdem vozidla je MT rozetřen („rozjet“) a pomocí pístového mechanismu vstříknut na hlavu koleje, kde ulpí. Toto se děje opakovaně - MT je unášen a „rozjet“ po celé ploše běhounu i hlavy kolejnice [10].

strana

12


Obr. 1.9 Top of Rail aplikátor SLID [9, 10]

Při užití tohoto systému v nepříznivých podmínkách, mezi které patří nízké teploty, je možné vybavit aplikační lištu vnitřním topením, které má za úkol udržovat MT při konstantní teplotě [10]. Řízení adheze je důležité i u tramvajových linek ve velkých městech. Princip systému je obdobný s předchozím zařízením “Wayside Lubrication“. Vetšina komponent je uložena pod úrovní kolejiště. (Obr. 1.11)

Obr. 1.10 Snímač umístěný ve žlábkové koleji [13] (a), Systém TOR pro žlábkovou kolej tramvajové dráhy - Innotrans 2014(b)

Existuje více variant, jak rozmístit aplikační zařízení k tramvajové dráze. Jedna z možností je na Obr. 1.11, kde je jedna skříň s pumpou, která obsahuje dvoucestný ventil k přepínání mezi dvěma mazanými okruhy. Každá trať je vybavena svým čidlem pro snímání projíždějícího vozidla. Používá se buďto snímač zabudovaný v kolejnici (Obr. 1.10) nebo optický snímač umístěný nejčastěji dostatečně vysoko na sloupu elektrického vedení dostatečně vysoko, aby snímal projíždějící vozidla, ale nereagoval na procházející chodce [13].

strana

13


Obr. 1.11 Schéma umístění jednotlivých prvků systému u tramvajové trati – (popis : 1-skříň s pumpou, 2-čítač náprav vozů nebo ultrazvukový snímač, 3-aplikační lišta, 4-rozdělovač) [13]

Společnost Lincoln společně s SKF také vyvíjí „On-board“ systémy. Jedním představitelem je systém EasyRail Airless. Zde se pumpa instaluje ve vertikální poloze na první dvojkolí v každém směru jízdy. Je schopna přesně odměřit dávky a aplikovat je pomocí trysky na horní pojížděcí plochu hlavy kolejnice. Řídící jednotka může být vybavena senzorem oblouků, který spolu s dalšími nastaveními slouží k ekonomickému a ekologickému využití MT [15].

Obr. 1.12 WFL (Wheel Flange Lubrication) – mazání okolků (a) [15],TOR (Top of Rail) – mazání hlavy kolejnice - (popis: 1-agregát mazacího systému se zásobníkem maziva, 2-elektromagnetické čerpadlo s tryskami, 3-řídící jednotka se senzorem oblouků) (b) [14]

Celá konstrukce je velmi robustní viz Obr. 1.13 Používá se hlavně pro tramvaje, metro a další aplikace, kde není dostupný tlakový vzduch [15].

strana

14


Obr. 1.13 On-board systém pro Top of Rail aplikaci vystavovaný firmou SKF - Innotrans 2014

1.2.2

DROPSA

Dropsa vyrábí centrální mazací systémy již od roku 1946. U této firmy je vidět nezpochybnitelný vývoj nových systémů, mezi něž se řadí i Top of Rail aplikace. Popis zařízení: Svoje zařízení nazvali TRACK – LUBE. Celý systém velmi dobře vystihuje následující Obr. 1.14. Jedná se sestavu variantně širokých mazacích lišt se štětečky pro lepší přenos maziva nebo MT na kola projíždějícího vozu. Lišty jsou uchyceny ke kolejnici bez nutnosti vrtání otvorů. Těleso aplikátoru se skládá z progresivního rozdělovače a vysokotlakých hadic, pomocí nichž je připojeno k sudovému mazacímu přístroji, který je společně se silovou a řídící elektrickou instalací ukryt ve skříni v těsné blízkosti mazané koleje. Mezi pokročilé funkce řídící automatiky tohoto systému patří možnost zapojení až dvanácti mazacích lišt z nichž každá má možnost instalace vlastního snímače pro detekci přibližujícího se vozidla. Zařízení je určeno i do náročných povětrnostních podmínek a většina součásti je vyrobena z korozivzdorné oceli. Celé zařízení má k dispozici velmi vyspělý řídící systém, který je připojen k síti, a díky tomu může komunikovat se vzdáleným PC nebo přes rozhraní 3G sdílet data s mobilním telefonem [16].

Obr. 1.14 Mazací systém TRACK - LUBE [16]

strana

15


1.2.3

L. B. Foster

Firma, která mezi své portfolio zařazuje i třecí management, si stanovila za cíl vytvářet systémy upravující adhezi a zlepšovat tak podmínky na železničních tratích. Mezi priority těchto systémů patří zejména úspora paliva a snížení opotřebení okolků vozidel a kolejnic. Rok 2010 byl pro firmu L. B. Foster rokem stěžejním, protože získala firmu Portec Rail Products [19]. Portec Rail Products se zabývá kolejovou technikou a vlastní mnoho patentů pro systém Top of Rail (TOR) a Wheel Flange Lubrication. L. B. Foster se pyšní velmi stabilním aplikačním zařízením PROTECTOR IV (off-board systém), které bylo dříve určeno pro aplikování mazacího tuku. Nyní je však možnost využití v systémech TOR a jako médium je zde použit MT KELTRACK. Tab. 1.2 Technické parametry MT KELTRACK [4]

TECHNICKÉ PARAMETRY Použití Požární bezpečnost Teplota zamrznutí Viskozita Koeficient tření Účinná vzdálenost po aplikaci Spotřeba

Dopravní / nákladní vozidla Nehořlavý -6°C 22,7-24,7 cP při 25°C 0,3 – 0,4 1,6 – 3,2 km (dle podmínek trati) 0,34 kg/1000 náprav

Jádro – nebo jak také nazývá firma „srdce“ – systému, je dvoustupňová pumpa, která zajišťuje spolehlivý provoz pro MT s různým chemickým složením. „Mozkem“ celého systému je digitální řídící automatika, která má k dispozici tzv. RPM (Remote Performance Monitoring), což představuje technologii pro jemné doladění času chodu pumpy, intervaly přestávek mezi jednotlivými cykly rozvodu MT v hydraulickém obvodu. RPM je výkonný nástroj – je schopný monitorovat provoz celého zařízení a posílat o tom zprávy zákazníkovi, který na to může případně reagovat a nastavit zařízení tak, aby mohlo pracovat co nejefektivněji. Mezi velmi důležité hlášení patří informace o stavu hladiny MT v nádrži. Trendem v této oblasti systémů je, aby nádrž na MT měla co největší objem a zařízení bylo co nejvíce bezúdržbové.

strana

16


Obr. 1.15 Model systému Top of Rail firmy L. B. Foster vystavované na veletrhu Innotrans 2014

Tab. 1.3 Technické parametry systému PROTECTOR IV [4]

TECHNICKÉ PARAMETRY Použití Napájení Objem nádrže Montážní možnosti Spotřeba

Boční strana hlavy kolejnice / Top-of-Rail DC napájení ze solárních panelů / AC napájení 91-363 kg (Tuk) / 114-455 litrů (MT) Svislá – na stěnu, vodorovná na povrchu, ukrytá v zemi mezi kolejnicemi 0,34kg/1000 náprav (tuk) 0,34 kg/1000 náprav (MT)

Obr. 1.16 Aplikační lišty off - board jednotek firmy L. B. Foster - Innostrans 2014

strana

17


Nová generace aplikačních lišt obsahuje porézní pryž (Obr. 1.17a), která je vyvinuta za účelem lepšího přenosu MT do místa valivého kontaktu. Otázkou však může být, jak je tato pryž odolná vůči opotřebení při opakovaném kontaktu s projíždějícím vozidlem. Specialitou těchto aplikátorů je, že vnitřní vodící kanálky mají teflonový povlak pro zajištění lepšího proudění [4]. Pro napájení celého zařízení stačí solární panel o výkonu 85W, který je vhodný do míst, kde není trať elektrifikovaná (Obr. 1.17b). Řešení pomocí solárního zdroje energie se bohužel však stává častým předmětem vandalismu, kdy se zloději zaměřují na krádeže solárních panelů.

Obr. 1.17 Aplikační lišta PROTECTOR IV- L. B. Foster (a) Napájení solárními panelem (b) [4]

Kromě stacionárních „off-board“ systémů nabízí L. B. Foster [4] také mobilní „onboard“. Celé zařízení je instalované na kolejovém vozidle a používá tekutý MT KELTRACK. Velkou výhodou tohoto mobilního zařízení je možnost využití modulu nazvaného AUTOPILOT, což je systém, který používá GPS signál ke zjištění polohy vozidla. Řídící systém je schopen na základě informací o poloze (má tedy informaci o tom zda se nachází před kolejovým obloukem s malým poloměrem nebo zda se blíží k prudkému stoupání) k včasnému automatickému a přesnému nastavení aplikované dávky MT, které následně vede k optimalizaci velikosti tření v kontaktu kola a kolejnice. Toto přizpůsobivé řízení může být uloženo do pamětí řídícího systému je možné ho využít při vytváření strategie při další aplikaci. Systém AUTOPILOT je přizpůsoben na konkrétní lokomotivu. [4]. AUTOPILOT je podobně jako zařízení PROTECTOR IV také podporován dálkovým sledováním činnosti pomocí RPM (pro aktivní řízení aplikování MT, sledování a posílání zpráv o době mazání, chybová hlášení a požadavek pro doplnění nádrže). Technologie také napomáhá pokročilé údržbě a naplňuje program predikcí, kdy zařízení samo nahlásí informaci o nutnosti doplnění nádrže a nemusí tak dojít ke zvláštní odstávce celé jízdní soupravy [4].

strana

18


Obr. 1.18 On-board systém – AUTOPILOT (a) [4], HPF Solid Stick [7] (b)

Mezi další „on board“ systémy patří HPF SOLID STICK (High Positive Friction). Celé toto zařízení je patentováno společností L. B. Foster [4]. Jedná se o třecí MT v podobě tuhých „tyčinek“ viz Obr. 2.17b Je navržen peciálně pro snižování zvlnění a opotřebení běhounu. Tento aplikátor je plynule nanášen přímo na běhoun kola pomocí zařízení sestávajícího se z držáku třecí tyčinky, která je posunována a přitlačována na kolo pomocí tlačné pružiny. MT vytváří tenký film, který má tloušťku kolem jednoho mikrometru a zajišťuje velikost koeficientu tření v kontaktu na požadované hodnotě. Tato hodnota je 0,35 podobně jako u tekutého MT. HPF pomáhá kontrolovat hlučnost při odvalování kola a snižuje nástup tzv. short pitch (25–80 mm dlouhé zvlnění vyvolané výhradně laterálními silami o vysoké frekvenci) [8]. Spotřebu MT lze regulovat pomocí velikosti přítlaku vyvolávajícího mechanismem ukrytým v držáku [4]. 1.2.4

Rebs

Je německá firma, která se zabývá kromě centrálních mazacích systémů a mazání okolků také systémem Top of Rail na bázi on-board. Nabízí tento systém pro využití v kolejové dopravě – konkrétně se jedná o tramvaje, metra a vlaky [17].

strana

19


Obr. 1.19 Schéma celého on-board systému TOR aplikace [17]

Hlavní komponenty systému (dle schématu Obr. 1.19)[17]: 1. Nádrž (Obr. 1.20a) je vyrobená jako odlitek z hliníku a zdola jsou do ní instalovány dvě pneumatické pumpy. Nádrž je možné plnit dvěma způsoby – přes plnící víčko umístěné napravo nebo přes rychlospojku nalevo. 2. Pístová pumpa (Obr. 1.20b) potřebuje ke své činnosti tlakový vzduch z kompresorové stanice. Píst je vytlačován vzduchem a vracen do výchozí polohy pomocí pružiny. 3. Dva elektromagnetické dvoucestné ventily (Obr. 1.21a) jsou v klidové poloze otevřeny. Při přivedení napětí se otevřou a tak stlačený vzduch může proudit směrem k pumpě.

Obr. 1.20 Nádrž s pneumatickými pístovými pumpami (a), Pneumatická pístová pumpa (b) [17]

4. K smísení MT se vzduchem slouží směšovací zařízení (Obr. 1.21b) umístěné na pneumatické pístové pumpě. Dále je MT unášen turbulentním prouděním vzduchu po vnitřní straně hadice.

strana

20


Obr. 1.21 Solenoidní ventily (a), směšovací zařízení (b), tryska (c) [17]

5. Směs MT je společně se vzduchem dopravována přes trysku (Obr. 1.21c) až do potřebného místa, tedy na běhoun kola nebo hlavu kolejnice. Tryska má zmenšený vnitřní průměr a dochází zde ke značnému navýšení rychlosti proudění. MT, který „cestou“ ulpěl na stěnách hadice, je zde strháván proudem vzduchu směrem ven z trysky.

Obr. 1.22 Ovládací panely s řídící automatikou - Innotrans 2014

6. Ke spouštění a nastavení optimální činnosti celého zařízení slouží ovládací panely s integrovanou řídící automatikou. Ve většině případů jsou instalovány v kabině řidiče příslušného vozidla, na kterém je systém instalován. Varianta ovládacího panelu (Obr. 1.22) je volena dle náročnosti řízení na přání zákazníka. Nejnovější verze (Obr. 1.22 uprostřed) využívá GPS signál pro informaci o poloze vozidla.

strana

21


Obr. 1.23 Foto Innotrans - Systém Top or Rail (vlevo), varianta použití stejného systému pro mazání okolku – Wheel Flange Lubrication i Top of rail (vpravo nahoře), tryska pro nástřik MT (vpravo uprostřed a dole)

1.2.5

Beka

Společnost Beka sídlící v Německu vyrábí pod označením FluiLub systémy pro údržbu a zlepšování jízdních podmínek v oblasti kolejové dopravy. Věnuje se jak klasickému mazání okolků, tak Top of Rail. Top of Rail on-board i off-board systém směřuje pro použití u tratí s tzv. lehkým provozem (tramvaje, metra, osobní vlaky) . Off-board systém je navržený pro aplikaci MT přímo do místa, kde dochází ke kontaktu kola s kolejnicí. Celý princip je obdobný předchozím systémům a jeho hlavní části jsou znázorněny na Obr. 1.24. Snímač pro detekci vozidla při aktivaci pošle signál do kontrolní jednotky, která spustí pumpu a přepne dvoucestný solenoidní ventil do polohy otevřeno. Z pracovní jednotky (u centrálního napájení je zde více pracovních jednotek) pumpy je MT vytlačován do vysokotlaké hadice. K rozdělení MT do více míst slouží progresivní rozdělovač (PR), který je vybavený signalizací chodu. Z PR již vedou tenčí hadice připojené šroubením do vyvrtaných otvorů v kolejnici [22].

strana

22


Obr. 1.24 Schéma systému TOR – FluiLub [22]

On-board systém aplikace MT je řešený sestavou, jejíž hlavní části jsou znázorněny na Obr. 1.25.

Obr. 1.25 On-board systém FluiLub – foto Innotrans 2014

strana

23


Pumpa se vyznačuje tím, že je schopná čerpat „tekutiny“ s vysokým podílem pevných částic jako je např. MT. Standardní provedení firma nabízí s hliníkovou osmi litrovou nebo plastovou devíti litrovou nádrží. Velikost zdvihu pumpy lze regulovat v rozmezí 0,05-1,0 cm3 [23].

Obr. 1.26 Pumpa [24]

Směšovací dělič obsahuje patentovanou štěpící porézní vložku, která má za úkol rozdělit (rozštěpit) přiváděné mazivo resp. MT na velké množství miniaturních kapiček (do 0,15 mm). Kapičky jsou dále strhávány proudem vzduchu a na výstupu z tohoto směšovacího děliče se konečná směs jeví jako aerosolová mlha [23]. Obr. 1.27 Směšovací dělič [24]

Pro nástřik směsi na temeno kolejnice slouží speciálně vyvinuté trysky, které mají větší úhel stříkání [23].

Obr. 1.28 Tryska [24]

FluiLub systém je řízen pomocí elektronické řídící jednotky, jež umožňuje optimální přizpůsobení (adaptivitu) aplikace reálným podmínkám na trati. Jeden z velmi důležitých vstupů do této řídící jednotky je informace ze snímače kolejových oblouků. Konvenční zařízení používají nepřímé zjištění tvaru tratě ze snímání sklonu a odstředivé síly. Senzor systému FluiLub však vyhodnocuje kolejové oblouky elektronicky [24]. Obr. 1.29 Řídící jednotka se snímačem kolejových oblouků [24]

Pro pohon celého systému je nutný přísun stlačeného vzduchu. U vozidel, které tlakovým vzduchem nedisponují např. tramvaje nebo metra, je nutné přiřadit kompresorovou stanici [24]. Obr. 1.30 Kompresorová stanice [24]

strana

24

Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE

2

ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE

2.1 Variantní výběr možných způsobů řešení Z předchozí kapitoly je zřejmé, že systémy dostupné v současné době, jsou velmi různorodé. Mezi nejčastější společné znaky off-board systémů patří: • • • • • • • •

Napájení 230/400V AC je tam, kde je dostupné síťové napětí. Tam, kde se nelze připojit k elektrické síti, jsou použity solární panely na 24V DC. Provozní teplota je většinou závislá na vlastnostech použitého MT. Pohybuje se v rozmezí od -40 do +60°C. Nádrž na MT mají různou velikost (8l – 450l) Je zde patrná snaha dosáhnou co největšího objemu, neboť se tím prodlouží interval doplňování. Pro širokopatní kolejnici se používá aplikační lišta o různé délce (od 450mm do 2300mm) s odlišným způsobem uchycení ke kolejnici. Pro žlábkovou kolejnici se používá aplikace pomocí vrtaných otvorů do žlábku kolejnice. Pro snímání projíždějícího vozidla jsou použity různé varianty bezkontaktních snímačů – nejčastěji jimi jsou indukční snímače detekující jednotlivé projeté nápravy vozidla. Řídicí systém se liší dle uživatelských možností. Setkáváme s různě pokročilými programovatelnými automaty – PLC. Téměř u všech systémů je zabudovaná dálková kontrola stavu systému, pro zasílání informaci o případných poruchách či o nízké hladině MT.

Z poznatků vyplývajících ze studia současného stavu poznání vyplývají následující zvolené parametry navrhovaného systému: • • • • • • •

Vhodný snímač pro detekci projíždějícího kolejového vozidla Přichycení aplikační lišty bez nutnosti zásahu do kolejnice (bez vrtání montážních otvorů a aplikačních vývodů). Řídicí systém s možností nastavování parametrů pro různé požadavky provozu (frekvence projíždějících kolejových vozidel atp.). Signalizace stavu systému (napájení, nízká hladina, porucha). Objem nádrže 8 litrů. Napájení 230V AC. Provozní teplota -25 až +50°C. Používaný MT Lubcon - SINTONO TERRA HLK .

2.2 Cíle práce: • • • • •

Provést variantní výběr možných způsobu řešení. Navrhnout konstrukční řešení zkušebního zařízení. Vytvořit 3D model pro navržené zařízení včetně základních výpočtu. Pro vybrané části nakreslit výrobní výkresy. Analýzovat vliv na způsobilost použití zařízení v dopravních aplikacích.

strana

25

Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ

3

KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ

3.1 Předpokládaná funkce zařízení Do aplikační lišty je MT přiváděn pomocí vysokotlaké hadice z pracovní jednotky čerpacího přístroje. MT vstupuje do aplikační lišty a drážkami v této liště vystupuje na boční a svrchní hlavu kolejnice, ze které se přenáší na okolek a pojezdovou plochu kola vlaku. Cyklus aplikace MT probíhá zcela automaticky dle režimu vlakového provozu. Průjezd vlaku je zachycen snímačem, který pošle signál řídící systému, jenž a následně informaci zpracuje a spustí čerpací přístroj na předem nastavenou dobu. V případě průjezdu delší soupravy dojde k opětovnéme spuštění čerpacího přístroje po obdržení opakovaného signálu od snímače. Řešení je navrženo pro použití u širokopatních kolejnic používaných nejčastěji v železniční dopravě nebo u metra.

Obr. 3.1 Tvar širokopatní kolejnice (zvaná „hlavová“)

Počáteční návrh zařízení se skládá z několika základních (hlavních) komponent, které jsou patré z Obr. 3.2.

Obr. 3.2 Počáteční návrh systému Top of Rail na bázi off-board jednotky

strana

26

Strany 27 až 54 nezveřejněny v souladu se Smlouvou o poskytnutí podkladů pro zadání a zpracování diplomové práce.


3.3 Analýza vlivu na způsobilost použití zařízení v dopravních aplikacích 3.3.1

Vliv na bezpečnost provozu

Aplikace MT byla testována v Německu společností VAG Nürnberg ( Dopravní akciová společnost Norimberk). Hlavním cílem těchto zkoušek bylo měření brzdné dráhy při provozním tak i při nouzovém brždění v závislosti na množství aplikovaného MT. Byl zde použit právě MT Sintono Terra HLK, který je užit v našem zkušebním zařízení. Otázkou bylo, zda-li nadměrná kumulace MT na kolejnici nebude mít negativní vliv na brzdnou dráhu. Výsledky ukázaly, že při použití frikčního prostředku nedošlo k žádnému jmenovitému vlivu na brzdný účinek. Toto bylo jednoznačeně prokázáno jak pro provozní, tak pro nouzové bzdění [37].

3.3.2

Vliv na provozní podmínky trati, kde bude zařízení instalováno

Předpokládá se zlepšení jízdních vlastností na trati, kde bude instalováno zkušební zařízení. Zejména je kladen požadavek na: • • • •

snížení akustické emise redukce opotřebení profilu hlavy kolejnice eliminování vlnkovitého opotřebení kolejnice snížení spotřeby projížděného vozidla

Během zkušebního provozu, který bude probíhat napříč všemi čtyřmi ročními dobami, bude posuzováno toto: •

Vlastnosti aplikovaného MT o Jak se MT chová na hlavě kolejnice bezprostředně po průjezdu vlaku. o Vzdálenost, do které se dostane „rozjetý“ MT. o Dále se zde bude posuzovat třecí film MT, vytvořený na hlavě kolejnice po průjezdu vozidla těmito kritérii: přilnavost tloušťka filmu schnutí po aplikaci šetrnost k životnímu prostředí

• Vhodnost konstrukce aplikační lišty K posouzení vhodnosti konstrukce navrhované aplikační lišty je třeba posoudit množství a rozmístění jednotlivých vývodů. Velikost vytlačené dávky MT se odvíjí od doby chodu čerpacího přístroje. • Velikost akustické emise Ještě před nainstalováním systému na trať je nutné změřit velikost hlukové emise, aby bylo později (po zavedení systému Top of Rail do praxe) možné srovnat výsledky.

strana

55


Předpokládá se snížení hlukové emise v kolejovém oblouku: „pískání“ způsobené laterálními silami a hluk spojený s trakcí jízdní soupravy. Během měření intenzity hluku bude měřena teplota a vlhkost okolí, které mají vliv na velikost akustické emise. Při měření bude bráno na zřetel zda-li je kolejnice suchá či mokrá. • Další měření Předpokládá se, že opotřebení během jednoho roku bude velmi malé, a proto bude nutné k měření použít, co nejpřesnější zařízení. Bude použit laserový profilometr PRP s přesností měření ± 0,1 mm [48]. Zajímat se budeme také o spotřebu MT v závislosti na množství projetých vlaků. Z tohoto zjištění posoudíme, zda je čerpací přístroj s osmilitrovou nádrží dostačující.

Obr. 3.33 PRP Měření příčného profilu hlavy kolejnice pomocí laserového měřiče [48]

strana

56

Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky ZÁVĚR

ZÁVĚR Na základě rozsáhlého průzkumu u současných výrobců obdobného zařízení, byly zvoleny parametry pro zkušební zařízení. Vysokotlaký čerpací přístroj určený k čerpání běžných maziv, byl dlouhodobě testován pro použití s modifikátorem tření. Výsledky ukázaly, že čerpací přístroj je vhodný i pro čerpání modifikátoru tření. Byl zkoušen pouze jeden MT, proto by měl další vývoj směřovat k vyzkoušení jiných komerčně dostupných MT. Byla navržena aplikační lišta, u které je však nezbytné zkoumat a posoudit její parametry (počty a rozmístění vývodů). Popřípad ji modifikovat, a přiblížit se tak optimálnímu řešení. Z výpočtu hydraulických ztrát ve vedení mezi skříní s čerpacím přístrojem a aplikační lištou vyplynulo, že ztráty prouděním jsou velmi malé z důvodu velkého průtočného průřezu vysokotlaké hadice DN8 a nízké rychlosti proudění. Pro detekci projíždějícího vozidla byly navrženy dva způsoby. První způsob je pomocí indukčního snímače umístěného u kolejnice a nastaveného tak, aby snímal projetí každé nápravy. Tato varianta se jeví z hlediska optimálního nastavení dávky aplikovaného MT jako přesnější, ale ne vždy je možné ji použít. V některých případech nelze umístit indukční snímač ke kolejnici, a proto byl navržen druhý způsob - pomocí laserového snímače vzdálenosti. Z bepečnostních důvodů se jedná o laser třídy 1, který je bezpečný za všech podmínek běžného používání. U tohoto způsobu snímání je však riziko toho, že systém může být aktivován jiným objektem než projíždějícím vozidlem (např. letícím ptákem). Rozvaděčová skříň s řídícím systémem je vytápěna z důvodu přítomnosti spínaného zdroje a programovatelného automatu s displejem. Pro případnou sériovou výrobu již bude dostačovat PLC bez displeje. Předpokládá se totiž, že program bude optimalizován při montáži a do programu již nebude nutné často zasahovat v průběhu činnosti zařízení. Velmi důležité je správné nastavení analogových signálů - od teplotního čidla (pro správné nastavení teploty v rozvaděči) a v případě varianty s laserovým snímačem i signál o vzdálenosti vozidla (pro správnou identifikaci, po které koleji se pohybuje vozidlo). Zařízení lze provozovat i na jednokolejné trati. V tomto případě není použit ventil pro přepínání kolejí. Přednosti a nedostatky navrženého zařízení se projeví zejména při zkušebním provozu, kde bude zařízení testováno napříč všemi čtyřmi ročními dobami.

strana

57

Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1] Adheze. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2014-11-27]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Adheze [2] CEMATECH: Centrální mazání [online]. 2014 [cit. 2014-11-27]. Dostupné z: http://cematech.hennlich.cz/vsechny-produkty.html [3] LINCOLN, SKF. In: Top-of-Rail Conditioning [online]. 2011 [cit. 2014-11-27]. Dostupné z: http://www.lincolnindustrial.com/catalogs/uploaded/catalog_88/railroad_w-183-en0511.pdf [4] Friction management. In: LB Foster [online]. 2014 [cit. 2014-11-28]. Dostupné z: http://www.lbfoster-railtechnologies.com/pdf/LBFoster_Rail_Technologies_Brochure2014.pdf\ [5] D.T. Eadie, M. Santoro, Top-of-rail friction control for curve noise mitigation and corrugation rate reduction, Journal of Sound and Vibration, Volume 293, Issues 3–5, 13 June 2006, Pages 747-757, ISSN 0022-460X [6] HARRIS, T. A and KOTZALAS, M. N. Advanced Concepts of Bearing Technology, Fifth edition, Taylor & Francis, 2006. [7] KELSAN Wheel Flange Lubrication. In: L. B. Foster [online]. 2012 [cit. 2014-12-09]. Dostupné z: http://www.lbfoster.co.uk/_pdf/LBF-Kelsan-WFL.pdf [8] Donald T. Eadie, Joe Kalousek, Kelvin C. Chiddick, The role of high positive friction (HPF) modifier in the control of short pitch corrugations and related phenomena, Wear, Volume 253, Issues 1–2, July 2002, Pages 185-192, ISSN 0043-1648 [9] Managing friction successfully. In: SKF - LINCOLN [online]. 2014 [cit. 2014-12-09]. Dostupné z: http://www.skf.com/binary/79-160324/14824-EN.pdf [10] Stationary rail lubrication systems for the mainline rail infrastructure. In: LINCOLN: SKF [online]. 2012 [cit. 2014-12-09]. Dostupné z: http://cematech.hennlich.cz/fileadmin/user_upload/KATEGORIEN/Schmiertechnik/Z entralschmiersysteme/en_INFO_LINCOLN_Stationary_rail_lubrication_mainline_rail .pdf [11] RAILROAD RAIL LUBRICATING APPARATUS [patent]. užitný vzor, US 6,742,624 B2. Uděleno Jun. 1, 2004. Dostupné z: http://www.google.com/patents/US6742624 [12] APPARATUS FOR APPLYING A PUMPABLE MATERIAL TO A RAIL HEAD [patent]. užitný vzor, US 2009/0000869 A1. Uděleno Jan. 1, 2009. [13] Stationary rail lubrication systems for tram and metro rail infrastructure. In: Lincoln [online]. 2012 [cit. 2014-12-09]. Dostupné z: http://cematech.hennlich.cz/fileadmin/user_upload/KATEGORIEN/Schmiertechnik/Z entralschmiersysteme/en_INFO_LINCOLN_Stationary_rail_lubrication_tram_metro_ rail.pdf [14] SKF EasyRail Compact. In: SKF [online]. 2012 [cit. 2014-12-10]. Dostupné z: http://www.skf.com/binary/30-74907/1-8096-EN.pdf

strana

58


[15] SKF EasyRail. In: SKF [online]. 2012 [cit. 2014-12-10]. Dostupné z: http://pdf.directindustry.com/pdf/skf-lubrication-systems/skf-easyrail-intelligentmobile-centralized-lubrication/590-438673.html [16] Rail lubrication system. In: DROPSA [online]. 2013 [cit. 2014-11-27]. Dostupné z: http://www.dropsa.com/flex/cm/pages/ServeBLOB.php/L/EN/IDPagina/1907 [17] Firemní materiály REBS: Technické listy. [cit. 2014-12-11]. Dostupné z: http://www.rebs.de/en/solutions/railway-technology/top-of-rail-treatment-tor/ [18] E3S - Electronic Rail Lubrication System. In: Moklansa [online]. 2011 [cit. 2014-1211]. Dostupné z: http://www.skelton-metals.com/docs/Brochure%201.pdf [19] A History of L.B. Foster Company. L. B. Foster [online]. [cit. 2014-12-11]. Dostupné z: http://www.lbfoster.com/corporate/PT-companyhistory.asp [20] Okolek. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001 [cit. 2014-12-14]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Okolek [21] Třecí síly na mikroskopické úrovni závisí na orientaci povrchu. Fyzikální ústav AV ČR [online]. 2008-2014 [cit. 2014-12-14]. Dostupné z: http://www.fzu.cz/novinky/trecisily-na-mikroskopicke-urovni-zavisi-na-orientaci-povrch [22] BEKA - FluiLub - Stationary Rail Lubrication Systems [katalogový list]. [cit. 2014-1216]. [23] FluiLub - Rail Head Maintenance. In: BEKA - MAX [online]. 2012 [cit. 2014-12-16]. Dostupné z: http://www.beka-lube.de/download/pdfs/FluiLub_SKP.pdf [24] BEKA FluiLub. BEKA-LUBE [online]. 2014 [cit. 2014-12-17]. Dostupné z: http://www.beka-lube.com/beka-fluilube-wheel-flange-lubrication-rail-headmaintenance-system.html [25] Modifikátory tření pro kolejovou dopravu a průmysl. In: SKLENÁŘ [online]. [cit. 2014-12-18]. Dostupné z: http://www.sklenar.cz/admin/odkazy/letak_Kelsan_LCF+HPF+Keltrack+GE.pdf [26] Tram - silence. In: FUCHS [online]. 2012 [cit. 2014-12-18]. Dostupné z: http://www.hazmioil.cz/PI/PI-L2-2190.pdf [27] Lubricants for railway trafffic. In: FUCHS [online]. [cit. 2014-12-18]. Dostupné z: http://www.fuchsoil.co.za/wp-content/uploads/2013/02/Railway.pdf [28] TOR Armor. In: WHITMORE [online]. 2014 [cit. 2014-12-22]. Dostupné z: http://www.whitmores.com/pdf/tds/TOR%20Armor-TDS-4070.pdf [29] TOR Armor: Materiálový list. In: WHITMORE [online]. 2013 [cit. 2014-12-22]. Dostupné z: http://www.whitmores.com/pdf/msds/TOR-Armor-msds.pdf [30] RailGuard. In: WHITMORE [online]. 2013 [cit. 2014-12-22]. Dostupné z: http://www.whitmores.com/pdf/tds/RailGuard-TDS-3040.pdf [31] RailRGuard: Materiálový list. In: WHITMORE [online]. 2009 [cit. 2014-12-22]. Dostupné z: http://www.whitmores.com/pdf/msds/RailGuard.pdf [32] TOR-FM Friction Modifier. In: LORAM [online]. 2012 [cit. 2014-12-22]. Dostupné z: http://www.loram.com/uploadedFiles/TOR-FM_SpecSheet.pdf [33] YARDGLIDE WL1000. In: LORAM [online]. 2012 [cit. 2014-12-22]. Dostupné z: http://www.loram.com/uploadedFiles/YardGlideWL1000_SpecSheet.pdf

strana

59


[34] HeadLub 90: Technický list. In: IGRALUB [online]. [cit. 2014-12-22]. Dostupné z: http://www.igralub.ch/igralub/tl_files/IGRALUB_upload/Igralub_datasheet/MB%20H eadLub%2090.pdf [35] Multifunkční měřič prostředí 4v1 CEM DT-8820. In: GM Electronic [online]. 2015 [cit. 2015-01-13]. Dostupné z: http://www.gme.cz/multifunkcni-meric-prostredi-4v1cem-dt-8820-p722-210 [36] Materiály od firmy LUBCON 2014 [cit. 2015-5-23] [37] Materiály firmy Tribotec 2015 [cit. 2015-5-23]. [38] Optický senzor OA5209. IFM electronic [online]. 2003 [cit. 2015-05-23]. Dostupné z: http://www.ifm.com/products/cz/ds/OA5209.htm [39] Laserový snímač VDM28-8-L1-IR-IO: katalogový list. PEPPERL+FUCHS: optické senzory [online]. 2015 [cit. 2015-05-23]. Dostupné z: http://www.pepperlfuchs.cz/czech_republic/cs/classid_53.htm?view=productdetails&prodid=65395 [40] Výpočet pružin. MITCalc [online]. 2014 [cit. 2015-05-23]. Dostupné z: http://www.mitcalc.com/doc/springs/help/cz/springs.htm [41] Nákladní vůz řady Eaos. LOKO TRANS [online]. 2008 [cit. 2015-05-23]. Dostupné z: http://www.lokotrans.cz/index.htm [42] Indukční snímač NCB50-FP-E2-P1: katalogový list. PEPPERL+FUCHS: [online]. 2015 [cit. 2015-05-23]. Dostupné z: http://www.pepperlfuchs.cz/czech_republic/cs/classid_143.htm?view=productdetails&prodid=28089 [43] Siemens LOGO 6!: PLC. In: Siemens [online]. 2015 [cit. 2015-05-23]. Dostupné z: http://w3.siemens.com/mcms/programmable-logic-controller/en/logic-modulelogo/modular-basic-variants/pages/default.aspx [44] Teplotní čidlo LM35. GM Electronic [online]. 2015 [cit. 2015-05-23]. Dostupné z: http://www.gme.cz/lm35cz-to92-national-semiconductor-p313-091#tabsdocumentation [45] Automatizace. In: VOJÁČEK, Antonín. TEST - Miniaturní ultrazvukový snímač Microsonic zws-24 [online]. 2013 [cit. 2015-05-23]. Dostupné z: http://automatizace.hw.cz/test-miniaturni-ultrazvukovy-snimac-microsonic-zws-24 [46] Spínaný zdroj MEAN WELL DR-120-24. GM Electronic: Spínané zdroje na DIN lištu [online]. 2015 [cit. 2015-05-23]. Dostupné z: http://www.gme.cz/spinany-zdroj-meanwell-dr-120-24-p751-134 [47] Rozváděčové topení RACM. Axima: Fandis [online]. 2011 [cit. 2015-05-23]. Dostupné z: http://www.axima.cz/katalog/produkt/rozvadecove-topeniracm/57373/106435a9.html [48] PRP Měření příčného profilu hlavy kolejnice. RMT [online]. 2015 [cit. 2015-05-24]. Dostupné z: http://www.rmt.cz/cz/produkty/procesni-instrumentace/mereni-kolejovadoprava/158-prp-mereni-pricneho-profilu-hlavy-kolejnice.html

strana

60

SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ TABULEK A GRAFŮ

SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ A ZDROJŮ Obr. 0.1 Kontakt kola s kolejnicí: 1-okolek, 2-nákolek, 3-plocha odvalování = běhoun, 4hlava kolejnice, 5-boční strana hlavy kolejnice [20] 6 Obr. 1.1 Závislosti třecích vlastností MT Keltrack [25]

7

Obr. 1.2 TOR-FM modifikátor tření (a) [32], YardGlide WL1000 v akci (b) [33]

8

Obr. 1.3 Typická sestava mazání hlavy kolejnice (a) [3], pumpa s řídícími a napájena pomocí solárních panelů (b) [10]

10

Obr. 1.4 Příklad vrtaných otvorů ve žlábkové a širopatní kolejnici (a), schéma umístění jednotlivých prvků systému u vlakové trati (b) [9] 10 Obr. 1.5 Čidla pro detekci přijíždějícího kolejového vozidla [3,10]

11

Obr. 1.6 Mazací přístroje k možnému použití v TOR (a), příklad uložení mazací stanice v zemi (b) [8] 11 Obr. 1.7 Stacionární aplikační lišty pro nanášení na boční stranu hlavy kolejnice - se štětečky (a), bez štětečků - jiná konstrukce (b) [3]

12

Obr. 1.8 Patenty aplikačních lišt vlastnící firma Lincoln [11,12]

12

Obr. 1.9 Top of Rail aplikátor SLID [9, 10]

13

Obr. 1.10 Snímač umístěný ve žlábkové koleji [13] (a), Systém TOR pro žlábkovou kolej tramvajové dráhy - Innotrans 2014(b) 13 Obr. 1.11 Schéma umístění jednotlivých prvků systému u tramvajové trati – (popis : 1skříň s pumpou, 2-čítač náprav vozů nebo ultrazvukový snímač, 3-aplikační lišta, 4rozdělovač) [13] 14 Obr. 1.12 WFL (Wheel Flange Lubrication) – mazání okolků (a) [15],TOR (Top of Rail) – mazání hlavy kolejnice - (popis: 1-agregát mazacího systému se zásobníkem maziva, 2-elektromagnetické čerpadlo s tryskami, 3-řídící jednotka se senzorem oblouků) (b) [14] 14 Obr. 1.13 On-board systém pro Top of Rail aplikaci vystavovaný firmou SKF - Innotrans 2014 15 Obr. 1.14 Mazací systém TRACK - LUBE [16]

15

Obr. 1.15 Model systému Top of Rail firmy L. B. Foster vystavované na veletrhu Innotrans 2014 17 Obr. 1.16 Aplikační lišty off - board jednotek firmy L. B. Foster - Innostrans 2014

17

Obr. 1.17 Aplikační lišta PROTECTOR IV- L. B. Foster (a) Napájení solárními panelem (b) [4] 18 Obr. 1.18 On-board systém – AUTOPILOT (a) [4], HPF Solid Stick [7] (b)

19

strana

61


Obr. 1.19 Schéma celého on-board systému TOR aplikace [17]

20

Obr. 1.20 Nádrž s pneumatickými pístovými pumpami (a), Pneumatická pístová pumpa (b) [17] 20 Obr. 1.21 Solenoidní ventily (a), směšovací zařízení (b), tryska (c) [17]

21

Obr. 1.22 Ovládací panely s řídící automatikou - Innotrans 2014

21

Obr. 1.23 Foto Innotrans - Systém Top or Rail (vlevo), varianta použití stejného systému pro mazání okolku – Wheel Flange Lubrication i Top of rail (vpravo nahoře), tryska pro nástřik MT (vpravo uprostřed a dole) 22 Obr. 1.24 Schéma systému TOR – FluiLub [22]

23

Obr. 1.25 On-board systém FluiLub – foto Innotrans 2014

23

Obr. 1.26 Pumpa [24]

24

Obr. 1.27 Směšovací dělič [24]

24

Obr. 1.28 Tryska [24]

24

Obr. 1.29 Řídící jednotka se snímačem kolejových oblouků [24]

24

Obr. 1.30 Kompresorová stanice [24]

24

Obr. 3.1 Tvar širokopatní kolejnice (zvaná „hlavová“)

26

Obr. 3.2 Počáteční návrh systému Top of Rail na bázi off-board jednotky

26

Obr. 3.3 Třecí modifikátor SINTONO TERRA HLK od firmy Lubcon

27

Obr. 3.4 Aplikační lišta

28

Obr. 3.5 Detail vývodů pro MT na tělese aplikační lišty

28

Obr. 3.6 Detail kontaktu kola s kolejnicí v místě aplikační lišty

29

Obr. 3.7 Rozdíl mezi rozdělením MT pomocí progresivního rozvaděče (a) a obyčejného rozvětvení (b) [10] 29 Obr. 3.8 Progresivní rozdělovač BVA-N 4PC (a) připojené BVA-N 4PC při zkoušení (b)30 Obr. 3.9 Uchycení lišty u fimy: Lincoln (a, b), Balfour Beatty (c) - Innotrans 2014

30

Obr. 3.10 Návrh skříňě s řídícím systémem a čerpacím přístrojem

31

Obr. 3.11 Vagón nákladního vlaku (a), vhodné místo pro použití navrhovaného systému (b)[41] 31 Obr. 3.12 Čerpací přístroje firmy Tribotec: PMP (a), ACF (b) [37]

33

Obr. 3.13 Čerpací přístroje firmy SKF – Innotrans 2014 (a), Použití v obdobném systému [8] (b) 34

strana

62


Obr. 3.14 Pracovní charakteristika kuželové pružiny

34

Obr. 3.15 Model čerpacího přístroje při min. hladině (nalevo) a při max. hladině (napravo) 35 Obr. 3.16 Šroubovitá pružina kuželová tlačná [40]

37

Obr. 3.17 Plocha přítlačné desky, na kterou působí síla při plnění

40

Obr. 3.18 Přenosná ruční pumpa PRP 16 – OK firmy Tribotec [37]

41

Obr. 3.19 Hydraulické schéma s vyznačenými tlakovými ztrátami: PČP=tlak dodaný čerpadlem, PVÝSTUPNÍ=tlak výstupní z aplikační lišty, PzDN8=tl. ztráta ve vysokotlaké hadici DN8, PzBVA= tl. ztráta v progresivním rozdělovači, PzTR6=tl. ztráta v trubičce TR6, PzLišta=tl. ztráta v aplikační liště 41 Obr. 3.20 Čerpací přístroj ACF při dlohodobém testování

44

Obr. 3.21 Čerpací přístroj ACF uložení v klimatické komoře pro provedení zkoušky chladem – VÚSH Brno [37]

45

Obr. 3.22 Snímač OA5209 (a), připojení a nastavování snímače (b), návrh uchycení snímače pomocí stahovacího pásek (c)

46

Obr. 3.23 Funkce window u snímačů vzdálenosti [45]

46

Obr. 3.24 Laserový snímač od firmy Pepperl+Fuchs (a), závislost snímací vzdálenosti na barvě snímaného objektu na (b) [39] 47 Obr. 3.25 Indukční snímač NCB50-FP-E2-P1 od firmy Pepperl+Fuchs (a) [42], způsob montáže ke kolejnici (b) 48 Obr. 3.26 Varianta 4 s dvěma indukčními snímači

49

Obr. 3.27 Varianta 2 s jedním indukčním snímačem

49

Obr. 3.28 Vnitřní osazení řídícího systému

50

Obr. 3.29 Popis předního panelu řídícího systému

50

Obr. 3.30 Spínaný zdroj DR-120-24 firmy Mean Well [46]

51

Obr. 3.31 PLC typu LOGO! 6 24RC od firmy Siemens [43]

52

Obr. 3.32 Topení RAC-60 firmy Fandis (a) [47], Teplotní čidlo LM35 (b), zapojení čidla + výstupní signál při dané teplotě (c) [43] 54 Obr. 3.33 PRP Měření příčného profilu hlavy kolejnice pomocí laserového měřiče [48] 56

strana

63

SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK

SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK Seznam zkratek MT ČP PD

modifikátor tření čerpací přístroj přítlačná deska

Seznam symbolů a veličin Označení

Jednotka

Název veličiny

d D1N DCS DjČP DMT Dmax Dmin DN DPD DX DCI DCII FA FB FC FGminMT FGmaxMT FGPD F1 F2 g G ICELK IČP IIS IK IPLC IV kds kτΙ kτΙΙ kI kII L0 KSmin KS LS

mm g g g/min g mm mm mm mm mm mm3 mm3 N N N N N N N N m/s2 MPa A A A A A A N/mm N/mm mm mm

průměr drátu pružiny potřebná dávka MT na jednu nápravu potřebná dávka MT na celou soupravu dodávané množství MT čerpacího přístroje dodávaná dávka MT max. střední průměr pružiny min. střední průměr pružiny průměr nádrže ČP průměr přítlačné desky ekvivalentní průměr pro prac. oblast II součinitel průměrů pro I. pracovní oblast součinitel průměrů pro II. pracovní oblast síla při deformaci pružiny v poloze A síla při deformaci pružiny v poloze B mezní síla tíhová síla MT při min. hladině tíhová síla MT při max. hladině tíhová síla PD síla potřebná k udržení PD na min. hladině síla potřebná k udržení PD na max. hladině tíhové zrychlení modul pružnosti ve smyku celkový potřebný proud proud odebíraný ČP proud odebíraný indukčním snímačem proud odebíraný signalizační kontrolkou proud odebíraný řídícím automatem PLC proud odebíraný solenoidním ventilem dovolená bezpečnost ve smyku bezpečnost v pružině v poloze A bezpečnost v pružině v poloze B tuhost pružiny v poloze A tuhost pružiny v poloze B volná délka pružiny korekční souč. napětí v krutu v I. prac. oblasti korekční souč. napětí v krutu v II. prac. oblasti délka plně stlačené pružiny

strana

64

SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK

lV lCS nCN mPD mminMT mmaxMT n nN nV nX pplnění QDČP QjČP QIČJ pČP pzLIŠTA pzTR6 pVÝSTUP pzBVA pzDN8 ReDN8 ReKR s SDN8 t tPD tPS vDN8 vmin Vmin Vmax vmax vS VUN YzDN8

m m kg kg kg Pa cm3/min cm3 cm3/min/vývod bar bar bar bar bar bar mm mm2 °C mm min m/s mm m3 m3 mm km/hod dm3 J/kg

délka jednoho vagónu celková délka soupravy celkový počet projíždějících náprav hmotnost PD hmotnost MT při min. hladině hmotnost MT při max. hladině počet činných závitů pružiny počet náprav jednoho vogónu počet vagónů soupravy ekvivalentní počet závitů pro II. prac. oblast tlak pro plnění nádrže dodávané množství ČP – 2 spojené jednotky objem MT dodávaného ČP jmenovité dodávané množství ČP tlak ČP tlaková ztráta v aplikační liště tlaková ztráta v trubičce TR6 tlak na výstupu z aplikační lišty tlaková ztráta v progresivním rozdělovači tlaková ztráta v hadici DN8 Reynoldsovo číslo kritické Reynoldsovo číslo stlačení pružiny průtoková plocha hadice DN8 teplota tloušťka PD čas projetí celé soupravy rychlost proudění MT v hadici DN8 výška MT při min. hladině objem nádrže při min. hladině objem nádrže při max. hladině výška MT při max. hladině rychlost soupravy objem nádrže po úpravě ztrátová energie v hadici DN8

ξDN8 λDN8 ρMT τD τI τII υΜΤ

g/cm3 MPa MPa MPa mm2/s

délkové ztráty v hadici DN8 součinitel tření v hadice DN8 hustota MT dovolené napětí ve smyku tečné napětí v pružině v poloze A tečné napětí v pružině v poloze B kinematická viskozita MT

strana

65

SEZNAM PŘÍLOH

SEZNAM PŘÍLOH Příloha č. 1 - Hydraulické schéma systému Top of Rail Příloha č. 2 - El. schéma řídící jednotky Top of Rail - silová část Příloha č. 3 - El. schéma řídící jednotky TOR - logická část (indukční snímače) Příloha č. 4 - El. schéma řídící jednotky TOR - logická část (laserový snímač) Příloha č. 5 - Program pro PLC - (indukční snímače) Příloha č. 6 - Program pro PLC - (laserový snímač) Příloha č. 7 - Výkres sestavení zkušebního zařízení Příloha č. 8 - Výkres sestavení aplikační lišty Příloha č. 9 - Výrobní výkres tělesa aplikační lišty

strana

66

Strany 67 až 72 nezveřejněny v souladu se Smlouvou o poskytnutí podkladů pro zadání a zpracování diplomové práce.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Recommend Documents