Témata
Reklama

Vývoj úzkorozchodného tramvajového podvozku v laboratořích RTI

Výzkum a vývoj pohonu dvojkolí úzkorozchodného tramvajového podvozku probíhá v rámci kooperace zkušebny komponent dopravních prostředků, zkušebny provozní pevnosti a únavové životnosti, laboratoře pro virtuální prototyping a laboratoře strojírenských experimentálních metod, které jsou součástí Regionálního technologického institutu (RTI) – strojírenského a technologického výzkumného centra ZČU v Plzni, Fakulty strojní.

Výzkumné centrum bylo vybudováno díky finančním prostředkům z Evropského fondu pro regionální rozvoj – z prioritní osy 2: „Regionální VaV centra“ Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace. Budování centra započalo v první polovině roku 2011 a 1. 7. 2015 pak projekt RTI přešel do své provozní fáze. Ve vybudovaných laboratořích, zkušebnách a pracovištích je v současnosti zaměstnáno téměř 100 výzkumných pracovníků, kteří zde mají k dispozici nejmodernější experimentální, softwarovou a výpočetní techniku.

V rámci řešení projektu LO1502 Rozvoj Regionálního technologického institutu, který je řešen s podporou programu Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy na podporu výzkumu, experimentálního vývoje a inovací NPU I – Národní program udržitelnosti, je rozpracovávána koncepce pohonu dvojkolí úzkorozchodného tramvajového vozidla. Sortiment pohonů, které se vyskytují na kolejových vozidlech, je velice rozsáhlý a vyvíjí se prakticky nepřetržitě. V drtivé většině se zatím vyskytují pohony, které obsahují převodovou skříň k přenosu momentu z trakčního motoru na kolo, respektive na dvojkolí. V rámci tohoto projektu je uvažováno zaměření hlavně na vozidla menších výkonů – tramvajová vozidla, eventuálně vozidla metra. Rozsah výzkumu je zaměřen jak na konvenční převodové pohony, tak i na bezpřevodovkové. V tomto článku je představena první etapa řešení vývojového úkolu, tj. pohon dvojkolí vedeného listovými pružinami, podélným trakčním motorem a převodovkou.

Reklama
Reklama
Reklama
Grafické znázornění struktury projektu na první úrovni

Návrh koncepce

Základem pro tento projekt je koncepce podvozku s vypružením a vedením dvojkolí dvojicí listových pružin. Tento podvozek se jeví jako potenciálně vhodný pro umístění výše uvedeného pohonu. Na rámu podvozku bude z každé strany upevněn jeden hnací agregát, trakční motor – převodovka pohánějící jedno dvojkolí podvozku. Byl navržen trakční asynchronní motor TAM1003C/100, který je projektován pro podvozky nízkopodlažních tramvají s vnějším uložením na podvozcích ve spojení s kuželočelní převodovkou. Na straně brzdy jsou na štítu motoru vytvořena upevňovací místa pro připevnění brzdové jednotky. Motor je na podvozku zavěšen přes dva silentbloky a přírubou pevně spojen s přírubou tělesa převodovky.

Koncepční řešení podvozku

Jedná se o koncept podélného pohonu, který je umístěn vně rámu podvozku s kompaktním pohonem motor–převodovka, který je samostatně uložen v podvozku pomocí pružných závěsů. S dvojkolím je pohon spojen pružnou spojkou, která dovoluje vzájemný pohyb mezi dvojkolím a hnacím agregátem, přičemž přenáší požadovaný výkon na dvojkolí. Při návrhu převodovky bylo samozřejmě potřeba zohlednit prostorové možnosti. Výhodou zde bylo, že se jedná o úzkorozchodný podvozek, kde je více prostoru mezi čelem dvojkolí a obrysem vozidla, do něhož se pohonný komplet musí umístit. Vzhledem k požadovanému převodovému poměru 7,15 je uvažována převodovka dvoustupňová.

Vnitřní uspořádání převodovky
Řešení trakční charakteristiky motoru (vpravo)

Převodovka je navrhována jako kuželočelní s kuželovým vstupem a čelním výstupem s dutým výstupním ozubeným kolem, kterým bude procházet pružná spojka pro spojení převodovky s dvojkolím – resp. nápravou. Předmětem koncepčního návrhu zavěšení pohonného celku je připojení trakčního motoru TAM 1003 C/K s převodovkou k rámu podvozku. Umístění, orientace a parametry tuhosti lůžek byly navrženy tak, aby směřovaly k minimalizaci reakčních sil při zátěžných stavech vyplývajících z normy EN 61373.

Základní návrh umístění pohonného celku se zobrazením zástavbového prostoru

Numerická simulace

Numerická simulace dvojkolí podvozku v SW Siemens NX proběhla podle normy EN 13749:2011, která specifikuje metodu pro návrh rámů podvozků pro železniční aplikace, včetně způsobu jejich hodnocení. Výpočetní model rámu byl zjednodušen na jednu čtvrtinu. Nesymetrie zatížením tíhou motoru byla zanedbána. Výpočet je zaměřen na rám podvozku, proto jsou šroubovité pružiny sekundárního vypružení, celá náprava, zatížení od motoru a převodovky a čepy pro uchycení listových pružin ve výpočtovém modelu zjednodušeny.

Okrajové podmínky – řez pružinou (vlevo), čep na konci pružiny (vpravo)
Zatěžující síly a okrajové podmínky uchycení výpočtového modelu rámu

V ose nápravy je okrajová podmínka, která umožňuje posuv ve vertikální rovině a natáčení okolo osy nápravy. Převodovka je nahrazena bodem v místě těžiště převodovky a tento bod je pomocí 1D prvků BEAM spojen s oky, kam je převodovka upevňována. Čepy pro uchycení listových pružin na rám jsou nahrazeny rigidovými růžicemi (point to face) typu RBE2. Tuhost silentbloků je zanedbána.

Hlavní zatížení od skříně vozu je aplikováno na dosedací plochy šroubovitých pružin. Velikost zatěžující síly odpovídá hodnotám v tab. 1. Tíha motoru je aplikována na dosedací plochu silentbloku. Tíha převodovky je aplikována do jejího těžiště na zjednodušených ramenech.

Zobrazení posunutí ve svislém směru Z
Zobrazení rozložení redukovaného napětí podle hypotézy von Mises
Výpočtový model listové pružiny a zobrazení rozložení redukovaného napětí podle hypotézy von Mises

Funkční model

Funkční model podvozku se skládá z rámu podvozku, osmi listových pružin primárního vypružení a dvou dvojkolí. Jedná se tedy o část podvozku bez sekundárního vypružení a dalších struktur. Rám je svařenec z plechů, který má dva příčníky a dva podélníky přecházející v konzoly vypružení. V rámu jsou niky pro uložení sekundárního vypružení. Na bocích rámu jsou přivařeny konzoly s oky, do nichž jsou uchyceny převodovky. Konzoly pro motory jsou umístěny v příčné ose podvozku. Listové pružiny jsou na jednom konci otočně uchyceny na konzoly, na druhém konci otočně uloženy na ložiskovém domku. Střed pružiny podepírá rám podvozku.

Navržený rám funkčního modelu podvozku, primární vypružení a vedení dvojkolí listovou pružinou

Experimentální testování rámu podvozku

Experimentální testování bylo prováděno na testovacím zařízení Inova. Pro měření byl použit modulární systém QuantumX s moduly MX 1615B se vzorkovací frekvencí 5Hz spolu s tenzometry HBM 1-LY11-6/120. Funkční model byl uložen na kolejnicích a pomocí hydraulických válců byl zatěžován silami.

Podvozek na zkušebním standu

Na podvozku byly umístěny tenzometry, které snímají hodnoty poměrné deformace. Pro měření bylo použito 40 tenzometrů. Poloha tenzometrů byla zvolena podle výsledků numerických simulací. Funkční vzorek byl pro test upevněn na dvojkolí a umístěn na kolejnice. V průběhu zkoušky se mohou vlivem svislé síly kola po kolejnici odvalovat a do rámu nejsou zaneseny žádné parazitní síly, které se v provozu nevyskytují. Svislou sílu zajišťují dva válce v místě pro uložení pružin sekundárního vypružení a jeden válec pro příčné zatěžování.

Detail tenzometrického místa

Při statickém testu byl podvozek zatížen svislou silou 85 kN, což je síla odpovídající zatížení od prázdné skříně tramvaje. Podvozek se vlivem této síly snížil o 21 mm a rozvor kol se zvětšil o 18 mm. Při zatížení silou 128,5 kN odpovídající zatížení od plné tramvaje se oproti prázdné tramvaji podvozek snížil o dalších 11 mm a rozvor kol se zvětšil o dalších 9 mm. Při použití síly 157 kN, která odpovídá plné tramvaji i s dynamickou přirážkou, se podvozek oproti plné tramvaji snížil o dalších 8 mm a rozvor kol se zvětšil o dalších 8 mm.

Numerické simulace vs. experimentální testování

Po zpracování výsledů numerických simulací a experimentálního testování byly tyto výsledky porovnány. Získané hodnoty vykazují velmi dobrou shodu, liší se průměrně o 6,9 %, resp. o 5,6 MPa. Přičemž výsledky numerické simulace jsou většinou vyšší než naměřené při testování.

Porovnání změřených a vypočtených hodnot

Článek představuje první etapu řešení projektu pohonu dvojkolí úzkorozchodného tramvajového vozidla. V rámci projektu byl řešen koncepční návrh podvozku, numerické simulace pomocí metody konečných prvků, stavba funkčního modelu a experimentální měření, které prokázalo významnou shodu s numerickými simulacemi.

Testování bude dále doplněno o měření běžných provozních veličin, jako jsou síly, krouticí momenty, tlaky médií, teploty či deformace částí konstrukce. Pracoviště též disponuje vícekanálovou aparaturou na měření a vyhodnocení dynamického chování strojních celků a vibrací. Aparatura je založena na platformě Pulse, která je modulární a svou odolností je předurčena především pro sběr dat v reálném provozu. Kromě měření provozních dat lze aparaturu využít i pro modální analýzu těles. Takto získaná data budou sloužit pro analýzu spolehlivosti a odhad životnosti testovaného modelu.

Tento článek vznikl za finanční podpory projektu LO1502 „Rozvoj regionálního technologického institutu“ pod záštitou Národního programu udržitelnosti I Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy, zaměřeného na podporu výzkumu, experimentálního vývoje a inovací.

ZČU v Plzni, Fakulta strojní, Regionální technologický institut

Petr Heller, Bohumil Čejka, Lukáš Bartoň, Zdeněk Chval a Michal Křížek

zdchval@rti.zcu.cz

Reklama
Vydání #7,8
Kód článku: 170721
Datum: 27. 06. 2017
Rubrika: Trendy / Pohony
Autor:
Firmy
Související články
Výzkum převodových mechanismů s ozubenými koly, brzd a spojek

Výzkum převodových mechanismů, brzd a spojek je pro Ústav konstruování a částí strojů Fakulty strojní ČVUT v Praze tradiční disciplínou. Ústav disponuje výpočtářskou a experimentální kapacitou v tomto oboru. V aplikační sféře se ústav zaměřuje na transportní, zemědělskou a stavební techniku a stroje a zařízení pro těžbu a zpracování nerostných surovin.

Cesta k budoucímu růstu vede přes investice

Rok 2020 by se dal přejmenovat na Rok černých labutí. Ekonomové k těmto původem australským ptákům přirovnávají události, které nikdo nečeká a které hluboce zasáhnou samotné základy hospodářství. Tak jako to dokázala pandemie nového typu koronaviru. Ze dne na den donutila vlády, aby vypnuly na několik měsíců nejen českou, ale také další klíčové ekonomiky pro české exportéry.

Výuka a výzkum aditivních technologií

Inovativní výrobní technologie nacházejí své místo také v technickém vzdělávání. Do svých osnov je dříve či později zakomponovaly všechny technické vysoké školy. Avšak pořízení nákladných technologií se neobejde bez podpory ze strany průmyslového výzkumu. Na Fakultě strojní ČVUT v Praze nyní disponují úplně novým zařízením M2 cusing pro výrobu dílů metodou DMLS německého výrobce Concept Laser, dnes působící pod značkou GE Additive. Stroj dodala společnost Misan a technologie slouží primárně pro výzkum v leteckém průmyslu.

Související články
Digitalizujeme svět obrábění

Digitalizace v oblasti obráběcích strojů je poměrně nový fenomén. Svět digitalizace se stává svébytným ekosystémem a Siemens jako jediný má pro jeho vytvoření a fungování potřebnou škálu nástrojů – od simulačních programů pro plánování a virtuální zprovoznění strojů, výrobků i procesů přes řídicí systémy a další prvky průmyslové automatizace po monitoring a sběr dat, cloudová úložiště i manažerské nadřazené systémy. Jaké výhody digitalizace přináší, ukázal Siemens na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně mimo jiné také na prototypu multifunkčního obráběcího centra MCU450 společnosti Kovosvit MAS.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
O materiálovém inženýrství pro strojírenství

Ve srovnání s tradičním strojním inženýrstvím vzniklo materiálové inženýrství jako vědní a studijní obor před poměrně krátkou dobou. Zkušenosti ukazují, že jeho podstata není části technické veřejnosti a zejména mnohým studentům strojního inženýrství zcela jasná. To je i možnou příčinou, že počet materiálových inženýrů neodpovídá potřebám strojírenského průmyslu. Materiálové inženýrství se přitom zásadním způsobem podílí na modernizaci a konkurenceschopnosti strojírenských výrobků a zařízení, zvyšování efektivnosti jejich výroby a snižování energetické náročnosti jejich provozu.

Plzeňské setkání strojařů

Katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni letos uspořádala již devátý ročník mezinárodní konference Strojírenská technologie Plzeň. V porovnání s minulým ročníkem zaznamenala podstatně větší návštěvnost – čítala téměř dvě stě účastníků a uskutečnilo se bezmála šedesát prezentací. Náš časopis na konferenci figuroval jako mediální partner akce.

Přínos vědců pro českou ekonomiku

Výzkumná a vědecká pracoviště jsou častými nositeli průlomových objevů a řešení. Jejich přínos pro konkurenceschopnost firem a národních ekonomik je neoddiskutovatelný. Jak si vede v této oblasti Akademie věd ČR, jak spolupracuje s průmyslovou sférou a kde vidí svou přidanou hodnotu? Na toto téma jsme diskutovali s předsedkyní AV ČR profesorkou Evou Zažímalovou.

Profesor Stanislav Hosnedl 80

V říjnu tohoto roku se prof. Stanislav Hosnedl dožívá významného životního jubilea 80 roků. V roce 1964 dokončil studia v oboru Konstrukce obráběcích strojů na VŠSE FST v Plzni. Roku 1984 získal vědecko-akademický titul CSc., který po revoluci, později v roce 1990, obhájil také na ČSAV Praha. V roce 1992 se habilitoval a konečně v roce 2002 byl jmenován profesorem pro obor Strojní inženýrství.

Lesk a bída českých obráběcích strojů

Česká republika, resp. tehdejší Československo, mělo bohatou historii ve výrobě obráběcích strojů. Kde v období největší slávy byli ve svých inovačních počinech současní světoví lídři, když např. kovosviťácký konstruktér Ladislav Borkovec se již v roce 1977 začal zaobírat myšlenkou multifunkčního soustružnicko-frézovacího stroje? Přes dřevěný kinematický model, který si vytvořil doma v dílně, vedla dlouhá cesta až k prototypu prezentovanému  na EMO v Paříži v roce 1980. Po vyrobení 45 strojů řady MCSY, které nenazval nikdo jinak než „Boháro“, byla z ekonomických důvodů a nedostupnosti kvalitní řídicí elektroniky bohužel výroba v tehdejším Kovosvitu ukončena. Dva bývalé kovosviťáky, srdcem i duší, Jiřího Mindla a Vladislava Čítka, jsem díky jejich letitým zkušenostem celoživotního zasvěcení oboru obráběcích strojů požádal o rozpravu nad současným stavem tuzemského oboru výrobních strojů a nad tím, jaké jsou jeho případné perspektivy.

25. mezinárodní konference Hydraulika a pneumatika

Novotného lávka v centru Prahy bude ve dnech 8.–9. června 2022 hostit již 25. mezinárodní konferenci Hydraulika a pneumatika, jejímž cílem je výměna odborných zkušeností a nových poznatků ve výzkumu a vývoji hydraulických a pneumatických prvků a systémů.

Trnitá cesta české vědy a výzkumu

Třicet let je diskutovaným tématem propojení české vědy a výzkumu s průmyslem. Podařilo se konečně v této oblasti učinit pokroky? Proč se čeští vědci nehrnou do tuzemských firem a proč české školství negeneruje kreativní osobnosti? K diskuzi o těchto otázkách jsme pozvali docenta Jiřího Krechla, který se problematice výzkumu a vývoje dlouhodobě věnuje.

Fórum výrobních manažerů

Jakými kroky máme podle vás šanci zlepšit konkurenceschopnost České republiky na světových trzích? Které konkrétní bariéry shledáváte jako zásadní v tlumení rozvoje podnikání, a to jak ze strany státu, tak i „zažitých“ firemních zvyklostí a kultury?

Síla společnosti tkví v chytrých lidech a vědecké základně

Nadační fond Neuron vznikl na podporu české vědy v období hospodářské krize po roce 2009. Jeho mecenáši rozdali za dobu jeho existence více než 110 milionů korun. Není závislý na státních financích, ale přesto, pokud by se současný státní rozpočet vydal cestou škrtání výdajů na vědu, byl by to pro jeho členy signál pro to, aby své aktivity zesílili a nedovolili, aby česká věda upadla v zapomnění a čeští vědci odcházeli do zahraničí. Hovoříme s Monikou Vondrákovou, která Nadační fond Neuron od jeho vzniku řídí.

Fórum děkanů strojních fakult

Dnešní téma se týká otázky personálního obsazení vašich akademických a vědeckých pracovišť. Jak se vám daří je naplňovat jednak z řad absolventů – po kterých firmy bezesporu okamžitě sáhnou, protože s nimi již mají vazby z dob studií, ale i z řad odborníků z praxe, kteří po ukončení aktivní činnosti hledají prostor pro uplatnění svých znalostí a jejich předávání dále?
Odpověď jsme bohužel obdrželi pouze od dvou ze všech oslovených děkanů strojních fakult (…).

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit