Pohon metra pomocí dvoustupňové čelní převodovky se svislou závěskou a následné umístění komponent pohonu

Transkript

1 Pohon metra pomocí dostpňoé čelní přeodoky se sislo záěsko a následné místění komponent pohon Pael Kloda bstrakt Řešení konstrkce pohon metra pomocí dostpňoé čelní přeodoky se sislo záěsko. Snaha minimalizace rozměrů přeodoky, aby zbylo dostatek místa pro místění brzdoého kotoče na nápra. Případná další řešení místění brzdoého kotoče a brzdné sostay. Klíčoá sloa Trakční motor, dostpňoá přeodoka, brzdoý kotoč, nápraa, hřídel, ložiska, jízdní cykls 1. Úod Každý podozek kolejoého ozidla je tořen dojkolím, které může být hnané nebo hnací. Hnací nápraa je opatřena pohonem, který může být indiidální (každé dojkolí má sůj trakční motor a potřebné příslšenstí pro přenesení točiého moment na nápra), dále skpinoé (pohon pohání šechna dojkolí rámci jednoho podozk) a nebo ústřední ( celém oze je poze jeden trakční motor a točiý moment je rozeden na šechna dojkolí každého podozk) [2]. 1.1 Popis stáajícího pohon sopray metra M1 Sočasné seskpení sopray pražského metra M1 je tořeno 5 ozy. Čelní ůz M1.1 je opatřen řídícím stanoištěm pro strojedocího, dále měniči pro zásoboání napájecích sítí oz a akmlátory. Za čelním ozem následje další M1.2 se zdrojem stlačeného zdch pro pnematická zařízení. Prostřední ůz M1. má nitř centrální řídicí systém [5]. Jednotlié ozy jso sopraě řazeny takto: M1.1 M1.2 M1. M1.2 M1.1 Všechny podozky pražského metra M1je tořen děma hnacími dojkolími s indiidálním pohonem. To znamená, že každé dojkolí má sůj lastní trakční elektromotor. Přenos krotícího moment jde od tohoto elektromotor přes sféricko zboo spojk, následně pak přes stpní hřídel přeodoky. Výstpní hřídel přeodky je dtý. Tento přijde nalisoat na sedlo na nápraoé hřídeli a tím k přenos točiého moment přímo na dojkolí. elo sesta podozk metra M1 můžeme idět na Obr.1. Trakční elektromotor je asynchronní čtyřpóloý elektromotor s koto nakrátko od býalé německo-šédské firmy tranz o ýkon 160kW. nešním majitelem této společnosti je korporace Bombardier Transportation. Napájení metra je zajištěno třetí kolejnicí o stejnosměrném napětí 750V. Sběrač zajišťje dodák elektrické enerie elektromotor. Protože napájecí sostaa je stejnosměrného napětí a elektromotor je střídaý, je ybaen elektroniko pro rozfázoání stejnosměrného prod na střídaý a frekenční měnič, který plynle mění frekenci střídaého prod a s tím i charakteristik asynchronního elektromotor.

2 K hřídeli elektromotor je připojena sférická zboá spojka, která možňje zájemný relatiní pohyb trakčního motor a přeodoky, protože elektromotor je samostatně peněn přes silentbloky k rám a stejně tak je samostatně připeněna přeodoka přes sislo záěsk. Rozdílné pohyby elektromotor i přeodoky řeší práě ýše zmíněná sférická zboá spojka. Brzdoý kotoč je na každé nápraě jen jeden. Způsob penění je lisoáním na sedlo nápraoého hřídele. Při brzdění se požíá elektrodynamické brzdy. Brzdění sopray z maximální rychlosti je nejdříe omezeno ýkonem elektromotor. Zpočátk dáá menší brzdno síl. Výkonoé omezení spočíá tom, aby elektromotor při brzdění neznikaly příliš elké prody, které by jej mohly trale poškodit či zničit. Při poklesntí rychlosti sopray brzdný účinek již není omezen ýkonem elektromotor, ale je omezen adhezí kola-kolejnice případně maximálním brzdným zrychlením. Při elmi nízkých rychlostech elektrodynamická brzda již není dostatečně ýkonná a proto dobrzdění zajišťje brzdoý kotoč. Protože třecí brzdoý kotoč se oprad požíá na konci brzdného cykl, jeden brzdoý kotoč oprad stačí. Přeodoka sopray M1 je čelní jednostpňoá. elkoý přeodoý poměr této přeodoky je 6,47. Tímto přeodoým poměrem msí být zajištěno dosažení maximální rychlosti ozidla při maximálních otáčkách trakčního elektromotor. Maximální rychlost sopray metra je 80 km/h [5]. Přeodoka je koncipoána tak, že ložiska jso mezi ýstpním hřídelem, který je nalisoán na nápraoém hřídeli, a skříní přeodoky. elá sestaa přeodoky je tedy místěna otočně kolem nápray. Přibližná soosost stpního hřídele přeodoky a elektromotor je zajištěna sislo záěsko. Přeodoka je na sěrných plochách seřena čelistmi záěsky. Toto thé chycení je částečně tlmeno loženými silentbloky, které tlmí rázy zniklé pohybem sopray. Obr.1. Pohled na sesta pohon sopray metra M1

3 1.2 Pohon metra pomocí dostpňoé přeodoky Jednostpňoá přeodoka požitá M1 má mnohé přednosti. Nedílno sočástí je její konstrkční jednodchost, nižší spotřeba materiál a podozkoém prostor, kde není příliš olného místa, nízká prostoroá náročnost. íky malé šířce jednostpňoé čelní přeodoky může být místěn brzdoý mechanisms ještě na nápraě. V případě dostpňoé přeodoky její skříň narůstá do šířky a tím pádem zabírá místo místění brzdoé sostay. Sětlá ýška kolejoých ozidel činí minimálně 80 mm nad temenem koleje. Tdíž při yšších přeodoých poměrech narůstá její rozměr a blíží se osmdesátimilimetroé hranici. Zde zniká prní omezení pro požití přeodoky jednostpňoé. Velko neýhodo těchto přeodoek je též jejich hlčnost. ostpňoá přeodoka se tedy yznačje yššími přeodoými poměry a nízké hlčnosti. Proto nyní bdeme narhoat dostpňoo přeodok, která by měla minimální šířkoé rozměry a tím pádem nenaršila již požité místění brzdoého systém na nápraě. Záěrem této práce je stanoení, zda je možné těchto nároků dosáhnot, případně arianty náhradního způsob místění brzdoé sostay. 2 Konstrkční nárh dostpňoé čelní přeodoky Konstrkční nárh spočíá e stanoení jízdního cykl sopray, stanoení požadaků na prostoroé spořádání, eometrické rozměry ozbení, dále siloé poměry ložiscích a jejich žiotnost a lastní frekence. 2.1 Základní parametry ozidla Hodnota Označení - rozchod 1 45 mm - max. nápraoé zatížení 125 kn Q - zdálenost středů nápraoých ložisek mm - max. rychlost 80 km/hod M - ýkon motor 160 kw P - jmenoité otáčky 1890 min -1 n Mjm - maximální otáčky 850 min -1 n Mmax - průměr kol (opotřebený) 850 (770) mm max ( min ) - šířka kolejoého kanál max 55 mm - brzda kotočoá - sočinitel adheze při přenos hnací síly 0, µ ROZ Při brzdění 0,15 µ BRR Průměr brzdoého kotoče 590 mm Odaloáním oceloého kola po kolejnici dochází k jeho opotřeboání a obršoání, noé kolo má průměr max 850 mm a nejmenší průměr kola, které lze ještě požíat je min 770 mm. Určení středního průměr kola: max max 810mm (1) 2

4 2.2 Stanoení jízdního cykl Během jízdy kolejoého ozidla tnel na něj působí proměnné hodnoty odpor prostředí jako je odpor alení a prodění zdch tnel. Vozidloý odpor: Měrný ozidloý odpor je dán ztahem: Koeficienty: a 1 b 0,008 0,156 c m SOUPRV o VOZ 2 a bv ctv (2) sočinitel měrného odpor zdch záislý na hmotnosti sopray t 7,4 sočinitel definjící li tar a konstrkce tnel elkoý odpor ozidla je dán ztahem : O Q ovoz () VOZ. Rozjezdoá síla je nejpre omezena adhezí, následně ýkonem požitého elektromotor. K ýdrži na konstantní maximální rychlosti je potřeba pokrýt ozidloý odpor. Při brzdění z max. rychlosti jsme nejpre omezeni ýkonem elektromotor a následně adhezí. Protože mez adheze při rozjezd je příliš ysoká a doolje příliš ysoké rozjezdoé zrychlení, omezíme rozjezdoo síl sočinitelem omezení adheze ε, obdobně bdeme postpoat při brzdění. 2 Maximální rozjezdoé zrychlení: a ROZM 1,6m. s při ε 0, 55 Maximální brzdné zrychlení: ROZ 2 a BRZM 1,5m. s při ε BRZ 1 Stanoení rozjezdoé/ brzdné síly pro jednotlié části jízdního cykl: Záislost tahoé síly edené raf je složena z několika křiek. Prní křika rčje omezení maximálního dooleného rozjezdoého zrychlení (má tar přibližně konstantní fnkce) rhá část křiky je tz. ýkonoé omezení elektromotor, kdy po překročení kritické rychlosti elektromotor s rostocí rychlostí dodáá stále menší síl (tar fnkce je hyperbola) Následný skok odpoídá dosažení maximální rychlosti a pokrytí odporoé síly ozidla. Následje brzdění sopray, které je opět nejdříe omezeno ýkonem elektromotor (hyperbola) a pak je brzdná síla omezena mezí adheze. 1. část: omezení adhezí resp max. rozjezdoým zrychlením ROZM G.µ ROZ. ε ROZ 2. část: omezení ýkonoé P ROZ. část: ýdrž na max. rychlosti OVOZ 4. část: brzdění elektromotorem P BRZ 5. část: brzdění omezené adhezí resp. max. brzdným zrychlením BRZM G.µ BRZ. ε BRZ

5 Graf 1. Záislost rozjezdoé a brzdné síly na čase Zrychlení jednotliých režimech jízdního cykl jso dány: Při rozjezd: ROZ OVOZ aroz () m Při brzdění: OVOZ BRZ abrz (4) m Samotná hodnota zrychlení je záislá na rychlosti, protože s rychlostí narůstá i ozidloý odpor. Výpočet rychlosti, při které narazíme na ýkonoé omezení elektromotor: P 160kW krit 7,76m / s 27,9km / h Q. µ. ε 125kN.0,.0,55 při ε 0, 55 (5) Velikost ekialentní síly, ktero nahradíme nekonstantní průběh hnací síly je dán ztahem: t. t i i ek 1, 7 kn (6) Ekialentní síle odpoídají ekialentní otáčky a rychlost sopray: P 42,02km h (7) EKV / EKV Velikost maximální síly odpoídá síle rozjezdoé: M 20.7 kn. (8)

6 Graf2. Záislost rychlosti sopray na jeté dráze 90 ZÁVISLOST RHLOSTI SOUPRV N UJETÉ RÁZE rychlost (km/h) dráha (m) 2. Výpočet přeodoého poměr, základních eometrických parametrů a únosnost ozbení elkoý přeodoý poměr je dán maximálními otáčkami motor a otáčkami dojkolí při maximální rychlosti 80 km/h. Výpočet celkoého přeodoého poměr: i n n M max max 7,48 (9) 1 n M max 850 min maximální otáčky elektromotor zadaná hodnota n max 60. M otáčky dojkolí při maximální rychlosti 80 km/h π. elkoý i dílčí přeodoé poměry rčíme ze zoleného počt z2 z 1 19 z 2 50 i 2, 62 (10) z 12 1 z4 z 19 z 4 5 i 2, 789 (11) z 4 elkoý sktečný přeodoý poměr konstroané přeodoky: i i i 7,41 (12) 12. 4

7 Výpočet ekialentních hodnot točiých momentů na jednotliých hřídelích Značení indexů: 1 hnací hřídel elektromotor 2 předlohoý hřídel hnaný hřídel nápraoý hřídel η 0,98 účinnost přeodoého poměr M EKV. 5551, Nm (1) 2 M K , Nm (14) i η K M Nárh modl ozbení dle Bacha [1] : K 2 4. M K 2 M K1 786Nm i η 12. (15) m 2. M K1.cos β π. c. Ψ. z. ζ ,48mm 2. M K 2.cos β4 m4 7, 52mm π. c. Ψ. z. ζ (16) (17) Volba modlů: m 12 5 mm, m 4 7 mm ζ 1 sočinitel pro čelní ozbené kolo Pa materiáloá hodnota pro ocel Ψ 20 sočinitel pro čelní ozbené kolo β 10 β 6 1 t d W β tβ1 aby se axiální síly na předlohoém hřídeli yršily (18) dw 2 Ostatní parametry 1. i 2. Sokolí ypočítáme a jejich únosnost oěříme pomocí proram OZUB.xls. Tento korespondje s normo pro kontrol ozbení ISO 66. Protože se šak jedná o zatěžoání ozbení proměnlio silo, bde potřeba zkontroloat ozbení na dotyk a ohyb následjících čtyřech kritických staech. Přibližné hodnoty můžeme pozoroat z Tablky 1. a Tablky 2. Tablka 1. Koeficienty bezpečnosti ozbení dotyk a ohyb pro 1. sokolí 1. SOUKOLÍ 1. kolo 2. kolo n1 M1 SH S SH S STV ,4 2,58 1,4 2,58 STV ,61,69 1,61,70 STV ,02 5,82 2,02 5,81 STV ,40 2,82 1,40 2,81

8 Tablka 2. Koeficienty bezpečnosti ozbení dotyk a ohyb pro 2. sokolí 2. SOUKOLÍ. kolo 4. kolo n2 M2 SH S SH S STV ,27 2,65 1,27 2,74 STV ,54,91 1,54 4,05 STV ,04 6,84 2,04 7,09 STV , 2,90 1,,01 Graf. Hodnoty kritických míst pro žiotnost ozbení Již zde při narhoání parametrů ozbení msíme pamatoat na fakt minimální elikosti skříně přeodoky. Prním omezením je již zmíněná minimální sětlost podozk ozidla. To znamená, že přeodokoá skříň msí být místěna ýše než 80 mm nad temenem kolejnice. rhým omezením je, aby požitý elektromotor BS 5529/4 byl co nejblíže nápray, ale nesmí dojít k prostoroé kolizi. Minimální mezera mezi stěnami elektromotor a náprao je 20 mm. Tato zdálenost je dána peněním elektromotor k rám a jeho možného relatiního pohyb. Třetím požadakem na prostoroo úspornost je snížení celkoé délky přeod. élka elektromotor i zboé spojky se redkoat nedá, protože se jedná o nakpoané díly. Zbýá snížit šířk přeodoky. Ta je dána šířko ozbení. Nabízí se šak možnost místit spojk co nejblíže pastork. Na Obr. idíte, kolik místa šetříme, když místíme spojk těsně za íčko stpního hřídele přeodoky. alším požadakem je, aby obě dě elká ozbená kola byla stejně hlboko, a tak bylo zajištěno mazání obo sokolí broděním oleji. Obr. 2.Geometrické rozestaení

9 Obr. Rozestaení hřídelů a příliš elká zdálenost ložiska od ozbení pastork 2.4 Reakce ložení a žiotnost ložisek Siloé poměry ypočítáme z momentoé ronoáhy k bodům, B, tedy k ložiskům. Hodnoty sil, kterými jso ložiska zatěžoány jso edeny Tab..-5. při kontrole ložisek. Hřídel 1 1. směr otáčení Obr. 4. Schéma siloých poměrů na prním hřídeli B R 12. b 12. d1 / 2 a b (19) R 12. a 12. d1 / 2 a b (20) b T 12 a b (21) a B T 12 a b (22)

10 Hřídel 2 1. směr otáčení Obr. 5. Schéma siloých poměrů na drhém hřídeli e ( sinα.cosα ) ( d / 2).sin ( e ). T 4 4 R12 12d 2 / 2 e f sinα.cosα. f. d / 2.( d / 2).sin R4 α ( f )( ) e R4. T 4 R α. e f. cosα.sinα.( d / 2) cosα ( ) ( e f ) R4 T 4 4. ( f )( cosα ) T12 e f. T 4.sinα 4.( d / 2) cos T 12. f e f R4 α (2) (24) (25) (26) Obdobně bychom ypočítali i siloé poměry pro drhý směr otáčení, jen směry axiálních a obodoých sil by měly opačný směr Hřídel Obr. 6 Schéma siloých poměrů na třetím hřídeli

11 1. směr ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) r S e j f a j a b B V ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) r S f j e b B j a a U ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) r S e k f a k b B V ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) r S e k f a k b B U Nárh ložisek Ložiska jsem olil z kataloů SK a na jejich weboých stránkách jsem kontroloal jejich žiotnosti. Žiotnost ložisek jsem narhoal při zatěžoání ekialentní silo při ekialentních otáčkách. Roněž msíme proést kontrol, zda maximální otáčky, kterými se bdo ložiska otáčet, jso menší než maximální poolené otáčky každého ložiska, které jso edeny katalo ložisek SK. Roněž kontroljeme, zda maximální zatížení, kterým bdo ložiska namáhány při rozjezd, jso menší než statická únosnost ložisek O, což zjistíme katalo též. Základní žiotnost ložisek je popsáno normo : ISO 281:1990 n P L p h (27) Tablka. Velikosti sil a žiotnost ložisek prního hřídele Kželíkoé ložisko T2E 055 / QLN d 55 mm 179 kn 110 mm o 22 kn T 9 mm N M SK 4500 min -1 LOŽISKO LOŽISKO B R EKV (N) EKV (N) n (1/min) P (N) L 10h (hod) R EKV (N) EKV (N) P M (N) n M (1/min)

12 Tablka 4. Velikosti sil a žiotnost ložisek drhého hřídele Válečkoé ložisko NJ 21 EML d 65 mm 285 kn 140 mm o 290 kn T 48 mm N M SK 500 min -1 LOŽISKO LOŽISKO R EKV (N) N EKV (N) 6 N 6 n P (kn) L 10h R EKV (kn) EKV (kn) 9 9 P M (kn) N M Tablka 5. Velikosti sil a žiotnost ložisek třetího hřídele Válečkoé ložisko T2 220/VE141 d 220 mm 96 kn 285 mm o 80 kn T 41 mm N M SK 1500 min -1 LOŽISKO U LOŽISKO V R EKV (N) EKV (N) n P (kn) L 10h > R EKV (kn) EKV (kn) P M (kn) N M

13 Obr. 7. Prostoroé spořádání pohon Obr. 8. Vnoření zboé sférické spojky do skříně přeodo

14 Obr. 9. Brzdoý kotoč místěny kole. Záěr Narhoali jsme dostpňoo čelní přeodok pro pohon dojkolí metra. Takoáto přeodoka je při chod tišší, což jistě potěší cestjící. Požadaek na minimální šířk skříně byl splněn. Pro místění brzdoého kotoče na nápraě jsme tímto získali prostor 8 mm. Otázko šak zůstáá, zda-li tento prostor stačit bde. le zdáleností odměřených z obrázk Po odměření z kataloů [4] jsem zjistil, že minimální prostor pro místění brzdoého kotoče spol s brzdoými třmeny a álcem, který je peněn na hlaním příčník rám, je cca 400 mm. Nyní by se edli diskze s konstrktéry brzdoých systémů, zda je možné najít nějaký kompromis konstrkci brzdoého systém. V kladném případě bychom dosáhli nezměněné koncepce nápray a brzdoý kotoč by byl místěn podobně jako na Obr. 7. Pokd by námi získaný prostor nestačil, mseli bychom místit brzdoé kotoče do kol, iz Obr. 9. rhá možnost je ponechat brzdoý kotoč na nápraě ašak brzdoý mechanisms bde koten na předním, přídaném příčník rám. Zde bychom ale mseli pozměnit konstrkci rám. Jak ale yplýá z ýše edených záěrů, narhli jsme dostpňoo přeodok, která bde tichá a spolehliá a která poskytje minimální zástaboý prostor, což bylo také naším úkolem.

15 Seznam symbolů reakce ložisk e směr osy x [N] reakce ložisk e směr osy y [N] B reakce ložisk B e směr osy x [N] B reakce ložisk B e směr osy y [N] dynamická únosnost ložisek [kn] reakce ložisk e směr osy x [N] reakce ložisk e směr osy y [N] reakce ložisk e směr osy x [N] reakce ložisk e směr osy y [N] axiální síla ozbení [N] ek ekialentní síla [N] BRZ brzdná síla [N] R radiální síla ozbení [N] ROZ rozjezdoá síla [N] T obodoá síla ozbení [N] i celkoý přeodoý poměr [-] i 12 přeodoý poměr prního sokolí [-] i 4 přeodoý poměr drhého sokolí [-] L 10h základní žiotnost ložisek hodinách (90% spolehliost) [hod] M k1 kroticí moment na prním hřídeli [Nm] M k2 kroticí moment na drhém hřídeli [Nm] M k kroticí moment na třetím hřídeli [Nm] m 12 normálný modl prního sokolí [mm] m 4 normálný modl drhého sokolí [mm] N otáčky [1/min] O oz ozidloý odpor [N] o oz měrný ozidloý odpor [N/kN] P ýkon elektromotor [kw] P ekialentní dynamické zatížení [kn] p exponent žiotnosti [-] ek ekialentní rychlost [m/s] z 1 počet zbů prního kola [-] z 2 počet zbů drhého kola [-] z počet zbů třetího kola [-] z 4 počet zbů čtrtého kola [-] β 12 úhel sklon zb prního sokolí [ ] β 4 úhel sklon zb drhého sokolí [ ] ε BRZ sočinitel adheze pro brzdění [-] ε ROZ axiální síla ozbení [-] Seznam požité literatry [1] Kl, Otmar: Projekt III. Ročník, Naklad. ČVUT, Praha, 1997 [2] Pohl, Rdolf: opraní prostředky plánech a obrazech I, Naklad. ČVUT, Praha, 2008 [] rastík.: Strojnické tablky pro konstrkci a díln, Naklad. Montanex, Ostraa, 1995 [4] [5]