4. SHRNUTÍ VÝSLEDKŮ Poslední období je vyústěním výzkumných a vývojových aktivit celého projektu. V tomto roce bylo plánováno dosažení většiny zásadních výstupů projektu, které byly na základě přístupů aplikovaného výzkumu a experimentálního vývoje vyvíjeny v jednotlivých obdobích projektu. Struktura této části tedy reflektuje jednotlivé výsledky dle návrhu projektu s plánovaným termínem dosažení 12/2014. Jednotlivé výsledky, jejich vzájemný vztah a klasifikace dle RIV jsou shrnuty na Obr. 4.1. Cílem projektu bylo vyvinout nový progresivní systém pískování pro dosažení optimální adheze v místě kontaktu kola a kolejnice, přičemž se jedná se o modulární systém s prvky inteligentního řízení přesně dávkující proměnné množství normalizovaného písku na hlavu kolejnice v závislosti na kombinaci aktuálních provozních podmínek a požadavků systému. Předpokladem pro dosažení optimální adheze jsou informace o potřebách systému v závislosti na provozních podmínkách. Základem těchto informací je výsledek Výsledky a závěry výzkumu tribologických aspektů kontaktu kola a kolejnice při pískování, který byl vykázán jako výsledek v kategorii O ostatní. Na základě těchto závěrů byly vytvořeny algoritmy řízení systému pískování, které jsou implementovány v řídicím software (vykázáno jako R software). Tento software je dále součástí řídicího systému k progresivním pískovacím systémům. Řídicí systém dále zahrnuje řídicí jednotku, čidla, akční prvky a další hardwarové technické prostředky nezbytné pro progresivní řízení pískování. Řídicí systém byl sestaven a na úrovni prototypu testován (vykázáno jako G prototyp). Typ výsledku dle RIV O - Ostatní R - Software G - Prototyp G - Prototyp G - Prototyp G - Prototyp Kap. 4.4 Podtlakový dávkovač Výsledek Kap. 4.1 Kap. 4.2 Kap. 4.3 Kap. 4.6 Výsledky a závěry výzkumu Řídicí software Řídicí systém Progresivní pískovací systém F - Užitný vzor Kap. 4.5 Suchoběžné dmychadlo F - Užitný vzor Testování v laboratorních podmínkách Testování v reálném provozu Obr. 4.1 Struktura výsledků s termínem dosažení 12/2014. 12/25
Dalším předpokladem pro dosažení požadovaných parametrů pískovacího systému je dávkovač, který umožňuje řídit množství aplikovaného pískovacího materiálu. Dávkovač byl vyvinut a testován na úrovni prototypu (vykázáno jako G prototyp). Komplementárním prvkem nezbytným pro provoz vozů bez vlastního zdroje tlakového vzduchu (především tramvaje) je inovované dmychadlo. To představuje další prototyp, který tvoří volitelnou součást systému pískování (vykázáno jako G prototyp). Pro účely testovacího provozu byly jednotlivé celky upraveny dle požadavků typové aplikace. Výsledkem je progresívní pískovací systém, který byl na úrovni prototypu vyroben a instalován u vybraného odběratele pro účely testovacího provozu (vykázáno jako G prototyp). Duševní vlastnictví spočívající v unikátních principech činnosti pískovacího systému je chráněno na úrovni užitného vzoru (vykázáno jako F užitný vzor). Obdobně, unikátní vlastnosti suchoběžného lamelového dmychadla tvoří podstatu ochrany práv duševního vlastnictví (vykázáno jako F užitný vzor). Tab. 4.1: Výsledky projektu s plánovaným termínem dosažení 12/2014 Číslo Název TA02030850V002 Dílčí výsledek Typ Progresivní pískovací zařízení kolejových vozidel. Název 1 F užitný vzor Suchoběžné dmychadlo pískovacích systémů. 2 G prototyp Suchoběžné dmychadlo. 3 G prototyp Progresivní pískovací systém se závislým řízením dávky. 4 R software Řídící software k pískovacím systémům kolejových vozidel. Číslo Název TA02030850V003 Dílčí výsledek Typ Systém pro adaptivní řízení pískování u kolejových vozidel. Název 1 F užitný vzor Řídící zařízení k pískovacím systémům kolejových vozidel. 2 G prototyp Podtlakový dávkovač písku. 3 G prototyp Řídicí systém k progresivním pískovacím systémům kolejových vozidel. 4 O ostatní Výsledky a závěry výzkumu tribologických aspektů kontaktu kola a kolejnice při pískování. 13/25
Soubor těchto prototypů, užitných vzorů, softwaru a výsledků výzkumu představuje výsledky projektu č. TA02030850V002 a TA02030850V003 dle návrhu projektu (Tab. 4.1). Jednotlivé dílčí výsledky mají komplementární charakter. Jejich současnou realizací lze pak dosáhnout očekávaných přínosů, především ve smyslu zvýšení účinnosti pískování za zhoršených adhezních podmínek, snížení opotřebení způsobeného prokluzem a dalších negativních vlivů, snížení hmotnosti a energetické náročnosti pískovacích systémů, apod. V následujících podkapitolách jsou postupně podrobněji představeny jednotlivé výsledky. Členění kapitol je znázorněno ve schématu na Obr. 4.1. 4.1 Výsledky a závěry výzkumu tribologických aspektů kontaktu kola a kolejnice při pískování. V této technické zprávě jsou shrnuty výsledky a závěry z vlastních experimentů a dalších zdrojů (publikovaných vědeckých článků a výzkumných zpráv). Jiné zdroje umožňují především porovnat vlastní zjištěné výsledky a kvantitativně posoudit validitu výsledků stanovených v laboratorních podmínkách vůči výsledkům v reálném provozu. V laboratorních podmínkách byly experimenty prováděny na vyvinutém dvoudiskovém stroji a na tribometru typu ball-on-disc. V souladu se schématem experimentálního výzkumu (Obr. 4.2) je v první části technické zprávy popsán vliv provozních podmínek na míru adheze a ve druhé pak vliv pískování na míru adheze. Studován byl zejména vliv vnitřních podmínek systému, jako je rychlost, zatížení a skluz, dále pak vliv vnějších podmínek, tj. teploty, vlhkosti a kontaminace prostředí vodou, listím a olejem. Pro tyto podmínky je pak v další části kvantifikován efekt pískování s různými parametry. EXPERIMENTÁLNÍ METODOLOGIE Vnější podmínky Teplota; vlhkost; kontaminace prostředí. Vnitřní podmínky Rychlost; zatížení; skluz. Dvoudiskové experimentální zařízení Laboratorní zařízení Ball-ondisc Tribologické aspekty Tření; opotřebení. Další aspekty Aplikace písku do kontaktu. Q1: Adhezní charakteristiky pro různé provozní podmínky? Q2: Vliv pískování na změnu adheze za různých podmínek? Obr. 4.2 Schéma metodologie experimentálního výzkumu. 14/25
Zvolená experimentální metodologie zohledňuje uvažovanou prediktivní část řízení procesu pískování, která využívá výpočtové hodnoty adheze za různých podmínek, jako váhové funkce pro určení optimálního množství pískovacího materiálu. Přehled základních výsledků je blíže popsán v Odborné zprávě o postupu prací a dosažených výsledcích za rok 2013. Kompletní technická zpráva je součástí dalších příloh závěrečné zprávy s názvem TA02030850 - O - Výsledky a závěry výzkumu tribologických aspektů. 4.2 Řídící software k pískovacím systémům kolejových vozidel Navržený a optimalizovaný řídicí software je součástí mobilní řídicí jednotky mazacího systému. Jeho funkce jsou následující: zajišťuje řízení procesu pískování prostřednictvím naprogramovaných algoritmů; umožňuje konfigurovat parametry procesu pískování; poskytuje aktuální informace o provozních podmínkách a činnosti systému; zajišťuje data logging informací o činnosti pískovacího systému a aktivaci manuálního pískování. Ukázka provozního grafického rozhraní optimalizovaného SW je na Obr. 4.3. V tomto případě byl SW přizpůsoben typové aplikaci pro zkušební provoz obousměrné drážní vozidlo s osmi pískovacími jednotkami. Konkrétní typové aplikaci jsou rovněž přizpůsobeny algoritmy a mezní podmínky pískování (norma TSI EU pro mezní podmínky pískování). Tato obrazovka má pouze indikační charakter a veškeré pokyny pískovacímu systému jsou řízeny automaticky prostřednictvím algoritmů nebo manuálně řidičem vozu prostřednictvím hardwarového ovládacího prvku. V levé části obrazovky je indikován režim činnosti pískovacího systému. Automatický režim může být potlačen při nízké rychlosti (dle požadavků příslušné normy) nebo na základě specifické polohy (výhybky, křížení) vyhodnocené pomocí GPS a předupravených mapových podkladů. Je-li detekován prokluz nebo krizový stav (intenzivní pískování do zastavení), rozsvítí se výstražná červená kontrolka. Ve spodní části jsou zobrazovány aktuální hodnoty a stav činnosti jednotlivý čidel a systémů. V horní pravé části je zobrazen režim monitorování jízdy. Pokud je aktivní režim GPS, je ve spodní části zobrazována poloha prostřednictvím tzv. milníků generovaných při zpracování mapových podkladů. Pravá střední část obsahuje informace o rychlosti, směru jízdy a stavu jednotlivých pískovačů. Sloupcový ukazatel zobrazuje relativní množství písku v písečníku a koláčový ukazatel úroveň maximálního otevření proporcionálního ventilu, kterým je řízena intenzita pískování. Pod tlačítkem Nastavení se skrývá konfigurační část uživatelského rozhraní, zobrazená na Obr. 4.4, která pomocí konfiguračních parametrů umožňuje nastavit okrajové podmínky činnosti pískovacího systému. Těmito parametry jsou především limity otevření jednotlivých proporcionálních ventilů, kterými je definován maximální a minimální průtok aplikovaného pískovacího materiálu. Tyto limity jsou nastavovány při instalaci systému pomocí testovacích pískovacích cyklů vždy pro daný dávkovač, délku přívodní a výsypné hadice a v neposlední řadě 15/25
dle požadavků konkrétní aplikace nebo dostupné legislativy. Dalšími konfigurovatelnými parametry jsou rychlostní limity činnosti pískovacího systému, které jsou významné zejména u drážních vozidel, a další nastavení zobrazovací jednotky. Ostatní parametry umožňující konfiguraci systému jsou schovány v řídicím SW, a pro jejich změnu je nutné přeprogramování jednotky. SW byl vytvořen ve vývojovém prostředí B&R Automation Studio 3.2 pomocí strukturovaného programovacího jazyku. Je optimalizován pro průmyslový řídicí a zobrazovací systém B&R Power Panel řady 500. Vlastní algoritmy řízení byly blíže představeny v Odborné zprávě o postupu prací a dosažených výsledcích za rok 2013. Oproti předchozí variantě byly dále optimalizovány, a především přizpůsobeny typové aplikaci. Software byl vykázán jako výstup typu R - software dle RIV. Průvodní dokumentace k tomuto výstupu je součástí dalších příloh závěrečné zprávy s názvem TA02030850 - R - Řídící software k pískovacím systémům kolejových vozidel. Obr. 4.3 Ukázka grafického rozhraní software mobilní řídicí jednotky provozní obrazovka. Obr. 4.4 Ukázka grafického rozhraní software mobilní řídicí jednotky konfigurační obrazovka. 16/25
4.3 Řídící zařízení a systém k progresivním pískovacím systémům kolejových vozidel. SW představený v předchozí části slouží k ovládání činnosti řídicí jednotky/modulu, která tvoří základ řídicího systému k progresivnímu pískování. Blokové schéma tohoto systému je uvedeno na Obr. 4.5. Hlavní částí je mobilní řídicí dotykový panel B&R Automation PP500 na bázi programovatelného logického automatu (PLC), který slouží k ovládání a vizualizaci. Ten je propojen protokolem Powerlink Ethernet s kompaktním rozvaděčem, který je osazen vstupněvýstupní moduly X20 a konektory potřebnými pro přímé ovládání ventilů pískovačů a pro komunikaci se senzory. Aktualizace mapových podkladů je možná pomocí paměťových disků pro sběrnici USB, nebo interním servisním protokolem pro Ethernet. Pro sběr GPS dat je použit průmyslový GPS modul pracující se souřadnicemi WGS84, připojený pomocí rozhraní RS232. Do řídicí jednotky dále vstupují informace o rychlosti z inkrementálního čidla, o teplotě z termočlánku PT100, o vlhkosti a o detekci prokluzu řídícím systémem kolejového vozidla. Obr. 4.5 Blokové schéma řídicího systému pro progresívní pískování. 17/25
Obr. 4.6 Prototyp řídicího systému progresivního pískování. Hladina písku v nádržích je signalizována kapacitním snímačem. Kabina řidiče je dále vybavena vypínačem a přepínačem směru a spínačem manuálního pískování. Vyhřívání výsypných trubic je automaticky regulováno pomocí termistoru a termostatu v rozmezí teploty 45 až 55 C. Hlavním výstupem systému je ovládací napětí sloužící k regulaci průtoku vzduchu jednotlivých proporcionálních ventilů. Systém může současně řídit až 8 ventilů s dávkovači a písečníky. Fotografie samostatně sestavené ovládací části řídicího systému je na Obr. 4.6. Jedná se o prototyp, který posloužil pro ověření vlastností a optimalizaci systému. Průvodní dokumentace k tomuto výstupu je součástí dalších příloh s názvem TA02030850 - G - Řídicí systém k progresivním pískovacím systémům kolejových vozidel. Duševní vlastnictví k unikátním principům činnosti řídicího systému jsou součástí užitného vzoru s přiděleným číslem UV0618CZ s názvem Řídící zařízení k pískovacím systémům kolejových vozidel. Podstatou je řídicí zařízení spojené s pískovacím přístrojem pro sypání písku pod kola vozidla, přičemž řídicí zařízení obsahuje řídicí jednotku a zobrazovací a ovládací dotykový panel. Zařízení se dále vyznačuje tím, že obsahuje mapové podklady týkající se alespoň oblasti tratí provozovaných tímto vozidlem, a s mapovými podklady spřažený modul GPS k registraci okamžité polohy kolejového vozidla pohybujícího se na zvolené trati a k zjištění okamžitých směrových parametrů trati a prostředky k předávání informací o těchto parametrech do řídicí jednotky. Na vstupy řídicí jednotky je připojeno informační vedení alespoň od čidla rychlosti jízdy, a/nebo čidla teploty okolí a/nebo čidla vlhkosti a/nebo srážek v okolí a/nebo od čidla prokluzu hnacích kol. Řídící jednotka je připojena dvousměrným informačním vedením k zobrazovacímu a ovládacímu dotykovému panelu. Výstup řídicí jednotky je spřažen s ovladačem spínání a přepínání pískovacích přístrojů. Detailní popis technického řešení a kompletní nároky na ochranu jsou součástí přílohy TA02030850 - UV0618CZ - Řídící zařízení k pískovacím systémům kolejových vozidel. 18/25
4.4 Podtlakový dávkovač písku. Dalším předpokladem pro možnost řídit intenzitu pískování je dávkovač, který umožňuje aplikovat proměnné množství písku za jednotku času podle ovládané veličiny. Tou je v nejjednodušším případě průtok vzduchu, který slouží jako hnací médium pro pískovací materiál. V předchozích etapách řešení projektu bylo vyvinuto několik variant dávkovačů, přičemž nejlepších vlastností bylo dosaženo u podtlakového typu. Ten využívá podtlaku k nasávání pískovacího materiálu ze zásobníku (Venturiho princip). Příkladné provedení podtlakového dávkovače provedeného na úrovni prototypu je znázorněno na Obr. 4.7 a Obr. 4.8. Dávkovač se skládá z hliníkového tělesa, trubkové vložky a kloboučku. Těleso s trubkovou vložkou tvoří prstencovou komoru pro rozvod vzduchu. Průtok vzduchu je řízen blokem proporcionálních pneumatických ventilů. Ty jsou umístěny samostatně. Vstup písku do dávkovací komory je chráněn kloboučkem s přepadovou hranou. V prstencové komoře dojde ke stabilizaci vzduchu před jeho vstupem do dávkovací komory přes přívodní kanálky. Přívodní kanálky jsou směřovány do výstupu. Proudící vzduch kanálkami vytváří v dávkovací komoře podtlak a nasává zrnka písku do komory. Obr. 4.7 Model a řez příkladným provedením dávkovače. Obr. 4.8 Zástavba příkladného provedení dávkovače na testovacím voze. 19/25
Obr. 4.9 Schéma dávkovače v provedení pro tramvajové vozy a jeho testování. Prototyp byl optimalizován s ohledem na stabilitu a rozsah intenzity dávkování. Popis laboratorních experimentů sloužících k optimalizaci byl blíže představen v Odborné zprávě o postupu prací a dosažených výsledcích za rok 2013. Průvodní dokumentace k výstupu typu G prototyp je součástí přílohy s názvem TA02030850 - G - Podtlakový dávkovač Další varianty pískovače byly vyvinuty pro typovou aplikaci tramvaj. Liší se zejména požadavky na orientaci a zástavbové rozměry, odlišné jsou rovněž parametry tlakového vzduchu. Příklad jedné z nich spolu s instalací na testovacím zařízení je na Obr. 4.9. 4.5 Suchoběžné dmychadlo Uplatnění systému progresivního pískování ve vozech bez vlastního centrálního zdroje tlakového vzduchu vyžaduje doplnění dmychadla vlastní konstrukce. Toto dmychadlo bylo již blíže představeno v Odborné zprávě o postupu prací a dosažených výsledcích za rok 2013. Jedná se o suchoběžné dmychadlo lamelové konstrukce. V poslední etapě bylo dmychadlo optimalizováno zejména s ohledem na zvýšení pracovních parametrů v reálných podmínkách při stejném vstupním příkonu a prodloužení životnosti resp. servisního intervalu. Ty souvisí především s opotřebením lamel pracujících v suchoběžném režimu. Optimalizací geometrie vnitřních konců lamel bylo dosaženo zvýšení těsnicích vlastností, a tedy účinnosti, a životnosti. Výsledkem je prototyp (Obr. 4.10), jehož průvodní dokumentace je součástí přílohy s názvem TA02030850 - G - Suchoběžné dmychadlo. U konstrukčního provedení dmychadla, zejména geometrie lamel, bylo vzhledem k unikátním vlastnostem přistoupeno k uplatnění ochrany práv duševního vlastnictví formou užitného vzoru s přiděleným číslem UV0613CZ s názvem Suchoběžné dmychadlo pískovacích systémů. 20/25
Obr. 4.10 Prototyp suchoběžného dmychadla a jeho připojení k pískovací jednotce. Detailní popis technického řešení a kompletní nároky na ochranu jsou součástí přílohy TA02030850 - UV0618CZ - Suchoběžné dmychadlo pískovacích systémů. 4.6 Progresivní pískovací systém se závislým řízením dávky. Tento výsledek zahrnuje kompletní systém sestavený z jednotlivých modulů pro typové kolejové vozidlo pro účely ověření vlastností systému v reálném provozu. Prototyp progresivního pískovacího systému byl instalován na speciálním drážním vozidle spadajícím pod Technickou ústřednu dopravní cesty (TÚDC) Praha. Fotografie z montáže, která probíhala na pracovišti DPOV, a.s. v Nymburce jsou na Obr. 4.11 a 4.12. Obr. 4.11 Progresivní pískovací systém instalovaný na zkušebním voze. 21/25
Obr. 4.12 Zkušební vůz vybraného odběratele pro ověření vlastností systému. Na systému byly provedeny funkční zkoušky a ověření technických parametrů, dále bylo podrobeno zkušebnímu provozu na zkušebním okruhu. Funkční zkoušky a ověření proběhly bez závad. Zpráva o zkušebním provozu prototypu je součástí přílohy této zprávy s názvem Progresivní pískovací systém - zpráva o zkušebním provozu prototypu. Vůz byl dále předán koncovému odběrateli (Správa železniční dopravní cesty), prostřednictvím kterého proběhne testování v reálném provozu. Kromě zkušebního provozu bylo u Progresivní pískovací systém se závislým řízením dávky provedeno předběžné posouzení plnění normy TSI od Výzkumného ústavu železničního, a.s. Bylo konstatováno, že předložený prototyp systému je z pohledu koncepčního řešení schopen zabezpečit množství písku dodávané pod kolo požadovaném rozhodnutím Komise 2012/88/EU o technické specifikaci pro interoperabilitu týkající se subsystémů pro řízení a zabezpečení transevropského železničního systému (TSI CCS). Stanovisko je součástí přílohy této zprávy s názvem Predbezne posouzeni VUZ - norma TSI - 2014_11_18. V souladu s návrhem projektu se jedná o pouze předběžné posouzení. Závazné posouzení ve smyslu certifikace bude následovat ve fázi realizace výsledku (rok 2015). Výsledkem je prototyp (Obr. 4.11), jehož průvodní dokumentace je součástí přílohy s názvem TA02030850 - G - Progresivní pískovací systém se závislým řízením dávky.. 22/25