Soutěžní přehlídka soutěžních prací FST 2008 Optimalizace pojezdu lokomotivy pro zvýšení rychlosti Martin Gregor Abstrakt Cílem této práce zadané firmou Škoda Transportation je návrh pojezdu univerzální čtyřnápravové elektrické lokomotivy se synchronními motory s permanentními magnety umístěnými na nápravě dvojkolí. Pojezd je řešen bez rámu podvozku, trakční motory jsou uchyceny přímo na hlavní rám lokomotivy. Brzdění zajišťují trakční motory v generátorickém režimu, jako doplňková je zde nutná i mechanická brzda. Lokomotiva je určena pro jízdu na hlavních tratích. Technické parametry: Zatížení na jednu nápravu max.: 21,5 t Délka přes nárazníky: 18000 mm Vzdálenost otočných čepů: 9000 mm Rozchod kol: 1435 mm Průměr kol: 1.250 mm nová, 1.170 mm plně opotřebovaná Profil lokomotivy: UIC 505-1 Klíčová slova Elektrická lokomotiva, přímý pohon, motor s permanentními magnety. 1. Úvod Typ elektrické lokomotivy, kterou se zabývá tato diplomová práce, bude sloužit pro osobní rychlíkovou a nákladní dopravu, tedy univerzální provoz na kvalitních tratích. V budoucnu se dá předpokládat častější nasazení v nákladní dopravě. Při provozu tohoto typu lokomotiv dochází k přejezdům i do okolních států, což klade zvýšený nárok na imperoperabilitu, u řešení pojezdu jde především o obrys pro konstrukci vozidel a rozchod dvojkolí. Pro dosažení maximálního možného výkonu trakčních motorů použitých v této koncepci, je kladen důraz na jejich maximální rozměry, omezené zejména spodní částí obrysu pro konstrukci vozidel a prostorem mezi koly daným rozkolím a optimalizací pojezdu pro maximální možnou rychlost vozidla při zachování jednoduchosti celé koncepce. 2. Stav techniky Podvozky se používají pro vícenápravové elektrické lokomotivy z několika důvodů. Největší přínos v jejich používání je snazší průjezd oblouky, přenos tažných sil z hlavního rámu na dvojkolí, mazání okolků, ukotvení hadic pískování a mimo vysokorychlostních kolejových vozidel jsou zde uchyceny trakční motory s nápravovými převodovkami a prvky pro přenos kroutícího momentu na dvojkolí. Podle požadovaného výkonu, jízdních vlastností a hmotnosti lokomotivy můžeme zvolit různé uspořádání pojezdu. V dnešní době jsou nejpoužívanější dva dvounápravové podvozky, výkonnější a těžší lokomotivy měly dva třínápravové, případně tři dvounápravové podvozky.
2.1 Popis současného stavu Dlouhodobý vývoj pojezdu lokomotiv dospěl do dnešní podoby, kdy vozidla s velkými výkony dosahují dobrých jízdních vlastností i při rychlostech přes 200 km/h. Ve Škodě Transportation v současnosti vyráběná třísystémová lokomotiva řady 380 se vyznačuje moderní koncepcí, maximální rychlostí 200 km/h, nápravovým zatížením 22,5 t, jmenovitým výkonem trakčních motorů 6400 kw. Obr. 1: Typový výkres lokomotivy Škoda 109 E Použitý trakční podvozek je dvounápravový s plně vypruženým pohonem dvojkolí. Rám podvozku je svařovaný z ocelových plechů, stojny o tloušťce 10 milimetrů. Pásnice tloušťky 16 milimetrů, je tvořena dvěma podélníky, dvěma čelníky a příčníkem. Příčník je zúžen kvůli umístění mechanismu přenosu tažných sil. Trakční motory jsou uchyceny do pryžokovových silentbloků mezi čelníky a příčník. Primární vypružení dvojkolí tvoří 4 vinuté pružiny typu flexi coil. Přenos tažných sil mezi ložiskovou skříní dvouřadého válečkového nápravového ložiska a rámem podvozku je pomocí podélných ojniček s pryžovými pouzdry. Kola jsou monobloková osazená brzdovými kotouči, nalisovaná na duté nápravě. Sekundární vypružení tvoří čtyři vinuté pružiny typu flexi coil. Přenos tažných sil mezi hlavním rámem a rámem podvozku je pomocí tzv. lemniskátového přímovodu složeného z otočného čepu nalisovaného v hlavním rámu, vahadla a dvou ojnic. Svařované vahadlo je uprostřed přes pouzdro uchyceno na otočném čepu a na koncích přes ojnice vzájemně otočených o 90 uchyceno k příčníku rámu podvozku. Kroutící moment je od motoru přenášen na dvojkolí pomocí jednostupňové nápravové převodovky a dutého hřídele objímající nápravu. Převodová skříň je přes přírubu přichycena k trakčnímu motoru, na protilehlé straně je uchycena přes silentblok. Skládá se z letmo uloženého pastorku na kuželovém hřídeli motoru a velkého ozubeného kola uchyceného na dutém hřídeli. Mechanickou brzdu tvoří pneumatická kotoučová brzda s kotouči v kolech. Brzdové jednotky jsou umístěny na čelnících rámu podvozku.
2.2 Srovnatelná technická řešení Ke koncepci řešené v této diplomové práci má nejblíže firmou Siemens vyvinutý podvozek pro vozidlo metra poháněný synchronními motory s permanentními magnety umístěnými na nápravě dvojkolí. Motor je součástí dvojkolí a je tedy celý nevypružen. Zvláštní kloubový rám podvozku je na trakčních motorech uložen přes primární vypružení, tvořené dvěma čtveřicemi šroubových vinutých vzpruh. Skříň vozidla je na podvozku uložena přes měchy pneumatického vypružení. Přenos tažných sil od dvojkolí na příčník rámu podvozku je ojničkami, z rámu podvozku na hlavní rám tlačně tažnou tyčí. Obr. 2: podvozek Siemens - Syntegra Tento podvozek se vyznačuje velmi malým rozvorem 1,6 metru, nižší hlučností pojezdu, nižší hmotností podvozku, tím je možné zvýšit užitečnou hmotnost vozidla, maximálně zjednodušenou mechanickou brzdou, která slouží pouze jako nouzová, popř. záložní, veškeré brzdící účinky zajišťuje elektrodynamická brzda trakčního motoru. Rotor motoru nese rotorový paket plechů, na kterém jsou uchyceny permanentní magnety z materiálu neodym-železo-bor. Tepelné ztráty jsou především ve statoru, pro odvod tepla jsou zde vytvořeny kanálky vodního chlazení. V rotoru teplo nebude vznikat, pouze tudy bude odcházet přes nápravu. Každý motor je napájen samostatně ze svého frekvenčního měniče, je zde použita individuelní protiskluzová regulace, vyšší využití koeficientu adheze, při reprofilaci je možné použít odlišný průměr dvojkolí v podvozku. Podle údajů výrobce je dosažena shodná úroveň nevypružených hmot. Simulační výpočty dynamických vlastností prokázaly použitelnost tohoto pojezdu až do 160 km/h, Obr. 3: Řez trakčním motorem podvozku Siemens - Syntegra
3 Koncepce navrženého pojezdu Cílem této diplomové práce by měla být studie pojezdu s použitím synchronních motorů, jejichž rotorový hřídel tvoří přímo nápravu dvojkolí, jedná se tedy o podobnou koncepci jako v případě podvozku Syntegra. Svislé vypružení Trakční motor Příčné vypružení Přenos tažných sil Pomocný rám Dvojkolí Obr. 4: Schema řešeného pojezdu Absence klasického rámu podvozku sníží celkový počet stupňů volnosti pojezdu a sníží jeho hmotnost. Vypružení tvoří vinuté pružiny typu flexi coil, které je možné namáhat jak v axiálním, tak v radiálním směru. Jsou umístěny mezi hlavním rámem a pláštěm trakčního motoru. Pro zajištění maximální stability vozidla se nacházejí v maximální vzdálenosti od podélné osy vozidla a od os náprav. Přenos tažných sil by díky použití vinutých pružin byl možný z hlavního rámu přímo na dvojkolí, například tažně tlačnou tyčí. Z důvodu snazšího průjezdu oblouky je však výhodnější zachovat natáčení podvozku kolem jeho středu, proto je hlavní rám lokomotivy opatřen otočným čepem, kolem kterého se otáčí pomocný rám pojezdu, jehož hlavní funkcí je právě přenos tažných sil. Pro bezpečné vedení dvojkolí je voleno spojení pomocného rámu s pláštěm trakčního motoru dvojicí ojniček umístěných ve výšce osy nápravy a v maximální vzdálenosti od podélné osy vozidla. Při vzájemném svislém pohybu mezi dvojkolím a hlavním rámem dochází k natáčení v pryžových okách ojniček, která mají dostatečnou vzdálenost, v tomto případě zvolenou 509 milimetrů. Pomocný rám zůstává oproti hlavnímu rámu ve stejné poloze. Podobně je řešen příčný pohyb v ose nápravy, zajišťující příčné vypružení, kdy dochází opět k natáčení pryžových pouzder ojničkových čepů. Natáčením pojezdu v oblouku kolem otočného čepu uprostřed pomocného rámu dochází k poměrně velké deformaci vinutých pružin umístěných na velkém rameni, proto byla provedena jejich pevnostní kontrola.
V porovnání s klasickými podvozky zde není nápravová převodovka ani další komponenty přenášející kroutící moment od motoru na dvojkolí. Tím dochází ke snížení energetických ztrát, zmenšení rotačních hmot a zvýšení ekologičnosti provozu eliminací olejové náplně převodovky. Dvojkolí mají vnitřní ložiska, přebírající též funkci ložisek trakčního motoru. Provozní brzdění zajišťují trakční motory s dostatečnou kapacitou pro zastavení vozidla při jakémkoliv jízdním režimu, jako pomocná a parkovací brzda je zde zejména z bezpečnostních důvodů nutná mechanická špalíková brzda. Varianta č. 1 Při návrhu konstrukce byly sestaveny dvě hlavní varianty. První varianta je osazena klasickými monoblokovými koly nalisovanými na nápravě. Hlavní rám lokomotivy je na trakčních motorech uložen přes vinuté pružiny typu flexi - coil. Přenos tažných sil z hlavního rámu je realizován otočným čepem na pomocný rám a odtud ojničkami na dvojkolí. Provozní brzdění zajišťují trakční motory, doplňkovou brzdu tvoří špalíková brzda, brzdová jednotka je zavěšena na pomocném rámu. Varianta č. 2 Tato varianta zmírňuje hlavní nedostatek varianty č. 1, především snížením neodpružených hmot. Odlišuje se skládanými koly, která díky pryžovým segmentům umožňují částečné svislé vypružení, v příčném směru zůstává potřebná tuhost pro zachování velikosti rozchodu dvojkolí v mezích tolerance. Další změnou je vypružení rotoru trakčního motoru oproti jeho statoru, velikost zdvihu je dva milimetry. 4. Závěr Úkolem této diplomové práce je studie nekonvenčního typu podvozku elektrické lokomotivy. Před navržením vlastního řešení byla provedena analýza současného stavu s popsáním koncepce nejvíce podobné řešenému problému. Byla vypracována dvě řešení, vzhledem k rozdílným jízdním vlastnostem by byl výběr výhodnější varianty vhodný konzultovat se zákazníkem při stanovení konkrétních technických požadavků na vozidlo. První varianta s monoblokovými koly a nevypruženým dvojkolím včetně trakčního motoru bude vhodnější pro nižší rychlosti, nabízí se zde možnost použití například v regionálních vozidlech, případně ve vozidlech metra, kde by velikost a zároveň hmotnost trakčního motoru nebyla velká jako u lokomotivy. Druhá varianta obsahuje částečné primární vypružení rozdělené do skládaných kol a pryžového silentbloku ve víčkách trakčního motoru. Těmito opatřeními dochází ke zlepšení jízdních vlastností a vyšší konstrukční rychlosti. Vzhledem k použití skládaných kol se dá předpokládat obtížnější schvalování této koncepce pro běžný provoz. Obě varianty mají maximální počet shodných dílů a je tedy možná jejich jednoduchá záměna, případně přechod z jedné varianty na druhou. Při řešení se podařilo zachovat hlavní přednosti oproti současnému řešení, zejména snížení vlastní hmotnosti pojezdu, odstranění prvků přenášejících kroutící moment od motoru na dvojkolí, odstranění nápravových převodovek a došlo ke zjednodušení celého pojezdu.
Prohlášení Chtěl bych touto cestou poděkovat vedoucímu diplomové práce Doc. Ing. Petru Hellerovi, CSc. a konzultantovi Ing. Petru Špalkovi za velmi ochotnou odbornou pomoc. Literatura Knižní publikace: [1] Heller, P., Dostál, J.: Kolejová vozidla I. Plzeň: Typos-Digital Print, spol s.r.o., 2007. Internetové adresy: www.transportation.siemens.com www.109-e.wgz.cz Martin Gregor, Přílepy 129, 270 01 Kněževes, tel.: 605 523 129, e-mail: martingregor@centrum.cz