STUDIE VEDENÍ A VYPRUŽENÍ DVOJKOLÍ PŘÍPOJNÉHO ŽELEZNIČNÍHO VOZU SVOČ 2012 Karel Vítovec, Západočeská univerzita v Plzni Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká Republika ABSTRAKT V kolejové dopravě existují dva hlavní duhy vypružení, které je třeba odlišovat. Prvotní mezi ložiskovou skříní a rámem podvozku a druhotné mezi rámem podvozku a vozovou skříní. Je zde široká škála použitých materiálů nebo medií pro provedení vypružení. Dalším důležitým elementem v problematice kolejových vozidel je vedení ložiskové skříně, které má řešení v mnohých konstrukčních návrzích. Každý tento návrh má množství výhod a nevýhod. Prvním cílem mojí práce byla rešerše používaných konstrukčních řešení vedení a vypružení dvojkolý a jejich zhodnocení vlastností. Druhým cílem bylo navržení vlastního konstrukčního řešení. KLÍČOVÁ SLOVA rešerše, vedení, vypružení, dvojkolí, primární vypružení, sekundární vypružení, vlastní řešení ÚVOD Nejdříve je třeba vysvětlit si základní pojmy v této problematice. Vozová skříň může být skříní osobního nebo nákladního vozu či lokomotivy. Rám podvozku je tuhá svařovaná konstrukce s ocelových plechů, profilů a různých dalších elementů, která je otočně spojena s vozovou skříní. Rám je spojen přes vypružení s ložiskovou skříní (dále už jenom LS), která otočně vede dvojkolí. Dvojkolí se skládá z nápravy a kola. Kolejnice je speciální profil používaný v kolejové dopravě. Obrázek 1: Používané pojmy
Další co je třeba důsledně rozlišovat je druh vypružení. Ten je prvotní, kdy je pružina umístěna mezi ložiskovou skříní a rámem podvozku a druhotné kde je pružina mezi rámem podvozku a vozovou skříní. Pro vypružení se nejprve používali listové pružiny, které postupem času vystřídaly pružiny šroubovité. Dále byly vkládány velké naděje do použití pryžokovových pružiny u kterých bohužel čas ukázal velké nevýhody jako je stárnutí a postupná ztráta vlastností. Jedno z novějších řešení používá pneumatického vypružení, které zajistí konstantní výšku podlahy. REŠERŠE Rešerše má tři hlavní části. První je přehled typů primárního vypružení, který je ještě seřazen dle použití (Nákladní vozy, osobní a regionální vozidla, lokomotivy). Druhá část je věnována rozdělení druhotného vypružení a v třetí části je zhodnocení všech řešení, jejich použití, výhody a nevýhody. Prvotní vypružení LS nákladních vozidel je řešeno listovou pružinou v novějších řešeních dvěma šroubovitými pružinami. Vedení LS je zajištěno pomocí dvojice rozsoch které jsou spojeni sponou která umožní rozložení zatížení. Dalším nově používaným typem pro vedení je koncepce kyvného ramena s pružinou umístěnou nad LS, která je součástí ramene. Novinkou je použití pryžových pružin a křížové vazby. Obrázek 2: Příklad rozsochového vedení a vypružení šroubovitými pružinami u nákladních vozidel Prvotní vypružení LS osobních, regionálních a příměstských vozů. Prvním historickým řešením je vedení rozsochové se jhem. Jho je vypružené a spojuje LS. Druhým tipem je vedení i vypružení LS za pomoci pryžových elementů. Třetí možnost nabízí vedení LS pomocí kyvného ramene které může být i obrácené. Čtvrtým častým typem je vedení pomocí plochých pásů a posledním mnou uvedeným typem je vedení LS svislým trnem nebo čepem.
Obrázek 3: Příklad vedení svislým čepem a vypružení šroubovitými pružinami u osobních vozidel Prvotní vypružení LS Lokomotiv pomocí šroubovitých pružin, listových pružin, pryžových pružin. Některá řešení jsou stejná nebo podobná předchozím např. rozsochové vedení, vedení kyvným ramenem, čepové vedení. Dále je zde použito vedení ojničkou která může být jednoduchá nebo trojúhelníková. To by bylo vše k prvotnímu vypružení a vedení dvojkolí. Chtěl bych však podotknout že jsem neuvedl všechny možná řešení, jelikož jich je opravdu mnoho. Obrázek 4: Příklad vedení kyvným ramenem a vypružení šroubovitou pružinou u Lokomotiv Druhotné vypružení je rozděleno na dva hlavní typy a to s kolébkou a bez kolébky. Druhotné vypružení vozů s kolébkou je provedeno tak že na rámu podvozku je zavěšen nosič vypružení, který nese druhotné vypružení. Na druhotném vypružení leží samotná kolébka, jenž je otočně spojena s vozovou skříní. Vozy bez kolébky mohou být druhotně vypruženi několika způsoby. Například pomocí pneumatických pružin, které umožnují natočení při průjezdu obloukem což nahradí funkci kolébky. Další možností je použití pryžových elementů nebo dlouhých šroubovitých pružin tvz. FLEXI-COIL.U lokomotiv je hojně používáno řešení s takzvaným podvlečeným příčníkem kde rám podvozku leží na podvlečeném příčníku který je na vypruženém závěsu zavěšen na rámu podvozku.
Obrázek 5: Příklad druhotného vypružení vozů s kolébkou Zhodnocení vlastností jsem provedl tak že jsem seřadil možné řešení dle druhu použití a ke každému z nich vypsal výhody a nevýhody. Celá zhodnocení naleznete v mé bakalářské práci. Náhled Vedení Typ vypružení Použití Výhody Nevýhody zdvojené nad sebou Osobní vozy Vysoká konstrukční rychlost Snížení velikosti zástavbového prostoru Možnost otevřeného rámu (H) Vedení s ojničkou jednou Osobní vozy Lokomotivy Možnost použití více druhů prvotního vypružení Nízké nároky na přesnost Snížení hmotnosti ložiskové skříně dvěma Osobní vozy Snížená hmotnost ložiskové skříně Jednoduchá konstrukce bez třecích elementů Vysoké nároky na pružinu s vahadlem Lokomotivy Nižší zástavbový prostor Konstrukční složitost Vetší hmotnost s trojúhelníkovou Lokomotivy Nižší opotřebení jízdní plochy Jednoduchá konstrukce Snížená hmotnost ložiskové skříně s listovou pružinou Lokomotivy Starší provedení Nižší provozní rychlost Vedení čepem s proměnnou tuhostí Osobní vozy Proměnlivá tuhost Konstrukční složitost Obrázek 6: Úryvek z hodnocení používaných řešení
Při návrhu vlastního řešení jsem si kladl otázku proč žádné z předchozích řešení neumožnuje natočení dvojkolý vůči ose podvozku což by usnadnilo průjezd obloukem. Tuto myšlenku jsem uskutečnil a navrhnul jsem podvozek, který to dokáže. Kolo je řešeno jako celistvé s jízdním profilem dle normy UIC S1002. Na kole jsou připevněny dva brzdné kotouče, které jsou koncipováni jako ventilátory takže umožní účinné chlazení brzdných elementů. Obrázek 7: Mé řešení Kolo s brzdnými kotouči Náprava je podpořena výpočtem dle normy ČSN EN 13103. Dvojkolí je uloženo dvěma dvouřadými soudečkovými ložiskami, které mají vysokou únosnost a také dokáží přenášet značné axiální síly což je příznivé pro mé k řešení. Ložiska jsou zabezpečena labyrintovým těsněním. Ložisková skříň je odlitá a skládá se ze dvou kusů, jsou na ní vodící plochy pro primární vypružení a kulovou tornu. Celá skříň je spojena s rámem podvozku pomocí kulové torny, která se skládá z dílčích kluzných elementů a umožňuje natočení dvojkolý vůči ose rámu podvozku. Obrázek 8: Mé řešení
Vedení LS je zajištěno systémem táhel. Dvě táhla jsou otočně spojena s LS a propojena spojovacím táhlem které je otočně a zároveň posuvně spojeno s rámem podvozku. Primární vypružení jsem vyřešil dvojicí šroubovitých pružin, které jsou podpořeny výpočtem. Pružiny leží na LS a jsou v kluzném styku s rámem podvozku. Kluzné uložení pružin zajištuje kluznice. Rám podvozku je tuhá svařovaná konstrukce z ocelových plechů, výpalků a výlisků. Rám je spojen s vozovou skříní přes kulové uložení a obsahuje funkční plochy pro druhotné vypružení, které uvažují jako pneumatické. ZÁVĚR Zadáním mé Bakalářské práce bylo zhotovit rozdělení druhů vypružení a vedení dvojkolý. Používaných druhů vypružení a zejména vedení je mnoho, jsou v této práci nastíněny jen nejpoužívanější tipy a vysvětlení principů na jakých jsou založeny. Dále pak je v příloze zpracován seznam používaných typů s vypsaným druhem použití, klady a zápory. Úkol vypočítat dílčí součást je zde nastíněn jednoduchým výpočtem prvotního vypružení pomocí šroubovité pružiny a výpočtem dimenzování nápravy dne normy ČSN EN 13103. V části věnované vlastnímu řešení jsem se rozhodl vytvořit vlastní koncepci vedení a vypružení dvojkolí, které by umožňovalo jednoduší průjezd obloukem zatáčky a možná by snížilo opotřebení kol. Tato koncepce v sobě skrývá nekonvenční ložiskovou skříň s kulovou tornou umístěnou ve středu, umožňující natočení, a dvojicí prvotního vypružení s kluznými elementy. Dále je pak využito nezvyklého vedení dvojkolí pomocí systému táhel, které by opět měly usnadnit jízdu do oblouku. Celá tato koncepce je jen nápadem, který by se mohl v budoucnu stát reálným druhem podvozku. PODĚKOVÁNÍ Mé poděkování patří vedoucímu práce Doc. Ing Petru Hellerovy, Csc., který mi během tvorby mojí práce věnoval spoustu času a předal mi spousty rad, které mi napomohly dojít k realizaci mého prvotního nápadu až do jeho konečné podoby. LITERATURA VÍTOVEC, K. Bakalářská práce Studie vedení a vypružení dvojkolý přípojného železničního vozu. Plzeň: ZČU, 2012