SOUTĚŽNÍ PŘEHLÍDKA STUDENTSKÝCH PRACÍ FST 2007 POHON TRAKČNÍHO VOZIDLA SE SNÍŽENÝM VSTUPEM PRO VOZIDLA ZÁVISLÉ A NEZÁVISLÉ TRAKCE ABSTRAKT Jan Musil Cílem této práce je navrhnout pohon pro regionální vozidlo ve dvou variantách. Jedna jednotka bude určena pro závislou trakci a druhá pro nezávislou trakci. Je kladen požadavek, aby vozy pro obě trakce byly v maximální míře shodné koncepce. Z tohoto hlediska má zásadní vliv provedení vozu nezávislé trakce, protože na základě něho se uspořádá vozidlo závislé trakce. Práce řeší možné přenosy výkonu, trakční výpočet, dynamiku vozidla a vliv různého umístění pohonu. KLÍČOVÁ SLOVA regionální jednotka, pohon, umístění pohonu, hydrodynamický přenos, elektrický přenos 1. ÚVOD Železniční společnosti při výběru nového vlaku se často spíše soustředí na jeho design či počet cestujících, tedy vlastností vlaku, které pocítí samotní cestující. Technická stránka pro zákazníka nehraje takovou roli a vlastnosti jako je nízká spotřeba, životnost, udržovatelnost atd. považuje za samozřejmost. Přesto pohon kolejového vozidla je srdcem celého vlaku, které ho uvádí do pohybu a z toho důvodu se mu musí věnovat náležitá pozornost. Navíc pohon svým uspořádáním významně ovlivňuje velikost nízkopodlažní části, což je oblíbený údaj pro prospekty. Základní požadavky Maximální rychlost u závislé trakce 160 km/h Maximální rychlost u nezávislé trakce 120 km/h Minimální počáteční zrychlení do 50 km/h 0,5 m/s 2 Nízkopodlažnost min. 65% Shodná koncepce pro závislou a nezávislou trakci - 2. PŘENOS VÝKONU 2. 1 Mechanický Jedná se o přímý přenos výkonu, tedy mechanická energie není transformována na jinou a proto se u tohoto přenosu dosahuje nejvyšší účinnosti. Pro upravení momentu na hřídeli spalovacího motoru se používá často předlohová nebo planetová převodovka. Když se mění rychlostní stupeň, dojde k přerušení tažné síly na dvojkolí. Je použitelný pro výkonu do 200 kw a mezi jeho přednosti patří příznivá cena a nízká hmotnost. 2.2 Hydraulický Výkon je zde přenášen prostřednictvím kapaliny, ve které může být energie uložena v podobě: Potenciální (tlaková) energie hydrostatický přenos Kinetické energie hydrodynamický přenos Hydrostatický přenos výkonu se s výjimkou speciálních vozu nepoužívá, proto bude pozornost soustředěna pouze na hydrodynamický. Využívají se zde 2 základní hydrodynamické stroje: hydrodynamický měnič a hydrodynamická spojka. Ve vhodné kombinaci jsou součástí převodovky a uvedením do chodu určitého měniče/spojky je zařazen daný rychlostní stupeň. Uvede se to chodu tím, že se zaplní kapalinou, čímž se začne otáčet i turbína. Ostatní měniče/spojky jsou prázdné a otáčí se v nich pouze čerpadlo. 2.3 Elektrický Současné vozy se vyrábí se střídavě-střídavým přenosem výkonu. Spalovací motor pohání synchronní alternátor, vzniklé 3-fázová napětí je upraveno ve frekvenčním měniči a přivedeno na asynchronní motory.
Obrázek 1: Střídavě střídavý přenos výkonu Frekvenční měnič je složen ze usměrňovače, napěťového stejnosměrného meziobvodu a řízeného střídače. Protože tu není možná rekuperace používá se diodový usměrňovač (neřízený), který neumožňuje zpětný průchod napětí. V aplikacích, kdy je frekvenční měnič napájen ze sítě, která je schopna přijmout zpět elektrickou energii, se používá kompatibilní usměrňovač. V napěťovém meziobvodu je paralelně připojen kondenzátor, který vyhladí napětí a odpor pro maření energie vzniklé při generickém brzdění. 3. TRAKČNÍ VÝPOČET V trakčním výpočtu je nutno stanovit jednotlivé odpory (odpor valení, tření v nápravových ložiskách, aerodynamický odpor, odpor při zrychlování vozidla setrvačnost, odpor stoupání trati). Na základě odporů se určí potřebná tažná síla a výkon motoru. Při výběru vhodného spalovacího motoru pro nezávislou trakci musí se brát na zřetel druh přenosu výkonu, protože každý má jinou účinnost. Přenos výkonu Typ motoru Výkon motoru [kw] Mechanický MTU 6H 1800 R81 350 Hydrodynamický MAN D 2876 LUE 604 375 elektrický MAN D 2876 LUE 623 382 Když známe výkon motoru, lze sestrojit trakční charakteristiku. Je uvedena charakteristika pro motorovou jednotku s elektrickým přenosem výkonu. Obrázek 2 : Trakční charakteristika pro motorovou jednotku 4. ZRYCHLENÍ A RYCHLOST VOZIDLA Cílem je zjistit průměrné počáteční zrychlení vozidla, které musí být minimálně 0,8 m/s 2 do 50 km/h. Zrychlení je závislé na rychlosti a pro zjištění této závislosti s výhodou využijeme metodu redukce hmot a silových účinků, pomocí niž sestavíme pohybovou rovnici: a 1 s m v ( + B) P 9,81 wr cw A v v 1000 s 200 m 3,6 v 2 2 9,81 s = (1)
Kde: a. zrychlení s.součinitel rotujících hmot m v..hmotnost vozu P.výkon na dvojkolích v..rychlost vozidla W r..součinitel zahrnující odpor valení, tření v nápravových ložiskách cw.tvarový součinitel čela A..plocha příčného řezu čela B.rychlost větru Rovnice vyjadřuje závislost rychlosti na zrychlení. Obrázek 3 : Průběh zrychlení Lze zjistit, že průměrné zrychlení do 50 km/h je 1,2 m/s 2. Pro určení závislosti rychlosti na čase je potřeba pohybovou rovnici (1) integrovat. Protože je rovnice nelineární, tak je řešena numericky v simulační nástavbě programu MATLAB zvané Simulink. Rovnice je přepsána do simulačního schématu. Obrázek 4 : Simulační schéma v programu Matlab - Simulink Na rozdíl od pohybové rovnice je model rozšířen o vliv adheze. V bloku MinMax je tažná síla omezena adhezní silou, která je vypočtena z aktuální rychlosti.
Obrázek 5 : Závislost rychlosti na čase Výsledkem simulace je rychlostní charakteristika, ze které si zjistilo, že maximální rychlosti motorový vůz dosáhne za 120 s. 5. VARIANTY ŘEŠENÍ 5.1 Hydrodynamický přenos výkonu Společné pro varianty s hydrodynamickým přenosem výkonu je skupinový pohon dvojkolí tandemového typu. Motor (MAN D 2876 LUE 604) je s hydrodynamickou převodovkou přírubově spojený, krouticí moment se přenáší přes torzní tlumič kmitů, který je přímo součástí převodovky. Dále je moment přenášen přes kardanové hřídele a nápravové převodovky. Největší problém z hlediska prostorového uspořádání přináší kardanové hřídele. Výstupní hřídel z převodovky je v jiné výšce než je vstup u nápravové převodovky, a protože je omezený úhel zlomu kardanového hřídele musí se pohon umístit dále od podvozku. Navíc se vyrábí v omezených délkách. Varianta č. 1. Pohon je uložen pod podlahou vůči podvozku směrem do vozidla. Nízkopodlažní část vozu zaujímá 60% vnitřního prostoru. Varianta č. 2. Obrázek 6 : Hydrodynamický přenos - varianta č. 1. Pohon je umístěn pod podlahou kabiny strojvedoucího, to si ovšem vynutilo prodloužit vlak o cca 2x850 mm. Nízkopodlažní část zaujímá 73% prostoru vozidla. Pro podvozek o rozvoru 2600 mm jsou potřeba příliš dlouhé kardanové hřídele, proto je nutné použít podvozek s menším rozvorem.
Obrázek 7 : Hydrodynamický přenos - varianta č. 2. Pro přenos podélných sil lze také použít tažně tlačnou tyč. V tom případě by se hlavní příčník posunul blíže ke středu vozidla, čímž se vytvoří prostor pro kardanový hřídel. 5.2 Elektrický přenos výkonu U motorové i elektrické jednotky se použijí trakční podvozky osazené asynchronními motory, které budou individuálně pohánět dvojkolí. V případě závislé trakce budou motory napájeny ze sítě a u nezávislé budou napájeny z alternátoru, který je poháněn spalovacím motorem. Motorovou jednotku pohání motor MAN D 2876 LUE 623, který je spojen s trakčním alternátorem 1FC2 355 4BO99-Z o jmenovitém výkonu 463 kva od firmy Siemens Drasov. Varianta č. 3. Pohon lze také uložit na střeše vozidla a díky tomu lze maximalizovat nízkopodlažní část. Ovšem je třeba mít na paměti, že je na střeše cca 2,5 t chvějící se stroj pracující s hořlavou látkou. Nízkopodlažní část zaujímá 76% prostoru vozidla. Varianta č. 4. Obrázek 8 : Elektrický přenos výkonu - varianta č. 3. V poslední variantě je pohon uvažován pod kabinou strojvedoucího. Nízkopodlažní část se maximálně prodloužila, ale za cenu zvýšení podlahy u kabiny strojvedoucího a i v malé části prostoru pro cestující. Nízkopodlažní část zaujímá 76% prostoru vozidla. Tato varianta je podobná druhé s tím, že tu nejsme omezeni úhlem zalomení hřídele a díky tomu není potřeba tolik prodlužovat představek a také je zde stejná situace ohledně zranitelnosti pohonu při srážce s jiným vozidlem.
6. VYBRANÁ VARIANTA Obrázek 9 : Elektrický přenos výkonu - varianta č. 4. I přes jeho nižší účinnost je vybrán elektrický přenos výkonu a to v podobě 4. varianty. Umožňuje maximálně rozšířit nízkopodlažní prostor a odpadají komplikace s kardanovou hřídelí nutnou pro hydrodynamický přenos výkonu. U vozidla závislé trakce se také použije trakční podvozek s individuálním pohonem dvojkolí a uvolněný prostor pod kabinou strojvedoucího se využije pro trakční transformátor. Součástí pohonu jsou další komponenty jako je chlazení spalovacího motoru, palivová nádrž. Obrázek 10 : Typový výkres motorové jednotky
7. ZÁVĚR Pohon vlaku je komplexní systém, který obsahuje mechanickou, elektrickou a řídící část. Proto pro jeho návrh je potřeba odborníků na mechaniku, elektriku a regulaci. Tato práce se zabývá pouze mechanickou části a to zejména trakčními výpočty, dynamikou vozidla a samotné uložení pohonu. Pro hlubší propracování je nutná spolupráce odborníků na ostatní technická odvětví. PROHLÁŠENÍ Zejména bych chtěl poděkovat Petru Hellerovi za velkou ochotu prakticky kdykoliv fundovaně poradit jak řešit různé problémy, kterých nebylo rozhodně málo. LITERATURA [1] Novák J. : Elektromechanické systémy v dopravě a ve strojírenství, ČVUT, 2004 [2] Nejepsa R., Šíba J.: Kolejová vozidla II, ČVUT, 1986 [3] Hill N., Kollamthodi S.,Hazeldine T. and others: Rail Diesel Study (Technical and operational measures to improve the emissions performace of diesel rail), 2005 (report for UIC) [4] Paciga A., Ivantyšyn J. : Tekutinové mechanismy, SNTL, 1985 Jan Musil, S. K. Neumann 2076, 434 01 Most, tel.: 608 567 961, e-mail: musilxjan@gmail.com