+- Forum Kolejowe - dla fanów i miłośników kolei (https://www.forumkolejowe.pl)
+-- Dział: TECHNICZNA STRONA KOLEI (https://www.forumkolejowe.pl/forum-95.html)
+--- Dział: TABOR KOLEJOWY (https://www.forumkolejowe.pl/forum-8.html)
+---- Dział: LOKOMOTYWY (https://www.forumkolejowe.pl/forum-87.html)
+---- Wątek: Modernizacja trójosiowego wózka lokomotywy ST46 (/thread-4206.html)
Modernizacja trójosiowego wózka lokomotywy ST46 - zeus04 - 14.04.2014
Fragmenty z kwartalnika Pojazdy Szynowe nr. 4 z 2012
mgr inż. Jerzy Dolański
mgr inż. Bartosz Grzelka
mgr inż. Adam Sienicki
Instytut Pojazdów Szynowych " TABOR "
Modernizacja trójosiowego wózka lokomotywy
typu 303D w kontekście współczesnych wymagań w dziedzinie
właściwości dynamicznych pojazdów szynowych
W artykule przedstawiono zakres modernizacji wózka lokomotywy typu 303D mającej na celu osiągnięcia lepszych właściwości dynamicznych w dziedzinie bezpieczeństwa biegu, obciążenia toru i właściwości biegowych pojazdów. Jako główny cel do osiągnięcia postawiono obniżenie wskaźnika ryzyka wykolejenia Y/Q, co wymagało zastosowania rozwiązań konstrukcyjnych prowadzących do zmniejszenia siły prowadzącej Y oraz zwiększenia minimalnego nacisku koło-szyna Q. Zmniejszenie siły Y na kole prowadzącym osiągnięto przez uwolnienie środkowego zestawu kołowego na przesuw poprzeczny względem ramy wózka (tzw. przesuwna oś środkowa), natomiast zwiększenie minimalnego nacisku Q osiągnięto głównie dzięki zastosowaniu zmiękczonego usprężynowania pierwotnego. Jako drugi istotny cel do osiągnięcia postawiono wyrównanie nacisków nadwozia lokomotywy przypadających na poszczególne podpory gumowo-metalowe znajdujące się na każdym z wózków, w kontekście rozkładu ciężaru lokomotywy na poszczególne osie. Cel ten osiągnięto przez zastosowanie pięciu zamiast czterech podpór gumowo-metalowych, o zmniejszonej sztywności naciskowej, korzystnie skonfigurowanych na planie wózka. Ponadto opisano rozwiązania konstrukcyjne zastosowane w ramach modernizacji wózka oraz przedstawiono wyniki obliczeń symulacyjnych parametrów biegowo-dynamicznych i wstępne wnioski z prób ruchowych.
1. Wprowadzenie
Lokomotywa typu 303D (SU46) wyposażona jest w trójosiowe wózki przystosowane do prędkości 120 km/h. Każda z osi ma indywidualny napęd, w którym każdy z trzech silników jest łożyskowany na napędzanej przezeń osi i zawieszony za tzw. nos na ramie wózka. W wózku lokomotywy typu 303D wszystkie zestawy kołowe prowadzone są bezluzowo w ramie wózka w identyczny sposób za pomocą układu prowadników przegubowych w liczbie 2 szt. na każdą maźnicę, realizujących stosunkowo duże sztywności połączenia "maźnica - rama wózka" wzdłużnie i poprzecznie względem osi toru. Jest to tzw. system prowadzenia Alsthom'a. System ten zapewnia stosunkowo dużą prędkość krytyczną pojazdu, co jest jego zaletą, jednak posiada też dwie istotne wady.
Pierwsza wadą jest stosunkowo duże oddziaływanie siłowe prowadzącego zestawu kołowego na tor w kierunku poprzecznym, zwłaszcza podczas jazdy na łuku torowym, spowodowane sztywnym prowadzeniem środkowego zestawu kołowego w ramie wózka w kierunku poprzecznym, ze skutkami w postaci stosunkowo szybkiego zużywania się obrzeży kół oraz stosunkowo wysokiego poziomu ryzyka wykolejenia (Y/Q).
Drugą wadą jest sztywność pasożytnicza generowana przez układ prowadników w kierunku pionowym, która superponuje w sposób równoległy ze sztywnością pionową usprężynowania pierwotnego. Podwyższona w ten sposób wypadkowa sztywność zawieszenia pierwotnego wpływa niekorzystnie na chwilowy rozkład nacisków „koło-szyna" w obrębie wózka, co pociąga za sobą wzrost poziomu ryzyka wykolejenia pojazdu.
W związku z powyższym ramach modernizacji lokomotywy serii SU46 podjęto działania mające na celu obniżenia wskaźnika ryzyka wykolejenia (Y/Q) a także siły poprzecznej Y działającej na koło prowadzące oraz tzw. siły łożyskowej H działającej w osi zestawu kołowego.
Zarówno wskaźnik Y/Q jak i siła Y i H muszą być utrzymane w obrębie kryteriów normy PN-EN 14363.
2. Cele do osiągnięcia w ramach modernizacji wózka
Głównym celem modernizacji była poprawa właściwości biegowych wózka w celu spełnienia wymagań określonych w przepisach a w szczególności poprawa wskaźnika ryzyka wykolejenia Y/Q. Obniżenie wartości wskaźnika (Y/Q) oraz sił Y i H poprzez zmiany w konstrukcji wózka jest sprawą skomplikowaną technicznie i organizacyjnie. Teoretycznie najskuteczniejszym i najbardziej efektywnym środkiem prowadzącym do obniżenia siły poprzecznej Y na kole prowadzącym jest uwolnienie środkowego zestawu kołowego, w sposób umożliwiający jego poprzeczną przesuwność względem ramy wózka, przy udziale jak najmniejszych sił reakcyjnych. W wózkach trójosiowych, w których środkowy zestaw kołowy nieprzesuwny względem ramy wózka, siła łożyskowa H2 działająca na ten zestaw kołowy może osiągać wartość rzędu 60 kN. Siła ta przenoszona jest na skrajne zestawy kołowe przyczyniając się do zwiększenia działających tam sił Y o ca 30 kN. Tak więc uwalniając środkowy zestaw kołowy zyskuje się spadek siły Y na kole prowadzącym o wspomniane 30 kN, przenosi się na poprawę wskaźnika Y1/Q1 na tymże kole. Dalszą poprawę wskaźnika Y/Q można uzyskać zmiękczając zawieszenie pojazdu a zwłaszcza zawieszenie pierwotne. Dzięki zmiękczeniu tego zawieszenia można wydatnie zmniejszyć stratę nacisku "koło-szyna" Q podczas jazdy na wichrowatym torze. Nieco mniejsze korzyści w aspekcie wskaźnika Y/Q daje zmiękczenie zawieszenia wtórnego, jednakże jest ono bardzo korzystne dla komfortu jazdy, zwłaszcza w odniesieniu do przyspieszeń poprzecznych występujących na nadwoziu.
Kierując się powyższym uznano, że realizacja zamierzonych celów wymaga wdrożenia zmian konstrukcyjnych prowadzących do:
uwolnienia środkowego zestawu kołowego
zmiękczenia zawieszenia pierwotnego
zmiękczenia zawieszenia wtórnego
3. Przesuwność środkowego zestawu kołowego w wózku trójosiowym
Jednym z głównych zadań modernizacji wózka lokomotywy typu 303D było umożliwienie przesuwu poprzecznego środkowego zestawu kołowego względem ramy wózka w celu obniżenia siły H. Przyjęto koncepcję, wg której zestaw kołowy przemieszczać się będzie razem z maźnica a także silnikiem gdy wyczerpie on luz na panewkach. Na podstawie analiz konstrukcyjnych ustalono, że maksymalny, technicznie możliwy do zrealizowania przesuw poprzeczny środkowego zestawu kołowego wynosi 25 mm. Z kolei zapotrzebowanie na przesuwność środkowego zestawu kołowego jest funkcją warunków prowadzenia wózka w łuku torowym co pokazano na rys. 1.
[ciach]
4 Zakres modernizacji wózka
Zakres prac modernizacyjnych na wózku 303D można podzielić na dwie grupy. Do grupy pierwszej z nich zalicza się wszystkie nowe lub zmodernizowane elementy wózka oraz zabiegi technologiczne konieczne do zapewnienia przesuwu środkowego zestawu kołowego tj:
prowadniki maźniczne środkowego zestawu kołowego,
sprężyny śrubowe o nowej charakterystyce,
prowadzenie boczne oraz zabezpieczenie środkowego silnika trakcyjnego,
zabezpieczenie przed opadnięciem na tor środkowego zestawu kołowego,
odbijaki poprzeczne,
dźwignie, wieszako-dźwignie oraz cięgna hamulcowe,
wstawki hamulcowe z obrzeżem,
osłona przekładni trakcyjnej.
Do grupy drugiej zaliczają się pozostałe nowe lub zmodernizowane elementy wózka oraz prace modernizacyjne nie związane z zapewnieniem przesuwności środkowego zestawu kołowego. Należą do nich:
zabudowa 5-tej podpory w II-gim stopniu usprężynowania,
tłumiki poziome SACHS,
cylindry hamulcowe z hamulcem postojowym,
czujniki prędkości (w tym jeden do systemu LZB/PZB)
nadajniki prędkości do układu przeciwpoślizgowego,
system smarowania obrzeży kół.
Zmodernizowany wózek lokomotywy ST46 o nowym oznaczeniu 303Da przedstawiono na rys.4
5. Skrócony opis rozwiązań konstrukcyjnych zastosowanych w zmodernizowanych węzłach wózka
Prowadniki maźniczne
Dla osi środkowej zastosowano przeguby o dużej podatności osiowej, skrętnej i kardanowej, dzięki czemu środkowy zestaw kołowy wraz z maźnicami może znacznie przemieszczać się względem ramy wózka w kierunku poprzecznym a prowadniki mają ograniczony wpływ na sztywność zawieszenia pierwotnego w tym obszarze.
Zawieszenie I-go stopnia
W zawieszeniu I-go stopnia zastosowano nowe, zmiękczone sprężyny śrubowe a także zmodyfikowano wieszaki zabudowując łożyska wahliwe. Umożliwiło to odchylanie się wieszaków w ślad za przesuwającym się resorem piórowym.
Prowadzenie boczne oraz zabezpieczenie silnika trakcyjnego
Dotychczasowe prowadzenie zmodyfikowano stosując tłumik hydrauliczny w miejsce dotychczasowego sztywnego prowadnika. Pozwoliło to na ruch silnika wzdłuż osi w ramach luzów na panewkach a po jego wyczerpaniu dalszy przesuw wraz z osią zestawu kołowego. Zastosowanie tłumika zapewnia stateczność silnika w trakcie jazdy tłumiąc drgania poprzeczne. Zabezpieczenie silnika trakcyjnego zmodyfikowano dodając pomiędzy nakrętkę a wspornik podkładkę kulistą i poddając przetoczeniu śrubę zabezpieczającą. W ten sposób umożliwiono wahliwą pracę śruby podczas przesuwu silnika.
[ciach]
7. Podsumowanie
Podsumowując analizy symulacyjne można stwierdzić, że lokomotywa ST46 po uwzględnieniu modyfikacji zawieszenia II-go stopnia i prowadzenia zestawów kołowych w ramie wózka posiada w zakresie od 0 do maksymalnej prędkości eksploatacyjnej V=120 km/h wystarczająco dobre wskaźniki dynamiczne dla jej wstępnej homologacji zgodnej z obowiązującymi normami.
Parametry drgań własnych nadwozia, wynikające z analiz liniowych, rokujące nie dość dobre wskaźniki spokojności jazdy lokomotywy na liniach głównych PLK na szczęście nie potwierdzają się przy symulacji układu nieliniowego. Natomiast dzięki sztywnemu prowadzeniu skrajnych zestawów kołowych w ramach wózków, lokomotywa ma zapewnioną w eksploatacji stateczność ruchu tj. prędkość krytyczną przekraczającą maksymalną prędkość eksploatacyjną.
Zmodernizowana konstrukcja lokomotywy zapewnia wystarczająco wysokie bezpieczeństwo przed zejściem kół lokomotywy z szyn na torach wichrowatych. Zastosowanie przesuwnej osi środkowej w trójosiowych wózkach lokomotywy typu ST46 obniża na tyle znacząco siły poprzecznego oddziaływania na tor (siły H) i a tym samym też siły prowadzące Y, że nie jest konieczne dalsze stosowanie sprzęgu międzywózkowego (lokomotywa jest do tego przystosowana). W porównaniu do lokomotywy SU46 bez sprzęgu międzywózkowego uzyskano obniżenie wskaźnika Y/Q z 0,97 na 0,65. Kryterium bezpieczeństwa (Y/Q)max.lim, dotyczące przejezdności po łuku standardowym R=150m wynosi (Y/Q)max.lim=1.2.
Po niewielkiej modernizacji zawieszeń na tej lokomotywie (dołożono piąta podporę w II-gim stopniu usprężynowania oraz znacząco zmiękczono w kierunku pionowym prowadniki maźnicy przy środkowych zestawach kołowych wózków) uzyska się wystarczającą spokojność biegu lokomotywy w warunkach jazdy z maksymalną deklarowaną prędkością na liniach głównych PLK. Po zakończeniu eksploatacji nadzorowanej, która obecnie jest realizowana jako część badań homologacyjnych, nastąpi weryfikacja parametrów układu biegowego. Dotychczasowa obserwacja prototypu zmodernizowanej lokomotywy potwierdza poprawność założeń konstrukcyjnych.
Literatura
1. Sienicki A. - OR-9002 "Określenie spełnienia przez lokomotywy serii SU45 i SU46 wyposażonych w gumowo-metalowe podparcia pudła Z502 i Z502a kryteriów bezpieczeństwa przed wykolejeniem na torach kolejowych zgodnie z Raportem nr 8 Komitetu Badań ORE B55"
2. Sienicki A. - OR-9796 "Analiza dynamiczna Lokomotywy Spalinowej 6-osiowej typu ST46 (zmodernizowana SU46) (symulacja jazdy po odcinkach prostych, łukach torowych - bezpieczeństwo ruchu)"