titČo také sa môže skúmať v nákladnej železničnej doprave? Jazdná stabilita podvozkov? Čo to je za problematiku? Nákladný vagón je predsa len kopa hrkotajúceho železa, ktoré nás obťažuje, keď čakáme na náš vlak na stanici. Možno takéto alebo aj iné, podobné otázky si môže klásť na prvý pohľad nezainteresovaný čitateľ.


A je to aj pochopiteľné. O tejto problematike sa totiž len málo hovorí v krajine, kde automobilový priemysel hrá prím. V tejto súvislosti treba spomenúť, že okrem automobilového priemyslu je silne zastúpené aj odvetvie strojárstva zaoberajúce sa výrobou, ale najmä vývojom nákladných železničných vozňov a podvozkov. V rámci výskumného projektu podporeného agentúrou na podporu výskumu a vývoja bol v minulosti navrhnutý inovatívny podvozok novej generácie ZDK-SB, o ktorom sa už písalo aj na stránkach májového vydania časopisu Strojárstvo v roku 2017. Odvtedy sme pokročili vo vývoji ďalej a s niektorými problémami a spôsobmi ako ich riešiť sa s vami chceme podeliť na nasledujúcich riadkoch.

Jazdná stabilita – čo to vlastne je a čo ju ovplyvňuje?
Vedenie železničného dvojkolesia predstavuje jednu z charakteristických zvláštností železničnej dopravy. Základným princípom je charakter pohybu dvojkolesia s kužeľovým jazdným obrysom v ideálne priamej koľaji. Je možné matematicky odvodiť, že stred voľného dvojkolesia, ktoré nie je viazané k rámu podvozka prostredníctvom vypruženia a kolesá dvojkolesia sa odvaľujú po koľajniciach pomalou rýchlosťou, vykonáva tzv. sínusový pohyb.
V prípade skutočného vozidla sa dvojkolesie nachádza v stave, kde spolupôsobia aj ďalšie faktory ako:
• Vozidlo sa pohybuje v reálnej koľaji, ktorá má nerovnosti.
• Dvojkolesie je silovo viazané k rámu podvozka.
• Rýchlosť jazdy má zotrvačné silové a momentové účinky na dvojkolesie.
• Tieto silové účinky dvojkolesia ku koľaji spôsobujú disipáciu energie, tlmenie.
Všetky tieto vplyvy narúšajú teoretický sínusový pohyb dvojkolesia, a preto pri viazanom dvojkolesí v ráme podvozka už hovoríme o vlnivom pohybe.
Tento vlnivý pohyb, za normálnych okolností napríklad správna geometrická poloha priamej koľaje, ani zďaleka nevyčerpáva vôľu dvojkolesia v koľaji. Veľkosť amplitúdy je len niekoľko milimetrov ±2 až ±3 mm. Dvojkolesie je tak centrované v osi koľaje bez účinkov okolkov. Priečne zrýchlenia pohybu sú malé, pri väčšom priečnom impulze od trate sa pohyb sám dostáva do pôvodného stavu. V takomto prípade hovoríme o stabilnom vlnivom pohybe dvojkolesia. Trajektóriu takéhoto pohybu zobrazuje obr. 1.

obr.1
Obr. 1: Trajektória pohybu pri stabilnom pohybe

 

Tento ideálny proces má svoje obmedzenia. Môže sa dosiahnuť napríklad prudkým zvýšením rýchlosti jazdy. Pri takejto rýchlosti vzrastie pohyb dvojkolesia natoľko, že tlmiace prvky ho už nedokážu pohltiť. Postupne narastajú amplitúdy vlnivého pohybu až do vyčerpania vôle dvojkolesia v koľaji. Zvyšuje sa frekvencia tohto pohybu; dostáva charakter priečnych rázov z jednej strany na druhú.
Takýto pohyb sa nazýva pohybom nestabilným.

obr2
Obr. 2: Trajektória pohybu pri nestabilnom pohybe

 

Trendom posledného obdobia je zvyšovanie rýchlosti, a teda potreba zabezpečenia stability jazdy v priečnom smere v priamej koľaji, a to pre všetky typy vozidiel. To následne vedie k návrhom špeciálnych priečnych profilov hláv koľajnice, ktoré umožňujú zníženie hodnôt ekvivalentnej kužeľovitosti. Vzájomná poloha kontaktu hlavy koľajnice a jazdného obrysu kolesa dvojkolesia je okrem tvaru hlavy koľajnice ovplyvnená aj sklonom koľajnice, rozchodom koľaje, konštrukciou a parametrami upevnenia koľajníc.

obr3
Obr. 3: Porovnanie priečneho profilu hlavy koľajnice UIC60 a UIC60 E2

 

Postupné prebrusovanie hláv koľajníc vyhotovenia UIC60 na nový tvar s označením E2 má za následok, zníženie hodnôt ekvivalentnej kužeľovitosti. Na obr. 4 je na porovnanie vplyvu zmeny tvaru hlavy koľajnice vyobrazené, aké veľké zníženie ekvivalentnej kužeľovitosti predstavuje nový prebrúsený tvar hlavy koľajnice pri dvoch rôznych typoch dvojkolesí. Aj na prvý pohľad nepatrná zmena geometrie má veľký vplyv.

obr4
Obr. 4: Porovnanie vplyvu zmeny tvaru hlavy koľajnice na ekvivalentnú kužeľovitosť


Ekvivalentná kužeľovitosť ako jedna z charakteristík kontaktnej geometrie dvojice koleso – koľajnica je funkciou amplitúdy vlny dvojkolesia a vypovedá o charaktere vlnivého pohybu voľného dvojkolesia viazaného ku koľaji čisto kinematicky. Predstavuje hlavnú charakteristiku, s ktorou sú spájané jazdné vlastnosti celého vozidla.
Nízka hodnota ekvivalentnej kužeľovitosti vypovedá o nízkej hodnote budiacich frekvencií pre priečny pohyb vozidla. Na druhej strane, už malý počiatočný impulz vytvorí vlnu pohybu so značnou amplitúdou spojenú s doľahnutím dvojkolesia na bok hlavy koľajnice.
Z vyššie uvedeného ani trať a ani samotný profil kolesa nemôžeme ovplyvniť. Problém, ktorý sme identifikovali, musíme riešiť na úrovni vozidla, t. j. hlavne podvozka.

Spôsob riešenia a dosiahnuté výsledky
Možností, ako uvedený problém riešiť, sa nám ukazuje hneď niekoľko. Samozrejme, analýzy sú realizované prostredníctvom počítačových simulácií, nakoľko skúšky by boli nesmierne finančne aj časovo náročné. Ako vhodný nástroj bol použitý MBS (multi body simulation) software VI-Rail. Ako vhodné parametre pre optimalizáciu podvozka boli vybraté:

Rázvor podvozka
Simuláciami bol riešený a kvantifikovaný prínos zmeny rázvoru podvozka. Štandardné podvozky majú vzdialenosť dvojkolesí, rázvor na úrovni 1 800 mm. Nami preferovaný a z pohľadu potenciálneho zabudovania podvozka do vozňa je ešte akceptovateľný nárast rázvoru na 2 000 mm.

obr5
Obr. 5: Zmena rázvoru podvozka

 

Uhol prepojenia dvojkolesí
Boli porovnávané štyri uhly krížovej väzby: 31,6°, 42,3°, 45° a 54,3°. Analýza vplyvu zmeny uhla krížovej väzby na jazdné vlastnosti bola vykonávaná na podvozku s rázvorom 2 000 mm, kde je vplyv významnejší.

obr.6
Obr. 6: Zmena uhla prepojenia dvojkolesí

 

Vzdialenosť klzníc
Bol prešetrený vplyv zvýšenia odporu proti natočeniu podvozka na stabilitu vozňa. Zvýšenie odporu bolo dosiahnuté zväčšením vzdialeností klzníc. V prípade štandardného podvozka sú postranné klznice umiestnené na kóte 850 mm od stredu otočného guľového čapu. Z pohľadu potenciálneho zabudovania podvozka do vozňa je ešte akceptovateľný posun na kótu 1 200 mm. Ostatné parametre klzníc, ako tuhosť pružín, predpätie, koeficient trenia v stykových plochách, boli zachované.

obr.7
Obr. 7: Zmena vzdialenosti klzníc

 

Spôsob vzájomného previazania dvojkolesí
Existuje niekoľko známych principiálnych riešení prepojenia dvojkolesí. V tomto bode bude naším zámerom overenie, ktoré z dvoch riešení je výhodnejšie z hľadiska stabilizácie dvojkolesí pre zlepšenie stability jazdy vozňa v priamej trati.
Pozn.: Výpočty v tomto bode ešte nie sú úplne ukončené, a preto výsledky z analýz ešte nie je možné prezentovať.

obr.8
Obr. 8: Spôsob vzájomného previazania dvojkolesí

 

Tlmiče vrtivých pohybov
Aplikácia tlmičov vrtivých pohybov je záležitosť pri nákladných železničných podvozkoch málo rozšírená. Existujú riešenia aplikované vo Veľkej Británii ale kontinentálna Európa sa takémuto použitiu bráni najmä kvôli vyšším požiadavkám kladeným na údržbu počas prevádzky.

obr.9
Obr. 9: Zabudovanie tlmičov vrtivých pohybov do krátkeho vozňa

 

Všetky analýzy boli vykonané na dvoch typoch vozidiel.
Prvým zo sledovaných vozňov je intermodálny krátky kontajnerový vozeň typu Sgmmns 45´ s dĺžkou cez nárazníky 15 145 mm a s hmotnosťou 16,3 ton.
Druhý vozeň je krytý vozeň typu Habbiillns s dĺžkou cez nárazníky 23 270 mm a s hmotnosťou 27,8 ton.

obr.10 Sgmmns45
obr.10 Habbiillns
Obr. 10: Simulačný model vozňa Sgmmns a Habbiillns

 

Tieto vozne predstavujú reprezentantov, pri ktorých je možné sledovať rozdielne správanie sa vozňov pri jazde v priamej koľaji pri posudzovaní stability jazdy. Vykonali sme obrovské množstvo simulačných výpočtov s týmito vozňami a následne boli výsledky štatisticky spracované podľa platných noriem, ako EN 14 363, ktorých výsledkom sú rozsiahle tabuľky a grafy. Nechceme čitateľov zaťažovať množstvom grafov a tabuliek, preto sme kvôli jednoduchšiemu posúdeniu prínosu jednotlivých úprav na výslednú stabilitu vozňa realizovali vyhodnotenie zamerané hlavne na maximálne hodnoty priečneho zrýchlenia na skrini vozňa ay*. Zrýchlenie je odčítavané na skrini vozňa nad oboma podvozkami a označované je ako ay*1 a ay*2.

Dosiahnuté výsledky
Doposiaľ sa podarilo analyzovať tieto parametre podvozka, ktoré boli výpočtovými simuláciami potvrdené a môžeme konštatovať nasledujúce zistenia:

Rázvor podvozka
Výsledky pre rázvor podvozka sú zhrnuté v tabuľke 1. Zmena rázvoru podvozka má pre oba vozne pozitívny prínos. Výpočty potvrdili predpoklad a očakávane zníženie priečnych zrýchlení z dôvodu predĺženia amplitúdy vlny vlnivého pohybu je v priemere okolo 10 %.

tab1
Tab. 1: Rázvor [m]

 

Uhol prepojenia dvojkolesí
Na priložených priebehoch na obr. 11 je vidieť, že s krátkym vozňom sú dosahované vyššie maximálne hodnoty priečneho zrýchlenia. Optimalizácia pomocou zmeny uhla krížovej väzby je tak zaujímavá hlavne kvôli výsledkom z krátkeho vozňa. Z tohto pohľadu je optimálna hodnota uhla 34°, pri ktorej sa na skrini vozňa Sgmmns dosiahlo maximálne priečne zrýchlenie 1,95 m/s2 a na skrini vozňa Habbiillns zrýchlenie 1,88 m/s2.

obr.11
Obr. 11: Závislosť priečneho zrýchlenia na skrini vozňa od uhla krížovej väzby

 

Vzdialenosť klzníc
Zmena polohy klzníc na vzdialenosť 1,2 m od otočného guľového čapu nemá jednoznačný prínos pre oba sledované vozne. Pri dlhom vozni došlo k zlepšeniu priečneho zrýchlenia hlavne nad druhým podvozkom. V prípade krátkeho vozňa však táto úprava spôsobila nechcené zhoršenie zrýchlenia nad prvým podvozkom.

tab2
Tab. 2: Vzdialenosť klznica – guľový čap [m]

 

Záver
Cieľom tohto príspevku bolo oboznámiť širokú odbornú verejnosť s problematikou riešenia stability jazdy v nákladnej železničnej doprave a spôsobu postupu prác pri jej optimalizácii s využitím prostriedkov výpočtovej optimalizácie. Je možné zdôrazniť, že možnosti multi-body simulácií umožňujú už dnes v stave návrhu riešenia s dostatočnou presnosťou predikovať a optimalizovať správanie sa konštrukcie. Ďalším plánovaným krokom je verifikácia výpočtových simulácií prostredníctvom skúšok na skúšobnom stave.
V tabuľke 3 je zhrnutý celkový prínos optimalizácie podvozka ZDK.

tab3
Tab. 3:

 

Z vykonaných rozborov pre krátky a dlhý vozeň sa nám doposiaľ ukazuje ako najlepšia kombinácia optimalizovaných parametrov z pohľadu stability vozňa zmena rázvoru podvozka na 2 m s uhlom krížovej väzby 34°, pričom poloha klzníc nemá signifikantný vplyv.

logo„Táto práca bola podporovaná Agentúrou pre podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-16-0596“.

 

TEXT/FOTO: Marián Moravčík, Daniel Šimšaj, Železničný dopravný klaster, z. z. p. o.

Literatúra:
[1] EN 14363 Railway applications – Testing and Simulations for the acceptance of running characteristics of railway vehicles – Running Behaviour and stationary tests. 2005
[2] ČSN 736360-1 Konstrukční a geometrické uspořádání koleje železničních drah a její prostorová poloha – Část 1: Projektování. 2008
[3] ČSN 736360-2 Konstrukční a geometrické uspořádaní koleje železničních drah a její prostorová poloha – Část 2: Stavba a přejímka, provoz a údržba. 2009
[4] KOHOUT M.,: Výzkum kontaktní geometrie dvojkolí-kolej při průjezdu vozidel oblouky malých poloměrů, Disertační práce. 2008
[5] EN 16235 Railway applications – Testing for the acceptance of running characteristic of railway vehicles – Freight wagons – Conditions for dispensation of freight wagons with defined characteristics from on-track tests according to EN 14363. 2013
[6] Nariadenie komisie č.2013/321/ES. o technickej špecifikácii interoperability týkajúcej sa subsystému „železničné koľajové vozidlá – nákladné vozne“ systému železníc v Európskej únii, ktorým sa zrušuje rozhodnutie Komisie 2006/861/ES …. 2013.
[7] GERLICI J., MORAVČÍK M.,: Reduction of Dynamic Effects upon Track.
In.: Dynamical Problems in Railway Vehicles, Žilina, 2016
[8] IZER J.,: Kolejové vozy, Žilina, 1988