Strojnícka fakulta Žilinskej univerzity v Žiline v snahe vytvoriť optimálne podmienky pre vedeckovýskumnú činnosť podporuje rozvoj infraštruktúry výskumu a vývoja (laboratórne a prístrojové vybavenie), najmä so zameraním na mimorozpočtové zdroje. Táto infraštruktúra, spolu s kvalitnými výskumnými zamestnancami, tvorí základný predpoklad pre úspešné uchádzanie sa o projekty v rámci národných i nadnárodných grantových schém.
V súlade s plánom rozvoja kapacít a kompetencií pre realizáciu vývoja a skúšok v oblasti pohonov, prevodov a ložísk je na Strojníckej fakulte riešený projekt ProHiSpeB – prototyp nápravového telematického ložiska pre vysoké rýchlosti.
Vznik projektu je výsledkom dlhodobých aktivít Strojníckej fakulty pri riešení úloh výskumu a vývoja v oblasti tribológie, konštrukcie, výpočtov a skúšania ložísk, uložení, ložiskových skríň, stavby prototypov a funkčných vzorov komponentov dopravných strojov a zariadení, vrátane výborného zázemia z priemyselnej praxe. Ďalej je tu potreba slovenských firiem vyrábať a používať na Slovensku aj nápravové ložiská pre vysoké rýchlosti s ohľadom na dopyt na svetových trhoch aj na prebiehajúcu modernizáciu železničných tratí, ktoré budú napojené na európske vysokorýchlostné železničné koridory. V neposlednom rade prispela aj skutočnosť, že Strojnícka fakulta Žilinskej univerzity je dnes na Slovensku jediným pracoviskom, kde sa ešte uskutočňuje výučba inžinierov a doktorandov, ako aj výskum v oblasti vývoja, konštrukcie a skúšania komponentov koľajových vozidiel.
Skúšobné zariadenie pre skúšky nápravových skríň
Jedným z výstupov uvedeného projektu je skúšobné zariadenie na skúšky nápravových skríň železničných vozňov, ktoré je zobrazené na obr. 1.
Základná koncepcia skúšobného zariadenia (obr. 2), vychádza z požiadaviek normy STN EN 12082, ktorá predpisuje súčasné skúšanie dvoch nápravových skríň uchytených prostredníctvom nápravových ložísk na hriadeli, ich zaťaženie konštantnou radiálnou silou a premenlivou axiálnou silou, pričom otáčky a smer otáčania hriadeľa sa menia podľa definovaného cyklu. Chladenie nápravových skríň je zabezpečené simuláciou prúdenia vzduchu pri jazde pomocou ventilátorov.
 |
 |
Legenda: 1 – snímač teploty, 2 – ventilátory, 3 – axiálne zaťaženie, 4 – skúšaná nápravová skriňa s ložiskom, 5 – radiálne zaťaženie, 6 – nosné ložisko, 7 – motor
Dĺžka skúšky dosahuje v závislosti od požiadavky na priebeh v kilometroch niekoľko mesiacov. Počas skúšky sa zaznamenáva teplota nápravových ložísk a skríň. Podmienkou splnenia požiadaviek normy na skúšané komponenty je stabilizácia meraných teplôt pod požadovanou úrovňou, povrch obežných dráh ložiskových krúžkov a teliesok bez poškodení a viditeľného opotrebovania, ložisková klietka bez deformácií a viditeľného opotrebovania a fyzikálno-chemické vlastnosti použitého mazacieho tuku v požadovaných limitoch.
Konštrukciu navrhli a stavbu zariadenia realizovali pracovníci Strojníckej fakulty a subdodávatelia niektorých komponentov.
Hydraulický systém
Dôležitou časťou zariadenia je hydraulický systém. Navrhnutá koncepcia riešenia obvodov hydraulického systému zohľadňuje požiadavky zadania, kde mali rozhodujúci vplyv tieto parametre:
- skúšobný cyklus,
- požiadavky na presnosť a veľkosť zaťažujúcich síl,
- rýchlosť a opakovateľnosť skúšobných cyklov.
Hydraulický systém skúšobného zariadenia pozostáva z okruhu mazania a chladenia podporných ložísk a zo silového okruhu na riadenie axiálneho a radiálneho zaťaženia.
Radiálne zaťaženie je počas skúšky konštantné. Rozsah pracovného zaťaženia je 7 – 23 ton s požadovanou presnosťou ± 3 % z rozsahu. Pracovná oblasť tlaku vo valcoch radiálneho zaťaženia je v rozmedzí 42 až 142 bar.
Axiálne zaťažovanie skúšaných ložísk je cyklické a má priebeh podľa grafu na obr. 3.
Axiálne zaťaženie
Riešenie okruhu axiálneho zaťaženia je v hydraulickom systéme najnáročnejšou časťou, pretože do samotnej regulácie vstupuje veľa spätných väzieb, ktoré nepriaznivo ovplyvňujú celkovú presnosť daného spôsobu zaťažovania. Pri návrhu systému bolo potrebné uvažovať s tuhosťou celej sústavy, s vôľami v jednotlivých skúšaných ložiskách pri zmene vektoru zaťaženia, s vibráciami, ktoré vznikajú pri otáčaní ložiska, so zmenou teploty. Všetky tieto faktory spolu tvoria súhrn parametrov, ktoré bolo potrebné zohľadniť pri regulácii pre dosiahnutie predpísanej presnosti axiálneho zaťaženia v rozmedzí ± 6 % z rozsahu v stanovených časových priebehoch. Hodnoty axiálneho zaťaženia sa pohybujú v rozsahu 1,6 až 4 tony, čo zodpovedá tlaku 50 až 163 bar pri zvolených priamočiarych hydromotoroch 63/30 s pomerom plôch 1 : 1. Hydromotory sú špeciálne skonštruované pre daný typ zaťaženia a časový priebeh celej skúšky z dlhodobého hľadiska, hlavne pre malé hodnoty zdvihu v krátkych časových skokoch 200 ms, kde hodnota zdvihu je daná len tuhosťou sústavy a vôľami. Z dôvodu potreby reálneho zobrazenia priebehu síl a presnej spätnej väzby boli do riadenia hydraulického systému použité tenzometrické snímače síl.
Samotný hydraulický okruh axiálneho zaťaženia je tvorený zdrojovou časťou tlakovej kvapaliny, ktorá pozostáva zo samostatnej skupiny motor – spojka – čerpadlo s výstupom do tlakového filtra, poistného bloku s plniacim ventilom pre akumulátor, akumulátora s riadiacim blokom a regulátorom s tlakovou váhou. Nádrž hydraulického okruhu je spoločná pre axiálne aj radiálne zaťaženie. Je vybavená ohrevom na dosiahnutie optimálnej teploty pred začiatkom skúšky, okruhom chladenia s použitým olejovo-vzduchovým chladičom umiestneným do vonkajšieho prostredia, samostatným okruhom filtrácie, ktorý slúži aj na miešanie oleja pri ohreve na pracovnú teplotu, hladinomerom, teplomerom a tlakovými senzormi.
Kľúčovou časťou celého riadenia axiálneho zaťaženia je však zostava valec – riadiaci ventil. Riadiaci ventil je priamo umiestnený na každom axiálnom valci, spoločne s kontrolným senzorom tlaku. Spolu s riadiacou jednotkou zabezpečujú požadovaný priebeh síl v závislosti na čase. Po zohľadnení všetkých parametrov, ktoré nepriaznivo vplývajú na presnosť, bol ako riadiaci ventil použitý regulačný priamo riadený ventil 4WRSEH s elektrickou polohovou spätnou väzbou. Uvedený ventil sa vyznačuje vysokou prahovou citlivosťou s odozvou ≤ 0,03 % a nepatrnou hysteréziou ≤ 0,05 %. Ventil má kvalitu piestov a puzdier porovnateľnú so servoventilom, preto bola veľká pozornosť venovaná zabezpečeniu čistoty oleja podľa normy NAS1638, trieda 7. Ventil má integrovanú riadiacu elektroniku s rozhraním F1 (vstup požadovanej hodnoty 4÷20 mA). Na riadenie celého procesu priebehu skúšky v hydraulickej časti bol na mieru navrhnutý vlastný PLC kvôli zabezpečeniu lepšej komunikácie medzi výstupom z tenzometrických snímačov a vstupom do proporcionálneho ventilu s vlastným programovým vybavením. Dôležitým faktorom pri konštrukcii elektrických vedení bolo aj zabezpečenie odolnosti systému voči elektromagnetickému rušeniu (menič na motore hlavného pohonu, silové vodiče), ktoré bolo dosiahnuté správnym tienením a uzemnením vodičov.
Celý hydraulický systém bol koncipovaný s dôrazom na predpokladaný dlhý časový priebeh skúšok jednotlivých ložísk, s použitím kvalitných, štandardných a ľahko dostupných prvkov na zabezpečenie dlhej životnosti celého zariadenia.
Merania vykonané počas reálnej prevádzky potvrdili splnenie požadovaných parametrov hydraulického systému.
Podporujeme výskumné aktivity na Slovensku.
Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ.
TEXT/FOTO: Ing. Igor Gajdáč, doc. Ing. Slavomír Hrček, PhD., Ing. Miroslav Mikita – Žilinská univerzita, Strojnícka fakulta, Ing. Igor Adamko – RKR & Hymar, s. r. o.
