Nowe rozwiązania konstrukcyjne w zmodernizowanej lokomotywie elektrycznej ET

Transkrypt

1 Zbigniew Durzyński, Zygmunt Marciniak Nowe rozwiązania konstrukcyjne w zmodernizowanej lokomotywie elektrycznej ET technika Elektryczna lokomotywa liniowa serii ET22 jest najpopularniejszym pojazdem trakcyjnym PKP Cargo S.A. do prac liniowych z pociągami towarowymi, a także z pociągami osobowymi. Produkcja rozpoczęta na początku lat 70., a zakończenie produkcji nastąpiło w końcu lat 80., po wyprodukowaniu około 1200 lokomotyw. Przez ponad 30 lat eksploatacji lokomotywy były wielokrotnie poddawane ograniczonym zabiegom modernizacyjnym, przeprowadzonym przede wszystkim siłami własnymi zakładów taboru PKP. Dopiero w końcu lat 90. ówczesne władze PKP zdecydowały się na rozpoczęcie procesu kompleksowej modernizacji według początkowych planów w bardzo szerokim zakresie obejmującym również wymianę elektrycznego układu napędowego (z falownikami zasilającymi asynchroniczne silniki trakcyjne). W wyniku kolejnych analiz ekonomicznych w odniesieniu do napędu elektrycznego zakres prac został ograniczony (zrezygnowano z dużej ingerencji w obwód główny). Generalnym wykonawcą prac modernizacyjnych zostały Zakłady Naprawcze Lokomotyw Elektrycznych S.A. w Gliwicach, a zakrojone na szeroką skalę prace badawczo-rozwojowe wykonał Instytutu Pojazdów Szynowych Tabor w Poznaniu. Obszerny zakres prac wstępnych i badawczo-rozwojowych uzasadniał wspólne wystąpienie ZNLE i IPS Tabor z wnioskiem o dofinansowanie tego przedsięwzięcia ze środków budżetowych. Ostatecznie prace związane z fazą badawczo-rozwojową modernizacji lokomotywy zostały sfinansowane z następujących źródeł: bezpośrednie dofinansowanie z Komitetu Badań Naukowych na projekt celowy nr 10 T C/5270 i pośrednie przez finansowanie działalności statutowej Instytutu Pojazdów Szynowych Tabor ; środki własne ZNLE S.A. w Gliwicach na podstawie umowy trójstronnej KBN ZNLE IPS; środki własne IPS Tabor skierowane na prace badawczo-rozwojowe wyprzedzające właściwe prace projektowe. Intensywne prace przy dokumentacji konstrukcyjnej rozpoczęły się po podpisaniu r. umowy na modernizację lokomotywy ET22 pomiędzy PKP Cargo a ZNLE. Wynikający z załączników technicznych do tej umowy zakres modernizacji lokomotywy obejmował: układy biegowe poprawienie komfortu jazdy i współczynników dynamicznych; obwody elektryczne w obwodzie głównym wymiana podstawowych aparatów na nowocześniejsze i o lepszych wskaźnikach użytkowych, przy pozostawieniu niezmienionej konfiguracji obwodu, w obwodach pomocniczych nowa konfiguracja Fot. 1. Lokomotywa ET przy peronie w Gliwicach z zasilaniem prądem przemiennym i całkowita wymiana urządzeń); obwody sterowania i diagnostyki zastosowanie techniki mikroprocesorowej i pomiarowo-kontrolnych urządzeń elektronicznych w najnowszych dostępnych technologiach; pudło zastosowanie materiałów o wysokich wskaźnikach izolacyjności akustycznej i termicznej, nowa aranżacja wnętrza lokomotywy; kabiny sterownicze spełnienie wysokich wymagań ergonomii, komfortu (między innymi przez zastosowanie klimatyzatora) i estetyki miejsca pracy maszynisty; układy pneumatyczne i hamulca zastosowanie nowoczesnej armatury, koncentracja elementów sterujących hamulcem pneumatycznym na tablicy, a systemu wytwarzania i oczyszczania sprężonego powietrza w kontenerze wyposażonym dodatkowo w lokalny mikroprocesorowy sterownik systemu pneumatycznego, całość opracowana i wyprodukowana przez IPS Tabor ; układy wentylacji nowe rozwiązania w zakresie chłodzenia silników trakcyjnych eliminujące podciśnienie w przedziale maszynowym. Przeprowadzona modernizacja powinna przynieść przede wszystkim poprawę własności trakcyjnych, zmniejszenie bieżących kosztów eksploatacji, przeglądów i napraw oraz zdecydowaną poprawę pracy obsługi [1]. Przewidywane parametry lokomotywy po modernizacji Lokomotywa po modernizacji jest przewidziana do pracy liniowej w ruchu towarowym (przy zachowaniu możliwości używania jej 33

2 Rys.1. Charakterystyka trakcyjna lokomotywy w ruchu pasażerskim) na liniach równinnych i górskich. Lokomotywa ta będzie mogła prowadzić pociągi: towarowe o masie do 2500 t na liniach równinnych z V max = 90 km/h; towarowe o masie do 1000 t z V max = = 125 km/h; pasażerskie o masie do 630 t z V max = 125 km/h. Charakterystykę trakcyjną lokomotywy przedstawiono na rysunku 1. Podstawowe parametry lokomotywy po modernizacji Układ osi C o -C o Zasilanie prąd stały 3 kv +0,6 kv, 1,0 kv Moc ciągła/godzinna 3000/3120 kw Siła pociągowa ciągła/godzinna 212/224 kn rozruchowa 294 kn Prędkość maksymalna 125 km/h Typ silnika EE 541b System sterowania mikroprocesorowy Rys. 2. Wymiary lokomotywy 34

3 Napięcie rozrządu Źródło pomocnicze prądu 110 V DC przetwornica statyczna, bateria akumulatorów zasadowa typ 72xFNC 142MR o pojemności 80 Ah Masa lokomotywy 118 Mg Nacisk zestawu kołowego na tor 193 kn. Podstawowe wymiary przedstawiono na rysunku 2. Rys. 3. Rozmieszczenie maszyn i urządzeń w lokomotywie 1 silnik trakcyjny, 2 przedział WN, 3 oporniki rozruchowe, 4 skrzynia z bateriami akumulatorów, 5 bocznik indukcyjny, 6 przetwornica statyczna, 7 wentylator silników trakcyjnych, 8 agregator sprężarkowy główny, 9 tablica pneumatyczna, 10 kontener pneumatyczny, 11 zbiorniki powietrza, 12 elektromagnes SHP, 13 szafki w kabinie maszynisty, 14 pulpit maszynisty, 15 fotel maszynisty, 16 odbierak prądu, 17 piasecznica, 18 żaluzje wlotowe oporników rozruchowych, 19 żaluzje wylotowe oporników rozruchowych, 20 żaluzje wlotowe do wentylatorów silników trakcyjnych, 21 szafy elektryczne TK1 i TK2, 22 szafy elektryczne NN, 23 układ akumulatorów hydraulicznych układu dociążenia zestawów kołowych, 24 kanał wylotowy z układu sprężarek głównych, 25 blokada przedziału WN, 26 zbiornik oleju układu smarowania obrzeży kół, 27 drzwi wejściowe do przedziału WN, 28 drzwi wejściowe do przedziału oporników rozruchowych, 29 lusterko boczne, 30 oświetlenie zewnętrzne (reflektor dolny i lampa sygnałowa), 31 oświetlenie zewnętrzne (reflektor górny), 32 sygnał akustyczny, 33 wlot powietrza do klimatyzatora, 34 wycieraczki szyb czołowych, 35 urządzenia pociągowo-zderzne, 36 sprzęg grzewczy, 37 wózek trakcyjny technika Zakres prac modernizacyjnych Rozmieszczenie urządzeń Ze względu na szeroki zakres wymiany urządzeń zarówno w układach elektrycznych, jak i mechanicznych konieczne było opracowanie nowej aranżacji wnętrza i rozmieszczenia maszyn i urządzeń w zmodernizowanej lokomotywie, co przedstawiono na rysunku 3. 35

4 Zmiany w układach elektrycznych Obwód główny przy zachowaniu starych odbieraków prądu zastosowano nowoczesny krajowy wyłącznik szybki typ DCL-W, ochronnik przeciwprzepięciowy, silniki trakcyjne z klasą izolacji H i obrotowymi szczotkotrzymaczami, elektroniczne układy pomiarowe oraz nowoczesne styczniki wysokonapięciowe (ogólny schemat obwodu głównego przedstawiono w [1]). Obwody pomocnicze wprowadzono przetwornicę statyczną z napięciem wyjściowym 110 V DC (5 kw) i V AC (75 kva), silniki wentylatorów silników trakcyjnych, maszyny klimatyzatora oraz silniki sprężarek na prąd przemienny, a pozostałe urządzenia pomocnicze, niektóre sterujące, napęd sprężarki odbieraka prądu na prąd stały. Do zasilania sterowników mikroprocesorowych w układach oświetleniowych i drobnych odbiorach pomocniczych zastosowano indywidualne zasilacze 110 V/ /24 V DC. Obwody sterowania i diagnostyki wykonane zostały w technice mikroprocesorowej, z wykorzystaniem sterownika centralnego i sterowników głównych zespołów i układów. System diagnostyki identyfikuje niesprawności, pomaga obsłudze w sytuacjach awaryjnych oraz zbiera informacje dla późniejszych prac obsługowo- -naprawczych. System sterowania zarządza, uruchamia, steruje, przetwarza i koordynuje właściwą pracę wszystkich układów lokomotywy oraz jej głównych urządzeń. Wszystkie parametry pracy są dostępne w sposób bezpośredni lub pośredni na monitorach umieszczonych na pulpitach sterujących w każdej kabinie. Schemat blokowy układu sterowania przedstawiono na rysunku 4. Poważnym zadaniem podczas realizacji projektu modernizacji lokomotywy było opracowanie wstępnego projektu systemu sterowania obejmującego konfigurację sprzętową, a następnie szczegółowych i kompletnych algorytmów sterowania oraz diagnozowania napędu głównego i urządzeń pomocniczych całej lokomotywy. W ramach tego jednym z trudniejszych zadań było opracowanie układu przeciwpoślizgowego dla rozruchu i hamowania lokomotywy oraz jazdy z prędkością zadaną. Zadanie to zostało wykonane w całości przez IPS Tabor. Praca wymagała dużej wiedzy z zakresu teorii trakcji, elektrycznych napędów trakcyjnych, teorii hamowania oraz budowy i parametrów elementów systemów hamulcowych, aparatów elektrycznych, elektroniki i informatyki. Dla zobrazowania trudności materii, z jaką zmierzyli się specjaliści IPS Tabor, na rysunku 5 przedstawiono część grafu algorytmu wyboru wartości prądu rozruchu, jednego z dziesiątków podobnych algorytmów, których pełna dokumentacja rysunkowa i opisowa zawarta jest w kilkusetstronicowym opracowaniu [3]. W zaprezentowanym na rysunku algorytmie zastosowano następujące oznaczenia: Irozr prąd rozruchowy; I wartość o którą jest zwiększany Irozr; fl_zm_rozr flaga zmiennego rozruchu, gdy był realizowany wybieg lub zdjęcie napędu (1 zezwolenie na zmienny rozruch); fl_zm_imax flaga umożliwiająca przypisanie Imax wartości prądu rozruchowego (1 zezwolenie na przypisanie); fl_zm_irozr flaga blokująca możliwość zmiany wartości Irozr; fl_t_zm flaga blokująca uruchomienie timera T_zm; fl_trozr flaga blokująca uruchomienie timera T_rozr; T_rozr maksymalny czas zmian wartości Irozr, po jego upłynięciu fl_zm_imax = 0; T_zm czas, po którym możliwe jest zwiększenie I rozr o I, po sprawdzeniu przyspieszenia. Przytoczony algorytm ma za zadanie zmieniać skokowo wartość prądu I max w zakresie od 0 do I ref ze skokiem wynoszącym I (wstępnie przyjęto 110 A). Przy pierwszym przejściu przez algorytm zmienna pomocnicza I rozr przyjmuje wartość I. Dalsze zwiększanie wartości I rozr o I odbywa się co czas T_zm (wstępnie przyjęto 1 s) po uprzednim sprawdzeniu czy wartość przyspieszenia a < 0,05. Maksymalny czas rozruchu wynosi T_rozr (wstępnie przyjęto 10 s). Po przekroczeniu przez zmienną I rozr wartości 500 algorytm przypisuje zmiennej I max wartość I ref. Algorytmy realizowane są przez sterownik główny lokomotywy i sterownik pomiarowy, a algorytmy sterownika jazdy uproszczonej przez sterownik jazdy uproszczonej. Poglądowe przebiegi sygnałów związanych z omawianym algorytmem przedstawiono na rysunku 6. Rys. 4. Schemat blokowy układu sterowania Zmiany w układach mechanicznych Nadwozie konstrukcja pudła i ostoi pozostały bez zasadniczych zmian. Zmiany dostosowawcze wyniknęły z modyfikacji oświetlenia zewnętrznego, wprowadzenia jednych drzwi zewnętrznych po każdej stronie, modyfikacji układów wentylacyjnych i wprowadzenia klimatyzatorów, rozmieszczenia nowych zespołów i urządzeń w przedziałach maszynowych oraz przedziale wysokonapięciowym. Kabina sterownicza wykonano pełną modernizację obejmującą nowy układ pulpit-fotel, nową izolację termiczną i akustyczną, nowe wyłożenia ścian, sufitu i podłogi, szyby elektrogrzejne z wycieraczkami i spryskiwaczami o napędzie elektrycznym, układ klimatyzacji i dogrzewania, urządzenia związane z bezpieczeństwem ruchu oraz urządzenie socjalne (rozmieszczenie urządzeń na pulpicie przedstawiono na rysuku 7). Nowością w stosunku do innych polskich lokomotyw jest zastosowanie nastawnika jazdy, i to tylko jednego, do wyboru prędkości zadanej. Wybór prądu odbywa się samoczynnie w układzie sterowania (rys. 5) według 36

5 Rys. 5. Część grafu algorytmu wyboru prądu rozruchu 37

6 zasady maksymalnego dla istniejących warunków przyspieszenia. Zwraca też uwagę zabudowa panela operatorskiego na środku pulpitu. Układy biegowe zachowanie w znacznej części wózka oraz układów: przeniesienia sił wzdłużnych, napędu i zestawu kołowego. W pozostałych zespołach pełna modernizacja obejmująca usprężynowania pierwszego stopnia i prowadzenia zestawów kołowych, łożyskowania maźnic, układ oparcia nadwozia na wózkach, układ stabilizacji pionowych nacisków kół przy działających siłach pociągowych oraz układ smarowania olejowego obrzeży kół (ogólne zestawienie zmodernizowanego wózka rys. 8). Układ pneumatyczny i hamulec pełna modernizacja przy zachowaniu hamulca klockowego na wózkach. Modernizacja układu objęła wprowadzenie nowoczesnego kontenera pneumatycznego, w skład którego wchodzą: tablica pneumatyczna, sprężarki główne i pomocnicze, osuszacz, zbiorniki powietrza hamulca postojowego typu sprężynowego oraz manipulatora hamulca głównego pomocniczego i bezpieczeństwa. Orurowanie wykonano z rur i złączek ze stali nierdzewnej (uproszczony schemat układu pneumatycznego rys. 9, kontener systemu pneumatycznego fot. 2). Niezależnie od przedstawionego ogólnego zakresu modernizacji głównych układów lokomotywa wyposażona została w wiele nowych i zmodyfikowanych aparatów, urządzeń i układów, takich jak np.: układ oświetlenia wewnętrznego, układ blokad przedziału wysokonapięciowego, układ sygnalizacji pożaru, nową kolorystykę zewnętrzną i wewnętrzną itd. [2]. Rys. 6. Przebiegi sygnałów w algorytmie wyboru prądu rozruchu Podsumowanie Prezentowana konstrukcja zmodernizowanej lokomotywy oraz jej główne zespoły i układy zostaną poddane szczegółowym próbom i badaniom stanowiskowym, ruchowym oraz 6-miesięcznej eksploatacji nadzorowanej. Przewiduje się, że pojazd ten będzie jeszcze eksploatowany z powodzeniem przez następne 25 lat, co da wymierne korzyści ekonomiczne. Projektanci, producent oraz użytkownik mają przekonanie, że w wyniku modernizacji: wydłuży się co najmniej o 500 tys. km przebieg lokomotywy do naprawy głównej, zmniejszy się o około 20% liczba wykonywanych przeglądów i napraw, zmniejszy się o około 30% koszt i czas przebywania lokomotywy na przeglądach i w naprawach, poprawią się warunki pracy obsługi (wielkość niewymierna). Rys. 7. Rozmieszczenie urządzeń na pulpicie sterującym 1 konsola pulpitu maszynisty, 2 panel czołowy, 3 panel przełączników lewy, 4 panel manometrów, 5 panel boczny prawy, 6 panel sterujący prawy, 7 panel sterujący lewy, 8 panel radiotelefonu z konsolą operatorską Koliber, 9 hamulec bezpieczeństwa, 10 klip do rozkładu jazdy, 11 lampka pulpitowa, 12 uchwyt pod napoje, 13 kuchenka elektryczna, 14 panel sterujący klimatyzatora, 15 panel lewy 38

7 Po okresie eksploatacji obserwowanej i wprowadzeniu koniecznych modyfikacji w poszczególnych układach i zespołach, wynikających zarówno z warunków technologicznych produkcji, jak i z wniosków z eksploatacji, przewiduje się zmodernizowanie w pierwszej serii dalszych (poza prototypem) 49 lokomotyw. Wszystkie fazy projektu, tzn. koncepcje, projekty wstępne, propozycje rozwiązań wymagających uzgodnienia z użytkownikiem zostały zrealizowane przez IPS Tabor w Poznaniu i wbrew informacjom zawartym w niektórych publikacjach [4] tylko jego specjaliści mogą być uważani za autorów rozwiązań. Rys. 8. Ogólne zestawienie wózka 1 oparcie pudła na wózku, 2 układ tłumienia i odbijaków, 3 usprężynowanie I stopnia, 4 rama wózka, 5 układ smarowania obrzeży kół na wózku, 6 maźnica zestawu kołowego lewa, 7 maźnica zestawu kołowego prawa, 8 napęd elektryczny szybkościomierza, 9 urządzenie pociągowo-skrętne, 10 odgarniacz, 11 układ wieszaków zabezpieczających wózek przy podnoszeniu lokomotywy, 12 silnik trakcyjny, 13 układ rur piaskowych na wózku, 14 układ hamulca na wózku, 15 układ napędu zestawu kołowego, 16 zestaw kołowy skrajny, 17 zestaw kołowy środkowy, 18 krzyżak napędowy, 19 osłona przekładni zębatej, 20 drążony wał napędny, 21 cięgło napędu, 22 szczotka uziemiająca maźnicy 39

8 Rys. 9. Schemat układu pneumatycznego lokomotywy 1 kontener aparatury pneumatycznej, 2 zbiornik powietrza 500 dcm 3, 3 zbiornik powietrza 40 dcm 3, 4 zawór upustowy urządzenia przeciwpoślizgowego, 5 zawór hamulca bezp. DN25 ze wspornikiem, 6 zespół zaworów syren, 7 manometr zbiornika zasilającego, 8 manometr przewodu głównego, 9 manometr cylindra hamulcowego, 10 wskaźnik stanu zahamowania, 11 kurek trójdrogowy, 12 syrena pneumatyczna niskotonowa, 13 syrena pneumatyczna wysokotonowa, 14 kurek końcowy prawy, 15 kurek końcowy lewy, 16 sprzęg hamulcowy przewodu głównego G, 17 sprzęg hamulcowy przewodu zasilającego Z Na zakończenie należy podkreślić, że cały uruchomiony przez użytkownika proces modernizacji lokomotywy został wykonany siłami własnymi polskiej nauki i przemysłu. Literatura [1] Durzyński Z., Marciniak Z.: Propozycje modernizacji lokomotywy ET22. Prace Naukowe Instytutu Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Wrocławskiej. Zeszyt nr 86. Konferencje, [2] Dokumentacja techniczno-ruchowa zmodernizowanej lokomotywy elektrycznej typu 201 Em serii ET22. IPS Tabor opracowanie 201Em , Poznań [3] Algorytmy sterowania dla lokomotywy ET22. IPS Tabor opracowanie OR-8497/2, Poznań [4] Gosk W.: Dostosowana do potrzeb. Przyjazna dla maszynisty. Modernizacja ET22. Tygodnik Kolejarza nr 9 i 10 z 27.06/ Fot. 2. Kontener systemu pneumatycznego Autorzy dr inż. Zbigniew Durzyński dr inż. Zygmunt Marciniak Instytut Pojazdów Szynowych Tabor Poznań 40