OBLICZENIA HAMULCA WÓZKA TRAMWAJOWEGO CALCULATIONS OF THE TRAM BOGIE BRAKE

Transkrypt

1 TADEUSZ PIECHOWIAK * OBLICZENIA HAMULCA WÓZKA TRAMWAJOWEGO CALCULATIONS OF THE TRAM BOGIE BRAKE Streszczenie Abstract Skonstruowany pod kierunkiem Politechniki Poznańskiej nowy wózek tramwajowy dla toru o prześwicie 1000 mm wymagał również zaprojektowania układu hamulcowego. Jest to klasyczny układ hamulcowy tramwaju, należało jednak dokonać obliczeń jego mocy na podstawie aktualnych przepisów, dla stwierdzenia zgodności z normami. Artykuł został przedstawiony w ramach realizacji projektu rozwojowego N R , realizowanego na Politechnice Poznańskiej [1] i firmie Modertrans, współfinansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Słowa kluczowe: tramwaj, hamulce Constructed under management of Poznań University of Technology tram bogie for 1000 mm track required designing of the brake. It is classic tram brake system, but the brake power calculations of the actual regulations have to be performed for state conformity with actual standards The papier was realized in the Poznań University of Technology and Modertrans firm in the frame of research project N R co financed of The National Center of Research and Development. Keywords: tram car, brake * Dr hab. inż. Tadeusz Piechowiak, Instytut Silników Spalinowych i Transportu, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Politechnika Poznańska.

2 224 t e t c t 10 (90) a e a µ s v 0 v 1 m P Oznaczenia ekwiwalentny czas odpowiedzi do uruchomienia hamowania [s] całkowity czas hamowania czasy do 10% (lub 90%) wartości siły hamowania ekwiwalentna stała wartość opóźnienia hamowania opóźnienie hamowania na umownej granicy przyczepności droga hamowania [m] prędkość początku hamowania [m/s] prędkość maksymalna umownej granicy przyczepności masa pojazdu moc hamownia 1. Wstęp Wózek tramwajowy dla toru o prześwicie 1000 mm jest propozycją modernizacji wózków tramwaju serii 805 (105N) w miastach o tej szerokości toru, w celu przedłużenia żywotności tego taboru i polepszenia właściwości biegowych i eksploatacyjnych. Wózek cechuje się wieloma nowocześniejszymi rozwiązaniami, w porównaniu z klasycznymi wózkami tramwaju 805. Hamulce proponowanego wózka są takie same jak w tramwaju typu 805, należało jednak zweryfikować ich nastawy z wymaganiami danymi w aktualnych normach. Hamowanie analizowanego typu wózka może być realizowane: hamulcem elektrodynamicznym wykorzystującym silniki trakcyjne przestawione na pracę prądnicową, hamulcem ciernym bębnowym mocowanym na wałach silników, hamulcem ciernym szynowym. Sterowanie jazdą tramwaju odbywa się nastawnikiem jazdy zwanym rozrusznikiem. Służy on zarówno do sterowania jazdą, jak i hamowaniem i wybiegiem. Hamowanie pojazdu sterowane jest z założenia pozycjami rozrusznika (hamowanie elektrodynamiczne). Hamowanie hamulcami bębnowymi sterowane luzownikiem dokonywane jest automatycznie tylko przy niewielkich prędkościach jazdy (poniżej 5 km/h) z powodu zmniejszającej się siły hamowania elektrodynamicznego. Hamulec bębnowy nie pobiera prądu w stanie zahamowanym (docisk hamulca siłą sprężyny) i służy równocześnie jako hamulec postojowy. Uruchamiany jest również przy dezaktywacji czuwaka. Hamulec szynowy cierny służy jako dodatkowy hamulec do hamowania nagłego. Uruchamiany jest on np. w końcowych pozycjach hamowania rozrusznikiem lub po dezaktywacji czuwaka. Służy on zatem jako hamulec dodatkowy przy hamowaniu nagłym.

3 2. Normy dotyczące hamowania tramwajów Norma europejska EN Normą europejską dotyczącą wymagań hamowności pojazdów transportu miejskiego jest EN [2] wprowadzona w 2003 roku. Dotyczy ona tramwajów, metra, pojazdów podmiejskich i lekkich kolei. W transporcie miejskim, podobnie jak w pociągach kolejowych, pociągiem określa się skład poruszających się wspólnie pojazdów, chociaż w tym przypadku może to być np. tramwaj. Pociągi, których dotyczy norma są w większości przypadków prowadzone widocznością prowadzącego, w odróżnieniu od pojazdów kolejowych prowadzonych sygnalizacją. Norma rozróżnia różne rodzaje hamowań, m.in.: hamowania służbowe, hamowanie nagłe, hamowanie bezpieczeństwa, hamowanie unieruchamiające, hamowanie utrzymujące zatrzymany pociąg, hamowanie postojowe. W normie rozróżniane jest hamowanie nagłe od hamowania bezpieczeństwa. W hamowaniu nagłym celem jest maksymalne bezpieczeństwo pasażerów, obsługi i osób postronnych, w hamowaniu bezpieczeństwa celem jest zwiększona pewność hamowania, hamulec może mieć mniejszą moc niż dla hamowania nagłego lub służbowego. Rozróżniane są również różne rodzaje hamowania stojącego pociągu. Hamowanie unieruchamiające utrzymuje zatrzymany pociąg z pasażerami w wymaganym czasie, hamowanie postojowe natomiast polega na utrzymaniu trwale nieruchomo pociągu na torze nachylonym. Wynikać z tego mogą różne systemy hamowania stojącego pociągu. W przypadku wózków tramwaju 105N nie ma tak dużego zróżnicowania układów hamulcowych, gdyż hamulec unieruchamiający jest jednocześnie hamulcem postojowym. Hamowność pociągu w transporcie miejskim określana jest ogólnie średnim opóźnieniem hamowania. Zakres rzeczywistych przyspieszeń jest wstępnie podzielony jest na 3 przedziały: opóźnienia uruchomienia hamowania oznaczonego t 10 narastania przyspieszenia opóźnienia (między t 10 i t 90 ) stałej wartości opóźniania hamowania (pełnego hamowania) poza t 90 (rys. 1). Następnie czas hamowania uśredniany jest na dwa przedziały: do t e, poza t e zakres o stałej wartości opóźnienia hamowania a e. Droga hamowania dla przyjętego w uproszczeniu modelu hamowania ma postać: 2 v0 s = v0 te + 2a e (1)

4 226 Dzieli ona hamowania nagłe na sposoby tego typu hamowań: hamowanie nagłe 1 wywołane czuwakiem, hamowanie nagłe 2 wywołane alarmem pasażera, hamowanie nagłe 3 uruchamiane przez prowadzącego pociąg sterowaniem hamowania, hamowanie nagłe 4 uruchamiane przez upoważnioną osobę z innego miejsca niż sterowanie hamowania. Wskazuje się, że stosując zwrot hamowanie nagłe, należy podawać typ tego hamowania zgodnie z powyższą nomenklaturą. EN analizuje hamowność pociągu dla hamowania nagłego dla stanów: próżny do brutto z pasażerami siedzącymi i 4 pasażerami stojącymi na m 2 ważącymi po 75 kg (tabela 1). Rys. 1. Rzeczywista i uproszczona zależność opóźnienia pociągu od czasu [1] Fig. 1. Real and simplificated dependence of train retardation in time [1] Norma wyszczególnia 4 rodzaje pociągów, w referacie przedstawiono jedynie parametry liczbowe dotyczące hamowania tramwajów. Norma określa z jednej strony minimalne żądane wartości, ale z drugiej strony także wartości maksymalne ze względu na bezpieczeństwo i komfort pasażerów. Wartości maksymalne są opisane maksymalnym opóźnieniem i maksymalnym szarpnięciem, czyli prędkością narastania siły hamowania mierzoną w m/s 3. Są one na tyle duże, że nie chodzi tu o rzeczywisty komfort, raczej by pasażerowie nie poprzewracali się lub nie doznali uszkodzeń ciała. Dla wózka przedstawionego tramwaju czas do uruchomienia hamulca tramwaju jest bardzo mały, równy przestawieniu styków elektrycznych rozrusznika, czyli czas t 10 uruchomienia hamulca w przypadku tramwaju sterowanego elektromechanicznie można pominąć. Czas narastania siły hamowania jest również niewielki (hamowanie sterowane elektrycznie) i ma niewielki wpływ na średnie przyspieszenie hamowania, natomiast bardziej istotne staje się przedstawione wcześniej szarpnięcie.

5 227 Tabela 1 Minimalne i maksymalne wartości hamowania uruchamiane przez prowadzącego tramwaj Rodzaj transportu Hamowanie służbowe Hamowanie nagłe 1 Hamowanie nagłe 3 Hamowanie minimalne nagłe minimalne ekwiwalentne opóźnienie [m/s 2 ] maksymalny czas odpowiedzi t e [s] Hamowanie maksymalne maksymalne chwilowe opóźnienie [m/s 2 ] maksymalne średnie szarpnięcie [m/s 3 ] do 1,2 1,5 2 1,5 1,2 1,5 2,5 4 2,8 0, Przypadki hamowania nagłego 1 i 3 dla analizowanego tramwaju są tożsame Norma krajowa Krajowym odnośnikiem mocy hamowania są przepisy zawarte w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury nr 343 z dnia 28 stycznia 2011 lub 344 z dnia 2 marca 2011 r. [3, 4]. Pomimo że cytowane Rozporządzenia są nowsze niż EN , opierają się one na kryteriach krajowych sprzed 10 lat. Norma krajowa zakłada próby hamowania: tramwaju nieobciążonego, jazdę z ustalonej prędkości 30 km/h. W normie krajowej kryteriami hamowności są droga hamowania i średnie opóźnienie tramwaju. Ponieważ wartości te korelują ze sobą, wybrano przyspieszenie jako odpowiadające normie europejskiej. W tabeli 2 przedstawiono wybrane parametry liczbowe z omawianych rozporządzeń. Tabela 2 Minimalne parametry hamowania tramwajów wyprodukowanych po 1 stycznia 2005 r. dla hamowania wagonu próżnego z prędkości 30 km/h Hamowanie Droga hamowania [m] Opóźnienie hamowania [m/s 2 ] Nagłe 11,5 3,0 Robocze lub awaryjne 24,8 1,4 Bezpieczeństwa 19,3 1,8

6 Określenie hamowności tramwaju 105N z nowymi wózkami W niniejszej publikacji przeanalizowano hamowność tramwaju w porównaniu z normą europejską i krajową. Przyjęto następujące masy tramwaju: masa wózka 4000 kg, masa pudła 8800 kg, łączna masa tramwaju próżnego kg, masa pojazdu brutto ok kg. Jako masę brutto przyjęto masę podawaną przez producenta, zamiast obciążenia 4 osoby/m 2 wg EN , ponieważ przyspieszenie wagonu obciążonego nie stanowi wartości krytycznej. Układ hamulcowy przedstawianego wózka posiada mniej wariantów hamowania niż przedstawione w normie EN , ale spełnione są wymagania wszystkich wariantów hamowania. Hamowanie nagłe uruchamia wszystkie rodzaje hamulców. Zakłada się, że przy dezaktywacji (puszczeniu pedału) czuwaka hamulec bębnowy jest uruchomiony od prędkości 30 km/h. Głównym hamulcem tego tramwaju jest hamulec elektrodynamiczny wykorzystujący silniki trakcyjne pracujące w trybie prądnicowym. Wytwarzają one siłę hamowania w pierwszym przybliżeniu odwrotnie proporcjonalną do chwilowej prędkości jazdy, a dla mniejszych prędkości jazdy ograniczoną przyczepnością koło szyna. W hamowaniu elektrodynamicznym moc hamowania równa jest w przybliżeniu mocy silników elektrycznych. Ta moc silnika elektrycznego nie jest jednoznaczna, gdyż wyróżnić można moc ciągłą i moc chwilową. Moc ciągła wynika głównie z ograniczenia nagrzewaniem i jest odnośnikiem dla celów trakcyjnych. Ponieważ nie było ściślejszych danych dotyczących nagrzewania silników, wybrano bardziej niekorzystny wariant, gdy silniki osiągnęły wcześniej temperaturę maksymalną, moc hamowania będzie teoretycznie równa ciągłej mocy znamionowej silnika. Przewidziane silniki tramwaju to alternatywnie: silnik prądu stałego LTd 220 o mocy ciągłej 41,5 kw lub silnik prądu zmiennego STDa 200-L4 o mocy ciągłej 50 kw. Dla prędkości 30 km/h i przy średnim współczynniku przyczepności 0,25 (przyjętym dla szyn suchych), siła hamowania silników elektrycznych będzie ograniczona przyczepnością do wartości N 0,25 = N, co równocześnie będzie dawało opóźnienie tramwaju w tym zakresie równe 2,5 m/s 2. Podana wartość siły hamowania jest bardzo zbliżona do siły hamowania tego tramwaju (ograniczonej przyczepnością) daną w [4]. Wykres przebiegu opóźnienia od 30 km/h z silnikami LTd 220 przedstawiono na rys. 2. Dokonując operacji matematycznych: całkując obustronnie, otrzyma się: dv dt = = ( v m dv)/ P (2) a t c v 1 m = P vdv + a dv v0 0 1 v1 µ (3)

7 229 P gdzie v1 =. N aµ Po całkowaniu w obu obszarach otrzyma się sumaryczny czas hamowania: t c = 3,24 + 1,58 = 4,82 Średnie opóźnienie hamowania elektrodynamicznego wyniesie: a = v/t c = 1,85 m/s 2 Rys. 2. Opóźnienie hamowania tramwaju hamulcem elektrodynamicznym Fig. 2. Tram braking retardation of the electrodynamic brake Elektromagnetyczny hamulec szynowy stanowią dwa elektromagnesy prądu stałego zawieszone na korpusach łożysk osiowych. Elektromagnesy te po wzbudzeniu na skutek działania sił magnetycznych przywierają do szyn, powodując powstanie siły hamującej. Hamulec szynowy elektromagnetyczny HS-6/40 firmy APAREL posiada znamionową siłę docisku hamulca N. Przy działających 4 hamulcach siła ta osiąga N. Przyjęto średnią wartość współczynnika tarcia µ = 0,2. Jest to wartość mniejsza niż współczynnik przyczepności, gdyż prędkość poślizgu hamulca jest równa prędkości jazdy. Przy masie tramwaju tara równej kg i średnim współczynniku tarcia 0,2 daje to nominalne opóźnienie hamowania tym hamulcem 2,86 m/s 2.

8 230 Rys. 3. Hamulec szynowy HS-6/40 firmy APAREL [5] Fig. 3. Rail brake HS-6/40 of the APAREL firm [5] Hamulec bębnowy pracuje na wale napędowym i poprzez przekładnię przykołową działa na zestaw kołowy. Przekładnia ta ma przełożenie 7,17:1, co powoduje, że hamulec bębnowy cechuje się znaczną skutecznością. Cięgło luzownika może oddziaływać z nominalną siłą 687 N na układ dźwigniowy, a następnie na krzywkę. Ponieważ aktualna średnica działania krzywki zmienia się, można ją jedynie oszacować. Wzmocnienie siły cięgła działającej przez dźwignię i krzywkę wynosi ok. 6,5. Pomija się niewielki kąt działania siły rozpychającej dźwignie wywołany krzywizną krzywki. W dalszym ciągu siła przekazywana jest przez dźwignię dwustronną symetryczną zmieniającą zwrot siły bez jej wzmocnienia. Po przeliczeniach wszystkich dźwigni hamulcowych wartość siły docisku szczęk hamulca można przyjąć jako równą 4465 N. Przy współczynniku tarcia 0,2 moment hamowania na średnicy bębna Φ280 mm osiąga wartość ,2 0,28 = 250 Nm. Moment ten na zestawie kołowym osiągnie wartość 250 7,17 = 1793 Nm, dając siłę hamującą przypadającą na zestaw kołowy (Φ 700 mm) od jednego hamulca 1793 Nm/0,35 m = 5122 N. Siła hamowania 4 hamulców bębnowych jednego wagonu osiąga ok N, co daje opóźnienie hamowania tramwaju próżnego 1,22 m/s 2. Łączne opóźnienie wagonu próżnego dla maksymalnego trybu hamowania nagłego może osiągnąć teoretycznie 1,85 + 2,86 + 1,22 = 5,93 m/s 2, a wagonu załadowanego 3,83 m/s 2. Warunek ten zachodzi jedynie przy zwolnionym czuwaku. W powyższym skrajnym przypadku sumowano siłę hamulca elektrodynamicznego i szczękowego, działających przez układ koło szyna, wywołane nimi łączne opóźnienie przyjęto dla szyn suchych czystych. Dla bardzo niewielkich prędkości jazdy wzrasta normalnie współczynnik przyczepności, czego nie uwzględniono we wcześniejszych rozważaniach. Łączne opóźnienie tramwaju dla hamowania nagłego uruchamianego tzw. rozrusznikiem bez zwolnienia czuwaka nie będzie tak duże, gdyż hamowanie hamulca bębnowego uruchomi się jedynie dla niewielkich prędkości jazdy, gdy efektywność hamowania dynamicznego zmaleje. Zakładając, że hamulec bębnowy zrekompensuje jedynie spadek przyspieszenia hamowania elektrodynamicznego (pomijając niewielkie zróżnicowania przyspieszeń), otrzyma się przyspieszenie hamowania nagłego tramwaju próżnego równe 1,85 + 2,86 = 4, 71 m/s 2. Wagon pełny pozwala uzyskać opóźnienie 3,04 m/s 2, dla obciążenia maksymalnego większego niż wymagane normą. Reasumując opóźnienie wagonu tramwaju spełniać będzie również minimalne warunki aktualnej normy europejskiej (EN ), nie będą również przekroczone wartości maksymalnych opóźnień.

9 231 Rys. 4. Hamulec bębnowy tramwaju Fig. 4. Tram drum brake Odrębną kwestią są maksymalne wartości szarpnięć dane w normie EN Wydaje się, że wartości nie będą przekroczone, gdyż uruchamianie hamulca szynowego związane jest z pewną zwłoką czasową, a wystarczy, że proces hamowania o opóźnieniu 3 m/s 2 narasta wolniej niż ok. 0,4 s, by spełnić wymagane maksymalne 8 m/s 3. Wartości te zależą od sterowania hamulcem, co nie leży w gestii konstrukcji wózka tramwajowego. 4. Wnioski Przedstawiony przykład analiz hamowności (wózka) tramwaju wskazuje, że analizy takie, opierające się na danych konstrukcyjnych, są jedyne przybliżone. Są jednak konieczne w celu potwierdzenia wymagań danych normami. Aby uzyskać wartości rzeczywiste, niezbędne są próby eksperymentalne i uwzględnienie charakterystyk opóźnień układu sterowania. Literatura [1] Opis techniczny wózków napędnych typu T01/1000 do tramwaju typu 805 N tor 1000 mm. Politechnika Poznańska, praca N R Poznań 2010 roku. [2] Norma PN-EM Kolejnictwo Hamowanie Systemy hamowania w transporcie publicznym, Część 1: Wymagania eksploatacyjne, grudzeń [3] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie zakresów, warunków, terminów i sposobów przeprowadzenia badań technicznych tramwajów nr 343 z dnia 28 stycznia 2011 (Dz.U. Nr 65). [4] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych tramwajów nr 344 z dnia 2 marca 2011 r. (Dz.U. Nr 65). [5] Giziński Z., Falownikowy układ napędowy do nowych i modernizowanych tramwajów, TTS, Nr 7 8, [6] Zakład Metalowo-Elektryczny APAREL: Materiały firmowe. [7] Zakład Aparatury Elektrycznej WOLTAN: Materiały firmowe. www. woltan.com.pl.