pof. d hab. nż. Jan Anuszczyk pof. d hab. nż. Maek Batosk pof. d hab. nż. Sławom Wak Pogam weloletn (PW) 1 KOLEJĄ W XXI WIEK System naukowego, techncznego edukacyjnego wspaca ozwoju tanspotu kolejowego (TK) zntegowanych systemów tanspotu egonalnego (TR) Stan tanspotu kolejowego w Polsce. Czynnk ozwoju tanspotu kolejowego, w tym kole dużych pędkośc. Syntetyczny ops pogamu weloletnego: cele, stuktua, zasady oganzacyjne, waunk ealzacj. Wynk ealzacj pogamu dla kaju sektoa tanspotowego. 1. Waunk statowe dla PW w Polsce 2012 1.1. Dagnoza stanu TK Kytyczna analza sytuacj w tanspoce szynowym TS, zwłaszcza kolejowym TK, zawata m. n. w pacy autoów [1], apoce XXIV Kongesu Technków Polskch [2], apoce Banku Śwatowego [3] welu nnych publkacjach, upoważna do nazwana stnejącego stanu TK manem postępującego nedoozwoju, spowodowanego weloletną kumulacją szkodlwych efektów wywołanych błędam w polskej poltyce tanspotowej. Głównym gzechem tej poltyk jest newątplwe nauszene zasady zównoważonego ozwoju tanspotu dogowego oaz kolejowego 2, co spawł weloletn, bezustanny pzemożny nacsk lobby palwowo samochodowo dogowego na wysokch szczeblach poltycznych. W mnonym pętnastolecu nakłady na tanspot dogowy wzastały śednooczne ponad 5 6 kotne szybcej nż na welokotne efektywnejszy enegetyczne tanspot kolejowy 3. Wdoczne są nespójnośc naszej poltyk tanspotowej z unjną, wskazane pzez Bank Śwatowy [3]. Bak kole dużych pędkośc KDP. Polska ne jest zdolna do właścwego wykozystywana śodków UE na ozwój kole (wykozystano ok. 4%), co welokotne było kytykowane publczne [4]. Obecny stan TK jest tego skutkem. Weloletne nedofnansowane kole spowodowało m. n.: dastyczne oganczena nwestycj odtwozenowych napaw po oku 1990, zły stan technczny stazene sę oaz dekaptalzację obektów nżyneyjnych, tabou całej nfastuktuy, nedostosowane jej do współczesnych potzeb, pogaszane sę bezpeczeństwa uchu (nsk stopeń automatyzacj uządzeń steowana, bak systemów bezpecznej kontol jazdy dla pędkośc > 160 km/h, zbyt mała lczba bezkolzyjnych skzyżowań welopozomowych z dogam etc. etc.). Tego typu baey mają badzo poważne konsekwencje dla ozwoju społecznego gospodaczego całego kaju oaz poszczególnych egonów. Duże naastające jest zóżncowane multmodalnej (w tym kolejowej) potencjałowej dostępnośc tanspotowej KDT polskch egonów względem śednej unjnej MDTE 4 Dostępność egonów zachodnch połudnowo zachodnch wyaźne kontastuje z peyfeyjnoścą egonów wschodnch północnych kaju. Mała jest ntegalność polskej pzestzen społeczno-gospodaczej. Bak możlwośc ntegacj ynków pacy pomędzy polskm metopolam. Maleje udzał polskch kole w pzewozach. Wdoczna jest postępująca depecjacja zawodów zwązanych z tanspotem szynowym TS. Rozpadło sę szkolnctwo zawodowe, bak wystaczającego zaplecza edukacyjnego na pozome wyższym śednm w tym zakese. 1 Dokument zaweający nezbędne nfomacje dla zgłaszających popozycje meytoyczne do PW KOLEJĄ W XXI WIEK oaz fomulaz zgłoszenowy, jest dostępny pzez ntenet na seweze ftp.cetans.p.lodz.pl: wpsać w wyszukwace: ftp://ftp.cetans.p.lodz.pl/; ENTER; logn: NOWY; hasło: CETNEW77; katalog: Do_pobana; Fomulaz zgłoszenowy PW. Uwaga: logn hasło wpsywać dużym lteam. 2 W mnonym 15 lecu nakłady ND na tanspot dogowy wzastały śednooczne ponad 5 6 kotne szybcej nż nakłady NK na tanspot kolejowy (dane w mln PLN): 1998 ND/NK=2269/1321=1,72; 2009 NK/ND=32357/3632=8,91; 2011 NK/ND=40253/3700=10,88; 2009/1998=5,2; 2011/1998=6,3. 1 Tanspot koleją ładunków na duże odległośc zużywa ok. 10% eneg potzebnej podczas tanspotu TIR-am. 1 Pzykładowe watośc MDTE w 2004. w egonach: waszawskm (120 140)%; katowckm (100 120)%; wschodnch śodkowego Pomoza (40-60)%; częśc mazuskego (20 40)%; pozostałych (60-80)%. 1
Paktyczne bak kady specjalstów bazy techncznej oaz wytwóczej dla nowych technolog w zakese KDP. Pogłęba sę luka kadowa w sektoze tadycyjnego TS, ocenana obecne na ok. 1500 nżyneów. [1]. Dlatego tanspot kolejowy jest obecne jednym z najsłabszych elementów gospodak, a dystans dzelący polską kolej od kole w kajach Euopy Zachodnej jest ocenany na 30 lat. 1.2. Dylematy ozwoju TK, w tym KDP Jeżel fnansowane tanspotu szynowego dogowego zostane zównoważone, a poltyka tanspotowa uspójnona z unjną, to postępujący nedoozwój tanspotu kolejowego w Polsce zostane powstzymany. Pocesy te pownny sę ozpocząć w Polsce jak najszybcej. Zasady postępowana, zalecena nne konstatacje dotyczące poltyk tanspotowej są specyzowane w znanych dokumentach unjnych, poczynając od Bałej Zelonej Ksęg oaz właścwych dyektyw KE a kończąc na pojekce ozpoządzena dotyczącego ewzj sec TEN-T [5] dokumentach zwązanych, a także polskch takch jak: Naodowe Stategczne Ramy Odnesena na lata 2007 2013, Statega Rozwoju Kaju na lata 2007 2015, Poltyka Tanspotowa Państwa na lata 2006 2025, czy też paket dokumentów zwązanych z ządowym pogamem budowy uuchomena KDP oaz ozwoju TK do 2030. [6 9]. Jakkolwek w znacznej częśc dokumenty te dotyczą szczególnej ol TK, jako jednego z głównych czynnków waunkujących możlwośc zównoważonego ozwoju egonów kaju, należy meć na uwadze szeszy poblem ozwoju całego polskego systemu tanspotu szynowego TS, w tym ne tylko kole dużych pędkośc KDP nnych polskch elementów Tanseuopejskej Sec Tanspotowej TEN - T, ale także polskch kole aglomeacyjnych KA, skojazonych z KDP multmodalnym tanspotem mejskm oaz nteegonalnym, docenając cywlzacyjne znaczene dostępnośc tanspotowej dla społecznych pocesów ntegacyjnych ozwojowych, zwłaszcza gospodaczych. Dla takego ukeunkowana polskej poltyk tanspotowej potzebne jest espektowane zasady cągłośc tej poltyk oaz wola poltyczna, by to fnansować ealzować pzez następne ponad 20 lat. Potzebne jest zaazem szeoke popace zozumene społeczne dla takej stateg ozwojowej TS, pojmowanej jako naodowy pogam oz- wojowy TS z maksymalnym udzałem polskego zaplecza edukacyjnego, badawczego, techncznego pzemysłowego, zwązanego z sektoem TS. W wynku lcznych dyskusj w śodowskach naukowych nżyneskch dzałających na zecz TS, zakończonych uchwałam apotam na XXIV Kongese Technków Polskch w maju 2011., stwedzono plną potzebę stwozena, w skal kaju, systemu wszechstonnego wspaca meytoycznego dla tak welkego pzedsęwzęca. Podjęte zostały zoganzowane pace dla wspaca naukowego, techncznego edukacyjnego potzeb ozwojowych TS. Kajowe jednostk naukowe badawcze uczestnczą obecne we współtwozenu pojektu Pogamu Weloletnego PW 5 [10], zatytułowanego Koleją w XXI wek System Naukowego, Techncznego Edukacyjnego Wspaca Rozwoju Tanspotu Kolejowego Zntegowanych Systemów Tanspotu Regonalnego. W takce oganzacj jest Konsocjum Tanspotu Szynowego KTS, powoływane dla wspólnej ealzacj PW. Jest to stuktua otwata dla wszystkch podmotów kajowych zagancznych zanteesowanych współdzałanem na zecz ozwoju TS. Oganzatoem pac nad pojektem PW oaz współtwozenem KTS jest Centum Tanspotu Szynowego CTS CETRANS 6 [11]. Zamezenem stategcznym współtwóców pojektu PW jest, by obejmował on możlwe wszechstonne ntedyscyplnane poblematykę nowoczesnego TS, umożlwając stwozene bazy badawczej edukacyjnej dla odtwozena ozwoju kady specjalstów oaz powadzena nowoczesnych, techncznych netechncznych badań naukowych, twozena technolog wdożeń nowych wyobów oaz moblzacj śodków fnansowych kajowych euopejskch dla ozwoju TS. Dalekosężne skutk oddzaływana PW pownny być odczuwalne w latach 2022 2030+. 2. Syntetyczny ops PW 2.1. Stategczne cele PW W okese ealzacj PW, planowanym na lata lata 2013 2021+, współealzatoam PW będą członkowe konsocjum tanspotu szynowego KTS nne podmoty ze sfey edukacj, nauk B+R oaz podmoty gospodacze zwązane z TS. Do stategcznych celów PW należy zalczyć: 1. Wykształcene na czas kady specjalstów dla nowych technolog w TS, w tym KDP, a w szczególnośc: zoganzowane dokształce- 5 Pogamy weloletne, ujmowane w załącznku do ustawy budżetowej, ustanawane są pzy kosztach do 100 mln PLN pzez Radę Mnstów, a pzy kosztach wyższych ustawowo. 6 Centum Tanspotu Szynowego CTS CETRANS, obecne w stadum oganzacj, jest powołane pzy Poltechnce Łódzkej, m. n. dla współealzacj PW Koleją w XXI wek oaz współoganzacj KTS. 2
ne kady naukowo dydaktycznej oaz stwozene specjalstycznej bazy naukowo dydaktycznej matealno techncznej. 2. Popawa obecnego stanu polskego tanspotu szynowego, uzyskane do 2025. systemu tanspotu szynowego w RP, w tym KDP, na śednm pozome UE. 3. Pespektywczne bezpeczeństwo tanspotu wobec goźby globalnego kyzysu palw opopochodnych [1]. 4. Maksymalzacja udzału polskej nauk polskego pzemysłu w pogame ozwoju TS. 2.2. Ramowa stuktua pojektu PW Pojekt PW, stosowne do dotychczasowych wymagań fomalnych, będze zaweał: 1. Obsza tematyczny okes ealzacj PW. 2. Pzewdywane kozyśc z ealzacj zadań PW. 3. Zakładane koszty ealzacj PW. 4. Cele PW (stategczne szczegółowe). 5. Stategczne gupy tematyczne SGT, w tym o chaakteze służb państwowych. 6. Uzasadnene ealzacj PW z udzałem Koodynatoa członków KTS (w tym chaakteystyk: dzałalnośc koodynatoa PW poszczególnych członków KTS; możlwośc kadowych, naukowo badawczych bazy matealnej KTS, umożlwające ealzację PW. 7. Spodzewane skutk ekonomczno społeczne ealzacj PW. 8. Ops systemu zaządzana PW. 9. Zasady fnansowana, plan zadanowo-fnansowy hamonogam ealzacj PW. 2.3. Oczekwane skutk uuchomena PW oaz konsocjum KTS 2.3.1. Skutk dla kaju 1. Zównoważene ozwoju egonów. 2. Wzost spójnośc społeczno gospodaczej ntegacja ynków pacy. 3. Rozwój nowych gałęz pzemysłu pacującego na zecz TS. 4. Oganczene bezoboca. 5. Rozwój ntedyscyplnanych badań na zecz gospodak. 6. Nowe dee technologe użytkowana eneg elektycznej. 7. Racjonalzacja zużyca eneg. 8. Wzost bezpeczeństwa enegetycznego kaju. 9. Zwększene bezpeczeństwa tanspotu. 10. Popawa ochony śodowska. 2.3.2. Skutk dla sektoa TS 1. Rozwój nowych dzedzn TS w Polsce oaz współpacy mędzynaodowej. 2. Integacja śodowska TS wokół welkego celu. 3. Wejśce do 7. PR (2007/13) oaz 8. PR (od 2014) dla wykozystana śodków UE. 4. Rozwój zaawansowanych technolog dla TS. 5. Rozwój ntedyscyplnanych badań dla TS. 6. Skoodynowany ozwój enegooszczędnych technolog w TS. 7. Upowszechnene zasobnkowych systemów zaslana w TS. 8. Rekupeacja eneg elektycznej w TS. 2.4. Ogólne zasady oganzacyjne PW Podstawowe zasady oganzacj PW zostały pzedstawone na ys 1 5. Rys. 1. Pojektowana stuktua PW. 3
Pzykłady stategcznych gup tematycznych SGT (wg dotychczasowych popozycj): 1. Mnmalzacja oddzaływań śodowskowych tanspotu szynowego. 2. Racjonalzacja zużyca obnżka kosztów eneg elektycznej w tanspoce szynowym. 3. Rozwój ntelgentnych systemów tanspotowych. 4. Rozwój polskego systemu kole dużych pędkośc KDP jako składnka sec TEN T. 5. Rozwój zasobnkowych technk zaslana enegą elektyczną systemów śodków TS. 6. Rozwój zntegowanych systemów egonalnych kole aglomeacyjnych tanspotu ntemodalnego. 7. Śodk tanspotu elementy systemów eksploatacj kole dużych pędkośc zntegowanych systemów tanspotu egonalnego. Rys. 2. Pojektowana stuktua zaządzana PW. Oznaczena jak na ys. 1. Rys. 3. Pzykładowy fomulaz zgłoszenowy hamonogamu PW. Oznaczena jak na ys. 1. 4
Rys. 4. Pzykładowy fomulaz zgłoszenowy SGT. Oznaczena jak na ys. 1. Rys. 5. Pzykładowy fomulaz zgłoszenowy PZ lub PP. Oznaczena jak na ys. 1. Pzedstawony na ys. 1 PW ma stuktuę heachczną, złożoną z okeślonej lczby SGT koodynowanych pzez jednostk wodące K1 n. SGT będą ealzowane za pomocą PZ lub PP ustanawanych metodą konkusową keowanych bezpośedno pzez K1 n, lub podzlecanych nnym jednostkom powadzącym. PZ PP będą ealzowane za pomocą ZB ZP ustanawanych popzez konkusy otwate. Popozycje mogą być zgłaszane tójstopnowo: do SGT, do PZ lub PP oaz do ZB lub ZP, tylko z zakesu zwązanych z TS dyscypln techncznych lub netechncznych (np. wybanych nauk techncznych, ekonomk, logstyk, bezpeczeństwa, ekolog etc.). Dostęp dogą ntenetową do pełnych mateałów nfomacyjnych fomulazy zgłoszenowych do PW, zameszczonych na seweze ftp, jest podany w pzypse 1 na st. 1. Lczba popozycj zgłaszanych do ww. gup ne jest lmtowana na obecnym etape pac. Załącznk 1 3 wg ys. 3 5 muszą być odębne dla każdego SGT, PZ, PP, ZB, ZP. Deklaacje wol możlwośc spawowana funkcj koodynacyjnych (na szczeblu SGT lub PZ) mogą składać wyłączne osoby pawne. Ne powoduje to żadnych zobowązań pawnych lub fnansowych. 5
Pod pojęcem ww osób pawnych należy ozumeć zwązanych z TS: pacodawców (tj. ogana, agendy nne nstytucje ządowe lub samoządowe, jednostk naukowe, podmoty gospodacze oaz stowazyszena nne oganzacje pozaządowe etc.). Waunkem uczestnctwa w pzedsęwzęcu zagancznych osób pawnych lub fzycznych, jest ch dzałalność w zakese TS na teene RP oaz współpaca z polską osobą pawną, któa wystąp ze stosownym wnoskem w pzedmotowej spawe. Fomulaze, któych pzykłady podano na ys. 3 5, stanową poufną dogę komunkacj, umożlwającą osobom pawnym fzycznym, kajowym lub zagancznym, zwązanym z sektoem tanspotu szynowego TS, zgłaszane meytoycznych popozycj do PW w celu pzygotowana jego pojektu pzez zespół edakcyjny PŁ - CTS CETRANS. Fomulaze ne powodują zobowązań pawnych lub fnansowych. Stanową deklaację wol możlwośc współpacy nad pojektem PW. Zawate w nch dane o Zgłaszających są pzeznaczone do użytku służbowego zwązanego z PW oaz chonone na zasadach ogólnych. Pojekt wstępny PW zostane pzedstawony do dyskusj zatwedzena Radze Pogamowej PŁ - CTS CETRANS, po czym zostane skeowany do konsultacj, do wszystkch Członków KTS. Na tej podstawe zespół edakcyjny Rada Pogamowa PŁ CTS CETRANS pzygotują pojekt PW (pocedua jw.). Pojekt PW zostane skeowany do zatwedzena pzez Komtet Steujący KTS podczas obad specjalstycznej konfeencj ogólnokajowej, zaplanowanej w połowe gudna 2012. w Łodz, któej uczestnkam będą pzedstawcele Członków KTS Zgłaszających oaz zaposzen gośce, w tym zaganczn (temn może ulec zmane, w zależnośc od nadsyłanych popozycj). Uczestnctwo Zgłaszających w pacach obejmujących pzygotowana do pojektu PW, ne jest ównoznaczne z wejścem w skład konsocjum KTS wspeającego PW. Poceduy dokumenty w spawe KTS są odębne, a zobowązana pawne będą powstawały jedyne w wynku zawaca umowy o ustanowenu konsocjum KTS lub nnych umów z zakesu PW. 3. Koleją w XXI wek Una Euopejska jest mejscem szybkej ntegacj odębnych kole naodowych, konsekwentne pzekształcanych w elementy paneuopejskego systemu tanspotu kolejowego o dużej konkuencyjnośc. Położene geogafczne Polsk umożlwa odgywane kluczowej ol w kolejowym tanspoce mędzynaodowym, tak w keunku W Z jak N S, oaz uzyskwane z tego tytułu znacznych kozyśc gospodaczych. Jest to nasz welk, naodowy ntees. Dlatego ozwój TS, w tym KDP, pownen być stategcznym pogamem ozwojowym. 6 Nepokój budz jednak obecna kontestacja poltyczna pojektu KDP. Tanspot kolejowy jest konkuencyjny względem dogowego gdy zapewna czas pzejazdu o >30% kótszy. Modenzacja kole konwencjonalnej jest za mało skuteczna dla zapewnena jej konkuencyjnośc ynkowej. Tylko nowy system KDP w połączenu z ozwojem kole aglomeacyjnych KA zntegowanych systemów ntemodalnego tanspotu mejskego może zaspokoć potzeby tanspotowe Polsk UE w XXI weku. Wg dośwadczeń kajów EU-15, tylko koleje dużych pędkośc KDP są segmentem zdolnym do konkuowana na ynku pzewozów pasażeskch z nnym śodkam tanspotu. Budowa KDP w Euope na śwece powodowała szybk ozwój ekonomczny mast egonów, a uuchomene KDP skutkowało skokowym wzostem pzewozów kolejowych, jako całośc. Podstawowe waloy KDP to: bezpeczeństwo, enegooszczędność ekologczność, nadto szybkość komfot. Seć KDP jest nezbędna dla ozwoju Polsk wykozystana jej stategcznego położena w centum Euopy. Plany UE utwozena jednoltego euopejskego obszau tanspotu slne stymulują m. n. polsk system KDP. Zanechane pojektu KDP to magnalzacja tanspotu kolejowego gożąca magnalzacją Polsk w Euope. Zmana polskej poltyk tanspotowej jest w stnejącej sytuacj oczywstą konecznoścą. Pzemawają za tym zaówno uwaunkowana wewnętzne, jak zewnętzne (poltyka UE, wskazana Banku Śwatowego n.). Postępujący ozkład polskego sektoa TS mus być bezzwłoczne powstzymany. Waunk elementane osągnęca tego celu, to wykształcene na czas kady specjalstów dla nowych technolog w TS, w tym KDP, a nadto maksymalzacja udzału polskej nauk oaz polskego pzemysłu w pogame ozwoju TS, w tym KDP. Dlatego potzebne jest wspace pzez Rząd spawnego ustanowena PW Koleją w XXI wek podjęca jego ealzacj pzez właścwe podmoty naukowe, badawczo ozwojowe gospodacze. Inne spawy wykaczają poza możlwośc kompetencje śodowsk ze sfey B+R. Całkowce, waz z odpowedzalnoścą, spoczywają w ękach Palamentu Rządu. Wato pzy tym podkeślć, że ważne nazędza poltyczne osągnęca celu, to m. n. spawdzone na śwece, a w Polsce od lat bezskuteczne postulowane, stymulatoy systemowe dzałań podmotów gospodaczych, zasada wydzelana śodków na B+R (np. 5%) w nakładach nwestycyjnych oaz ntelgentna twała osłona poltyczna ozwoju TS, w tym KDP. Lteatua [1]. Anuszczyk J., Batosk m., Wak S.: Stategczne poblemy ozwojowe tanspotu kolejowego w Polsce 2012. Mateały XV Ogólnopolskej Konfeencj Naukowej Takcj Elektycznej SEMTRAK 2012, Zakopane, 18 20 paźdzenka 2012.
[2]. Paca zboowa (pod ed. J. Kslowskego): Rapot o stane tanspotu w Polsce pognozy ozwoju do 2030 oku. Rada Ekspetów ds. Stateg Tanspotowych XXIV Kongesu Technków Polskch. Mateały XXIV KTP, Łódź, 24-25.05.2011. [3]. The Wold Bank. Repot N. 59715-PL. Polska. Dokument dotyczący poltyk tanspotowej. W keunku zównoważonego ozwoju tanspotu lądowego. Luty 2011. [4]. Solska J.: Na co poszło 300 mladów? POLITYKA n 29 (2867), 18-24.07.2012, s. 22. [5]. Rozpoządzene Palamentu Euopejskego Rady (wnosek) W spawe unjnych wytycznych dotyczących ozwoju tanseuopejskej sec tanspotowej. KOM(2011) 650 wesja ostateczna, 2011/0294 (COD). Buksela, dna 19.10.2011. [6]. Uchwała N 276/2008 Rady Mnstów z 19.12.2008. w spawe ponadegonalnej stateg Pogam budowy uuchomena pzewozów kolejam dużych pędkośc w Polsce. [7]. Mędzyesotowy Zespół ds. Kole Dużych Pędkośc: Statega ponadegonalna stanowąca załącznk do uchwały [6]: Pogam budowy uuchomena pzewozów Kolejam Dużych Pędkośc w Polsce, Waszawa, 2008. [8]. Maste Plan dla Tanspotu Kolejowego w Polsce do 2030. Waszawa, 2008. [9]. Dokument mplementacyjny poządkujący do 2015. wdażane Maste Planu dla Tanspotu Kolejowego w Polsce, Waszawa, 2008. [10]. Smołkowska U.: Inwestycje pogamy weloletne. BSE, Inf. n 1165, (IP-108G). [11]. CTS CETRANS. Folde nfomacyjny. Dostęp na seweze ftp jak w pzypse 1, st. 1. 7
pof. d hab. nż. Maan Medwd d nż. Rafał Cchy mg nż. Macn Kuś mg nż. Jaosław Czewńsk Instytut Pojazdów Szynowych TABOR Symulacyjne badana numeyczne wytzymłośc konstukcj adapteów tabou bmodalnego do uchu S SS W atykule pzedstawono wybane wynk badań symulacyjnych wytzymałośc konstukcj adapteów elementów połączena adapte naczepa. Pojekt konstukcyjny opacowano w amach ealzacj badawczego pojektu ozwojowego n R1003503 dotyczącego wykonana pototypu tabou bmodalnego pzeznaczonego do uchu S SS. 1. Wstęp Tanspot kombnowany kolejowo dogowy jest dzedzną tanspotu, któa łączy dwe gałęze tanspotu, kolejowy dogowy. Towaowy tanspot dogowy chaakteyzuje sę dużą moblnoścą, łatwym dostępem do nfastuktuy, dogowej ealzuje pzewozy od dzw do dzw. Cechy negatywne towaowego tanspotu dogowego to ntensywna degadacja dóg kołowych, degadacja śodowska (duża emsja CO2, dgana hałas), wypadk dogowe oaz nne czynnk twozące tzw. koszty zewnętzne tanspotu. Tanspot kolejowy jest tanspotem ekologcznym enegooszczędnym geneującym ponad czteokotne mnejsze koszty zewnętzne. Jednym z systemów tanspotowych pozwalających ealzować pzewozy towaowe w uchu kombnowanym, kolejowo dogowym jest system bmodalny, któy łączy pozytywne cechy tanspotu dogowego kolejowego. W Instytuce Pojazdów Szynowych TABOR w Poznanu w latach 1993 1995 opacowano dokumentację technczną oaz pototyp tabou bmodalnego pzystosowanego do jazdy z pędkoścą maksymalną 160 km/h. Układy begowe wagonów towaowych są w zdecydowanej wększośc pzystosowane do uchu S SS to jest do pędkośc 100 km/h pzy nacsku os na to 225 KN oaz 120 km/h pzy nacsku os zestawu kołowego 200 KN. W 2011 oku wykonano pototyp tabou bmodalnego pzystosowany do uchu S SS na baze standadowych wózków Y25 [1]. W zbudowanym pototype zastosowano zmodenzowane adaptey. W adapteze śodkowym wpowadzono połączene adaptea dolnego z gónym za pośednctwem typowego pzegubu kulstego a w adapteze końcowym zmenono pofle układ elementów nośnych amy adaptea, w odnesenu do adapteów opacowanych dla tabou pzeznaczonego do pędkośc uchu a) b) 8
c) d) Rys. 1. Elementy konstukcyjne systemu: a) adapte śodkowy, b)adapte końcowy, c) szczegół połączena mędzy adapteam gónym dolnym, d) szczegół połączena naczepy z adapteem - adapte dolny 1, - adapte góny 2, - swozeń połączena adapteów 3, - adapte końcowy 4,- kln yglujący 5, - czop spzęgowy naczepy 6. 160 km/h. Zmodenzowana konstukcja adapteów powstała w opacu o szczegółową analzę numeyczną wytzymałośc konstukcj adapteów ze szczególnym uwzględnenem oganczena masy własnej. Wybane pzykłady wynków pzepowadzonych analz pzedstawono w dalszej częśc opacowana. 2. Obekt badań Obektem badań symulacyjnych jest konstukcja adaptea śodkowego końcowego oaz elementy połączena adapte naczepa pzedstawone na ysunku 1, gdze odpowedno oznaczono: a, b, c, d. Badana symulacyjne pzepowadzono dla obcążeń okeślonych w pzepsach UIC 597 [2] oaz UIC 577 [3] wytyczne konstuktoa powadzącego, któe okeślają podstawowe welkośc sł jake należało uwzględnć w badanach. Sły zewnętzne obcążające konstukcje adapteów są wynkem oddzaływana cężau naczepy zamocowanej na adapteach, obcążene ponowe oaz oddzaływanem występującym pomędzy sąsednm naczepam w uchu pocągu, obcążena wzdłużne. 3. Zakes metodyka badań oaz kytea oceny Zgodne z wymaganam [2] zespoły nośne składu bmodalnego wnny zapewnć wytzymałość konstukcj w zakese obcążeń: - obcążena eksploatacyjne, ścskane ozcągane pocągu w stane póżnym ładownym słą ± 850 kn, - pzepsy [2]oblgują ówneż do wykonana badań wytzymałośc konstukcj pod obcążenem nadzwyczajnym ozcągane składu pocągu w stane póżnym słą 1700 kn. Symulacyjne badana wytzymałośc ozszezono poza obsza wymagań stawanych w [2] pzepowadzono analzę wytzymałośc ówneż dla następujących stanów obcążeń: - ścskane składu pocągu w stane póżnym ładownym słą 1200 kn, Konstukcja adapteów elementów połączena mędzy adapteam wymaga zastosowana óżnych mateałów. Adaptey wykonano ze stal nskostopowej S460N (18G2V) o podwyższonej wytzymałośc. Swozeń łączący adapte dolny z gónym, kln yglujący czop naczepy ze stal stopowej do ulepszana ceplnego 42CMo4 (40HM). Podstawowe chaakteystyk tych mateałów pzedstawono w tabel 1. Do badań symulacyjnych utwozono modele oblczenowe poszczególnych zespołów elementów, któe pokazano na ysunkach Element adapte kln yglujący, swozeń, czop naczepy Chaakteystyk mateałów adaptea elementów połączenowych Typ stal S460N (18G2V) 42CMo4 (40HM) Gubość elementu [mm] Ganca plastycznośc Re [MPa] Tabela 1 Wytzymałość doaźna Rm [MPa] 16-30 460 580 740 40-160 880 1030 Watośc napężeń dopuszczalnych dla adapteów Tabela 2 Gatunek stal Gubość [mm] Napężena dopuszczalne δ dop [MPa] E460JR Obsza spon czołowych Mateał odzmy 16-30 (18G2AV) 409 450 9
Modele podzelono na odpowedne elementy skończone oaz obcążono słam czynnym eakcjam wynkającym z waunków ównowag. Badana model pzepowadzono metodą numeyczną kozystając z pogamu oblczenowego CO- SMOS [4, 5, 6, 7]. Analze wytzymałoścowej podlegają watośc napężeń zedukowanych δ ed w poszczególnych mejscach konstukcj, któe są wyznaczone zgodne z hpotezą wytężenową eneg odkształcena postacowego Hubea Msesa. Watośc napężeń ne mogą w zadanym punkce pzekoczyć watośc dopuszczalnych δ dop okeślonych dla danego gatunku mateałów. Dla konstukcj spawanej adapteów watośc napężeń dopuszczalnych podano w tabel 2. Dla badań wytzymałośc konstukcj pod obcążenem eksploatacyjnym za kyteum oceny pzyjęto ganczny pozom napężeń o watośc: δ ed = δ dop < Re (1) Dla obcążeń nadzwyczajnych obowązuje kyteum nepzekoczena gancznej wytzymałośc doaźnej Rm. W tym pzypadku obcążona konstukcja może ulec newelkm odkształcenom twałym, pzy czym ne może dojść do ozewana konstukcj zwłaszcza pzy póbe ozcągana słą 1700 kn. 4. Wynk badań Zakes pzepowadzonych badań symulacyjnych obejmował obcążene konstukcj zespołów nośnych tabou maksymalnym słam spotykanym podczas eksploatacj oaz obcążenem nadzwyczajnym pzyłożonym do konstukcj podczas statycznych stanowskowych badań wytzymałoścowych. Ze względu na obszeny zakes analzowanych pzypadków obcążeń uwzględnonych w pzepowadzonych badanach symulacyjnych w nnejszym opacowanu pzedstawono wynk badań dla obcążeń nadzwyczajnych. Modele oblczenowe zespołów elementów konstukcj nośnych oaz ozkład napężeń zedukowanych pokazano na ysunkach 2 24. a) b) a) b) Rys. 3. Sposób pzyłożena sł do modelu: a) obcążene wzdłużne ścskające b) obcążene wzdłużne ozcągające 681MPa 357MPa Rys. 2. Podzał modelu oblczenowego adaptea dolnego na elementy skończone Rys. 4. Rozkład napężeń zedukowanych w adapteze dolnym pzy ścskanu słą 1200kN a) wdok z góy, b) wdok z dołu 10
a) 600MPa b) Rys. 7. Sposób pzyłożena sł do modelu: a) obcążene wzdłużne ścskające b) obcążene wzdłużne ozcągające b) 398MPa 648MPa a) Rys. 5. Rozkład napężeń zedukowanych w adapteze dolnym pzy ozcąganu słą 1700kN a) wdok z góy, b) wdok z dołu b) 382MPa Rys. 8. Rozkład napężeń zedukowanych w adapteze gónym powstający pzy ścskanu słą 1200kN: a) wdok z góy, b) wdok z dołu Rys. 6. Podzał modelu oblczenowego adaptea gónego na elementy skończone a) 530M Pa a) 11
b) a) 533MPa 462MPa b) 135MPa Rys. 9. Rozkład napężeń zedukowanych w adapteze gónym pzy ozcąganu słą 1700kN a) wdok z góy, b) wdok z dołu Rys. 12. Rozkład napężeń zedukowanych w adapteze końcowym powstający pzy ścskanu słą 1200kN: a) wdok z góy, b) wdok z dołu 533MPa a) Rys. 10. Podzał modelu oblczenowego adaptea końcowego na elementy skończone 205MPa b) a) Rys. 13. Rozkład napężeń zedukowanych w adapteze końcowym pzy ozcąganu słą 1700kN a) wdok z góy, b) wdok z dołu b) Rys. 11. Sposób pzyłożena sł do modelu: a) obcążene wzdłużne ścskające b) obcążene wzdłużne ozcągające Rys. 14. Model oblczenowy swozna 12
a) b) Rys. 19. Schemat obcążeń czopa: a) ścskane, b) ozcągane Rys. 15. Pzykładowy schemat obcążena wzdłużnego swozna 478MPa 390MPa Rys. 16. Rozkład napężeń zedukowanych konstukcj swozna od ścskana w os zdezaków słą 1200 kn jednoczesnego dzałana obcążena ponowego Rys. 20. Rozkład napężeń zedukowanych w czope powstający pzy ścskanu słą 1200 kn 539MPa 858MPa Rys. 21. Rozkład napężeń zedukowanych w czope powstający pzy ozcąganu słą 1700kN Rys. 17. Rozkład napężeń zedukowanych w [MPa] konstukcj swozna od ozcągana słą 1700 kn w os spzęgu Rys. 18. Model oblczenowy czopa Rys. 22. Model oblczenowy klna 13
Lteatua 552MPa Rys. 24. Rozkład napężeń zedukowanych w klne yglującym powstających pzy ozcąganu słą 1700kN w os spzęgu [1] Medwd M., Staweck W., Czewńsk J., Cchy R.: System tanspotu bmodalnego pzystosowany do uchu S SS. Pojazdy szynowe 4/2011. [2] UIC 597 System tanspotu kombnowanego szynowo - dogowego. Naczepy wózkowe. Chaakteystyk. Wydane 1, styczeń 1991. [3] UIC 577 Wagony towaowe. Obcążena. Wydane 5, gudzeń 2005. [4] OR 9322 Spawozdane z oblczeń wytzymałoścowych elementów połączenowych w pocągu bmodalnym. Pace nepublkowane Instytutu Pojazdów Szynowych TABOR, lstopad 2007. [5] OR 9323 Spawozdane z oblczeń wytzymałoścowych adaptea dolnego zestawu bmodalnego BMDc. Pace nepublkowane Instytutu Pojazdów Szynowych TA- BOR, lstopad 2007. [6] OR 9324 Spawozdane z oblczeń wytzymałoścowych adaptea gónego zestawu bmodalnego BMDc. Pace nepublkowane Instytutu Pojazdów Szynowych TA- BOR, lstopad 2007. [7] OR 9325 Spawozdane z oblczeń wytzymałoścowych adaptea końcowego zestawu bmodalnego BMDc. Pace nepublkowane Instytutu Pojazdów Szynowych TABOR, lstopad 2007. Wynk pzepowadzonych badań symulacyjnych wytzymałośc konstukcyjnej adapteów wykazały, że wymagane kytea oceny zostały spełnone zaówno dla obcążeń eksploatacyjnych pocągu jak ówneż dla póbnych obcążeń nadzwyczajnych. Zaejestowane maksymalne napężena dla obcążeń eksploatacyjnych ne pzekaczają gancznej watośc Re a dla obcążeń nadzwyczajnych watośc Rm. 14
d nż. Zygmunt Macnak d nż. Ieneusz Pelecha d nż. Jacek Pelecha Instytut Pojazdów Szynowych TABOR Wymagana wytyczne dla lekkch mateałów konstukcyjnych o mnmalnym oddzaływanu na śodowsko natualne W atykule zapezentowano pzegląd lekkch mateałów konstukcyjnych ze stopów metal lekkch (zwłaszcza stopów alumnum) oaz kompozytów (wysokowytzymałych twozyw sztucznych) mających zastosowane w lekkch konstukcjach pojazdów dogowych szynowych. Zapezentowano tendencje w podukcj mateałów lekkch ze szczególnym uwzględnenem oganczena kosztów w ch wytwazanu oaz oganczenu ch oddzaływana na śodowsko natualne. Wskazano ponadto na ekonomczne aspekty w pocese ecyklngu utylzacj tych mateałów jako szansa w oganczenu szkodlwego oddzaływana zastosowanych lekkch mateałów na śodowsko natualne w tym oganczene emsj substancj szkodlwych do atmosfey oaz zmnejszene tzw. efektu ceplananego. Atykuł powstał w amach pojektu ozwojowego n 100047/06/2009 pt.: Konstukcja pojazdu szynowego z zastosowanem najnowszych lekkch mateałów o wysokch paametach wytzymałoścowych o mnmalnym oddzaływanu na śodowsko natualne. 1. Wpowadzene Pzemysł śodków tanspotu (w tym motoyzacyjny kolejowy) pzymeza sę do dużych zman w zakese wykozystywana lekkch mateałów w konstukcj pojazdów, aby dostosować sę do obowązujących pzepsów w ochone śodowska. W welu kajach na śwece obowązują pzepsy nakazujące zmnejszene emsj dwutlenku węgla (CO 2 ). Regulacje te wpowadzły wymóg obnżena masy pojazdów. Cężke mateały wykozystywane w nektóych podzespołach zastąpono ch lżejszym odpowednkam. Powodem zman jest fakt, że to właśne masa pojazdu ma bezpośedn wpływ na zużyce palwa. Z nowej analzy globalnej fmy doadczej Fost & Sullvan ujętej w pacy pt.: Domnujące tendencje w zakese zamennków mateałów substancj chemcznych w pocese zmnejszana cężau pojazdów mechancznych [2, 13] wynka, że w 2010. globalny ynek lekkch mateałów zanotował pzychody w wysokośc 38 mld $ pzewduje sę, że w 2017. będze to 95,34 mld $. Główne dzałana podczas twozena konstukcj lekkej dotyczą zmnmalzowana jej masy własnej pod waunkem, że ne ogancza sę funkcj czasu pacy tej konstukcj. Możlwe jest okeślene stateg twozena konstukcj lekkch, któych chaakteystyczne cechy dają sę ująć jako [10]: statega mateałowa, polegająca na zastąpenu pewotnego mateału mateałem o mnejszej mase właścwej z możlwe najwyższym wskaźnkam użytkowym (dotyczy to np. zastąpena mateałów stalowym wysokowytzymałym stopam alumnum lub kompozytam włóknstym), statega postacowa, dotycząca dostosowanego do występującego obcążena ozmeszczena mateału w stuktuze nośnej (tzn. umacnana obszaów poddawanych wyższym obcążenom, a edukowanu mateału w obszaach mnej eksploatowanych pzez zmnejszane gubośc ścanek czy użyce odpowednch geomet pofl), statega wytwócza, wykozystująca wszelke możlwośc technologczne dla zapewnena ntegacj funkcj pzy możlwe najmnejszym zastosowanu mateału zmnmalzowanu mejsc połączeń, Z każdą wymenoną stategą wążą sę całkowce ndywdualne koszty ealzacj konstukcj technolog. Każdemu ealzowanemu stopnow lekkośc konstukcj (defnowanej jako odwotność masy) są w budowe pojazdów maszyn często pzypsywane pzedzały kosztów, któe pzeważne dają oganczoną swobodę dzałana. Koszty całkowte chaakteyzują sę na ogół pzebegem wykładnczym z teoetycznym mnmum, stanowącym ozsądne gospodaczo ozwązane (ys. 1). Wskutek stnena bezpośednego zwązku mędzy masą wyobu a pozomem kosztów, koszty całkowte z eguły wzastają nadpopocjonalne waz ze zwększenem sę stopna lekkośc konstukcj. 15
Mateały stosowane w pzemyśle śodków tanspotu Tablca 1 Do mateałów wykozystywanych w konstukcjach lekkch zalcza sę mateały o mase właścwej (gęstośc) ρ > 4500 kg/m 3 mateały typowo lekke o mase właścwej ρ < 4500 kg/m 3 [3]. Do typowo lekkch mateałów konstukcyjnych zalcza sę wysoko wytzymałe stopy metal lekkch: alumnum, magnezu, tytanu beylu, mateały kompozytowe wzmacnane główne włóknam węglowym szklanym, jak też aamdowym, spenone mateały metalowe ceamczne, kompozyty metalowe z mateałam spenonym oaz dewno, a zwłaszcza balsę o mase właścwej od 400 kg/m 3 do 1800 kg/m 3. 2. Pzegląd zastosowane mateałów lekkch stosowanych w śodkach tanspotu Jako mateał konstukcyjny, używany pzy budowe nadwoz pojazdów szynowych domnują stale, ale coaz częścej pojawa sę twozywo sztuczne (tab. 1). Dotyczy to zaówno wnętza z płaskch wykładzn z Unlamu (czyl żywc melamnowych na nośnku papeowym), jak welu stotnych, tadycyjne stalowych częśc zewnętznych, któe zastępowane są kształtowym elementam z kompozytów polestowych, wzmacnanych włóknem szklanym (tab. 2). Konstukcja kabn steownczych może być wykonana na baze stuktuy szkeletu z pofl stalowych, któe stanową ntegalne wzmocnene dla jednowastwowego poszyca z kompozytu polestowego, wzmacnanego włóknem szklanym. Z kole kabna kolejowych zespołów takcyjnych najczęścej zbudowana jest w sposób badzej skomplkowany, jako konstukcja sandwczowa (ys. 2), zaweająca specjalne, zntegowane w stuktuze kompozytu, pzestzenne wzmocnena stalowe, służące do montażu wyposażena kabny, ospzętu, jak ówneż zapewnające połączene gotowej kabny z amą nośną szkeletem pzyszłej jednostk [6]. Najwększe zastosowane w pzemyśle tanspotowym znajdują obecne kompozyty polmeowe (ok. 90%). Typowe zbojene polmeów to włókna szklane, węglowe aamdowe. Wele spośód znanych polmeów temoplastycznych zawea celowo 16 Rys.1. Zależność kosztów od masy konstukcj lekkej [10] Mateały Stale typu maagng Hydonala Spenone alumnum Kompozyty zbojone włóknam aamdowym (Kevla) Kompozyty o osnowe metalowej Skład chemczny? 0,03% C, 8,5 12,5% Co, 18% N, 3 5% Mo, 0,2 1,8% T 93,2 99,5% Al, 0,4 5,6% Mg, ponżej 0,5% S Obsza zastosowań elementy konstukcyjne w technce lotnczej, w budowe okętów oaz w pzemyśle zbojenowym śedno obcążone elementy w pzemyśle okętowym lotnczym elementy stef zgnotu w pojazdach dogowych szynowych elementy konstukcyjne statków kosmcznych samolotów lekke elementy slnka podwoza pojazdów dogowych szynowych wpowadzoną fazę zdyspegowaną, co zalcza je do gupy mateałów kompozytowych. Pzykładem mogą być elementy maszyn wzmocnone cętym włóknam szklanym: np. małe kola zębate z polamdu (nylonu), panewk łożysk ślzgowych z teflonu, nadpoża, zdezak kaose z polpopylenu wzmocnonego włóknam szklanym cągłym (40%) [3]. Typowe kompozyty konstukcyjne z polmeów temoutwadzalnych to lamnaty (kompozyty wastwowe) polestowe wzmocnone cągłym lub cętym włóknem szklanym stosowane do budowy kadłubów łodz małych jednostek pływających jak ówneż małych samolotów, samochodów, cysten wataków td. We wszystkch tych zastosowanach w pzypadku elementów dużych slne obcążonych m.n. ste ponowy, wysokośc, opoflowane skzydeł, łopaty wnka helkoptea, duże (50 80 m) kadłuby okętów, wzmocnene szklane zastępowane jest częścowo lub całkowce pzez włókna węglowe oaz aamdowe w osnowe żywcy epoksydowej. Często jest to kombnacja tych tzech odzajów włóken (kompozyt hybydowy). Pzykładem kompozytu o osnowe elastomeu jest polzopen wzmocnony nanocząstkam (20 30 nm) sadzy stosowany do budowy opon samochodowych. Kompozyty o osnowe metalowej są w wększośc doge dlatego ch zakes zastosowań jest wcąż oganczony. Najbadzej znane są odlewane lub spekane elementy z kompozytów o osnowe stopów Al wzmacnane cząstkam węglka kzemu (SC) lub Al 2 O 3, take jak tacze hamulcowe, tłok slnków spalnowych, blok slnkowe, amy oweów az końcówk kjów golfowych ostza łyżew hokejowych z T/TC (tab. 3).
Główne zastosowana mateałów konstukcyjnych w pojazdach Tablca 2 Rys.2 Kompozyt wastwowy typu sandwch [12, 13] Elektonka enegetyka Ceamka nżyneska pzykłady zastosowań Tablca 3 Obsza Typowe wyoby Mateały kondensatoy, zolatoy, nadpzewodnk, dzene cewek, magnesy, osłony tłok, tuleje cylndowe, komoy wstępnego spalana, zespoły popychaczy zawoów, wnk łożyska tubospężaek Budowa slnków Obóbka mateałów Inżynea chemczna noże tokaske, nazędza cene, pasty poleske, elementy melące czujnk, złoża katalzatoów tytanany, Al 2 O 3, feyty, BeO, węglk, azotk ceamka tlenkowa, węglk, azotk węglk, azotk pocelana, ceamka tlenkowa, węglk, azotk 17
Zaawansowane kompozyty np. o osnowe stopu T lub Al wzmocnenu z włóken węglowych lub bou stosuje sę główne w lotnctwe kosmonautyce. Z włóken węglowych (ys. 3) w osnowe Al wytwaza sę podłużnce kadłuba samolotu, ze stopu T wzmocnonego włóknam bou fomuje sę łopatk kompesoa slnka lotnczego a kobowody slnka spalnowego można otzymać z kompozytu T/cągłe włókna SC. Pacujące w ekstemalne wysokch tempeatuach pzy wysokch obcążenach łopatk tubny slnka odzutowego np. ze stopu nklu mogą być wzmocnone fazą TC. Zastosowana kompozytów o osnowe ceamcznej obejmują nazędza skawające z dużym pędkoścam np. z Al 2 O 3 wzmocnonego wskeam SC, elementy slnków spalnowych: zawoy wlotowe (Nssan), peścene tłokowe (Isuzu), komoa spalana, wnk, łopatk tubn spalnowych (Toyota) z kompozytu SC/SC. Kompozyt węgel/węgel (z powłoką ochonną SC) wytzymuje ekstemalne tempeatuy 2600 o C jest wykozystywany w takch elementach jak dzób wahadłowca kosmcznego, wykładzna komoy spalana dysza wylotowa gazów slnka odzutowego, tacze hamulcowe. Rys.3 Tkanna z włókna węglowego 3. Właścwośc mateałów lekkch kompozytowych Włókna stosowane do zbojena kompozytów można podzelć na pęć gup w zależnośc od odzaju mateału. Są to włókna neoganczne, gaftowe, polmeowe, ceamczne metalowe. Spośód cech fzycznych chaakteyzujących włókna najczęścej podaje sę śedncę, gęstość, wytzymałość na ozcągane moduł spężystośc wzdłużnej (Younga). Pzy wyboze mateału z jakego jest wykonane włókno, badzo często beze se pod uwagę tzw. moduł spężystośc wytzymałość właścwą, któe pzedstawają te chaakteystyk odnesone do gęstośc mateału. Wytzymałość właścwa to wyażona w km długość włókna pzy któej nszczy sę ono pod własnym cężaem. Moduł właścwy wytzymałość właścwa nowoczesnych włóken stosowanych w mateałach kompozytowych są welokotne wększe nż włóken metalowych, co jest powodem ch szeokego stosowana w pzemyśle lotnczym kosmcznym, gdze szuka se mateałów o wysokej wytzymałośc jednocześne najlżejszych. Właścwośc óżnych odzajów włóken, należących do wymenonych pęcu gup, zestawono w tabel 4. Osnowy stosowane w kompozytach włóknstych dzel se pod względem mateału na polmeowe, metalowe ceamczne (tab. 5). Osnowy polmeowe są stosowane najczęścej, poneważ są tane posadają właścwośc fzykochemczne wystaczające dla wększośc waunków pacy kompozytu. Jedyne w konstukcjach pacujących w badzo wysokch tempeatuach lub w wyjątkowo agesywnym śodowsku stosuje se kompozyty z osnową metalową ce- Tablca 4 Właścwośc óżnych odzajów włóken [7, 9, 11] Mateał Śednca [um] Gęstość [kg/m 3 ] Moduł spężystośc wzdłużnej [GPa] Wytzymałość na ozcągane [MPa] Moduł spężystośc właścwy [km] Wytzymałość właścwa [km] Duty metalowe stal 20 1500 7800 180 200 1500 4400 2560 56,4 alumnum 150 2700 69 290 2550 10,7 tytan 100 800 4500 120 1400 1500 2670 33,3 beyl 50 500 1800 240 310 1100 1450 17200 80,5 Włókna neoganczne szkło E 7 2540 70 3450 2756 140,8 szkło S 15 2500 86 4500 3440 180,0 bo 130 2600 400 3500 15385 134,6 Włókna gaftowe gaft HS 5 11 1800 150 250 3000 7000 13800 390,0 gaft HM 5 11 1900 400 1800 21000 94,7 węgel 5 11 1400 150 1700 10700 121,4 Włókna polmeowe aamdowe 12 15 1400 1470 140 180 3500 5500 12800 390,0 poletylenowe 20 40 970 120 170 2600 3300 17500 310,0 Włókna ceamczne węglk kzemu 2800 10 140 SC 3100 250 3000 8928 107,1 kound Al 2 O 3 5 20 3700 350 380 1700 10270 45,9 18
amczną. Kompozyty take są jednak badzo doge, ze względu na złożony poces ch podukcj. Podobne zalety jak w pzypadku mateałów ceamcznych wykazują osnowy metalowe. Dodatkowo maja lepsza odponość na pękane zmęczene, a także lepej pzewodzą cepło. Dopuszczalna tempeatua pacy wynos do 1000stC. Osnowy metalowe wykonywane są najczęścej ze stopów óżnych metal, takch jak alumnum tytan magnez medź. Kompozyty mają wele zalet w poównanu z konwencjonalnym mateałam konstukcyjnym. Do najważnejszych należy duża sztywność wytzymałość właścwa, co pzekłada se na znaczącą wytzymałość pzy badzo małym cężaze własnym. Poównane w tym zakese nektóych kompozytów z mateałam konwencjonalnym podano w tabel 6 na ysunkach 4 5. Cecha ta powoduje, że kompozyty wykozystuje sę wszędze tam, gdze główne znaczene ma mały cęża duża wytzymałość (pzemysł kosmczny, lotnczy, śodk tanspotu dogowego szynowego). Podstawowa wada kompozytów, któa w stotny sposób ogancza powszechność stosowana tego typu mateałów jest cena. Koszt włóken szklanych wynos 2 16 $/kg, włóken węglowych 16 80 $/kg, żywca epoksydowa kosztuje 3 $/kg, a gotowe kompozyty w postac tzw. taśm pepeg szkło/epoksyd 24 $/kg, węgel/epoksyd 24 120 $/kg. Dla poównana koszt stal wynos 0,4 2 $/kg, a alumnum 1,2 2 $/kg. Powyższe ceny z acj baku tego typu danych u polskch dystybutoów mateałów konstukcyjnych podano w dolaach ameykańskch za [5]. Jako uzupełnene do pzedstawonych możlwośc eksploatacyjnych najczęścej wykozystywanych mateałów konstukcyjnych, do oceny ch pzydatnośc do budowy konstukcj lekkch mogą służyć tzw. wskaźnk użytkowośc. W tabel 7 zestawono stosowane w paktyce wskaźnk użytkowośc dostosowane do óżnych odzajów obcążeń. Watośc poszczególnych wskaźnków odnesono do stopów alumnum, co spowodowało, że poównane jest welokotne elatywzowane. Właścwośc mateałów na osnowy kompozytów [7, 9, 11] Tablca 5 Rodzaj osnowy Gęstość [kg/m 3 ] Moduł spężystośc wzdłużnej [GPa] Wytzymałość na ozcągane [MPa] Dopuszczalna tempeatua [ o C] Polmeowa temoutwadzalna: epoksyd 1200 1400 2,5 5,0 50 110 80 215 fenol 1200 1400 2,7 4,1 35 60 70 150 poleste 1100 1400 1,6 4,1 35 95 60 150 Polmeowa temoplastyczna nylon 1100 1,3 3,5 55 90 75 100 poleteeteketon 1300 3,5 4,4 100 120 250 poleste 1400 2,1 2,8 55 60 70 120 poletylen 1000 0,7 1,4 20 35 50 80 Ceamczna weglk kzemu SC 2800 3100 250 1200 3500 kound Al2O3 3900 350 380 440 1200 3500 Metalowa stopy alumnowe 2800 77 420 500 stopy tytanowe 4500 105 940 1100 800 1000 stopy magnezowe 1800 42 280 800 1000 stopy medz 8000 500 800 Właścwośc kompozytów mateałów konwencjonalnych [7, 9, 11] Tablca 6 Mateał Gęstość [kg/m 3 ] Moduł spężystośc wzdłużnej [GPa] Wytzymałość na ozcągane [MPa] Moduł spężystośc właścwy [km] Wytzymałość właścwa [km] Dopuszczalna tempeatua [ o C] Dewno śwekowe 5500 9 39 1636 7,1 łatwo palne Stal węglowa 7850 210 370 460 2675 5,8 500 600 Stal stopowa 7850 210 490 560 2675 7,1 500 600 Alumnum 2700 72 450 2667 16,7 150 250 Węgel/ /epoksyd 1300 1800 130 200 1300 3000 11100 166,7 80 215 Aamd/ /epoksyd 1300 1380 75 95 1380 2200 6880 159,4 80 215 Szkło/ /Eepoksyd 1500 2000 45 1200 3000 2250 150,0 80 215 19
Rys. 4 Wytzymałość właścwa dla mateałów konwencjonalnych kompozytowych [7, 9, 11] Rys. 5 Moduł spężystośc właścwy dla mateałów konwencjonalnych kompozytowych [7, 9, 11] Każdy ze wskaźnków użytkowośc podaje, o le azy lżejsza (lub cęższa) geometyczne jest podobna konstukcja z ozpatywanego mateału w poównanu z wybanym mateałem odnesena, tj. stopem alumnum. Według tabel 7, usztywnene skzydła samolotu wykonane z GFRP byłoby pod względem statecznej wytzymałośc na ozcągane lżejsze o wskaźnk 7,65 nż ze stopu alumnum. Jednak pod względem sztywnośc podłużnej byłoby ono jeszcze tylko 0,67 azy tak lekke, a węc 1,49 azy cęższe. Dane zawate w tabel 7 pozwalają węc na badzo dobe pzypoządkowane mateałów do okeślonej chaakteystyk obcążena mogą służyć do szybkego ch pawybou. Reasumując, aspekty mateałowe konstukcj lekkch spowadzają sę ogólne do wybou mateału, któy w waunkach występujących obcążeń wyobu potaf najlepej sę m pzecwstawać (ys. 6). Dzęk temu w nektóych mejscach można zaoszczędzć na mateale, a węc na mase wyobu, w pzypadku, gdy np. pzekój nośny będze zmnejszony. Altenatywne można obnżać masę konstukcj pzez zastosowane mateału o mnejszej gęstośc. Klasycznym pzykładem stosowana tego odzaju zamennków mateałowych jest dokonywane w banży samochodowej zastępowane stal pzez alumnum, magnez czy mateały kompozytowe. Wskaźnk użytkowośc służące ocene pzydatnośc wybanych mateałów do budowy konstukcj lekkch odnesone do stopów alumnum (wg [4]) Tablca 7 Właścwość odnesona do: Wytzymałość ozcągane, ścskane Sztywność ozcągane, ścskane Sztywność ścnane pzy skęcanu Sztywność wyboczene pętów Sztywność wyboczene zgnane płyt Rodzaj mateału Wskaźnk Stopy metal Kompozyty użytkowośc Stal Dewno Al Mg T CFRP GFRP AFRP R m 1 1,16 1,5 0,6 3,45 7,65 9,36 1,35 g ρ E g ρ G g ρ E g ρ 3 g G ρ 1 1 0,94 1,03 3,09 0,67 0,91 0,93 1 1,06 0,93 1,06 1,11 0,32 0,15 1 1 0,97 1,2 1,76 0,82 0,95 0,96 1 1 0,98 1,01 1,46 0,87 0,97 0,97 R 2 p0, 2 E 1 1,55 4,54 2,08 2,29 9,14 19,78 0,47 Udaność A 1 2,5 1,5 2,5 0,2 0,75 0,2 0,2 σm g ρ 1 1,2 2,2 1,3 2,8 1,7 3,2 1,2 Spężysta zdolność pochłanana eneg Wytzymałość zmęczenowa R = 1; N G = 10 6 Watośc > 1 oznaczają mateał lżejszy nż stopy alumnum. CFRP kompozyt z osnową polmeową wzmacnany włóknam węglowym. GFRP kompozyt z osnową polmeową wzmacnany włóknam szklanym. AFRP kompozyt z osnową polmeową wzmacnany włóknam aamdowym. 20
Rys.6 Poównane wybanych własnośc mechancznych włóken stosowanych do wzmacnana kompozytów [1] 4. Wytyczne wymagana dotyczące mateałów lekkch w zakese oddzaływana na śodowsko Aktualne wymagana dotyczące mateałów konstukcyjnych wykozystywanych w pzemyśle śodków tanspotu dogowego szynowego to: tendencja do stosowana mateałów konstukcyjnych o mnejszej gęstośc oaz wększej wytzymałośc lepszych właścwoścach użytkowych. Dzęk temu jest możlwe zmnejszene masy pojazdu oganczene zużyca palwa (a węc także emsj dwutlenku węgla). Należy zaznaczyć, że ważnym aspektem tych pzedsęwzęć jest założene baku wpływu podejmowanych dzałań na bezpeczeństwo pojazdu (na pogoszene stnejącego stanu bezpeczeństwa). Pzykładam takch ozwązań konstukcyjnych są m.n. stuktuy wastwowe pzestzenne mateałów (np. typu sandwch), umożlwające ne tylko znaczne zmnejszene masy konstukcj z zachowanem poównywalnych właścwośc wytzymałoścowych, ale uzyskane śwadomej anzotop właścwośc konstukcj (np. w stefach zgnatana stuktuy w zwązku z jej awayjnym nszczenem). Coaz wększe zastosowane znajdują ówneż mateały kompozytowe, umożlwające uzyskane neosągalnych dotychczas właścwośc częśc poddawanych ekstemalnym obcążenom (np. tacze hamulcowe, tłok td.) [6]. zastosowane nowych mateałów konstukcyjnych eksploatacyjnych, technolog wytwazana obsług pojazdów pownno pzyczynć sę do zwększena twałośc pojazdów ch elementów oaz wydłużena okesów - mędzynapawczych. Wpływa to na zmnejszene obcążena śodowska mateałam odpadowym, zwązanym z obsługą lkwdacją zużytych pojazdów. Kozyścą jest ówneż oszczędność suowców eneg potzebnej do pzetwazana mateałów wytwazana częśc zespołów pojazdów. - nowe mateały konstukcyjne oaz sama konstukcja pownny być dostosowane do spawnego ecyklngu pojazdów. Ważną właścwoścą nowych mateałów staje sę możlwe ch duża bodegadowalność. Analogczne wymagana stawane są ówneż nfastuktuze tanspotu. - wymaga sę ze względów ekonomcznych aby koszty mateałów technolog elementów pojazdów nfastuktuy tanspotu oaz mateałów eksploatacyjnych były stosunkowo neduże. To zadane, główne w zwązku z wyżej sfomułowanym wymaganam, jest tudne do spełnena. Wele ozwązań ekologcznych w motoyzacj wąże sę z dużym kosztam często pzegywa z ozwązanam mnej kozystnym dla śodowska, lecz tańszym. 5. Recyklng utylzacja mateałów Istotą ecyklngu jest oganczene oddzaływana pzemysłu motoyzacyjnego (a dokładnej wypodukowanych pojazdów) na śodowsko. Najpoścej można to ująć w postac schematu wejść wyjść z systemu. Pzez system okeśla sę w tym pzypadku poces powstawana eksploatacj pojazdu. Pzestzeń poza systemem taktowana jest jako śodowsko, któe jest z jednej stony źódłem wejść do systemu (suowce mateały nezbędne do podukcj), z dugej mejscem pzeznaczena wyjść z systemu (emsje do śodowska). Zadanem ecyklngu jest oganczene zaówno wejść (zmnejszene pobou nowych suowców popzez ponowne wykozystywane staych), jak wyjść (oganczene odpadów). Często, aczkolwek ne zawsze, pzetwazane mateałów pochodzących z utylzowanych pojazdów jest mnej enegochłonne, nż wykonane tego samego elementu nowego pojazdu z suowców pewotnych. Oszczędność eneg wynkająca z odzysku w poównanu z enegą, któą tzeba zużyć do wypodukowana metalu z pewotnego suowca zmena sę od 60% do 95% (tab. 8). W pzypadku olejów, wypodukowane 1 kg oleju bazowego z egeneowanych olejów pzepacowanych, wymaga około 1/3 mnej eneg nż wypodukowane oleju bazowego z opy naftowej. Najbadzej opłacalny jest ecyklng mateałowy metal szlachetnych pochodzących z eaktoów kataltycznych. W podukcj pewotnej w celu uzyskana 1 kg platynowców koneczne jest wydobyce około 21
Oszczędność eneg suowców pochodzących z ecyklngu w stosunku do podukcj z suowców pewotnych Tablca 8 150 ton udy z głębokośc około 1000 m.[8] Ruda ta opócz platynowców ma dużą zawatość medz nklu oaz nnych metal, m.n.: chomu, żelaza, kobaltu, bzmutu, selenu, asenu, telluu w postac zwązków sak. Podczas pocesu wydobyca powstaje 400 ton odpadów żużlu, któe muszą być składowane są bezużyteczne. Poces ten wymaga poza tym znacznych nakładów eneg. W poównanu z tym lość metal szlachetnych uzyskwana z eaktoów kataltycznych poddawanych odzyskow jest badzo duża. Na 2 tony eaktoów kataltycznych lub 0,5 tony nośnków kataltycznych pzypada 1 kg metal szlachetnych. Odzyskany mateał ne wymaga dalszego kosztownego pzetwazana. W tym pzypadku ecyklng pozwala unknąć dużych nakładów eneg na podukcję, a emsja zaneczyszczeń podczas pocesu jest welokotne mnejsza w poównanu z wydobycem w kopalnach. W pzypadku stal wysok wskaźnk odzysku wynka z tego, że złom pochodzący z odzysku jest głównym składnkem pzy podukcj nowej stal. Dzęk stosowanu złomu zużywa sę zaledwe 1/4 eneg nezbędnej do podukcj stal na baze udy żelaza. Recyklng 1 tony stal pozwala na zaoszczędzene 1130 kg udy żelaza, 635 kg węgla oaz 55 kg wapna. 6. Podsumowane Do budowy śodków tanspotu stosowane są óżne mateały metalowe nemetalowe. O zastosowanu konketnego mateału decydują pzede wszystkm jego właścwośc, cena, ale także to, jake skutk dla śodowska nese za sobą jego podukcja, użytkowane oaz lkwdacja. Pzeznacza sę zatem coaz wększe śodk na badana ozwój mateałów konstukcyjnych. Dąży sę m.n. do: potanena dotychczas stosowanych mateałów; oszczędnośc eneg pzez doskonalene pocesów spalana palwa wymagającego wyższych obcążeń ceplnych, co wymaga mateałów o dobych właścwoścach w wyższych tempeatuach pacy; wytwazana mateałów ne występujących w pzyodze, np. kompozytów składających sę z włóken węglowych w osnowe z żywcy epoksydowej; twozena mateałów pzyjaznych śodowsku, odnawalnych lub możlwych do powtónego wykozystana; twozena mateałów 22 Suowce Oszczędność eneg [%] Alumnum 95 Medź 85 Żelazo 74 Ołów 65 Polmey temoplastyczne 60 Cynk 60 umożlwających wytwazane wyobów eneg w sposób pzyjazny dla śodowska, np. podukcja specjalnych stal do budowy uządzeń. Nowo powstające mateały są coaz badzej ekologczne z óżnych względów. Ekologczna może być ch podukcja, sposób ecyklngu ponowne wykozystane. Wśód nowoczesnych mateałów pojawających sę w podukcj pojazdów obsewuje sę osnący udzał szczególne twozyw sztucznych polmeów, a także coaz cekawszych kompozytów, stopów lekkch na baze alumnum magnezu oaz najnowszych nanomateałów. Coaz wększe wymagana stawane pzed pzemysłem śodków tanspotu dogowego szynowego w zakese ekolog skłanają do pacy nad pojektowanem takch mateałów, któe zapewną ne tylko lepsze właścwośc takcyjne czy wększy komfot jazdy pojazdów, ale spowodują oganczene ch negatywnego oddzaływana na śodowsko, ówneż z oganczenem zużywanej eneg na etape ch wytwazana oaz w całym okese eksploatacj. 7. Lteatua [1] Dobzańsk L., Mateały nżyneske pojektowane mateałowe. WNT; Waszawa 2006. [2] Fost & Sullvan, Zmnejszene zużyca palwa bodźcem do zastosowana lekkch mateałów w pzemyśle motoyzacyjnym. www.fost.com (dostęp 22.09.2011). [3] Hees N., Auswahl von Wekstoffen fü den Lechtbau. Innovatonstagung HSR Reppeswll; Jun 2008. [4] Klen B., Lechtbau-Konstukton. 8 Aufl. Veweg + Teubne; Wesbaden 2009. [5] Mayes S.J., Mcomechancs Based Falue Analyss of Composte Stuctual Lamnates; Naval Suface Wafae Cente; Cadeock Dvson 1999. [6] Macnak Z., Pelecha I., Pelecha J.; Pzegląd wymagana dla lekkch mateałów konstukcyjnych o mnmalnym oddzaływanu na śodowsko natualne, OR-10174. Paca nepublkowana IPS Tabo w Poznanu, 05.2012. [7] Mazumda S.K., Compostes Manufactung, Mateals, Poduct and Pocess Engneeng; CRC Pess 2002. [8] Meksz J., Fuć P., Możlwośc ecyklngu samochodowych eaktoów kataltycznych; Mateały II Mędzynaodowej Konfeencj Naukowo-Techncznej Poblemy Recyklngu ; Rogów 2002. [9] Ochelsk S., Metody dośwadczalne mechank kompozytów konstukcyjnych. WNT; Waszawa 2004. [10] Oczoś K.E., Konstukcje lekke stota, odzaje, ealzacja zastosowane. Cz. 1;Mesęcznk Naukowo-Technczny Mechank, n 4, 2011. [11] Vaslev V.V., Moozov E.V.; Mechancs and Analyss of Composte Mateals; Elseve 2001. [12] www.collano.com/e/makt/sandwch/ndex.php?navd =26 (dostęp: 27.03.2012). [13] www.fbe-enfoced-plastc.com/2010/12/sandwchcomposte-and-coe-mateal.html (dostęp: 21.03.2012).