Pobierz ten numer w pdf

Transkrypt

prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz
dr inż. Marek Waligórski
Politechnika Poznańska
Badania i symulacje dotyczące zastosowania metod wibroakustycznych
do diagnozowania wypadania zapłonów w silnikach o zapłonie
samoczynnym lokomotyw spalinowych
Niniejszy artykuł dotyczy możliwości zastosowania metody oceny procesu spalania i jego
braku w silnikach spalinowych pojazdów szynowych, bazującej na wykorzystaniu parametrów sygnału drganiowego. Zamieszczono w nim wyniki badań silnika spalinowego lokomotywy w warunkach jej eksploatacji. Wykazano możliwość zastosowania estymat sygnału drganiowego do oceny braku spalania w silniku spalinowym oraz dużą wiarygodność diagnostyki procesu spalania za pomocą powyższej metody.
1. Wstęp
Silnik spalinowy stanowi jak dotąd podstawowe
źródło napędu pojazdów. Mimo, iż różni się on
znacznie od swojego pierwowzoru, podstawowym
jego zadaniem jest zamiana energii zawartej w paliwie
na pracę mechaniczną. Jego początkowy rozwój był
ukierunkowany w głównej mierze na to, aby powyższa konwersja była jak największa, co przekładało się
na postulat uzyskania przez silnik możliwie jak
największych wartości parametrów eksploatacyjnych
w jak najszerszym polu jego pracy przy zachowaniu
jak najmniejszego zużycia paliwa i masy silnika. W
procesie projektowania uwzględniano wytrzymałość
silnika i jego niezawodność. Od chwili jego powstania
dostrzega się konieczność kontroli poprawności przebiegu procesów w nim zachodzących i jego stanu
technicznego. W chwili obecnej do szeregu wymagań
jakim musi sprostać silnik spalinowy dochodzi również wymaganie dotyczące jak najmniejszej uciążliwości silnika dla środowiska naturalnego, zarówno w
odniesieniu do emisji składników szkodliwych spalin,
jak i hałasu.
W całym okresie eksploatacji następują zmiany
wszystkich charakterystyk funkcjonalnych silnika spalinowego, powodujące stopniowe pogorszenie charakterystyk eksploatacyjnych. Ciągły proces zużycia
silnika, który intensyfikuje się jeszcze bardziej podczas jego niewłaściwej eksploatacji, prowadzi do pogorszenia się uzyskiwanych przez niego parametrów
pracy, zakłócenia prawidłowości tworzenia mieszanki
palnej i przebiegu procesu spalania, zmniejszenia
trwałości a w dalszej konsekwencji do jego uszkodzenia. Każdy z powyższych czynników oddziałuje niekorzystnie na emisję składników szkodliwych spalin z
silnika, która wpływa na stan środowiska naturalnego
i zdrowie człowieka. Dlatego celowe stało się ciągłe
diagnozowanie poprawności funkcjonowania danych
zespołów, podzespołów i elementów silnika spalinowego tak, aby pojazd spełniał aktualne normy
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2008
emisji podczas całego okresu jego eksploatacji. W
następstwie tego zastosowano w silnikach wymagania
diagnostyki pokładowej, początkowo w silnikach o
zapłonie iskrowym (ZI), a następnie w samoczynnym
(ZS) samochodów osobowych i pojazdów typu LDV
(ang. Light Duty Vehicles). Wysoki poziom wymagań
w odniesieniu do silników spalinowych i uzyskane
korzyści z wprowadzenia wymagań diagnostyki pokładowej spowodowały, iż rozszerza się obszar zastosowania systemów OBD (ang. On-Board Diagnostics)
również do silników innych pojazdów. Rozpatrując
zmiany norm emisji (w USA i Europie), dostrzec
można tendencje do coraz szerszego wprowadzania
wymagań diagnostyki OBD i takich systemów do
pojazdów o zastosowaniach pozadrogowych [4, 5].
Należy spodziewać się, iż w niedalekiej przyszłości
diagnostyka pokładowa będzie stosowana w spalinowych pojazdach szynowych, co potwierdza słuszność
podjęcia się oceny możliwości zastosowania systemów OBD w tej grupie pojazdów.
Spalinowe pojazdy trakcyjne są eksploatowane przez poszczególne spółki PKP (lokomotywy spalinowe liniowe i manewrowe, autobusy szynowe,
pojazdy pomocnicze, pojazdy szynowo-drogowe,
wózki motorowe, żurawie itp.) oraz w dużych zakładach przemysłowych, jak huty, stocznie, kopalnie,
suche porty przeładunkowe. Powyższe pojazdy realizują, poza pracami liniowymi, również prace manewrowe i przetokowe. Rozważane pojazdy, mimo nacisków na zastąpienie ich trakcją elektryczną, z uwagi
na swoje zalety nadal są stosowane przez zarządy
kolejowe poszczególnych krajów europejskich a ich
udział w niektórych krajach jest dominujący (np. USA
i Kanada – ponad 90% pojazdów trakcji to trakcja
spalinowa).
Jako główny cel pracy przyjęto ocenę możliwości użycia metod wibroakustycznych do wykrywania zjawisk wypadania zapłonów w silniku.
1
sygnału drgań związanego z rozpatrywanym procesem.
W ramach badań rejestrowano sygnały drgań
w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach: równoległym do osi wzdłużnej wału korbowego (kierunek
X), prostopadłym do osi wzdłużnej wału korbowego i
cylindra (kierunek Y), równoległym do osi wzdłużnej
cylindra i jednocześnie prostopadłym do kierunków X
i Y (kierunek Z).
Sygnały pomiarowe uzyskane z przetworników kierowano do wzmacniaczy, w których były
poddawane wzmocnieniu i normalizowaniu. Sygnały
powyższe były następnie kierowane na wejścia analogowe karty do dynamicznej akwizycji danych. Wewnątrz niej były poddane procesowi filtracji za pomocą filtrów analogowych i cyfrowych, po czym przekształcono je z postaci analogowej w cyfrową. Uzyskane sygnały po wyjściu z karty pomiarowej zapisywano w pamięci komputera.
a)
6
Pcyl [MPa]
Uwzględniono weryfikację nowej metody w zakresie
jej zastosowania w procedurach diagnostycznych realizowanych w systemach OBD, które wykorzystywałyby parametry sygnału drganiowego do diagnostycznej oceny stanu technicznego silnika i poprawności
przebiegu procesów w nim zachodzących. Uzyskana
przez autorów pracy i opisana szerzej w [6] metodyka
diagnozowania wypadania zapłonów oparta na powyższej metodzie (badania podstawowe zrealizowane
na hamowni silnikowej na jednocylindrowym badawczym silniku ZS o bezpośrednim wtrysku paliwa do
komory spalania) umożliwiła wyznaczenie kierunku
rejestracji sygnału pomiarowego, miejsca mocowania
przetworników drgań na silniku, parametru diagnostycznego i warunków pomiarowych. Powyższe dane
stały się podstawą do dalszych badań autorów, które
wykorzystano w pomiarach eksploatacyjnych zrealizowanych na wybranej lokomotywie spalinowej, a
których celem było sprawdzenie poprawności uzyskanych wyników dla tego rodzaju obiektu pomiarowego
i uzyskanie podstaw do aplikacji systemu OBD w tej
grupie silników i pojazdów.
2
ay [m/s2]
az [m/s2]
vy [m/s]
vx [m/s]
Pcyl [MPa]
b)
vz [m/s]
Badania wykrywania wypadania zapłonu w
silniku spalinowym za pomocą metod resztkowych
zrealizowano w oparciu o eksperyment czynny, który
polega na celowej zmianie parametrów wejściowych i
obserwacji wpływu tych zmian na wielkości wyjściowe. Parametrami wejściowymi były prędkość obrotowa i obciążenie silnika, natomiast parametry wyjściowe stanowiły: przyspieszenia i prędkości drgań oraz
ciśnienie w komorze spalania. Powyższe badania zrealizowano na hamowni silnikowej, a obiektem badań
był jednocylindrowy silnik badawczy typu SB 3.1
zbudowany na bazie konstrukcji silnika typu SW 680.
Wyboru warunków pracy silnika dokonano w
oparciu o użyteczny zakres wartości prędkości obrotowej i momentu obrotowego, jakie można było uzyskać z obiektu badań. Warunki te odzwierciedlały
pracę silnika w ramach charakterystyk obciążeniowych.
W cyklu badań uwzględniono dodatkowo punkt
pracy silnika, który odpowiadał pracy silnika w warunkach biegu jałowego. Zmiany obciążenia silnika
dokonywano w taki sposób, aby objąć cyklem badawczym możliwie jak największy zbiór wartości obciążenia. Dla tak dobranych punktów pracy silnika rejestrowano parametry wyjściowe. Parametry te były
rejestrowane w sposób równoczesny. W trakcie realizacji eksperymentu utrzymywano stałą wartość temperatury cieczy chłodzącej za pomocą zewnętrznego
układu do stabilizacji temperatury.
W badaniach wybrano punkty pomiarowe zlokalizowane na głowicy silnika. Punkty wybrano zgodnie z zasadą, że przetwornik pomiarowy powinien
znajdować się jak najbliżej miejsca generowania
ax [m/s2]
2. Badania podstawowe na hamowni silnikowej
4
2
0
-2
60
40
20
0
-20
-40
-60
60
40
20
0
-20
-40
-60
200
100
0
-100
-200
1,08
Cykl bez
zapłonu
1,10
4
2
0
-2
4
2
0
-2
-4
4
2
0
-2
-4
6
4
2
0
-2
-4
-6
1,15
1,20
1,25
1,30 1,32
t [s]
Cykl bez
zapłonu
5,30 5,34
5,38
5,42
5,46
5,50
t [s]
Rys. 1. Przebiegi czasowe sygnałów pomiarowych dla
Mo = 0 Nm i n = 1500 obr/min: a) ciśnienia w cylindrze (Pcyl.)
i przyspieszeń drgań w kierunku X, Y i Z (ax, ay, az), b) ciśnienia
w cylindrze i prędkości drgań w kierunku X, Y i Z (vx, vy, vz)
sowych mierzonych sygnałów. Wyznaczono wymiarowe i bezwymiarowe amplitudowe miary punktowe
procesów wibroakustycznych.
Pojedyncze cykle pracy silnika podzielono na
cykle ze spalaniem i z brakiem zapłonu. Dla każdego
z nich obliczono następnie wybrane miary punktowe
dla ciśnienia w cylindrze, przyspieszeń i prędkości
drgań. Porównano uzyskane wybrane charakterystyki
sygnału ze spalaniem i z jego brakiem, dzięki czemu
było możliwe obliczenie względnej zmiany miary
punktowej, będącej wynikiem wystąpienia braku zapłonu w cylindrze.
Zjawiska wypadania zapłonu powodują, iż
wartości maksymalne ciśnienia w cylindrze zmniejszają się. Dla badanego silnika i rozważanych punktów pracy brak zapłonu powodował względne zmniejszenie wartości szczytowej ciśnienia w cylindrze
δsz(Pcyl) od 1,20 do 1,87 (rys. 2).
δsz (Pcyl) [-]
Ocenę jakościową wpływu zjawiska wypadania zapłonu na przebiegi czasowe przyspieszeń
i prędkości drgań oraz ciśnienia w cylindrze zrealizowano dla warunków pracy silnika zdefiniowanych dla
badań. Na podstawie tych przebiegów stwierdzono
jakościowe zmiany sygnałów przyspieszeń drgań
wskutek braku zapłonu dla każdego z punktów pracy
silnika. Na rysunku 1 przedstawiono wpływ zjawiska
wypadania zapłonu na przebiegi czasowe przyspieszeń (ax, ay, az) i prędkości drgań (vx, vy, vz) dla każdego z kierunków rejestracji sygnałów w wybranym
punkcie pracy silnia.
Wystąpienie zapłonu w cylindrze i dalszy rozwój procesu spalania powoduje gwałtowny wzrost
amplitudy przyspieszeń drgań w każdym z kierunków
rejestracji sygnałów pomiarowych. Wartości amplitud
sygnałów przyspieszeń drgań w poszczególnych cyklach pozostają w ścisłym związku ze zmianami wartości szczytowej ciśnienia w cylindrze w tych cyklach.
W przypadku braku spalania nie występuje wzrost
amplitudy sygnału przyspieszeń drgań. Spośród trzech
kierunków rejestracji sygnałów przyspieszeń drgań,
najwyższe wartości amplitud dla sygnałów reprezentujących cykle pracy silnika uzyskiwano dla kierunku
Z (równoległego do osi wzdłużnej cylindra). Powyższy kierunek odznaczał się również występowaniem
relatywnie niewielkich wartości amplitud między
cyklami pracy, co korzystnie wpływało na proces
diagnozowania. Zbyt duże wartości amplitud sygnału
między cyklami zarejestrowane dla innych kierunków
sprawiły, że powyższe sygnały były bezużyteczne dla
diagnozowania wypadania zapłonów i ich nie rozważano. Charakter zmian sygnałów na przebiegach czasowych dla rozważanych parametrów w różnych
punktach pracy silnika był podobny z zaprezentowanym na rysunku 1. Różnice dotyczyły wartości uzyskiwanych amplitud dla cykli ze spalaniem i brakiem
zapłonu i dla odcinków reprezentujących zmiany obciążenia.
Wszystkie zarejestrowane przebiegi czasowe
sygnałów poddano procesowi selekcji czasowej.
W powyższej selekcji każdy zarejestrowany sygnał
podzielono na odcinki czasowe zawierające pojedyncze cykle pracy silnika. Podzielone sygnały pomiarowe umożliwiły autorom pracy rozważenie wpływu
pojedynczego procesu spalania na wybrane parametry
sygnału drganiowego i, jako rezultat, obliczenie różnic powyższych parametrów dla prawidłowego procesu spalania i cykli, w których miało miejsce wypadanie zapłonu.
Wybór kierunku pomiarowego i analizowanego parametru procesu wibroakustycznego, które są
najbardziej wrażliwe na wystąpienie zjawisk wypadania zapłonu powinno być zrealizowane w sposób ilościowy. Ocenę ilościową sygnału drgań przeprowadzono za pomocą miar punktowych [1, 2, 3]. Powyższe miary wyznaczono na podstawie przebiegów cza-
2,00
1,90
1,80
1,70
1,60
1,50
1,40
1,30
1,20
1,10
1,00
600
Mo = 0 N·m
Mo = 22,5 N·m
Mo = 45 N·m
Mo = 67,5 N·m
Mo = 90 N·m
800
1000
1200
1400
1600
1800
n [obr/min]
Rys. 2. Względna zmiana wartości szczytowej ciśnienia w cylindrze (Pcyl) wskutek braku zapłonu dla różnych wartości prędkości
obrotowej i momentu obrotowego
W celu wyboru właściwego kierunku pomiarowego, parametrów i miar punktowych sygnału wibroakustycznego, wyznaczono względne zmiany sygnałów wibroakustycznych dla wszystkich rozważanych
w pomiarach punktów pracy silnika i każdego cyklu
pracy. Na rysunku 3 przedstawiono wrażliwość miar
sygnałów drganiowych na wystąpienie braku zapłonu
dla trzech kierunków rejestracji sygnałów pomiarowych. Punkt pracy silnika, gdzie Mo = 0 N·m reprezentuje najmniej korzystne warunki dla diagnozowania wypadania zapłonów.
Kierunek Z był najbardziej wrażliwy i wiarygodny dla diagnostyki wypadania zapłonu. Analiza
prędkości drgań dla rozważanych warunków pracy
silnika potwierdziła niewielką zmianę każdej miary
wibroakustycznej w wyniku wystąpienia braku zapłonu. Zaobserwowano różne zachowanie sygnałów
prędkości drgań dla każdego z rejestrowanych kierunków pomiarowych. Jedynie przyspieszenia drgań zapewniały prawidłową diagnozę braku zapłonu. Porównując charakterystyki wibroakustyczne z uzyskaną
wrażliwością sygnału ciśnienia w cylindrze na brak
zapłonu dostrzec można, że przyspieszenie drgań w
kierunku Z jest znacznie lepsze dla diagnostyki
3
wypadania zapłonu niż sygnał ciśnienia w cylindrze
nawet w przypadku najmniej korzystnych warunków
pomiarowych. Przyspieszenia drgań dla pozostałych
kierunków rejestracji sygnałów były również bardziej
wiarygodne dla procesu diagnostyki niż sygnał
ciśnienia w cylindrze. Współczynniki kształtu, szczytu
i impulsowości, nie mogą być zastosowane do
diagnostyki braku zapłonu z uwagi na niewielką
dynamikę zmian sygnału w przypadku zaistnienia
zjawiska wypadania zapłonu. Powyższe zmiany
odnotowano dla różnych kierunków rejestracji i
punktów pracy silnika.
a)
Biorąc pod uwagę wszystkie rozważane punkty
pracy silnika, względne zmniejszenie powyższych
miar punktowych (dla przyspieszeń drgań w kierunku
Z) w wyniku braku spalania zwiększa się wraz ze
wzrostem wartości momentu obrotowego (rys. 4).
Rozpoznanie zjawisk wypadania zapłonu wśród cykli
ze spalaniem jest znacznie lepsze w powyższych warunkach niż dla wartości szczytowej ciśnienia
w cylindrze.
d)
1,80
δm(u) [-]
1,20
1,20
1,28
1,20
1,24
1,00
1,02
0,80
0,60
1,10
1,05 1,01 1,03 1,00
0,97
0,80
0,60
0,40
0,40
0,20
0,20
0,00
1,20
1,00
1,06
1,05
δm(u) [-]
1,40
1,40
1,55
1,60
0,00
Pcyl
ax vx
ay vy
az vz
Pcyl
ax vx
Rodzaj parametru
ay vy
az vz
Rodzaj parametru
b)
e)
2,50
1,66
1,20
1,00
1,60
1,40
1,20
1,41
1,17
1,02
δm(u) [-]
δm(u) [-]
2,00
1,50
1,80
2,23
1,02
1,26
1,11
1,07 1,06
1,00
1,04
0,80
0,60
0,40
0,50
0,00
1,40
1,20
0,20
Pcyl
ax vx
ay vy
0,00
az vz
Pcyl
ax vx
Rodzaj parametru
c)
az vz
ay vy
Rodzaj parametru
f)
2,50
1,60
2,32
1,40
2,00
1,50
1,20
1,07
1,20
1,53
1,15
1,05
1,00
δm(u) [-]
δm(u) [-]
1,60
1,53
1,32
1,20
1,08
1,09 1,12
1,01
1,00
0,80
0,60
0,40
0,50
0,20
0,00
Pcyl
ax vx
ay vy
az vz
Rodzaj parametru
0,00
Pcyl
ax vx
ay vy
az vz
Rodzaj parametru
Rys. 3. Względna zmiana wartości szczytowej ciśnienia w cylindrze (P cyl.), wartości skutecznej (a), szczytowej (b), międzyszczytowej (c), współczynnika kształtu (d), szczytu (e) i impulsowości (f) przyspieszeń drgań (ax, ay, az) oraz prędkości
drgań (vx, vy, vz) w kierunku X, Y i Z dla n = 1500 obr/min i Mo = 0 N?m
4
b)
Mo = 0 N·m
Mo = 22,5 N·m
Mo = 45 N·m
Mo = 67,5 N·m
Mo = 90 N·m
4,79
4,50
δm(u) [-]
4,00
3,50
3,00
8,00
Mo = 0 N·m
Mo = 22,5 N·m
Mo = 45 N·m
Mo = 67,5 N·m
Mo = 90 N·m
7,21
7,00
δm(u) [-]
5,00
2,50
6,00
5,00
4,00
2,00
1,50
1,55
800
1000
1200
1600
1800
Mo = 0 N·m
Mo = 22,5 N·m
Mo = 45 N·m
Mo = 67,5 N·m
Mo = 90 N·m
6,95
7,00
6,00
5,00
4,00
2,00
1,77
1,00
1400
8,00
3,00
3,00
2,00
1,00
600
c)
9,00
5,50
δm(u) [-]
a)
600
800
1000
1200
1,00
1400
n [obr/min]
1600 1800
n [obr/min]
600
1,72
800
1000
1200
1400
1600
1800
n [obr/min]
Rys. 4. Względne zmniejszenie wartości skutecznej (a), szczytowej (b) i międzyszczytowej (c)przyspieszeń drgań w kierunku Z w wyniku braku zapłonu dla różnych wartości prędkości obrotowej i momentu obrotowego
3.
Badania lokomotywy spalinowej
3.1.
Metodyka badań i stanowisko pomiarowe
Badania przeprowadzono na dwunastocylindrowym silniku ZS z bezpośrednim dostarczaniem
paliwa do cylindra lokomotywy spalinowej typu SU45 (rys. 5). Dane techniczne silnika zamieszczono
poniżej:
rodzaj silnika..................................................2112 SSF, 4-suwowy
średnica cylindra × skok tłoka .......................D × S = 0,210 × 0,230 [m]
stopień sprężania............................................ε = 11,3
objętość skokowa silnika ...............................Vss = 96,6*10-3 [m3]
znamionowa moc użyteczna ..........................1655 [kW] przy 1500 obr/min
układ cylindrów .............................................V12
średnie ciśnienie użyteczne ...........................pe = 1,37 MPa
ilość zaworów/1 cylinder...............................4
otwarcie zaworu dolotowego.........................35o przed GMP (górny martwy punkt położenia tłoka)
zamknięcie zaworu dolotowego.....................23o po DMP (dolny martwy punkt położenia tłoka)
otwarcie zaworu wylotowego ........................25o przed DMP
zamknięcie zaworu wylotowego....................53o po GMP
ciśnienie otwarcia wtryskiwacza ...................pwtr = 26 MPa
geometryczny początek tłoczenia paliwa ......αptł = 32o przed GMP
a)
b)
Rys. 5. Widok lokomotywy spalinowej typu SU45 (a) oraz zastosowanego w niej silnika spalinowego
5
Wybór warunków pracy silnika zrealizowano w
oparciu o użyteczny zakres prędkości obrotowej
i momentu obrotowego badanego silnika, odpowiadający warunkom jego eksploatacji. Pomiary podzielono
na dwa etapy. W pierwszym z nich uwzględniono
wszystkie cylindry jednego rzędu, w celu określenia
możliwości zastosowania charakterystyk wibroakustycznych do oceny przebiegu procesu spalania w
silniku stosowanym w pojazdach trakcyjnych. Powyższy etap zrealizowano celem określenia różnic we
wrażliwości sygnału drganiowego w każdym z cylindrów. Powyższe działania umożliwiły wyznaczenie
najbardziej i najmniej korzystnych warunków dla
wykrywania braku spalania z zastosowaniem metod
drganiowych. Drugi etap badań zastosowano w celu
wyznaczenia różnic między sygnałami dla procesu
spalania i braku zapłonu dla różnych punktów pracy
(zmian mocy użytecznej) i 3 cylindrów wybranych w
pierwszym etapie. W pierwszym etapie uwzględniono
następujące prędkości obrotowe silnika: 700, 900,
1080, 1300 i 1500 obr/min. Badania przeprowadzono
dla następujących wartości mocy użytecznej: ~ 0 (bieg
jałowy), 252, 460, 580, 667 kW. W drugim etapie
badań uwzględniono wszystkie wartości prędkości
obrotowej i momentu obrotowego określone daną
pozycją nastawnika jazdy lokomotywy.
Punkty pomiarowe zlokalizowano na głowicy
silnika. Powyższe punkty wybrano zgodnie z zasadą,
że przetwornik pomiarowy powinien być umieszczony
jak najbliżej miejsca generacji sygnału drganiowego
odnoszącego się do danego procesu (rys. 6).
a)
W badaniach zastosowano układ pomiarowy, w skład
którego wchodziły (rys. 7):
– przetworniki drgań w kierunku Z firmy Brüel &
Kjær, typ 4391,
– kalibrator sygnałów drganiowych firmy Brüel &
Kjær 4294,
– znacznik kąta obrotu wału korbowego by Wobit
MOK,
– wzmacniacz ładunku NEXUS, typ 2692,
– karta do dynamicznej akwizycji danych firmy
National Instruments, typ PCI-4472,
– opornik wodny wraz z układem sterowania,
– układ do pomiaru temperatury cieczy chłodzącej i
oleju silnikowego.
1
3
2
4
6
9
5
7
8
Rys. 7. Schemat stanowiska pomiarowego: 1 – silnik spalinowy, 2
– prądnice, 3 –znacznik kąta obrotu wału korbowego, 4 – przetwornik drgań, 5 –wzmacniacz ładunku, 6 – pompa wtryskowa, 7
– karta pomiarowa, 8 – komputer, 9 – opornik wodny wraz z
układem sterowania
Sposób pomiaru sygnałów był podobny do tego, który zastosowano w badaniach podstawowych na
hamowni silnikowej. Moment obrotowy i moc użyteczna silnika były wyznaczane i kontrolowane przy
użyciu stanowiska z opornikiem wodnym.
3.2.
b)
Z
G ło w ic a
K ad łu b
P rąd n ic a
g łó w n a
P rze tw orn ik
6
12
5
11
4
10
3
9
2
8
1
7
Wyniki badań i analiz
Pierwszy i drugi etap badań na lokomotywie
spalinowej dowiodły, iż sygnał drganiowy może być
zastosowany do bieżącej oceny zjawisk wypadania
zapłonu, które występują podczas pracy silnika. Zapłon powoduje impulsowe zmiany amplitud sygnału
drganiowego, proces spalania ma swoje odzwierciedlenie w sygnale drganiowym. Sygnał drganiowy jest
jednoznaczny w każdym cyklu pracy niezależnie od
numeru cylindra, co potwierdza wiarygodność metody
w odniesieniu do procedur detekcji stosowanych dla
wielocylindrowych silników ZS (rys. 8).
Rys. 6. Rozmieszczenie punktów pomiarowych na silniku: a)
widok silnika wraz z przetwornikami, b) schemat rozmieszczenia
przetworników
6
0
350
0
-700
-350
-1400
-700
az3 [m/s 2]
az2 [m/s 2]
600
A
700
az4 [m/s 2]
700
Przyspieszenie drgań
Sygnał ze znacznika kąta
0,06 0,07 0,08 0,09
300
0
150
-300
-150
-600
-3000,10
500
300
0
Cykl ze spalaniem (A)
250
0,12
0,14
150
0
0
-250
-150
0,10
0,20
0,30
-300 0,15 0,16 0,17 0,18
0,50
0,40
t [s]
A
400
200
0
-200
-400
0,05 0,06 0,07 0,08 0,09
150
-500
-1000
300
-500
0,00
1000
500
0
az5 [m/s 2]
Cykl ze
spalaniem (A)
az6 [m/s 2]
az1 [m/s 2]
1400
250
125
0
75
0
-125
-250
-75
500
250
0
-250
-500
-150 0,15 0,16 0,17 0,18
400
200
0
-200
0,00
0,10
0,20
0,40
0,30
t [s]
0,50 -400 0,10 0,11 0,12 0,13
t [s]
t [s]
Rys. 8. Przykładowy przebieg przyspieszeń drgań w kierunku Z (az) na głowicach cylindrów 1 ÷ 6 silnika spalinowego
typu 2112 SSF lokomotywy spalinowej (n = 900 obr/min i Mo = 2674 N·m)
Zmiany mocy użytecznej powodowały zmiany
dynamiki estymatorów punktowych sygnału drganiowego. Oznacza to, że parametry sygnału drganiowego
podążają za zmianami wartości mocy (momentu
obrotowego i prędkości obrotowej). Wzrost mocy
użytecznej powodował wzrost wartości szczytowej i
międzyszczytowej w każdym z cylindrów. Miarę
punktową dla każdego z punktów pracy silnika odniesiono do miary punktowej uzyskanej dla pracy silnika
w warunkach biegu jałowego (rys. 9).
Dla cylindra nr 4 odnotowano najmniejszą a dla
cylindra nr 6 największą zmianę miar punktowych w
przypadku zmiany wartości mocy użytecznej silnika.
Powyższe dwa cylindry reprezentują najgorsze i najlepsze warunki dla strategii wykrywania braku zapłonu w silniku. W dalszej części artykułu będzie brany
pod uwagę cylinder nr 4.
b)
8,52
4,28
4,87
2,00
1
4,05
1,55
2
3
4
5
Numer cylindra
δasz(7/0) [-]
16,00
14,00
4,00
2,00
0,00
6
14,20
12,00
10,00
8,00
6,00
δarozst(4/0) [-]
9,00
8,00
7,00
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
δarozst(7/0) [-]
δasz(4/0) [-]
a)
W przypadku wystąpienia zjawiska wypadania zapłonu (brak zapłonu był realizowany w silniku
przez odcinanie dopływu paliwa do cylindra) następowało zmniejszenie wartości amplitudy sygnału
drganiowego odpowiednio do numeru cylindra i warunków pracy silnika. Względne zmniejszenie wartości szczytowej i międzyszczytowej, uzyskane dla silnika spalinowego lokomotywy, potwierdziło bardzo
dużą precyzję i wiarygodność wykrywania zjawisk
wypadania zapłonów przy pomocy metod drganiowych. W przypadku cylindra nr 4, wystąpienie braku
zapłonu powodowało zmniejszenie wartości szczytowej od 8 do 31 razy w odniesieniu do wartości uzyskanej dla prawidłowego procesu spalania. W przypadku
wartości
międzyszczytowej,
względne
zmniejszenie powyższej miary wyniosło od 9 do 32
(rys. 10).
7,56
7,58
5,75
3,12
1,68
1
2
3
4
5
Numer cylindra
6
9,00
8,00
7,00
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
16,00
14,00
12,00
10,00
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00
8,24
4,24
4,66
1,95
1
4,00
1,50
2
3
4
5
6
Numer cylindra
14,51
7,37
7,51
5,71
3,03
1,66
1
2
3
4
5
6
Numer cylindra
Rys. 9. Względne zwiększenie wartości szczytowej (a) i międzyszczytowej (b) przyspieszeń drgań na głowicach wybranych
cylindrów silnika 2112 SSF dla czwartej (n = 900 obr/min, Mo = 2674 N?m) i siódmej (n = 1080 obr/min, Mo = 4067 N?m)
pozycji nastawnika jazdy odniesione do biegu jałowego silnika
7
δsz(az) [-]
35,00
b)
31,75
35,00
30,00
30,00
25,00
25,00
δrozst(az) [-]
a)
20,00
15,00
8,02
10,00
20,00
15,00
9,15
10,00
5,00
5,00
0.00
32,44
0,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Numer pozycji nastawnika
Numer pozycji nastawnika
j d
Rys. 10. Względne zmniejszenie wartości szczytowej (a) i miedzyszczytowej (b)w wyniku wystąpienia braku zapłonu dla
różnych punktów pracy silnika 2112 SSF
4. Podsumowanie
Badania przeprowadzone na hamowni silnikowej umożliwiły określenie możliwości zastosowania
sygnału drganiowego do wykrywania braku zapłonu,
zdefiniowanie miejsca mocowania przetworników
pomiarowych na silniku, kierunku rejestracji sygnałów. Dodatkowo udowodniono, że jako sygnał pomiarowy należy zastosować przyspieszenia drgań oraz iż
proste wymiarowe miary punktowe procesu wibroakustycznego mogą bardzo dobrze opisać zmiany
zachodzące w wyniku wystąpienia braku zapłonu w
silniku. Mogą one być podstawą do realizacji procedury diagnostycznej wykrywania zjawisk wypadania
zapłonu w systemach OBD II.
Kontrola procesu spalania oparta na wybranych
parametrach sygnału drganiowego umożliwia jednoznaczne wykrywanie zjawisk wypadania zapłonów, co
stanowi zaletę w odniesieniu do metod stosowanych
obecnie [7, 8]. Badania przeprowadzone na silniku ZS
lokomotywy spalinowej w warunkach jej eksploatacji
potwierdziły dużą precyzję i jakość wykrycia wypadania zapłonu przy pomocy przyspieszeń drgań. Uzyskane wyniki dowiodły dużą precyzję procesu diagnostycznego dla każdego z cylindrów i niezależność
diagnozy od innych czynników zakłócających.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
8
Cempel C.: Podstawy wibroakustycznej diagnostyki
maszyn. Warszawa, Wydawnictwa NaukowoTechniczne, 1982.
Cempel C., Tomaszewski F.: Diagnostyka maszyn,
Radom, Międzyresortowe Centrum Naukowe Eksploatacji Majątku Trwałego, 1992.
Korbicz J.: Diagnostyka procesów. Modele, metody
sztucznej inteligencji, zastosowania, Warszawa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2002.
Merkisz J.: System OBD II jako narzędzie
umożliwiające spełnienie norm toksyczności spalin
podczas eksploatacji, V Konferencja NaukowoTechniczna na temat: Diagnostyka Pojazdów
Samochodowych 2000, Katowice 2000.
Merkisz J., Mazurek St.: Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych. Wydawnictwa
Komunikacji i Łączności, 2002.
Merkisz J., Waligórski M.: The Use of Vibration
Parameters in the Research of Misfire Events in CI
Engines in the Point of View of the OBD System Appliance in Diesel Locomotives. 2007 SAE World
Congress&Exhibition, Detroit, 16-19.04.2007.
Merkisz J., Waligórski M., Boguś P.: Możliwości i
warunki zastosowania systemów podobnych do OBD
w silnikach lokomotyw spalinowych”, the 29th International Conference on Internal Combustion Engines, KONES 2003, Wisła 14-17.09.2003.
Merkisz J., Waligórski M., Boguś P., Grzeszczyk R.:
Diagnostyka pokładowa zjawiska wypadania zapłonów w silnikach lokomotyw spalinowych. Kwartalnik
naukowo-techniczny pt. Pojazdy Szynowe, nr 4/2002,
Poznań, 2002.
prof.dr hab. inż. Franciszek Tomaszewski
mgr inż. Estera Wojciechowska
Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”
Metodyka obliczania poziomu dźwięku generowanego
przez tabor kolejowy
Poprawa stanu środowiska i jakości terenów zurbanizowanych oraz zapewnienie zdrowego
środowiska życia mieszkańcom państw europejskich to główne cele założone przez organy
Unii Europejskiej. Ważną rolę odgrywa w tym programie również walka z hałasem generowanym przez pojazdy szynowe. W artykule przedstawiono analizę metod szacowania poziomu hałasu od pociągów opracowanych w krajach europejskich i innych. Główna uwaga zwrócona została na metodę holenderską, która jest rekomendowana przez UE.
1. Wstęp
Systematyczne rozszerzanie UE
o nowe państwa, w tym Polskę wywołało szereg zmian prawnych w wielu
dziedzinach nauki, również tych zajmujących się hałasem. Ogłaszane
sukcesywnie przez Komisje UE nowe
dyrektywy (np. 2001/16/WE [1],
2002/49/WE [2]) oraz normy (np. EN
ISO 3095 [3]) mają na celu ujednolicenie przepisów dotyczących pomiarów poziomu hałasu, w tym również
hałasu generowanego przez pojazdy
szynowe. Dyrektywy te obligują państwa członkowskie do dostosowania
się do nich lub sporządzenia własnych
krajowych przepisów (np. Ustawa
„Prawo Ochrony Środowiska” [4],
Rozporządzenia Ministra Środowiska
itp.) nie odbiegających merytorycznie
od unijnych.
W dziedzinie obliczeń poziomu
hałasu generowanego przez pojazdy
szynowe do środowiska zalecaną metodą jest nazywana powszechnie „Metoda Holenderska”[5]. Jednak wiele
krajów opracowało i stosuje własne
modele (metody) pozwalające szacować poziom hałasu generowanego
przez pojazdy szynowe, uwzględniające zarówno warunki środowiskowe
jak i aspekt techniczny taboru w danym kraju. Modele te są na różnym
poziomie szczegółowości od prostych
(jedno lub dwu parametrycznych) do
złożonych posiadających dużą liczbę
parametrów.
Modele i metody
stosowane do wyznaczania
poziomu hałasu kolejowego
W literaturze krajowej
„Hałas ruchu kolejowego
metody predykcji”
M.Rabiega, A.Jaroch
„Źródło liniowe w ruchu –
generacja i propagacja hałasu
kolejowego” R.Gołębiewski
Norma PN-ISO 9613-1/2
„Wymagania w zakresie
ograniczania hałasu od pojazdów
kolejowych” H.Gwiazda
W literaturze zagranicznej
Richtlinie zur Berechnung der
Schallimmissionen
von Schienenwegen”
Reken-en
Meetvoorschrift
Railverkeerslawaai 96
Metodické pokyny pre výpočet
hladín hluku
od dopravy 1991”
Nordest method
1997-05”
„Hałas kolejowy” R.Hnatków
Nord 2000. New Nordic
Prediction Method for Rail
Traffic Noise
„Modelowanie akustyczne linii
kolejowych” J.Adamczyk,
L.Stryczniewicz
„Noise prediction model for
Egyptian railway lines inside urban
areas”
MZS 07-2904-1990
„Vasúti közlekedés
zajkibocsátásának számítása
„Calculation of Rail
Traffic Noise”
„Schweizerisches Emissions- und
Immissionsmodell für die
Berechnung von Eisenbahnlärm”
Rys. 1. Modele i metody stosowane do wyznaczania poziomu hałasu generowanego
przez pojazdy szynowe
AR-INERIM-CM WP 3.2.1:
Railway Noise - Description of the
calculation method,
HARMONOISE, IMAGINE
9
Wydaną w 08.2005r. normę EN ISO 3095 (PNEN ISO 3095) [3] stosuje się do badań poziomu hałasu
na zewnątrz pojazdów szynowych a wartości dopuszczalne określone zostały w załączniku Dyrektywy UE
2006/66 [22]
Analiza literatury krajowej jak i zagranicznej
pozwoliła na wyodrębnienie kilkunastu modeli i metod
wykorzystywanych do wyznaczania (szacowania)
hałasu od pojazdów szynowych, co zostało przedstawione na rysunku 1. Istotę tych metod przedstawiono
w niniejszej pracy, w której zawarto również wybrane
modele (metody) wykorzystywane w innych krajach,
nie tylko europejskich, do oceny poziomu hałasu generowanego i propagowanego przez pojazdy szynowe do
środowiska.
2.
Modele stosowane do wyznaczania poziomu
hałasu kolejowego
2.1. Metoda holenderska („Reken-en Meetvoorschrift Railverkeerslawaai 96”) wg ARINTERIM-CM [5],
Pierwsza wersja „Metody holenderskiej” powstała w 1996r, w kolejnych latach wprowadzano do
niej poprawki wynikające ze zmieniającego się prawa.
Metoda została zarekomendowana przez UE jako
oficjalna metoda do wyznaczania poziomu hałasu
generowanego przez pojazdy szynowe w krajach Unii
Europejskiej.
Zredagowany przez Wölfel Meßsysteme Software GmbH & Co projekt AR-INTERIM-CM, zawierający tłumaczenie tzw. Metody Holenderskiej z
języka holenderskiego na angielski, znacznie przybliżył sposób wykorzystywania tejże metody. W poszczególnych rozdziałach opracowania przedstawiono
m.in. kategorie pojazdów szynowych, standardową
metodę obliczeniową (SRM I) oraz obliczenia propagacji hałasu w poszczególnych pasmach oktawowych
(SRM II) [6].
W metodzie wszystkie pojazdy, które używane
są na określonych liniach kolejowych podzielone zostały na kategorie (rysunek 2) ze względu na rodzaj
napędu oraz zastosowany system hamulcowy.
Kategoria 1 - Pociągi pasażerskie wyposażone w
hamulce klockowe
wyłącznie elektryczne pociągi pasażerskie z
hamulcami klockowymi wyposażonymi we
wstawki żeliwne z odpowiednio dobraną lokomotywą dla danego rodzaju składu pociągu, zarówno pociągi serii 1964 z Holandii jak i pociągi pasażerskie należące do Kolei Niemieckich
(DB);
elektryczne pojazdy trakcyjne (w Holandii – np.
pociągi pocztowe)
Rys. 2 Kategorie pojazdów szynowych wykorzystywanych w metodzie RMR
10
hamulce tarczowe oraz klockowe
elektryczne pociągi pasażerskie wyposażone
głównie w hamulce tarczowe i dodatkowym
hamulcem klockowym ze wstawkami żeliwnymi z odpowiednio dobraną lokomotywą dla danego rodzaju składu pociągu, np. IntercityMaterial IMC-III i DDM-1,
pociągi pasażerskie należące do Kolei Francuskich (SNCF) i Trans Europe Express (TEE),
lokomotywy elektryczne np. należące do Kolei
Belgijskich (B) serii 1100, 1200, 1300, 1500,
1600 i 1700
hamulce tarczowe
wyłącznie pociągi pasażerskie z hamulcami
tarczowymi np. pociągi regionalne (SGM,
Sprinter).
Kategoria 4 - Pociągi towarowe wyposażone w hamulce klockowe
wszystkie rodzaje pociągów towarowych z hamulcami klockowymi ze wstawkami żeliwnymi
Kategoria 5 - Pociągi spalinowe wyposażone w hamulce klockowe
spalinowe pociągi pasażerskie o napędzie spalinowo - elektrycznym, wyposażone w hamulce
klockowe ze wstawkami żeliwnymi z odpowiednio dobraną lokomotywą dla danego rodzaju składu pociągu, np. typy DE I, DE II, DE III;
spalinowo – elektryczne lokomotywy, np.: lokomotywy serii 2200/2300 i 2400/2500.
Kategoria 6 - Pociągi spalinowe wyposażone w hamulce tarczowe
spalinowe pociągi pasażerskie z przekładnią
hydrauliczną wyposażone w hamulce tarczowe
Kategoria 7 - Metro i szybka kolej miejska (np.
tramwaje) wyposażone w hamulce tarczowe
Metro i pociągi podmiejskiej szybkiej kolei
Kategoria 8 - Intercity oraz pociągi jeżdżące z mniejszymi prędkościami wyposażone w hamulce tarczowe
wyłącznie elektryczne pociągi pasażerskie z
hamulcami tarczowymi z odpowiednio dobraną
lokomotywą dla danego rodzaju składu pociągu,
np.: typy InterCities – ICM IV, IRM i SM90;
elektryczne pociągi pasażerskie głównie z hamulcami tarczowymi i dodatkowym hamulcem
klockowym ze wstawkami spiekanymi lub żeliwnymi np. ABEX z odpowiednio dobraną lokomotywą dla danego rodzaju składu pociągu,
np.: typy InterCities – ICM III i DDM-2/3.
Kategoria 9 - Pociągi dużych prędkości z hamulcami
klockowymi i tarczowymi
elektryczne pociągi pasażerskie głównie z hamulcami tarczowymi i dodatkowym hamulcem
klockowym ze wstawkami żeliwnymi na wagonie silnikowym, np.: typy TGV-PBA lub HLSSouth.
Kategoria 10 - Tymczasowo zarezerwowana dla pociągów dużych prędkości typu ICE-3 (M) (HST East)
Pojazdy nie wymienione powyżej przydziela się
do stosownej kategorii bazując na ich systemie
napędnym i hamowania lub maksymalnej prędkości (tabela 1).
W metodzie sklasyfikowano rodzaje torowisk:
tory kolejowe z szyn bezstykowych na
podkładach betonowych (pojedynczych
lub
podwójnych),
na
podsypce
tłuczniowej,
tory kolejowe z szyn bezstykowych na
podkładach
drewnianych
lub
zygzakowatych betonowych, na podsypce
tłuczniowej,
szyny nie spawane na podsypce
tłuczniowej,
szyny
stykowe
lub
pojedyncze zwrotnice,
tory kolejowe na betonowych podkładach
bez podsypki,
tory kolejowe na betonowych podkładach
umieszczonych na podsypce tłuczniowej,
tory kolejowe z nastawnym mocowaniem
szyn, bez podsypki (głownie na
wiaduktach)
tory kolejowe z nastawnym mocowaniem
szyn na podsypce tłuczniowej,
tory z wbudowanymi szynami
tory kolejowe na przejeździe kołowym
Autorzy metody podkreślają, iż wyznaczenie
współczynnika korekcji dla torów nie jest proste.
Każdorazowo określa się wartości dla poszczególnych
pasm oktawowych oraz osobno wartości dla każdej
kategorii pojazdu szynowego.
Metoda RMR 1996 określa pięć możliwych
wysokości pomiarowych (wysokości źródeł dźwięku):
0.0 m - na wysokości główki szyny,
0.5 m powyżej główki szyny,
Trzy ostanie wysokości pomiarowe dotyczą
wyłącznie pociągów dużych prędkości.
Maksymalne prędkości obliczeniowe dla poszczególnych kategorii pojazdów
Kategoria
Max. prędkość [km / h ]
Tabela 1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
140 160 140 100 140 120 100 160 300 330
11
Według metody SRM I równoważny poziom
dźwięku powodowany ruchem kolejowym określa się
w następujący sposób:
gdzie:
r - najkrótsza odległość pomiędzy punktem odbioru a źródłem liniowym [m]
L Aeq = E s + C reflection − Ddis tan ce − Dair − Dsoil − Dmeteo
Dsoil
(1)
gdzie:
E s - złożona wartość emisji obliczana wg równania:
E s = 10 lg
n
1
φ i 10 Ei / 10
∑
127 i =1
(2)
gdzie:
Ei - wartość emisji odcinka i (określona
w §2 opracowania [6])
φ i - kąt przy odcinku i, widziany z punktu odbioru
n - numer odcinka w granicach rozpatrywanej powierzchni
C reflection - wartość poprawki dla odbić,
jeśli występują, pochodzących od budynków lub innych płaszczyzn odbijających
C reflection = f obj
(3)
gdzie:
f obj - całkowita długość odcinka (równoległy do toru i prostopadły do
punktu odbioru) po drugiej stronie
badanego toru przez który rozprzestrzenia się dźwięk od odbitej powierzchni w zakresie
4(d r + d w )
(4)
d r - odległość pomiędzy obiektem odbijającym a źródłem [m]
d w - odległość pomiędzy punktem odbioru a źródłem [m]
- wartość obniżająca poziom
dźwięku, wynikająca z pochłaniania
przez grunt
(
(7)
gdzie:
B - współczynnik pochłaniania przez grunt, odcinek gruntu pomiędzy punktem odbioru a
źródłem – niewybrukowany np. tłuczeń,
trawa, grunty rolne uprawne lub nie, piaski,
grunty na których nie uprawia się warzyw
r
- najkrótsza odległość pomiędzy punktem
odbioru a źródłem liniowym [m]
hbs - wysokość źródła powyżej średniego poziomu
terenu wewnątrz obszaru źródła [m]
hw - wysokość punktu odbioru powyżej średniego
poziomu terenu wewnątrz ocenianego obszaru [m]
Dmeteo -wartość poprawki dla warunków meteorologicznych
Dmeteo
r
− 0.04
−5 

hw + 0.6 hbs + 0.5


= 3.5 1 − e




(8)
Jeśli wynik jest wartością ujemną, współczynnik
Dmeteo przyjmuje wartość zero.
Według metody SRM II równoważny poziom
dźwięku w odległości r od źródła określa się w
następujący sposób:
8
J
N
LAeq = 10 lg ∑∑∑10
dźwięku, zależna od odległości
(5)
)
−0.01r


+ 1.6 B − 1.8 − 3(1 − B )1 − e hw + hbs + 0.4 




Ddis tan ce
Ddis tan ce = 10 lg r
)(
Dsoil = 3B 0.5 1 − e −0.03r 1.25e −0.75(0.6 hbs + 0.5 ) + e −0.9 hw +
∆Leq ,i , j ,n / 10
(9)
i =1 j =1 n =1
gdzie:
∆Leq,i , j , n -
określony
udział
w
paśmie
oktawowym i sektora j i źródła punktowego n
gdzie:
r
Dair
- najkrótsza odległość pomiędzy
punktem odbioru a źródłem liniowym [m]
dźwięku, wynikająca z pochłaniania
przez atmosferę
Dair = 0.016r 0.9
12
(6)
∆Leq,i, j,n = LE + ∆LGU − ∆LOD − ∆LSW − ∆LR − 58.6
(10)
gdzie:
LE - wartość emisji dla danej wysokości źródła
w paśmie oktawowym
∆LGU - rozbieżność geometryczna i kierunkowość
∆LGU = 10 lg
φ sin v
r
(11)
gdzie:
r - odległość pomiędzy źródłem i punktem
pomiarowym, mierzona wzdłuż najkrótszej linii łączącej te punkty [m],
v - kąt pomiędzy sektorem powierzchni i odcinkiem źródła liniowego [w stopniach],
φ - kąt otwarty sektora [w stopniach].
∆LOD - tłumienie z powodu propagacji
∆LOD = D L + DB + C M
(12)
gdzie:
DL - wpływ powietrza,
DB - wpływ gruntu,
C M - współczynnik korekcji meteorologicznej.
∆LSW - efekt ekranowania, jeśli występuje
( )
∆LSW = HF N f − C p
Metoda ta określa poziom mocy akustycznej
źródła emisji Lm, E (dotyczy źródła) według
następującej zależności:


Lm , E = 10 ⋅ log ∑100,1⋅(51+ DFz + DD + Dl + Dv )  + DFb + DBr + DBu + DRa
 i

(15)
Zawiera liczne dodatkowe składniki - poprawki
odnoszące się zarówno do pojazdu jak i torów.
Poprawki odnoszące się do pojazdu:
DFz - wpływ typu pojazdów szynowych (wartości zawarte w tabeli 2)
DD - wpływ rodzaju hamulca
DD = 10 lg(5 − 0,04 ⋅ p )
(13)
gdzie:
H - skuteczność ekranowania,
F N f - funkcja z argumentem N f (= liczbie
Dl
gdzie:
p - procentowy udział hamulców tarczowych w składzie pociągu (łącznie z lokomotywą)
- wpływ długości pociągu
Dv
klasie na godzinę
przyjmuje się:
- długość lokomotywy 20 [m]
- długość wagonu pasażerskiego 26,4 [m]
- wpływ prędkości pociągu
( )
Fresnel?a),
C p - współczynnik korekcji zależny od profilu.
∆LR - tłumienie z powodu odbić, jeśli występują
∆LR = N ref δ ref
(14)
gdzie:
N ref - liczba odbić pomiędzy źródłem a punktem
δ ref
pomiarowym
- obniżenie poziomu wskutek odbicia
δ ref ,i
zakresie pasma oktawowego
= −10 log10 (1 − α i ) dla powierzchni po-
δ ref
chłaniających, w paśmie oktawowym i
= 1 dla każdej innej powierzchni, w całym
δ ref = −10 log10 (0.8) dla budynków, w całym
zakresie pasma oktawowego
α i - współczynnik pochłaniania dźwięku w paśmie oktawowym i
2.2. Metoda niemiecka Schall 03 z 1990r. - („Richtlinie zur Berechnung der Schallimmissionen
von Schienenwegen“) [7]
Schall 03 to jedna ze starszych metod wyznaczania poziomu hałasu generowanego przez pojazdy
szynowe opracowana w 1990r. dla Kolei niemieckich
(Deutsche Bundesbahn).
(16)
(17)
Dl = 10 lg(0,01 ⋅ l )
gdzie: l - suma długości pociągów w danej
Dv = 20 lg(0,01 ⋅ v )
(18)
gdzie: ν- dopuszczalna prędkość na danym
odcinku
Poprawki odnoszące się do torów:
DFb - wpływ torowiska (wartości zgodnie z
tabelą 3),
DBr - wpływ mostu DBr = 3dB ,
DBu -wpływ przejazdów kolejowych
DBu = 5dB ,
DRa - wpływ łuku torowego.
Wpływ rodzaju pojazdu
Lp.
1
2
3
4
5
6
DFz Tabela 2
Rodzaj pojazdu
Pojazdy poruszające się z dopuszczalną
prędkością V > 100km / h ,
wyposażone w koła absorbujące hałas
(np. Typ 401)
Pojazdy wyposażone w koła z hamulcami tarczowymi (Typ 403, 420, 472)
Pojazdy wyposażone w koła z hamulcami tarczowymi (wagony typu Bx ,
łącznie z lokomotywą)
Metro
Tramwaje
Pozostałe rodzaje pojazdów
DFz *
-4
-2
-1
2
3
0
13
Wpływ rodzaju toru
Lp.
1
2
3
4
DFb Tabela 3
Rodzaj torowiska
DFb *
Torowiska pokryte trawą
- trawmwaje
Torowiska na podsypce tłuczniowej
- podkłady drewnianie
Torowiska na podsypce tłuczniowej
- podkłady betonowe
Płyty betonowe - nie absorbujące
-2
2.3.„Schall 03 2006“ – Nowa metoda niemiecka [8]
0
2
5
Do obliczeń wykorzystywane są również następujące
dane:
- rodzaj pojazdu - wyróżnia się 14 kategorii pojazdów (tabela 4),
Prędkości oraz długości różnych kategorii pojazdów
Tabela 4
Lp.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Kategoria pojazdu
ICE
EC/IC
Pociągi regionalne
D – pociągi pospieszne
FD – pociągi dalekobieżne
Pociągi przyspieszone
Pociągi podmiejskie
Pociągi kolei dojazdowych
(Zespoły trakcyjne)
(Berlin)
(Hamburg)
(Nadrenia-Zagłębie Rury)
Pociągi towarowe
(dalekobieżne)
Pociągi towarowe
(regionalne)
Metro
Tramwaje
Max.
prędkość
[ km/h]
250
200
200
Średnia
długość
[m]
420
340
205
160
340
140
120
205
150
120
130
100
70
100
130
120
120
100
500
90
200
80
60
80
25
- rodzaj hamulca (tabela 5),
Procentowy udział hamulców tarczowych w składzie
pociągu
Tabela 5
Lp.
1
2
3
4
14
Kategoria pojazdu
D – pociągi pospieszne
FD – pociągi dalekobieżne
Pociągi przyspieszone
Pociągi podmiejskie
Pociągi towarowe
wszystkie inne kategorie pojazdów
- długość i skład pociągu (tabela 4),
- prędkość (tabela 4) ,
- mosty,
- przejazdy kolejowe,
- łuki toru.
Procentowy udział hamulców tarczowych
na pojeździe
do 1988r.
do 2000r.
Nowa, niemiecka metoda służąca do wyznaczania poziomu hałasu generowanego przez pojazdy szynowe, opracowana została wg zharmonizowanej metody obliczeniowej zawartej w Dyrektywie
2002/49/UE i opublikowana na międzynarodowej
konferencji EURONOISE, która odbyła się w 2006r.
w Tampere (Finlandia).
Obecnie stosowana metoda zawiera także liczne, parametry odnoszące się zarówno do pojazdu jak i
torów. Metoda bazuje na poziomach dźwięku wyznaczanych w pasmach oktawowych, opisuje emisję hałasu na rożnych wysokościach dla różnych kategorii
pojazdów (np.: lokomotywy elektryczne, spalinowe,
wagony pasażerskie towarowe, itp.), źródeł hałasu
(hałas toczenia, hałas aerodynamiczny, hałas zespołu
maszyn, hałas od silnika) oraz elementów źródeł hałasu (np.: chropowatość kół i szyn, hałas od pantografu
oraz hałas od wentylatorów, wózków itp.).
Poziom mocy akustycznej emisji na jednostkę
długości dla źródła zastępczego LW ' A, f ,h,m, Fz opisany
jest następującym równaniem:
2.3.„Schall 03 2006“ – Nowa metoda niemiecka [8]
Nowa, niemiecka metoda służąca do wyznaczania poziomu hałasu generowanego przez pojazdy szynowe, opracowana została wg zharmonizowanej metody obliczeniowej zawartej w Dyrektywie 2002/49/
UE i opublikowana na międzynarodowej konferencji
EURONOISE, która odbyła się w 2006r. w Tampere
(Finlandia).
Obecnie stosowana metoda zawiera także liczne, parametry odnoszące się zarówno do pojazdu jak i
torów. Metoda bazuje na poziomach dźwięku wyznaczanych w pasmach oktawowych, opisuje emisję hałasu na rożnych wysokościach dla różnych kategorii
pojazdów (np.: lokomotywy elektryczne, spalinowe,
wagony pasażerskie towarowe, itp.), źródeł hałasu
(hałas toczenia, hałas aerodynamiczny, hałas zespołu
maszyn, hałas od silnika) oraz elementów źródeł hałasu (np.: chropowatość kół i szyn, hałas od pantografu
oraz hałas od wentylatorów, wózków itp.).
Poziom mocy akustycznej emisji na jednostkę
długości dla źródła zastępczego LW ' A, f ,h,m, Fz opisany
30%
100%
20%
30%
LW ' A, f , h, m , Fz = a A, h.m. Fz + ∆a f , h , m , Fz + 10 lg
0%
0%
100%
100%
v 
+ b f , h, m lg Fz dB + ∑ c f , h, m + ∑ K
 v0 
jest następującym równaniem:
nQ
dB +
nQ , 0
(19)
gdzie:
a A, h , m , Fz
- poziom A mocy akustycznej przypa-
dającej na jednostkę długości dla prędkości odniesienia V 0=100 km/h na torze o
średniej jakości powierzchni szyn
∆ a f , h , m , Fz
nQ
nQ , 0
- różnica poziomu w pasmach oktawowych f w dB,
- ilość źródeł dźwięku na jednostce pojazdu,
-
b f ,h ,m
liczba odniesienia źródeł dźwięku na jednostce pojazdu,
- współczynnik prędkości,
v Fz
- prędkość,
v0
- prędkość odniesienia, v 0 = 100 km / h
c f ,h ,m
- poprawki poziomu dla rodzaju toru i powierzchni szyny,
Kpoprawki poziomu dla mostów i uciążliwości hałasu.
Dalszy sposób wyznaczania poziomu dźwięku
jest zgodny z metodą zalecaną w normie ISO 9613-2.
2.4. Metoda stosowana w Anglii (“Calculation of
Rail Traffic Noise”) [9] [21]
Metoda wyznaczania poziomu hałasu generowanego przez pojazdy szynowe stosowana w Anglii,
w skrócie nazywana (CRN), stosowana jest m.in. w
oprogramowaniu do tworzenia map akustycznych
SoundPLAN. Pojazd szynowy traktowany jest jako
źródło liniowe.
Metoda określa rodzaje pojazdów (tabela 6)
oraz torów (tabela 7) a także poprawki korygujące
różnicę pomiędzy poszczególnymi kategoriami:
Rodzaje szyn/torów oraz poprawka Tabela 7
Opis szyn
Szyny stykowe
Rozjazdy i skrzyżowania
Tory na płytach betonowych
Betonowe mosty i wiadukty
(wykluczając ekranowanie przez bariery)
Stalowe mosty
(wykluczając ekranowanie przez bariery)
Szyny bezpośrednio połączone z dźwigarem skrzynkowym
Poprawka C1
[dB(A)]
Wagony pasażerskie – hamulce klockowe
- EMU klasa 421 lub 422
10.8
- Koleje Brytyjskie MK I lub II
14.8
Wagony pasażerskie – hamulce tarczowe, 4 osiowe
- EMU klasa 319
11.3
- EMU klasa 465 i 466
8.4
- EMU klasa 165 i 166
7.0
- Koleje Brytyjskie MK III lub IV
6.0
15.8
14.9
Wagony towarowe - hamulce klockowe, 2 osiowe
12.0
15.0
Wagony towarowe - hamulce tarczowe, 2 osiowe
8.0
7.5
Lokomotywy spalinowe (ustalona prędkość)
- Klasa 20 i 33
14.8
- Klasa 31,37,47,56,59,60
16.6
- Klasa 43
18.0
Lokomotywy spalinowe pod pełnym obciążeniem
- Klasa 20,31,33,37,43,47,56,59
0.0
- Klasa 60
-5.0
Lokomotywy elektryczne
14.8
Eurostar – hałas toczenia
17.2
(2 napędne wagony rozdzielone 14 lub 18 wagonami)
Eurostar – hałas wentylatorów
-7,4
(2 napędne wagony rozdzielone 14 lub 18 wagonami)
1,0
4,0
9,0
Obliczenia hałasu kolejowego wg. metody CRN
przeprowadza się w następujący sposób:
1) Pojedyncze pojazdy SELv
- dla pojazdów nienapędnych:
(20)
SELv = 31.2 + 20 log 10 v + C1
- dla lokomotyw przy pełnej mocy:
SEL v = 112.6 − 10 log 10 v + C1 (21)
C1 − poprawka odnosząca się do pojazdu (tabela 7)
2) SELT dla pociągów o identycznym
składzie
3) SELv przy każdej prędkości
SELv = SELT − 10 log10 N
(22)
4) Całkowita wartość SEL dla każdego
pociągu o identycznym
składzie SELTi :
Rodzaje pojazdów szynowych oraz poprawka C1
Tabela 6
Rodzaj pojazdu
Poprawka
[dB(A)]
2,5
2,5
2,0
SELTi = SELv + 10 log10 N
(23)
5) Obliczenia SELRe f dla każdego odcinka toru według udziału pociągów o
identycznym składzie SELTi
NT
SELRe f = 10 log10 ∑10 SELTi / 10 + poi =1
prawka od toru
(24)
6) Skorygowana wartość SEL w punkcie
odbioru
SEL = SELref + Cdist + Cabs +
+ max (C ground ,Cbarrier ) +
(25)
+ Cview + Creflection
7)
Dla każdego rodzaju toru na każdym
odcinku toru obliczamy L Aeq :
L Aeq,6 h = SEL − 43.3 + 10 log10 Q NIGHT
(26)
15
H-
jest średnią wysokością
propagacji (wysokość źródła +
wysokość w punkcie odbioru)/2
– dla terenu płaskiego
Pd - jest to stopień pochłaniania
gruntu pomiędzy źródłem a
punktem odbioru
L Aeq,18h = SEL − 48.1 + 10 log10 Q DAY
(27)
Q NIGHT - jest liczbą pociągów tego
samego typu, przejeżdżających przez
punkt odbioru w okresie czasu: 00.00
– 06.00
QDAY - jest liczbą pociągów tego
samego typu, przejeżdżających przez
punkt odbioru w okresie czasu: 06.00
– 00.00
8) Obliczamy całkowita wartość Ltot
− 1,5dB *1
C ballast = 
0dB *2
*1
poprzez połączenie składowych L Aeq


Ltot = 10 log10  ∑10 Lt / 10 
 i

(32)
-
CRN określa również współczynniki (poprawki) na tłumienie wynikające z propagacji hałasu kolejowego w atmosferze (rysunek 3):
dla wszystkich odcinków
toru, z wyjątkiem najbliższego
obserwatorowi,
położonych na podsypce
*2
jeśli tory nie leżą na
podsypce
poprawka na ekranowanie
Strefa cienia
− 7.75 log10 (5.2 + 203δ )dBA
C barrier = 
− 21dB
0 < δ < 2.5m
(33)

δ > 2.5m

Strefa bezpośredniego
oddziaływania
Rys.3. Propagacja hałasu w atmosferze
0.88 + 2.14 log10 (δ + 0.001)dBA
C barrier = 
0dB
- tłumienie związane z odległością:
,
C dist = −10 log 10 (d , / 25) , d > 10m
(29)
,
gdzie: d - jest odległością od odcinka
toru do punktu odbioru
- tłumienie przez atmosferę
C abs = 0,2 − 0,008d ,
(30)
- tłumienie przez grunt
− 3Pd log10 (d / 25)

C ground = − 0,6 Pd (6 − H )log10 (d / 25)
0

H ≤ 1m


1 < H < 6m
 + Cballast (31)
H > 6m lub10 < d < 25m 
gdzie: d - jest składową poziomą
0 < δ < 0.4m

δ > 0.4m

(34)
gdzie: δ = SB + BR − SR - jest różnicą długości drogi od źródła do punktu odbioru
-
poprawka na kat widzenia
długość odcinka
najbliższa powierzchnia
przylegająca do toru
linia dzieląca
kąt widzenia
odległości od odcinka toru do
obserwatora,
16
0

C view = − 10 log10 (sin α sin (β / 2))
10 log (β − cos(2α )sin (β )) − 5
10

α ≤ β /2 

(35)
α > β / 2*1) 

α > β / 2*2) 
*1)
+ pochłanianie przez powietrze,
+ pochłanianie przez grunt,
+ ekranowanie.
2.6.
Metoda wykorzystywana w Szwajcarii
(„Schweizerisches Emissions- und Immissionsmodell für die Berechnung von Eisenbahnlärm”) [11]
Model akustyczny stosowany w Szwajcarii nazywany w skrócie SEMIBEL, opracowany został w
1990r. Określa równoważny poziom dźwieku wg następującego równania:
& lokomotywy spalinowe pod
pełnym obciążeniem
*2 )
& inne (nie spalinowe) lokomo A(w) + B (w)⋅ log[v eff (z )]+

tywy pod pełnym obciążeniem
Leq , z = Summe
 (38)
(
)
(
)
10
log
[
]
10
log
[
]
+
⋅
Lange
w
+
⋅
M
z


- poprawka na odbicia
C reflection
+ 2.5dBA*1)

= ∑ + 2.5dBA*2)

*3)
+ 1.5dBA
Lr , e = Leq ,e + F + K1
(36)
gdzie:
Leq, z
- ocena emisji hałasu pociągów z,
Leq,e
dB(A)
- poziom emisji odcinka, dB(A)
*1)
jeśli punkt odbioru znajduje się
1m od fasady budynku
*2 )
jeśli punkt odbioru znajduje się po
drugiej stronie ulicy (z budynkami),
prostopadle do linii kolejowej
*3)
jeśli punkt odbioru znajduje się
Lr ,e
w
z
veff
l (w)
2.5. Metoda stosowana w Austrii („ÖAL 30”) [10]
Metoda, opisana i stosowana w oprogramowaniu do tworzenia map akustycznych SoundPLAN.
Wykorzystywana jest na trzy sposoby, pierwszy, standardowy opisujący emisję i propagację hałasu w pasmach oktawowych. Drugi, pozwala na zastosowanie
metody do kalibracji modelu dla różnych pojazdów
szynowych. Trzeci, stosuje ustalone standardy do
wyznaczenia propagacji dźwięku.
Poziom dźwięku w punkcie odbioru Li od elementu toru określany jest równaniem:
Li = Lw − 11+ 10 * log(( dlugosc odcinka )
+ 20* log(1/ odleglosc) + 10* log(0.15 + 0.85* sqr(S) / sqr(R))
(37)
w którym do wartości poziomu mocy akustycznej odcinka toru odniesionego do 1m dodaje się
następujace wartości poprawek:
+ 10 * log (dlugosc odcinka) poprawka na długość odcinka dla źródła zastępczego,
poziomu
+ 20 * log(1 / odleglosc ) spadek
wraz z odległością,
+ 10 * log(0.15 + 0.85 * sqr (S )/ sqr (R )) kierunkowość pociągu,
(39)
M (z )
F
K1
2.7.
- poziom emisji odcinka, dB(A)
- typ wagonu
- typ pociągu
- prędkość średnia, km/h
- długość danego typu wagonu w,
m
- ilość pojazdów danej kategorii
pociągów na godzinę, Z/h
- poprawka dotycząca torów, dB(A)
- poprawka poziomu dla hałasu
jazdy , dB(A)
Słowacka metoda („Metodické pokyny pre
výpočet hladín hluku od dopravy”) [12]
Metoda wykorzystywana na Słowacji do wyznaczania równoważnego poziomu dźwięku pojazdów
szynowych obliczana wg równania:
(40)
Y = 40 + 10 ⋅ log X
gdzie:
parametr X obliczany jest wg następującej
formuły :
X = 140 ⋅ F4 ⋅ F5 ⋅ F6 ⋅ m
(41)
gdzie:
F4
F4
F4
F5
- współczynnik wpływu trakcji,
= 1,0 - dla trakcji spalinowej;
= 0,65 - dla trakcji elektrycznej
- współczynnik wpływu prędkości jazdy na odcinku pomiarowym,
17
F5 = 0,241 ⋅ e (0,024V )
(42)
F6 - współczynnik średniej ilości pojazdów (wagonów i lokomotyw) w składzie
(43)
F6 = 0,0375 z − 0,5
m - średnia liczba pociągów pasażerskich podczas godziny
V - prędkość pojazdu
2.8. Metoda stosowana w krajach skandynawskich
(„nordtest method”) [13]
Metoda sporządzona w roku 1997, zawiera procedurę pomiaru równoważnego poziomu dźwięku od
ruchu kolejowego zarówno na zewnątrz jak i wewnątrz budynków a także w otwartej przestrzeni. Metoda wykorzystuje do obliczeń następujące parametry:
- typ pociągu,
- prędkość i długość pojazdu,
- pora dnia w której wykonuje się pomiary,
- inne znaczące elementy.
Wyznaczenie wartości L Aeq dla wybranego
okresu dnia lub całego dnia dokonuje się wg zależności:
Leq ,T = −10 lg(3600T ) +
[
+ 10 lg 10
L AE ,type ,1 /10
+ 10
L AE ,type , 2 / 10
]
+ ... dB
(44)
gdzie:
L AE ,1 ,
L AE , 2
itd.
-
ekspozycyjne
poziomy dźwięku poszczególnych typów
pojazdów,
T - czas pomiaru w godzinach, dla
wybranego okresu dnia lub dla całego
dnia
 Ltype
L
L
LAE ,type = 10 lg 
10 AE ,1 / 10 + 10 AE , 2 / 10 + ... + 10 AE ,n /10

L
 type1
(

)dB

(45)
gdzie:
Ltype - całkowita długość danego typu
pojazdu w rozważanym okresie dnia
Ltype,1 - długość pociągów, danego typu
pojazdu w serii pomiarowej
2.9. Metoda stosowana w krajach skandynawskich („Nord 2000. New Nordic Prediction
Method for Rail Traffic Noise”) [14]
Nowsza z metod opracowana dla Szwecji, Norwegi i Danii wykorzystywana do wyznaczania poziomu dźwięku od pojazdów szynowych. Metoda zawiera bardzo szczegółowy opis obliczeń, rodzaje parametrów wchodzących w skład modelu.
18
Model propagacji pozwala na określenie poziomu ciśnienia akustycznego w punkcie odbioru r, wyznaczany w pasmach tercjowych w zakresie 25 Hz –
10kHz wg zależnosci:
LR = LW + ∆Ld + ∆La + ∆Lt + ∆Ls + ∆Lr
(46)
gdzie:
LW
- poziom mocy akustycznej w granicach rozpatrywanego pasma częstotliwości,
∆Ld - efekt tłumienia rozbieżności sferycznej energii dźwięku
(
∆Ld = −10 lg 4πR 2
gdzie:
)
(47)
R
- jest odległością pomiędzy źródłem a punktem odbioru
∆La - efekt tłumienia wynikający z pochłaniania przez atmosferę, obliczany jest
na podstawie ISO 9613-1,
∆Lt - efekt tłumienia terenu (grunt i bariery) ,
∆Ls - efekt tłumienia stref rozpraszających,
∆Lr - efekt wpływu odbić.
2.9. Metoda stosowana w Egipcie („Noise prediction model for Egyptian railway lines inside
urban areas”) [15]
Również takie kraje jak Egipt wprowadziły własny model wykorzystywany do oceny poziomu hałasu
kolejowego. Dla każdej kategorii pojazdów (eksploatowanych przez koleje egipskie) można stosować
trzy różniące się typy wzorów:
- logarytmiczny:
SPL = ALog (S ) + BLog (d ) + CLog (N ) + D (48)
- liniowy:
(49)
SPL = A(S ) + B(d ) + C (N ) + D
- wykładniczy:
SPL = Exp[A(S ) + B(d ) + C (N ) + D ]
(50)
gdzie:
SPL - poziom ciśnienia akustycznego (dB),
- prędkość pociągu w km/h,
S
- odległość od toru w m,
d
- liczba wagonów w składzie pociąN
gu,
A, B, C , D - stałe współczynniki (różne dla każdego wzoru).
Przeprowadzone badania hałasu na kolejach
egipskich dla różnych warunków posadowienia toru
oraz pociągów wykazały że najmniejsze błędy uzyskano dla modelu liniowego.
2.11. Metoda stosowana na Węgrzech („Vasúti
közlekedés zajkibocsátásának számítása”)
[16]
Aatm - tłumienie wynikające z pochłaniania
Metoda węgierska opublikowana została w
normie MZS 07-2904-1990. Równoważny poziom
dźwięku obliczany jest na podstawie danych z ruchu
dla referencyjnej odległości 25m od najbliższej osi
toru, na wysokości 0.5 m nad główką szyny, dla pory
dziennej (6:00 ÷ 22:00) i pory nocnej (22:00 ÷ 6:00).
Równoważny poziom dźwięku obliczany jest
wg. zależnosci:
Abar - tłumienie wynikające z obecności
L Aeq,i (25) = L0i + 10 ⋅ lg Qi + 10 ⋅ lg
li
v
+ 20 ⋅ lg i
l 0i
v0 i
(51)
gdzie:
L0i
Qi
li
l 0i
vi
v0 i
- poziom hałasu emitowany przez pojazd
szynowy (dB),
- średnia liczba przejeżdżających pociągów w ciągu godziny,
- długość pociągu [m],
przez atmosferę,
Agr - tłumienie wynikające z wpływu gruntu,
ekranu,
Amisc - tłumienie wynikające z różnych innych
zjawisk,
2.13. Model opracowany w Akademii Górniczo –
Hutniczej w Krakowie [18]
Przedstawiony poniżej model opublikowany został w materiałach konferencyjnych RAILWAY NOISE w 1999 r. Określa on sposób wyznaczenia równoważnego poziomu dźwięku A w punkcie obserwacji
od i-tego źródła:
L Aeqi = L Aeqi /1m + LΘ − Lr − LE − Lgr − Lz − L pow (54)
gdzie:
L Aeqi /1m - równoważny obliczeniowy poziom
- długość pociągu odniesienia [m],
LΘ
- prędkość pociągu km/h,
- prędkość odniesienia km/h.
Lr
2.12. Metoda przedstawiona w normie PN-ISO
9613-2 [17]
Przedstawiony w normie model obliczeniowy
tłumienia hałasu pochodzącego od zbioru źródeł
punktowych zalecany jest głównie do obliczeń hałasu
generowanego przez przemysł jednak pewne jego
elementy mogą być wykorzystane do prognozowania
hałasu w obrębie dróg kolejowych.
Równoważny poziom ciśnienia akustycznego w
pasmach oktawowych w punkcie odbioru dla propagacji z wiatrem przedstawia się następująco:
L fT (DW ) = LW + DC − A
(52)
gdzie:
LW
- poziom mocy akustycznej punktowego
źródła dźwięku w paśmie oktawowym
[dB]
DC - współczynnik kierunkowości źródła
[dB],
A - współczynnik kierunkowości źródła
[dB],
A = Adiv + Aatm + Agr + Abar + Amisc
(53)
gdzie:
Adiv - tłumienie wynikające z rozbieżności
geometrycznej,
LE
Lgr
Lz
L pow
dźwięku A w odległości 1m od i-tego
źródła
punktowego,
- poprawka określająca charakterystykę kierunkową promieniowania,
- poprawka uwzględniająca wpływ
odległości,
- poprawka na ekranowanie,
- poprawka uwzględniająca oddziaływanie gruntu,
- poprawka uwzględniająca wpływ
zieleni,
- poprawka uwzględniająca chłonność
akustyczną powietrza.
2.14. Model opracowany w Politechnice Wrocławskiej [19]
Model zaproponowany przez zespół pracowników Instytutu Telekomunikacji i Akustyki PW powstał w 1994 r. W okresie, w którym opracowali model nie istniały jeszcze konkretne zalecenia międzynarodowe dotyczące metod obliczania hałasu kolejowego.
Przedstawiony schemat metody obliczeniowej
pozwala na korzystanie z dwóch możliwych wariantów obliczeń
- wariant bazujący na modelu źródła liniowego i
standaryzowanych poziomach odniesienia dla pociągu,
- wariant bazujący na modelu szeregu źródeł
punktowych i poziomie mocy akustycznej poszczególnych wagonów.
19
Poniżej przedstawiono pierwszy wariant określający poziom dźwięku w dowolnym punkcie otoczenia, związany z przejazdem pociągu:
L = Lo + ∆Lr − A p − Ag − Ae − A f
(55)
gdzie:
Lo
- max L A max lub ekwiwalentny L Aeq po-
Ap
ziom dźwięku pociągu lub lokomotywy
podawany dla różnych typów pociągów
lub lokomotyw w punkcie odniesienia
[dB],
- zmiany poziomu dźwięku ze wzrostem
odległości od źródła [dB],
- tłumienie dźwięku wprowadzane przez
Ag
powietrze,
- tłumienie dźwięku związane z zejściem
∆Lr
Ae
Af
fali akustycznej nad powierzchnią gruntu
[dB],
- dodatkowe tłumienie wynikające z warunków prowadzenia linii kolejowej [dB],
- korekcja uwzględniająca wpływ powierzchni odbijających.
3. Projekty HARMONOISE, IMAGINE [20]
Realizacja programów HARMONOISE (Harmonised Accurate and Reliable Methods for the EU
Directive on the Assessment and Management Of
Environmental Noise) oraz IMAGINE (Improved
Metods for the Assessment of the Generic Impact of
Noise in the Environment) jest kontynuacją procesu
harmonizacji metod i budowy standardu wspólnotowego. Zadaniem projektu Harmonoise było stworzenie inżynierskiego modelu oddziaływania hałasu
komunikacyjnego, uwzględniającego drogi i koleje.
Model inżynierski obowiązuje w zakresie od 25 Hz do
10 kHz. Obliczenia są wykonywane w pasmach 1/3
oktawowych. Osiągany jest różny stopień dokładności w zależności od klasy dokładności wprowadzonych danych. Dokładność modelu zmniejsza się z odległością od źródła i dla nierównomiernego terenu.
-
kategorię pojazdów (elektryczne, spalinowe, pasażerskie, towarowe)
- położenie trasy kolejowej (nasyp, prosta,
zagłębienie) itd.
Dokładność modeli obliczeniowych zależy
m.in. od poprawnego doboru parametrów, ich ilości
oraz dokładnej analizy ich wpływu na ostateczną wartość poziomu dźwięku (niektóre z tych parametrów
mają nieznaczny wpływ, inne wręcz przeciwnie).
Poszczególne metody prognozowania hałasu są
trudne do porównania również ze względu na odległość pomiarową, czas trwania pomiaru lub też porę
dnia w której wykonuje się badania.
Ważnym zauważalnym wnioskiem jest to, iż
istnieje niewątpliwa potrzeba stworzenia modelu (metody obliczeniowej) poziomu hałasu generowanego
przez pojazdy szynowe dla polskich warunków zgodnie z obowiązującymi obecnie przepisami czy też
adaptacja jednego z już istniejących.
Ze względu na ograniczoną objętość artykułu
wszystkie przedstawione modele (metody) nie zostały
opisane szczegółowo, przedstawiono jedynie ich istotę.
5. Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
4. Podsumowanie
W artykule przedstawiono przegląd modeli obliczeniowych stosowanych w różnych krajach na
świecie. Modeli tych jest bardzo dużo, uwzględniają
one różne parametry charakteryzujące m.in:
- warunki środowiskowe danego kraju (np.:
rodzaj i gęstość zieleni, warunki atmosferyczne, rodzaj gruntu);
- warunki techniczne pojazdów (np.: wpływ
rodzaju klocków hamulcowych);
- stan torów, podtorza;
20
[7]
[8]
Dyrektywa 2001/16/WE Parlamentu Europejskiego oraz Rady Unii Europejskiej z dnia
19 marca 2001 r. w sprawie interoperacyjności
transeuropejskiego systemu kolei konwencjonalnych
Dyrektywa 2002/49/WE Parlamentu Europejskiego oraz Rady Unii Europejskiej z dnia
25 czerwca 2002 r. w sprawie oceny i kontroli
poziomu hałasu w środowisku
EN ISO 3095 „Railway applications – Acoustics
– Measurement of noise emitted by railbound
vehicles”
Prawo Ochrony Środowiska z dnia 27.04.2001r.
Reken-en Meetvoorschrift Railverkeerslawaai
96? Ministerie Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer, 20 November 1996"
AR-INTERIM-CM
(CONTRACT:
B43040/2001/329750/MAR/C1), Adaptation and
revision of the interim noise computation methods for the purpose of strategic noise mapping,
WP 3.2.1: Railway Noise - Description of the
calculation method,
„Richtlinie zur Berechnung der Schallimmissionen von Schienenwegen - Schall 03“, information – Deutsche Bundesbahn – Akustik 03, Ausgabe 1990
U. Moehler, M. Liepert, U. Kurze, H. Onnich
„The new German prediction model for railway
noise „Schall 03 2006“ – some proposals for the
harmonised calculation method in the EU Directive on Environmental Noise”, Euronoise
2006, 30.05 – 01.06, Tampere
[9]
SoundPLAN, „Calculation of Rail Traffic Noise CoRTN” Chapter 6 – 6.3.2.4, str. 92-96
[10] SoundPLAN, “ÖAL 30” Chapter 6 – 6.3.2.3, str.
89-92
[11] SEMIBEL „Schweizerisches Emissions- und Immissionsmodell für die Berechnung von Eisenbahnlärm”, Schriftenreihe Umweltschutz Nr.
116, Herausgegeben vom Bundesamt für Umwelt, Wald und landschaft Bern, März 1990
[12] M.Liberko „„Metodické pokyny pre výpočet
hladín hluku od dopravy”, Brno 1991
[13] „nordtest method“ NT ACOU 098, project 115094, zatwierdzony w 05.1997
[14] „Nord2000. Comprehensive Outdoor Sound
Propagation Model. Part 1 Propagation in an
Atmosphere without Significant Refraction,
DELTA 31.12.2000r., str. 11
[15] Akram S. M. Kotb „Noise prediction model for
Egyptian railway lines inside urban areas”
[16] A. Pultznerova “Comparision of some calculation
models for railway noise prediction” Zeszyty
Naukowe Politechniki Śląskiej 2005 na podstawie MZS 07-2904-1990„Vasúti közlekedés
zajkibocsátásának számítása”, 1990
[17] PN-ISO 9613-2 „Akustyka – Zmniejszanie się
rozchodzenia dźwięku w wolnym powietrzu,
Część 2: Ogólne metody obliczania”
[18] Adamczyk J., Stryczniewicz L., „Modelowanie
akustyczne linii kolejowych” RAILWAY NOISE
99
[19] M.Rabiega, A.Jaroch „Hałas ruchu kolejowego
metody predykcji” Prace Naukowe Instytutu Telekomunikacji i Akustyki Politechniki Wrocławskiej Nr 78, 1994
[20] M. Rabiega, Ł. Jakielaszek, A.Jaroch „Harmonizacja europejskich metod obliczania hałasu kolejowego”
[21] P.A. Meehan „Railway noise and control” Calculation of Railway Noise (CRN)
[22] 2006/66/WE Decyzja komisji z dnia 23.12.2005r.
dotycząca technicznej specyfikacji dla interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu „tabor kolejowy – hałas” transeuropejskiego systemu kolei
konwencjonalnych.
21
prof.dr hab. inż. Tadeusz Cisowski
Politechnika Radomska
Metodyka wyboru dróg przewozu ładunków
w transporcie kolejowym
W pracy zaprezentowano nowe podejście do wyznaczania dróg przewozu ładunków w transporcie kolejowym. Podejście to uwzględnia nieliniową funkcję nakładów i dodatkowe ograniczenia technologiczne, zadane w formie jawnej i niejawnej. Przedstawiono wykresy nieliniowych funkcji kar i funkcji nakładów, jako ważnych narzędzi opisujących czynniki subiektywne,
występujące w zadaniu wyboru marszrut dla ładunków w transporcie kolejowym.
Zadaniem systemu transportowego, w zakresie
obsługi ładunków, jest ich przemieszczanie w czasie,
od punktów nadania do punktów przeznaczenia, wraz
z przeróbką w punktach tranzytowych. Optymalne
jego funkcjonowanie określone jest minimalnymi nakładami, dotyczącymi tego przemieszczania i przeróbki, przy uwzględnieniu ograniczeń nałożonych na
zdolności przepustowe i przeróbcze elementów sieci
transportowej. Tak sformułowane zadanie można zaliczyć do klasy zadań optymalizacji dynamicznej. Trudności wokół jego rozwiązania, związane są zarówno z
poszukiwaniem decyzji optymalnych, jak i z realizacją
tych decyzji w procesie sterowania. Jest ono możliwe
jedynie po spełnieniu określonych warunków i przyjęciu pewnych uproszczeń wynikających ze specyfiki
konkretnych zadań sterowania potokami transportowymi.
Bardzo często w badaniach dotyczących funkcjonowania systemów transportowych pomija się niestacjonarność potoków [7,13], przyjmując ich wielkości, korespondujące pomiędzy punktami nadania i
przeznaczenia w określonym przedziale czasowym,
jako stałe. Z tego wynika, że wielkość potoków transportowych pozostaje niezmienna na przestrzeni całej
marszruty, od punktu nadania do punktu przeznaczenia. Przy braku ograniczeń, związanych z przepustowością elementów sieci, zadanie optymalnego rozkładu potoków dekomponuje się na proste podzadania
poszukiwania najkrótszej drogi dla każdej relacji.
W przeciążonych sieciach transportowych uwzględnienie ograniczeń, dotyczących obciążeń jej elementów, ma znaczenie pierwszoplanowe i w sposób istotny komplikuje wybór marszruty. Trudności te wynikają z faktu, że drogi przewozu, określone przy równomiernym obciążeniu elementów sieci transportowej
znacznie różnią się od marszrut najkrótszych.
Problem wyboru dróg przewozu dla potoków
ładunków w transporcie kolejowym z uwzględnieniem
ograniczeń dotyczących obciążenia elementów sieci
pojawia się w wielu kierunkach badań, do których
można zaliczyć:
22
1. Opracowanie i korekta operatywna planu zestawienia pociągów towarowych, z uwzględnieniem
ograniczeń dotyczących zdolności przepustowej
szlaków i zdolności przeróbczej stacji;
2. Wybór marszruty dla potoków wagonów w planowaniu operatywnym procesu przewozowego, z
uwzględnieniem ograniczeń dodatkowych (normy
naładunku, ilość lokomotyw i drużyn trakcyjnych,
obciążenie szlaków i linii itp.);
3. Wybór optymalnego wariantu perspektywicznego
rozwoju sieci transportowej;
4. Poszukiwanie marszrut spełniających warunki
przejścia przez zadane elementy sieci transportowej (stacje, szlaki, odcinki);
5. Synchronizacja systemów produkcyjno-transportowych, poprzez uwzględnienie zależności czasu obróbki wagonów od ich liczby;
6. Przesuw wagonów próżnych.
W szerokim spektrum tych problemów można
wyróżnić dwa kierunki badań. Kierunek pierwszy
dotyczy wyboru marszrut optymalnych uwzględniających zdolności przepustowe i przeróbcze elementów
sieci kolejowej. Kierunek drugi wynika z konieczności
racjonalnego, kompleksowego opisania strukturami
informacyjnymi istniejących marszrut, wybranych na
podstawie ekspertyz. Należy podkreślić, że drugi kierunek badań może mieć rozwiązanie zadowalające,
jeśli drogi najkrótsze przedstawimy w postaci macierzy wierzchołków poprzedzających i następujących po
nich.
Podstawą rozwiązania zagadnienia, sformułowanego w pierwszym kierunku badań, jest przyjęcie
ograniczeń, dotyczących zdolności przepustowej i
przeróbczej elementów sieci w sposób jawny lub niejawny. Najbardziej interesujące i naturalne jest przedstawienie ograniczeń w sposób niejawny, w postaci
nieliniowej funkcji nakładów, zależnej od obciążeń
elementów sieci, stanowiących sumaryczne wielkości
potoków ładunków, przemieszczanych przez te elementy. Funkcja nakładów wzrasta gwałtownie, gdy
obciążenia elementów sieci osiągają lub zbliżają się do
wartości dopuszczalnej zdolności przepustowej lub
przeróbczej. Sformułowane w ten sposób zadanie
należy do klasy zadań programowania nieliniowego, w
którym ograniczenia zadane są w sposób niejawny.
Zależność nakładów od obciążenia N i elementu i jest
ciągłą, różniczkowalną i wypukłą funkcją niemalejącą,
którą można interpretować jako karę za „przybliżanie”
się do ograniczenia zdolności przepustowej lub
przeróbczej [9].
Do podstawowych nieliniowych funkcji nakładów w transporcie kolejowym, związanych z planem zestawiania pociągów towarowych, należy zaliczyć zależność oszczędności czasu, związaną z przejściem jednego wagonu przez stacje bez przeróbki od
ilości wagonów przerabianych na tej stacji. Postać tej
zależności (tek ) określona jest cyklem pracy górki
rozrządowej, liczbą lokomotyw manewrowych pracujących na torach wyciągowych oraz średnią wielkością
przerabianych składów pociągów [1,7,9]. Zależność
tek można w sposób przybliżony aproksymować wielomianem stopnia drugiego.
Wiadome jest, iż czas przeróbki t j na j – tej
stacji jest funkcją wyposażenia technicznego tej stacji
f j i potoku wagonów N j przerabianych na tej stacji:
t j = t j (N j , f j ) .
Analogicznie, czas jazdy na szlaku zależy od
wyposażenia technicznego tego szlaku f ij oraz sumarycznego potoku wagonów przemieszczanych po tym
szlaku:
(
N ij = ∑ N kij,l ; tijG = tij N ij , f ij
k ,l
)
gdzie: N kij, l – część potoku wagonów N k , l przemieszczana po szlaku (i, j ); k , l = 1, n, k ≠ l .
Przedstawione funkcje monotonicznie maleją
 ∂t

≤ 0  i monotonicznie rosną wzglęwzględem f 
∂
f


 ∂t

≥ 0  . Wartość t j rośnie do nieskończo ∂N

ności, jeżeli N zdecydowanie przewyższa f :
dem N 
lim t = ∞ .
N / t →∞
Przy zadanym wyposażeniu technicznym stacji i szlaków, czas jazdy i przeróbki rośnie wraz ze
wzrostem potoku. Z tego wynika, że rozpatrywane
czasy mogą być przedstawione w postaci niemalejących funkcji wypukłych, zależnych od wielkości potoku wagonów.
Zauważmy, że dla uproszczenia dalszych obliczeń funkcję t można z powodzeniem aproksymować
za pomocą odcinkowo-liniowych funkcji wypukłych. I
tak, funkcję czasu jazdy jednego wagonu, w zależności
od przerabianego potoku, można aproksymować
następująco: tij = aij N ij + bij , gdzie wielkość aij
charakteryzuje tempo wzrostu czasu jazdy, przy
wzroście potoku na danym szlaku (i, j ). Funkcja ta
może przyjąć dwie wartości: aijmax lub aijmin , w
zależności od tego czy szlak (i, j ) należy do
przeciążonych, czy też nie [12].
Nieliniowe funkcje czasu obsługi są typowe
dla transportu kolejowego, zwłaszcza dla tych jego
elementów (stacji, szlaków itp.), które związane są z
kolejkami i na które wpływ mają zjawiska losowe.
Stosowanie modeli nieliniowych dla potoków ładunków, nie wymaga wprowadzania ograniczeń dotyczących zdolności przepustowej szlaków i zdolności przeróbczej stacji w formie jawnej. Ukazane ograniczenia
zaliczają się do „słabych” i przedstawione mogą być w
formie niejawnej, gdyż wraz ze wzrostem wykorzystania zdolności przepustowej szlaku, czas jazdy po
nim zaczyna rosnąć do nieskończoności. Wzrost nieliniowej funkcji czasu pozwala praktycznie wprowadzić
ograniczenia dotyczące zdolności przepustowych i nie
pozwala obciążyć elementu powyżej zadanego poziomu. Jeśli dla każdej stacji rozpatrywanej marszruty
znana jest również maksymalna wielkość przeróbki, to
w modelu można dodatkowo uwzględnić ograniczenia
typu N j ≤ N max
, gdzie j = 1; n , a N max
jest maksyj
j
malną zdolnością przeróbczą j – tej stacji.
Tak więc przedstawienie nakładów w formie
nieliniowej pozwala podejmować decyzje uwzględniające lokalne ograniczenia technologiczne. Ich istnienie
potwierdza praktyka, tymczasem w badaniach dotyczących wyboru dróg przewozu ładunków w transporcie kolejowym zależności nieliniowe uwzględniane
były niezwykle rzadko, co prowadziło do dodatkowych nakładów wynikających z nie wykorzystania
realnych przepustowości elementów sieci.
W zadaniu wyboru marszruty należy
uwzględniać czynniki, które często nie są sformalizowane i noszą charakter subiektywny. Ważnym narzędziem opisującym te czynniki są funkcje kar [5,7],
które buduje się na bazie ograniczeń. Zmieniają one
funkcję celu w ten sposób, że nie spełnienie ograniczeń staje się nieopłacalne. Karę nakłada się na funkcję celu w punktach, które „opuściły” lub pragną
„opuścić” zbiór dopuszczalny. Funkcja kar zbudowana
na granicy obszaru dopuszczalnego „uniemożliwia”
wyjście rozwiązania poza ten obszar.
Rozwiązanie optymalne poszukuje się w obszarze
dopuszczalnym [4].
Na rys. 1 przedstawiono typową funkcję kar
realizowaną w formie zależności nieliniowej Cij N ij
( )
23
f ij (N ij ), gdzie N ij – potok
i funkcję nakładów
ładunków na łuku (i, j ).
( )
Cij
( )
W przypadku ogólnym funkcja kar Cij N ij i C ji N ij
dla łuku (i, j ) ma postać:
α , jesli N ij < 0
 *
min
Cij − β , jesli 0 ≤ N ij ≤ N ij
Cij =  1
min
max
Cij (N ij ), jesli N ij ≤ N ij ≤ N ij
 2
max
Cij (N ij ), jesli N ij < N ij ,
N ijmin
N ij
f ij
− Cij , jesli N ij > 0
C ji = 
α , jesli N ij ≤ 0,
gdzie: α – stała o dużej wartości, β – nieskończo-
N ijmin
ność umowna.
W przypadku szczególnym, funkcja kar
gdy Cij1 N ij = Cij* , a Cij2 N ij = Cij**
Cij N ij
( )
( )
N ijmax
N ijmax
N ij
( )
i funkcja nakładów, przy lokalnym dodatkowym ograniczeniu „nie mniej niż N ijmin i nie więcej niż N ijmax ”,
Rys. 2. Przypadek szczególny funkcji kar
pokazane zostały na rys. 2.
nakładów
Cij
Cij**
Cij2 (N ij )
Cij (N ij ) i funkcji
f ij (N ij ) przy ograniczeniu potoku „nie mniejszy niż
N ijmin
i nie większy niż
N ijmax ”.
Cij1 (N ij )
C
N ijmin
Cij* β
N ijmax
N ij
fij
N ijm
N ijmin
N ijmax
N ij
Rys. 1. Funkcja kar
f ij
Cij (N ij ) i funkcja nakładów f ij (N ij ) przy
ograniczeniu potoku „nie mniejszy niż
N ijmin
N
N ijm
N
i nie większy niż
N ijmax ”.
W interaktywnym procesie obliczeniowym, w
miarę pojawiania się informacji o dodatkowych ograniczeniach lokalnych związanych z potokiem wagonów, funkcje kar ulegają korekcie.
Na rys. 3 ÷ 5 przedstawiono funkcje kar przy
ograniczeniu potoku odpowiednio: „nie większy niż
N ijmax ”, „nie mniejszy niż N ijmin ” i „równy N ij* ”.
24
nakładów
f ij (N ij ) przy
ograniczeniu potoku „ nie większy niż
N ijmax ”
Niniejsza praca jest pierwszą z cyklu prac
poświęconych optymalnym i efektywnym metodom
wyznaczania dróg przewozu ładunków w transporcie
kolejowym.
Oryginalność zaproponowanej w nich
metodyki polega na doborze adekwatnych do
rzeczywistości modeli i algorytmów rozwiązujących
sformułowany problem.
C
Nijm
N
fij
Literatura
[1]
Nijm
nakładów
[2]
N
f ij (N ij ) przy ograniczeniu potoku „nie mniejszy niż
N ijmin
Cij
„
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
N ij*
N ij
[8]
f ij
[9]
N ij*
[10]
N ij
nakładów
f ij (N ij ) przy
ograniczeniu potoku „równy
N ij* ”
Przedstawiony mechanizm sterowania nieliniowymi
ograniczeniami lokalnymi pozwala, przy wyborze
marszruty, uwzględnić czynniki często słabo sformalizowane.
Z przeprowadzonych powyżej rozważań wynika pilna potrzeba opracowania metody wyboru
optymalnych dróg przewozu ładunków w transporcie
kolejowym uwzględniającej nakłady nieliniowe. Powszechnie stosowana metoda rozkładu stopniowego
[7,9], zakłada rozdzielenie potoku etapami, przy czym
na każdym etapie rozkładu uwzględnia się wyniki
etapu poprzedniego. Pomimo szerokiej aprobacji, metoda ta jest złożona w sensie obliczeniowym i nie
spełnia ograniczeń lokalnych i technologicznych, dotyczących niepodzielności potoku.
[11]
[12]
[13]
Акулиничев В.М. и др.: Организация вагонопотоков и маршрутизация перевозок, М.,
«Транспорт»,1970
Deo N.: Teoria grafów i jej zastosowanie w technice i
informatyce, PWN, 1980
Gajda B.: Technologia i automatyzacja pracy stacji,
Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, 1983
Gutenbaum J.: Modelowanie matematyczne systemów, PWN, Warszawa-Łódź, 1987
Лебедев Т.П., Ломакина Н.Н., Садиков П.П.,
Сотников Е.А.: Расчет времени нахождения
вагонов на сортировочных и участковых
станциях, Труды ЦНИИ МПС, вып. 481,
Leszczyński J.: Optymalna decyzja w procesach
transportowych, WKiK, Warszawa, 1981
Leszczyński J.: Modelowanie systemów i procesów
transportowych, Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1990
Лебедев Т.П., Ломакина Н.Н., Садиков П.П.,
Сотников Е.А.: Расчет времени нахождения
вагонов на сортировочных и участковых
станциях, Труды ЦНИИ МПС, вып. 481,
Левит Б.Ю., Лившиц В.Н.:Нелинейные сетевые
транспортные задачи, М., «Транспорт», 1972
Nowosielski L.: Procesy przewozowe w transporcie
kolejowym, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1995
Nowosielski L.: Organizacja przewozów kolejowych,
Kolejowa Oficyna Wydawnicza, Warszawa, 1999
Potthoff G.: Teoria potoków ruchu, WKiK, Warszawa, 1973
Woch J.: Podstawy inżynierii ruchu kolejowego,
WKiK, Warszawa, 1983
25
dr inż. Rafał Podsiadło
Politechnika Radomska
Propozycja układu automatycznego sterowania stateczności
wagonu wielopoziomowego w torze pochylonym
Przedmiotem artykułu jest studium sterowania stateczności wagonu specjalnego w torze pochylonym. Celem artykułu jest wskazanie możliwości automatyzacji poprzecznego przesuwu
ładunku dla zapewnienia zarówno stateczności strukturalnej jak też odpowiednio bezpiecznych
wartości nacisków kół odciążonych.
1. Wstęp
Transport ogromnych ładunków takich jak rakiety,
reaktory jądrowe, silniki okrętowe, turbozespoły
energetyczne lub transformatory stanowi duże wyzwanie dla firm oferujących takie usługi. Przemieszczanie ładunków skupionych możliwe jest za pomocą
specjalnych pojazdów do tego celu przeznaczonych.
Jednym z przewoźników, który oferuje przewóz takich wielkogabarytowych ładunków skupionych o
wielkiej masie jest kolej. Do zrealizowania takiego
zadania używany jest specjalistyczny tabor, są to
wagony wieloosiowe, które wśród specjalistów są
dość powszechnie znane jako wagony dziobowe
(niem. Schnabelwagen). Na świecie istnieje około 80
takich wagonów o różnej strukturze mechanicznej i
różnej ładowności, w Polsce na chwilę obecną są do
tego celu wykorzystywane dwa wagony Norca 32
(ładowność do 400 ton netto), Norca 24 (ładowność
do 250 ton netto).
Dla bezpiecznego przemieszczania ładunku w torze wymaga się uwzględnienia ekstremalnych wartości nacisków kół na szyny, ekstremalnych promieni
łuków torowych i bocznych pochyleń toru oraz nośności mostów i wymiarów tuneli oraz zazwyczaj
bardzo ograniczonej prędkości przewozowej. Ze
względu na długość wagonu, która wynosi w stanie
ładownym pomiędzy zderzakami około 70 metrów,
przewóz ładunków o ogromnej masie jest prowadzony
na ogół po marszrucie wybranej indywidualnie.
Prędkość ruchu wagonu dziobowego w torze prostym jest ograniczona do ok. 80 km/h w stanie próżnym, a 50 km/h w stanie ładownym, w łukach i rozjazdach jest jeszcze mniejsza - nawet do ok. 5 km/h.
Ważne jest, aby tak złożona, wielopoziomowa struktura, która wyróżnia się sprężystością, zapewniała
stateczność równowagi. Schemat wielopoziomowego
wagonu w widoku z góry i z boku pokazano na rysunku 1, natomiast na rysunku 2 przedstawiono schemat poprzeczny struktury sprężystej.
W torze pochylonym praktyczne zapewnienie stateczności struktury, pokazanej na rysunku 2, wymaga
stosowania korekcyjnych przemieszczeń poprzecznych najwyższego, ładunkowego poziomu ramowego
w postaci przesuwu ? 5. W wagonach specjalnych
przemieszczenia te są sterowane ręcznie, nie oznacza
to jednak, że nie można ich zautomatyzować.
Rys. 1. Schemat konstrukcyjny specjalnego wielopoziomowego wagonu 32 – osiowego z 8 wózkami czteroosiowymi, w
stanie ładownym
26
ξ5S
H5
m5
k5R
F5Y m4
H4
Q5
k4R
RAMA 3
∆QZAST
k3R
RAMA 2
H
k2R
WÓZEK
k1R
Y
m2
MASA
WYPADKOWA
RAMA 1
h1
5 – poziom najwyższy
,,ładunkowy”
3P
H3
kλ3
λ3
H2
λ2
kλ2
ξ1
m1
2Środek
4 – poziom niższy
k2R
∆5 – przemieszczenie
poprzeczne
k1
Z
4
55
3
Rys. 2. Schemat wielopoziomowej struktury sprężystej wagonu
2. Sterowanie przesuwem poprzecznym ? 5 wsporników najwyższego, ładunkowego poziomu ramowego.
Realizowanie sterowania poprzecznego położenia
jest możliwe przez zastosowanie tzw. „czopa zredukowanego”. Oprócz sterowania przesuwem poprzecznym, czop zredukowany umożliwia przenoszenie
nacisku masy poziomu najwyższego (ładunkowego),
na centralną cześć ramy poziomu niższego przy niecentralnym położeniu osi obrotu międzypoziomowego. Liczba poziomów ramowych (w zawsze podłużnie
symetrycznej) strukturze wagonów wielopoziomowym zależy od całkowitej liczby osi w wózkach.
W wagonach specjalnych możemy spotkać dwa rodzaje czopów zredukowanych:
–
Rys. 4. Zasada sterowanego czopa zredukowanego, pracującego
zarówno w torze prostym, jak i w łuku
POCHYLENIE
TORU
Poziom
–
∆5
1S
λ1
ŚRODEK
TORU ξ
t
5
2Przód
ξ2S
kλ1 H1
∆Q5kor
∆5
k3R
λ4
sterowane umożliwiające sterowanie położenia
osi obrotu na ramie 4 rys. 3 i 4,
stałe umożliwiające sterowanie położenia osi samoczynnie, podczas wpisywania się wagonu w
łuk rys. 5.
OBCIĄŻENIE
4
5
3S
kλ4
ξ3S
m3
wahacz
4P
ξ4S
RAMA 4
ślizg
5
4S
k4R
λ5
h5
RAMA 5
5Środek
Punkt obrotu
k5R
5P
M5
Przesuw poprzeczny
∆5
Punkt obrotu 5/4
stały,
3
4
Punkt oparcia 5/4
Ślizg ruchomy.
3
Rys. 5. Rozdzielone funkcje punktów obrotu i oparcia ramowego
poziomu ładunkowego 5 na poziomie 4 - stały czop zredukowany
3. Sterowanie ,,on-line” przesuwem poprzecznym
∆5
Poprzeczny przesuw najwyższego poziomu ładunkowego jest najczęściej realizowany przez elementy
hydrauliczne. Sterowanie poziomem jest realizowane
ręcznie i kontrolowane przez inżyniera ruchu. Przesuw poprzeczny o zadaną wielkość można zautomatyzować przez zastosowanie układu sterującego, który
dynamicznie kontrolowałby przesuw poziomu najwyższego w zależności od przechyłu i prędkości wagonu.
W nowoczesnym wagonie układ sterowania przesuwem ładunku, w zakresie poza stanem alarmowym,
powinien być autonomiczny. W stanie alarmowym
WAHACZ
OŚ OBROTU
Rys. 3. Schematyczna ilustracja budowy sterowanego „czopa zredukowanego” na przykładzie wagonu 24-osiowego.
27
pojazdu w łuku. Jeżeli jednak zamiast trzech bezwzględnych sygnałów: bocznych pochyleń toru, bezwzględnych bocznych pochyleń najwyższego pozioAutomatyczne sterowanie przesuwu można zrealimu ramowego i sygnałów prędkości ruchu, posłużyzować stosując układ składający się z następujących
my się sygnałem niedostatku (lub nadmiaru) przepodzespołów:
chyłki kinetycznej najwyższego poziomu ramowego,
• Podzespołu hydraulicznego, dokonującego to trzy wartości sygnałów bezwzględnych zostaną
przesuwu poprzecznego.
bezpiecznie zastąpione przez ten jeden sygnał
• Modułu kontrolnego, sterującego podzespo- względny.
łem hydraulicznym.
W przypadku pokonywania przez wagon specjalny
Na rysunku 6 pokazano schemat sterowania prze- łuku typu ,,S”, wagon taki musi być wyposażony w
mieszczeniem ∆5
dwa urządzenia sterujące przesuwem najwyższego
poziomu ramowego. Konieczność ta wynika z charakteru wpisywania się wagonu w
SPRZĘŻENIE ZWROTNE
łuk ,,S”. Należy tak sterować
KORELATOR
CZUJNIK
przesuwem
ramowego poziomu
(WEJŚCIE –
ELEKTROZAWÓR
NACHYLENIA
WYJŚCIE)
CZUJNIK PRZESUWU
ładunkowego (zarówno na przePOPRZECZNEGO
dzie jak i na tyle wagonu), aby
nie doszło do kontaktu z budowSIŁOWNIK
SYGNAŁY
lami i urządzeniami przytoroNAPIĘCIOWE
wymi, pamiętając jednocześnie
OLEJ
PRZEMIESZCZENIE
o bezpiecznym rozkładzie naci∆5 MASY ŁADUNKU
sków na tor. Specyfika łuku ,,S”
ZASOBNIK
DOPŁYW ENERGII
OLEJU I POMPA
Z AGREGATU
wymaga odpowiedniego przesuwu ładunku w zależności od
Rys. 6. Schemat układu sterowania przemieszczenia ∆5
pozycji zajmowanej przez wagon.
Układ hydrauliczny jest to zwykle przekładnia hydroPrzy wjeździe w łuk, (np. według rysunku 11a),
statyczna składająca się z:
dla zapewnienia równomiernego rozłożenia nacisków
• pompy hydraulicznej (o stałej lub zmiennej kół na tor, ramowy poziom ładunkowy przodu wagowydajności).
nu (zgodnie z rysunkiem 2) należy przemieszczać w
• zaworów zabezpieczających układ hydrau- kierunku szyny zewnętrznej. Wraz z dalszym poruliczny (zawór przelewowy, zawór zwrotny szaniem się wagonu, a co za tym idzie zmianą pozycji
nieobciążony) oraz rozdzielających (rozdzie- w łuku, odpowiednio następuje niezależne równoczelacz proporcjonalny jednostopniowy) ciecz do sne przesuwanie końców ramowego poziomu ładunsiłownika powodując przesuwanie tłoczyska kowego na przedzie i na tyle wagonu. Na rysunku 11b
wraz z poziomem piątym w lewo lub w prazostała pokazana pozycja wagonu, przy której obydwa
wo.
końce najwyższego poziomu ramowego są przesunię• siłownika hydraulicznego.
te względem siebie w kierunkach przeciwnych. W
Sterowanie przesuwu suwaka jednostopniowego tym położeniu występuje również zwichrowanie waelektrohydraulicznego rozdzielacza proporcjonalnego gonu a tym samym pojawia się niebezpieczeństwo
realizowane jest przez elektromagnesy, które wychynierównomierności nacisków przekątnych (biorąc pod
lają ten suwak rozdzielacza w zależności od wielkości
uwagę pełną strukturę wagonu w planie toru). Z tego
sygnału.
względu wagon musi mieć dostatecznie duże możliW wagonie wielopoziomowym występuje znacz- wości kątowych pochyleń międzypoziomowych,
na liczba parametrów. Nie wszystkie one mogą pod- zgodnie z rysunkiem 2. Te kątowe pochylenia realizulegać sterowaniu. Jednak stateczność położenia waje się dzięki zastosowaniu ślizgów bocznych z więgonu w torze pochylonym może i - powinna - podlezami sprężystymi i odpowiednio dużymi luzami kągać sterowaniu. Stateczność, ze znacznym zapasem
bezpieczeństwa pomiędzy stanami uznanymi jako towymi (do ograniczników). Odpowiedni dobór
alarmowe, musi być zachowana niezbywalnie. Jest sztywności elementów sprężystej struktury wieloporacjonalnym postulatem, aby układ sterujący reagował ziomowego wagonu został omówiony w pracach [4] i
na boczne pochylenie toru, boczne pochylenie naj- [5].
wyższego poziomu ramowego oraz prędkość ruchu
sterowanie (i odpowiedzialność za decyzje) przejmuje
człowiek.
28
a)
a)
b)
b)
Rys. 7. Widok ogólny pozycji zajmowanych przez wagon w łuku
typu ,,S”. 1-przód wagonu, 2 – tył wagonu, 3 – ładunek, ? 5 –
poprzeczne przemieszczenie ładunku.
Dla prawidłowego działania układu kontrolnego
należy zastosować czujnik nachylenia i przemieszczenia poziomu najwyższego.
Zadanie należące do czujnika nachylenia to zbieranie informacji o wartości kąta i kierunku niedostatku (lub nadmiaru) kinetycznej przechyłki wagonu (w
torze). Informacje te są przekazywane do jednostki
sterującej, jaką może być komputer PC. Jednostka ta,
przy wykorzystaniu wzorów zamieszczonych w pracy
[1], określa bezpieczną wartość przesunięcia poprzecznego ∆5 oraz kierunek przesuwu (lewo, prawo).
Rys. 8. Czujnik nachylenia typ CR2102, a) widok ogólny,
b)wielkości gabarytowe [2]
Na rysunku 8 przedstawiono przykładowy czujnik
nachylenia, jaki można zastosować w układzie kontrolnym. Czujnik mocujemy na najwyższym poziomie
ramowym jak na rysunku 9.
Czujnik nachylenia
poziomu piątego
Poziom 5
Wahacz
Ślizg
Rozdzielacz
i kontroler
Poziom 4
Siłownik korekcji
poprzecznej
Ruchomy czop
zredukowany
Rys. 9. Widok ogólny sterowanego czopa zredukowanego, pracującego zarówno w torze prostym, jak i w łuku
29
Dla zapewnienia prawidłowego działania układu sterującego
przesuwem
poprzecznym, oprócz czujnika
pochylenia, należy zastosować czujnik przemieszczenia. Jego zadanie polegałoby
na mierzeniu wielkości
przesuwu poprzecznego ∆5,
według rysunku 6. Czujnik
pochylenia przekazuje sygnał do jednostki sterującej
o wartości kąta i kierunku
pochylenia. Ta, po obróbce
sygnału, powoduje otwarcie
elektrozaworu,
następuje
pompowanie oleju do siłownika przesuwu poprzecznego. Układ musi ‘wiedzieć’,
kiedy ma nastąpić przerwa
w podawaniu oleju do siłownika; informacji tej dostarcza czujnik przemieszczenia przesuwu poprzecznego. Czujnik ten połączony
jest z jednostką sterującą
poprzez sprzężenie zwrotne.
Dzięki temu informacja o
wartości
przemieszczenia
poprzecznego ∆5 poziomu
ładunkowego, w postaci
sygnału, jest przekazywana
do jednostki sterującej. Poprzez porównanie sygnału z
Rys. 10. Możliwości pomiarowe względem poprzecznej i wzdłużnej osi
czujnika przemieszczenia
i
obrobionego
sygnału
z
czujnika pochylenia, jednostCzujnik charakteryzuje się dużym zakresem pomiaru kąta względem osi wzdłużnej i poprzecznej ka sterująca zamyka lub otwiera elektrozawór, który
+/-45o, oraz temperaturą pracy od -30o do 80o. Posiada realizuje przepływ oleju do siłownika. Czujnik przerównież funkcję, która umożliwia ustawienie przemieszczenia możemy zamocować na cylindrze siłowdziału, w jakim będzie dokonywany pomiar. W na- nika jak na rysunku 12, przemieszczenie cylindra
szym przypadku może to być przedział od -20o do względem punktu odniesienia będzie wychwytywane
+20o [1], temperatura pracy również odpowiada wy- przez czujnik.
Rys. 11 przedstawia przykładowy czujnik przemaganiom stawianym przez kolej. Dane techniczne
mieszczenia, jaki można zastosować w układzie konczujnika przedstawia tabela 1.
trolnym. Konstrukcja czujnika umożliwia utrzymanie
Dzięki zastosowaniu czujnika nachylenia uzyskujewysokiej rozdzielczości i dokładności również dla
my trzy sygnały sterujące:
dużych przesunięć. Przenoszenie sygnału przesunięcia
1) sygnał KIERUNKU pochylenia najwyższego po- poprzez przeguby kulowe, cięgła drutowe lub linowe,
ziomu ramowego (w lewo, w prawo),
itp. jest niewygodne przy bezpośrednich pomiarach
2) sygnał kątowej WARTOŚCI pochylenia,
przesunięcia. ‘Przełączniki drogowe’ są potencjome3) sygnał osiągnięcia pochylenia ALARMOWEGO, trycznymi czujnikami przemieszczeń, przeznaczonypo osiągnięciu granicznych położeń zdetermi- mi do bezpośrednich pomiarów, badania i nadzoru
małych przesunięć mechanicznych. Warunkiem barnowanych warunkami bezpieczeństwa.
dzo długiego czasu życia czujnika jest zachowanie
równoległości suwadła i obiektu mierzonego.
Dane techniczne czujnika nachylenia typu CR2102 [ 2 ]
30
Tabela 1
a)
b)
a)
b)
Rys. 11. Potencjometryczny czujnik przemieszczenia,
a) widok ogólny, b) wielkości gabarytowe [3]
Dane techniczne czujnika przemieszczenia typu 8717 [3]
Przesuw poprzeczny wynosi +/- 500mm w sumie
1000mm, dlatego tez możemy zastosować czujnik o
zakresie pomiarowym 1000mm tabela 2.
-500mm +500m
Czujnik
i
i
Tabela 2
WNIOSKI KOŃCOWE.
1. Zastosowanie automatyki wspomaga sterowanie
geometrii złożonej struktury wieloosiowego wagonu specjalnego, w zależności od topografii szlaku
kolejowego, z punktu widzenia ogólnie pojmowanego bezpieczeństwa ruchu w torze.
2. Ruch wagonu specjalnego ze względu na jego
długość, w łukach i krzywoliniowych odcinkach
toru, jest uwarunkowany prędkością ruchu, oraz
programowanym przemieszczeniem poprzecznym
∆5 najwyższego poziomu ładunkowego, ze względu na skrajnię budowli.
Literatura
3. Możemy wpływać na grawitacyjną stateczność
wagonu podczas jego powolnego ruchu stosując
poprzeczne przemieszczanie środka masy ładunku.
Ważne jest, aby sprawdzać, czy wyznaczona
wartość przemieszczenia ∆5 nie jest na tyle duża,
aby zagrażać naruszeniem strukturalnej stateczności wagonu [6, rozdział 11,13,14,17].
[1] Madej J. Podsiadło R. – ,,Wagony specjalne do przewozu ładunków wielkogabarytowych o dużej masie.
Zasady budowy i sterowania”. Warszawa 2006, Druk:
Wydawnictwo ITE Radom.
[2] http://www.ifmefector.com/ifmpl/web/dsfs!CR2102.html
[3] Katalog czujników firmy Buster. http://www.burster.
com/
[4] Madej J, Podsiadło R. ,,Racjonalna struktura usprężynowania wielopoziomowego wagonu specjalnego z
wózkami klasycznymi do przewozu ogromnych mas”.
Pojazdy Szynowe nr. 3/2005.
[5] Madej J, Podsiadło R.: ,,Racjonalna struktura usprężynowania wielopoziomowego wagonu specjalnego, z
wózkami o wahliwych podłużnicach (typu „Diamond”), do przewozu ogromnych mas w warunkach
znacznych zwichrowań toru”. Pojazdy Szynowe nr.
1/2006.
[6] Rafał Podsiadło: Analiza wielopoziomowych struktur
sprężystych podwozi wagonów specjalnych do przewozu ładunków o dużej masie. Rozprawa doktorska,
Politechnika Warszawska 2006
Rys. 12. Widok możliwości zamocowania czujnika przemieszczenia na rzeczywistym obiekcie
31
dr inż. Stanisław Bocian
mgr inż. Jarosław Iwanowski
Uniwersalne układy wejść – wyjść do zastosowania w pojazdach
szynowych z wykorzystaniem mikrosystemu cyfrowego
PSoC CY29466 firmy CYPRESS
W artykule opisano uniwersalne układy wejść – wyjść zrealizowane dla mikrosystemu cyfrowego (mikrokontrolera) PSoC CY29466 firmy CYPRESS. Układ ten umożliwia zamianę sygnałów analogowych z reluktancyjnych czujników na dane wejściowe do mikroprocesora.
Przekształca sygnały analogowe na równoważne sygnały cyfrowe, umożliwia zbieranie sygnałów analogowych i cyfrowych, wejściowych i wyjściowych w celu ich dalszej obróbki do
współpracy ze sterownikami przemysłowymi, komputerami i innymi układami sterującymi.
Mikrokontroler może także realizować akwizycje danych z różnych układów wejściowych.
Praca jest kontynuacją artykułu „Przyszłościowe współbieżne mikroprocesorowe inteligentne systemy mechatroniczne w sterowaniu i diagnostyce pojazdów szynowych” przedstawione
w czasopiśmie „Pojazdy Szynowe” 4/2007; 1/2008; 2/2008.
Artykuł powstał w wyniku realizacji projektu badawczego KBN 4T 12C 04929
pt.” Rozproszone współbieżne mikroprocesorowe inteligentne podsystemy mechatroniczne
w sterowaniu i diagnostyce pojazdów szynowych”.
1 . Nowe układy wejściowo – wyjściowe dla pojazdów szynowych
Dynamiczny rozwój technologii elementów elektronicznych, nowe generacje mikrokontrolerów, procesorów i metody komunikacji cyfrowej umożliwiają bardzo szybki zmiany i nowe kierunki rozwoju przemysłowych systemów automatyki. Szczególnie widoczne
są zmiany w projektowaniu funkcji danego systemu i
jej realizacji sprzętowej i programowej. Klasyczne
analogowe układy automatyki są zastępowane systemami komputerowymi czasu rzeczywistego. Współczesne układy przemysłowe podlegają bardzo dynamicznym zmianom wynikającym z rozwoju samych
technologii, ich uwarunkowań ekonomicznych i szybkich zmian w informatyce i elektronice. Obecnie obserwuje się gwałtowny wzrost wymagań stawianych
układom automatyki. Wymagania te można ująć w
następujących punktach [3]:
- pożądane są narzędzia integrujące proces projektowania układu automatyki, sprzętu komputerowego i oprogramowania
powstanie zapotrzebowania na nowe unikatowe systemy pomiarowe parametrów układu
automatyki
zwiększenie dokładności i prędkości systemów pomiarowych
zapotrzebowanie na systemy pomiarowe o
dużej dynamice zakresu pomiarowego
konieczność wprowadzenia równoległych
procesów kontrolno pomiarowych
potrzeba zastosowania systemów rozproszonych
bardzo dobre parametry komunikacyjne dla
wymiany danych procesowych.
32
Rozwój układów automatyki wymaga stosowania
nowych rozwiązań mikroprocesorów, układów wejść
i wyjść oraz układów komunikacyjnych. Wymagania
takie spełniają mikrosystemy cyfrowe integrujące w
jednej strukturze m.in. blok sprzętowy i rdzeń mikroprocesorowy (systemy o realizacji sprzętowo – programowej). Jest to rodzina układów, o której pierwsze
wzmianki w publikacjach naukowych pojawiły się w
połowie lat 90-tych. Układy takie buduje wiele firm,
takie jak: ATMEL, CYPRESS i TRISCEND. Wspólną cechą tych układów jest posiadanie rdzenia mikroprocesorowego oraz programowalnej części sprzętowej. Pod pojęciem mikrosystem cyfrowy rozumie się
taki układ scalony, który w swej strukturze integruje
(obok innych) właśnie te dwa elementy. Umożliwia to
zmniejszenie rozmiarów gabarytowych produktu,
zużycia energii, a nawet kosztów związanych z produkcją w porównaniu do rozwiązań bazujących na
łączeniu osobno struktur sprzętowych i mikroprocesorowych. W projekcie badawczym do realizacji układu
wejść – wyjść zastosowano mikrosystem cyfrowy
PSoC CY29466 firmy CYPRESS.
2. Klasyczna budowa systemu komputerowego
stosowana w pojazdach szynowych
Tradycyjne układy komputerowych systemów
sterowania są najczęściej kontynuacją rozwiązań analogowych. Na rys. 1 przedstawiono w sposób uproszczony budowę takiego układu. Analogowe sygnały
wejściowe po uformowaniu w bloku elektroniki analogowej, zostają w przetwornikach analogowo - cyfrowych zamienione na wielkości numeryczne. Mikroprocesor po wykonaniu odpowiednich obliczeń
Rys. 1. Tradycyjna budowa komputerowego
układu automatyki
przekazuje wyniki do przetworników cyfrowo - analogowych, których sygnały analogowe po odpowiednim uformowaniu przesyłane są do układu automatyki. Cyfrowe sygnały wyjściowe po odpowiednim
uformowaniu w bloku elektroniki cyfrowej zostają
przekazane do urządzeń automatyki.
3. Struktura sprzętu i oprogramowania komputerowego systemu czasu rzeczywistego
Przedstawiona na rys. 1 klasyczna struktura komputerowego systemu czasu rzeczywistego ulega obecnie
dużym zmianom. Jako jedną z pierwszych zmian należy zauważyć zanik
klasycznego bloku analogowego i przesunięcie strefy
cyfrowej w kierunku sensorów
pomiarowych. Podejście takie polepsza własności
pomiarowe, takie jak dokładność i dynamika zakresu
pomiarowego. Zastosowanie najnowszych układów
elektronicznych jako elementów sprzęgających, takich
jak np. UIT (Uniwersalny interfejs do przetworników
[3]) eliminuje nie tylko tradycyjne układy analogowe,
lecz również przetworniki analogowo - cyfrowe A/C.
Rośnie rola układów licznikowych, do których podłączone są bezpośrednio sensory pomiarowe. Jednoukładowe komputery jako mikrokontrolery posiadają
już po kilka układów rozbudowanych liczników. Maleje również rola przetworników C/A i analogowych
bloków dla sygnałów wyjściowych. Wprowadzenie
cyfrowo sterowanych układów wykonawczych w
układach automatyki poprawia dokładność, dynamikę
sterowania procesem, zmniejsza wrażliwość na zakłócenia i zwiększa niezawodność pracy.
Największe zmiany nastąpiły jednak w koncepcji rozwiązania idei współpracy sytemu komputerowego z otoczeniem. Na rys. 2 przedstawiono dwa
podstawowe rozwiązania: transformujący i reaktywny. System transformujący (rys. 2a), to system który
charakteryzuje się tym, że każdy z jego elementów
składowych (a w szczególnych przypadkach nawet
cały system) czeka na pojawienie się gotowych danych na jego wejściu, co jest odpowiednio sygnalizowane, po czym następuje przetwarzanie danych i dane
te są przekazywane na wyjście, co również jest sygnalizowane. Po takim przetworzeniu system transformujący (lub jego składowe) przechodzą w stan oczekiwania (czas ∆ t) na pojawienie się kolejnego kompletu
danych na wejściu.
System reaktywny (rys. 2b) nie funkcjonuje w tak
przewidywanym scenariuszu czasowym jak systemy
transformujący. Ich główną cechą charakterystyczną
jest to, że dane wejściowe takiego systemu mogą się
pojawiać zupełnie dowolnie, tzn. nie przyjmuje się
żadnych założeń, co do tego, na których wejściach i
kiedy pojawiają się dane, a w przypadku systemów
czasu rzeczywistego oczekuje się, że odpowiedź
układu będzie natychmiast, tzn. czas odpowiedzi jest
niezauważalny dla otoczenia (ang. perfect synchrony
hypothesis).
Rys. 2. System transformujący i reaktywny
Systemy reaktywne charakteryzują się tym, że:
- są sterowane zdarzeniami
- prowadzą stałą interakcję ze swoim otoczeniem, używając do tego sygnałów wejściowych i wyjściowych, które mogą być zarówno ciągłe jak i dyskretne
- odpowiadają na przerwania, tzn. reagować na
zdarzenia o odpowiednio wysokim priorytecie, nawet jeżeli są zajęte innymi obliczeniami
- ich działanie i reakcje na sygnały wejściowe
często muszą odpowiadać wysokim wymaganiom czasowym
- zmieniają swój stan w zależności od bieżącego trybu działania i wartości danych oraz od
przeszłego zachowania
33
-
nie muszą być współbieżne, aczkolwiek najczęściej ich zachowanie może być przyrównane do komunikujących się procesów działających współbieżnie.
Do systemów reaktywnych należą układy sterowania
binarnego, czyli takie, które na swoim wejściu i wyjściu operują wartościami binarnymi. Innym możliwym zastosowaniem
reaktywnego systemu sterującego jest jednostka sterująca w systemie przetwarzającym dane (ang. FiniteState Machine with Data Path). Taki model układu
znajduje zastosowanie w cyfrowym przetwarzaniu
sygnałów (ang. Digital Signal Processing) oraz stanowi podstawową
architekturę mikroprocesorów ogólnego przeznaczenia.
4. Modelowanie dyskretnych systemów reaktywnych
Do kompletnego opisu systemów reaktywnych można
użyć automatu skończonego [2 i 5],
a szczególnie FSM (Finite State Machine – Skończona Maszyna Stanowa). FSM jest uogólnieniem automatu skończonego.
Maszyna o skończonej liczbie stanów FSM,
zwaną również maszyną stanową lub automatem cyfrowym, jest najbardziej popularnym modelem opisującym zachowanie systemów sterowania, w którym
chwilowe działanie systemu jest w sposób naturalny
reprezentowane w formie stanów i przejść między
nimi. Zasadniczo FSM składa się ze zbioru stanów,
zbioru przejść między nimi oraz zbioru akcji przypisanych stanom lub przejściom. Stany maszyny stanowej, w najprostszym przypadku są określane jako
partycja (podzielenie zbioru na niepuste i rozłączne
części, które w sumie dają cały zbiór) na zbiorze
wszystkich stanów obiektu.
5. Mikrosystemy cyfrowe
W projekcie badawczym autorzy zaproponowali strukturę rozproszonego sterowania w oparciu o
mikrokontrolery PSoC (Programmable System on
Chip) firmy CYPRESS. Układ ten różni się od typowych mikrokontrolerów tym, że posiada programowalne peryferia nie tylko cyfrowe, ale także analogowe. Schemat blokowy przedstawiono na rys. 3.
Tę rodzinę układów wybrano ze względu na bogate
możliwości programowego tworzenia układów analogowych z rekonfigurowanych bloków. Na zasoby
analogowe składają się m. in.
- wzmacniacz odwracający
- wzmacniacz pomiarowy
- wzmacniacz o programowanym wzmocnieniu
- komparator
- przetworniki AC inkrementalne, DeltaSigma, typu SAR (successive approximation register), 8 i 12 bitowe, pojedyncze,
podwójne, potrójne
34
Rys. 3. Schemat blokowy mikrokontrolera PSoC CY29466 firmy
CYPRESS
-
moduły DTMF (Dual Tone Multiple
Frequency)
- przetworniki DC
- filtry dolnoprzepustowe, środkowoprzepustowe
- modulatory szerokości impulsu PWM.
Wszystkie moduły analogowe zrealizowano w oparciu
o blok z przełączanymi pojemnościami (Analog Switched Capacitor Block). Poprzez odpowiednią kombinację czasów ładowania i rozładowania poszczególnych pojemności można zrealizować układy rezystancyjne. Ponadto dostępne są układy cyfrowe: liczniki,
timery, generatory pseudolosowe itp. Komunikację
zapewniają moduły RS232, I2C, USB. Maksymalna
częstotliwość zegarowa wynosi 24 MHz z możliwością stabilizacji kwarcowej za pośrednictwem pętli
synchronizacji fazowej
(ang. PLL – Phase Locked Loop) dla zadań pomiarowych.
Tworzenie oprogramowania jest możliwe za pomocą
dwóch narzędzi:
PSoC Designer
- Umożliwia tworzenie oprogramowania z wykorzystaniem zaimplementowanych bloków funkcjonalnych uzupełnionych o programy w
Asemmlerze (i/lub) języku C.
Rys. 4. Przykład programu PSoC Express
PSoC Express
- Przeznaczony jest do tworzenia programu w oparciu o zaimplementowane bloki funkcjonalne
we/wy oraz funkcje przejścia. Funkcje przejścia
mogą być:
- Kombinacyjne (Table Lookup)
- Warunkowe ( warunki w języku C) :
Status Encoder
If x1 then y1
If x2 then y2
If x3 then y3
Priority Encoder If x1 then y1
Else If x2 then y2
Else If x3 then y3
- Stanowe (State Machine) – umożliwiają tworzenie
programu w oparciu o sporządzony wcześniej graf
automatu.
W projektowanych przez autorów układach
wejściowo – wyjściowych zastosowano wszystkie
wyżej wymienione metody tworzenie oprogramowania.
Na rys. 4 przedstawiono przykładowo sposób
realizacji programu PSoC Express stanu wyjść U1.
Przyjmuje ono stan logiczny „1” (U1_High) gdy graf
„StopHam” jest w stanie „startT1s”, a stan logiczny
„0” (U1_Low) gdy graf „StopHam” jest w stanie
„startT”
Na rys. 5 przedstawiono przykładowy graf maszyny
stanów. Stan początkowy to „HSOstan0”. Pod wpływem funkcji przejścia „1” maszyna stanów przechodzi ze stanu „HSOstan0” do stanu „startTopHSO1”.
Z tego stanu może powrócić do stanu początkowego,
gdy będą spełnione wymagane warunki określone
przez funkcję przejścia „2”. Gdy natomiast będą spełnione warunki przejścia „3” maszyna stanów znajdzie
się w stanie „HSOstan1”. Analogiczne rozumowanie
można przeprowadzić dla funkcji przejścia „4”, „5”, i
„6”.
6. Przykłady rozwiązań
W Zakładzie Elektrotechniki Instytutu Pojazdów Szynowych „TABOR” w Poznaniu zaprojektowano i
wykonano oprogramowanie modułu akwizycji sygnałów analogowych i cyfrowych oraz sterowania
6
1
2
5
3
4
Rys. 5. Stany i tranzycje definiujące maszynę stanową
wyjść cyfrowych 24 V (rys. 6). Jest on wyposażony w
8 wejść analogowych, 7 wejść cyfrowych oraz 7
wyjść cyfrowych. Przykładowy program z wykorzystaniem tego modułu realizuje pomiar częstotliwości
w 4 kanałach oraz zbiera dane cyfrowe z 6 wejść cyfrowych. Następnie całą zebraną informację przesyła
do sterownika nadrzędnego za pośrednictwem łącza
RS232.
Rys. 6 . Widok przykładowego modułu mikroprocesorowego
35
Rys. 7. Fragment programu Designer dotyczący części analogowej toru pomiaru
Na pomiar częstotliwości składają się następujące
czynności:
- wzmocnienie wejściowego sygnału sinusoidalnego
- kształtowanie sygnału prostokątnego
- filtrowanie ew. wyższych częstotliwości
- realizacja programu do cyfrowy pomiar częstotliwości.
Część analogową pomiaru zrealizowano z wykorzystaniem zasobów analogowych mikrokontrolera PSoC
(rys. 7).
Blok PGA_1 tego mikrokontrolera wzmacnia
sygnał z wybranego za pośrednictwem multipleksera
portu wejściowego. Po wzmocnieniu sygnał jest skierowany do bloku komparatora CMPPRG_1, a następnie uformowany sygnał prostokątny jest filtrowany w bloku filtra dolnoprzepustowego LPF2_1. Do
programowania charakterystyki filtra służy program
narzędziowy (rys. 8).
Uformowany w ten sposób sygnał wejściowy jest
przekazany poprzez szynę Comparator0 do zespołu
zasobów cyfrowych (rys. 9). Na część cyfrową składa
się bufor wejściowy DigBuf_1, licznik 8-bitowy Counter8_2, bufor DigBuf_2, licznik 32-bitowy Counter32_1, oraz moduł transmisji TX8_1. Bufor wejściowy odbiera dane z części analogowej, licznik 8bitowy służy do podziału częstotliwości przez 2, bufor
DigBuf_2 służy do wygenerowania przerwania na
zboczu opadającym sygnału pomiarowego a w liczniku 32-bitowym dokonywane jest zliczanie impulsów
zegarowych o częstotliwości 12MHz.
36
Po skonfigurowaniu zasobów procesora został napisany program główny w języku C do pomiaru częstotliwości w 4 kanałach (z wykorzystaniem przerwań)
oraz akwizycji 6 wejść cyfrowych o następujących
parametrach:
- kodowanie wejść cyfrowych:
- nr wejścia weC1 weC2 weC3 weC4
weC5
weC6
- nazwa zmiennej bajt1 bajt2
- kolejność transmisji: P0(7), P0(5), P0(3), P0(1),
bajt1, bajt2
- prędkość transmisji 38400 bit/s.
Przykładowe działanie opisywanego programu przedstawiono na rys. 10. Dla potrzeb testowania połączono
wejścia analogowe do wspólnego, stabilnego źródła
częstotliwości. Przedstawiono odebrane ramki dla
częstotliwości 3000 Hz, 1000 Hz, 10 Hz, 1 Hz oraz
stanu 6 wejść cyfrowych zakodowanych w kodzie
hexadecymalnym.
Rys. 8. Fragment programu Designer do doboru parametrów filtru dolnoprzepustowego
Rys. 9. Fragment programu Designer dotyczący części cyfrowej toru pomiaru
37
- dla sygnałów wyjściowych zmniejszyć rolę
przetworników cyfrowo – analogowych
(C/A) i bloków analogowych
- wprowadzić cyfrowo sterowane układy wykonawcze, co poprawia dokładność, dynamikę
sterowania procesem, zmniejsza wrażliwość
na zakłócenia i zwiększa niezawodność pracy.
Literatura
Rys. 10. Okno terminala
7. Podsumowanie i uwagi końcowe o zastosowaniu
mikrosystemów cyfrowych do realizacji układów wejść - wyjść na pojeździe szynowym
W wyniku zastosowania mikrosystemu cyfrowego
PSoC CY29466 w sterowaniu i diagnostyce pojazdu
szynowego uzyskano układy, które mogą:
- realizować przesunięcie strefy cyfrowej (eliminacja klasycznego bloku analogowego) w
kierunku sensorów pomiarowych, co polepsza
własności pomiarowe, jak i dokładność i dynamikę zakresu pomiarowego
- tworzyć uniwersalne interfejsy do przetworników, co eliminuje nie tylko tradycyjne układy
analogowe, lecz również przetworniki analogowo – cyfrowe (A/C)
38
[1] Bocian S.: Przyszłościowe współbieżne mikroprocesorowe inteligentne systemy mechatroniczne w sterowaniu i diagnostyce
pojazdów szynowych (2). Pojazdy Szynowe
nr 1/2008
[2] Bocian S.: Przyszłościowe współbieżne mikroprocesorowe inteligentne systemy mechatroniczne w sterowaniu i diagnostyce
pojazdów szynowych (3). Pojazdy Szynowe
nr2/2008
[3] Ober J.: Stan i kierunki rozwoju systemów czasu
rzeczywistego w zastosowaniach przemysłowych.
[4] Dokumentacja UIT dostępna pod adresem
www.uniprod. com.pl
[5] Wolański P.: Modelowanie układów cyfrowych
na poziomie RTL z wykorzystaniem sieci Petriego i podzbioru języka VHDL. Praca doktorska, Politechnika Warszawska, Wydział Elektroniki i Technik Informatycznych, 1999.
dr inż. Arkadiusz Barczak
Inteligentne węzły pomiarowe
w bezprzewodowej technice pomiarowej
Rozwój technologii teleinformatycznych w zakresie budowy inteligentnych układów pomiarowych, komunikujących się bezprzewodowo tworzy bazę do oceny działania funkcjonalnych układów pojazdu w trybie on-line. W artykule omówiono sieci bezprzewodowe złożone z bardzo wielu inteligentnych węzłów pomiarowych. Przedstawiono problematykę systemów MEMS, możliwości węzłów pomiarowych typu Mote, system operacyjny TinyOS oraz standard protokołu komunikacyjnego ZigBee.
1.
Wprowadzenie
Miniaturyzacja urządzeń elektronicznych oraz znaczne zmniejszenie poboru mocy tych urządzeń, a także
znaczny postęp w dziedzinie sprzętu teleinformatycznego i protokołów komunikacji bezprzewodowej,
umożliwiły stworzenie bezprzewodowych sieci pomiarowych. Sieci te zawierają znaczą liczbę, komunikujących się ze sobą węzłów pomiarowych.
Analiza bezprzewodowej sieci pomiarowej jest dokonywana zarówno pod kątem architektury sprzętowej
(hardware), jak i zastosowanych rozwiązań programowych (software).
Węzeł pomiarowy, którego istotą jest połączenie sensora, układu przetwarzającego sygnały oraz układu
komunikacji nazwano inteligentnym węzłem pomiarowym [1, 2 i 5]. Posiada on zdolność do wykonywania zadań pomiarowych, wykonywania obliczeń numerycznych oraz komunikacji z otoczeniem. Poza
częścią sprzętową, inteligentny węzeł pomiarowy
zawiera oprogramowanie służące między innymi do
filtracji sygnału, do samokalibracji, do kontroli wartości granicznych mierzonych wartości oraz do analizy
statystycznej.
Podstawowe bloki inteligentnego węzła pomiarowego
stanowią:
• układ pomiarowy (sensor) w technologii
MEMS, przedstawiony w punkcie 2,
• elementy typu hardware: układ kondycjonowania sygnału, przetworniki analogowocyfrowe i cyfrowo-analogowe, mikrokontroler
z wbudowanymi zasobami pamięci typu flash
oraz układy synchronizacji wejścia i wyjścia,
opisane w punkcie 3,
• oprogramowanie (software) zarządzające procesami przetwarzania danych i komunikacji (z
układem rejestracji danych, z interfejsem
użytkownika oraz z układami zewnętrznymi),
przedstawione w rozdziale 4,
• standard protokołu komunikacyjnego ZigBee,
opisany w rozdziale 5.
Rys. 1. Schemat ideowy inteligentnego węzła pomiarowego
2. Technologia MEMS
(MEMS - Micro-Electronic-Mechanical Systems)
Czujniki mikro-elektroniczno-mechaniczne zrewolucjonizowały rynek czujników poprzez pojawienie się
na nim tanich urządzeń o szybkiej odpowiedzi. Czujniki MEMS dziedziczą wiele cech układów scalonych, jednak różnią się od nich w sposób zasadniczy
tym, że zawierają elementy mechaniczne takie jak:
membrany, belki wspornikowe, sprężyny i inne [6].
Zastosowanie tych elementów umożliwia budowę
różnorodnych czujników MEMS o bardziej efektywnych współczynnikach niż czujniki tradycyjne. Niewielkie gabaryty czujników MEMS są niezwykle
istotną ich cechą umożliwiającą bezinwazyjne działanie w środowisku pomiarowym.
Układy, które tworzą czujniki MEMS są wytwarzane
dzięki możliwościom technologii mikroobróbki krzemu oraz innych materiałów, zachodzącej począwszy
39
od skali rzędu milimetrów do skali mikrometrów przy
wykorzystaniu procesów stosowanych w przemyśle
elektronicznym. Dzięki zastosowaniu tych technologii
możliwe jest zbudowanie, rozrost, cięcie oraz łączenie
bardzo małych elementów, które mogą zostać zintegrowane w taki sposób, że utworzą one urządzenie
wykonujące określone zadania.
Rys. 2. Schemat ilustrujący ideę obróbki powierzchniowej
układów MEMS
Rys. 3. Schemat ilustrujący ideę obróbki objętościowej układów
MEMS
Czujniki są wytwarzane poprzez jednoczesne wykonywanie wielu operacji jednostkowych na silikonowym waflu. Po zakończeniu procesu produkcyjnego
wafel zostaje pocięty na poszczególne jednostki sekcyjne zwane kośćmi, z których każda zawiera indywidualne urządzenie (przetwornik). Zakres średnic tych
40
wafli wynosi od 50 do 450 milimetrów. Wymagane
procesy produkcyjne mogą być często bardzo kosztowane, jednak koszty te rozkładają się na ogromną
ilość kości zawartych na jednym waflu. W rezultacie
– koszt jednostkowy poszczególnych przetworników
jest bardzo niski, zważywszy masową produkcję.
Do produkcji przetworników stosuje się głównie
technologie:
• fotolitografię
• mikroobróbkę powierzchniową (schemat ideowy przedstawiono na rys. 2)
• mikroobróbkę objętościową (schemat ideowy
przedstawiono na rys. 3)
• spajanie.
Fotolitografia jest to proces, w którym wzór jest przenoszony na wafel poprzez wykorzystanie światła i
materiałów światłoczułych. Technologia ta wymaga
źródła światła, maski (czyli obiektu składającego się z
sekcji przeźroczystych i nieprzeźroczystych) oraz
materiału światłoczułego. W zaawansowanym procesie produkcyjnym, światło o określonej długości fali
jest przepuszczane poprzez maskę na wafel pokryty
światłoczułym polimerem, zwanym fotomaską. Jeśli
fotomaska zostanie poddana ekspozycji światła, wówczas w miejscach naświetlonych będzie ona cieńsza
niż w miejscach nie poddanych ekspozycji. W ten
sposób może ona zostać całkowicie usunięta z powierzchni wafla.
Mikroobróbka powierzchni polega na zbieraniu lub
dodawaniu cienkich warstw materiału drogą wytrawiania lub osadzania. Mikroobróbka objętościowa
polega na usuwaniu znacznie obszerniejszej oraz
głębszej warstwy materiału. Realizuje się ją poprzez
ekspozycję materiału na reaktywną ciecz, gaz lub
plazmę. Proces ten można prowadzić izotropowo lub
dokonywać jego modyfikacji w określonym kierunku
(to znaczy – anizotropowo). Wytrawianie anizotropowe jest procesem najczęściej stosowanym, w którym w sposób selektywny usuwa się atomy silikonu z
sieci krystalicznej w zależności od ich orientacji. Rezultatem tej obróbki jest powierzchnia, której gładkość jest na poziomie atomowym. Równie często
stosowane jest wytrawianie za pomocą plazmy, w
trakcie czego następuje anizotropowe cięcie promieniem światła. Warstwy wykonane z różnych materiałów (metali, azotków, tlenków oraz polimerów) mogą
być osadzane na waflu. Możliwe jest również wprowadzanie domieszki do silikonu poprzez zastosowanie
różnych technologii implantacji oraz dyfuzji w celu
selektywnej, lokalnej zmiany mechanicznych lub
elektrycznych własności silikonu.
Innym materiałem powszechnie stosowanym jest powstały w sposób naturalny dwutlenek krzemu, który
charakteryzuje się innymi niż silikon własnościami
mechanicznymi, elektrycznymi, chemicznymi oraz
cieplnymi.
Spajanie jest również ważnym procesem stosowanym
w produkcji czujników MEMS. Bez możliwości spajania praktycznie nie byłaby możliwa produkcja
skomplikowanych, trójwymiarowych układów. Technologia spajania pozwala również na wytwarzanie
niezależnych części układów na różnych kościach
oraz ich łączenie w celu uzyskania układów bardziej
złożonych.
Połączenie tych procesów (oraz innych, bardziej specyficznych technologii, np. LIGA, DRIE) umożliwia
produkcję wielu różnorodnych, mikroskopowych
układów niezbędnych do budowy czujników MEMS o
pożądanych funkcjach.
3. Hardware
Elementy bezprzewodowych sieci pomiarowych charakteryzują się niewielkimi rozmiarami i zdolnością
do pomiaru i przetwarzania parametrów otoczenia za
pomocą bardzo dokładnych zestawów czujników.
Stosowane obecnie w czujnikach bezprzewodowych
mikrokontrolery bazują na tanich procesorach typu
RISC (Redused Instruction Set Computer) i posiadają
niewielkie ilości pamięci, rzędu setek kilobajtów. Gdy
wymaga tego aplikacja, do systemu dodana może
zostać zewnętrzna pamięć typu flash, która charakteryzuje się jednak długim czasem dostępu oraz skończoną ilością zapisów (około 100 tysięcy razy), jednakże udostępnia o wiele większą przestrzeń adresową, rzędu kilku megabajtów. Mikrokontrolery zawierają również uniwersalne, asynchroniczne układy
nadawczo-odbiorcze UART (Universal Asynchronous
Receiver-Transmitter), pozwalające na komunikowanie się z otoczeniem.
Pierwszą platformą sprzętowo-programową typu open
(otwarty standard) dla inteligentnych węzłów pomiarowych jest platforma Berkeley Mote [4], która składa
z czterech podstawowych komponentów:
• moduł zasilania
• moduł sensorów
• moduł przetwarzania danych
• moduł komunikacyjny.
Konstruowanie inteligentnego węzła pomiarowego
polega na wykorzystaniu platformy, która umożliwia
dodawanie wymaganych układów. Dodawane autonomiczne moduły komunikują się poprzez szynę rozszerzeń (expansion bus).
Aktualnie na rynku dostępne są moduły trzeciej generacji platformy Berkeley Mote, nazwane odpowiednio
Mica2, Mica2dot, MicaZ (rys. 4) [8] oraz BTnode 3
[7]. Porównanie podstawowych charakterystyk sprzętowych powyższych Mote’ów przedstawiono w Tabeli 1.
Jeśli wymiary i zgodność parametrów toru radiowego
ze światowymi normami ma duże znaczenie dla realizowanego projektu, to optymalnym wyborem urządzenia jest CC2420 [4]. Za jego pomocą można zbudować stabilny, dwukierunkowy tor radiowy pracujący w ogólnodostępnym paśmie 2,4 GHz.
Cechą charakterystyczną przedstawionego rozwiązania jest możliwość połączenia Mote’ów do płyt, na
których umieszczone są sensory różnych typów. Zestawienie dostępnych sensorów dostępnych w ramach
układów Mica2 przedstawiono w Tabeli 2 [8].
Przykładowo, płyta MTS310CA wyposażona jest w
czujnik przyspieszeń ADXL202E, którego charakterystykę podano w Tabeli 3.
Rys. 4. Widok Mote’ów Mica2dot wielkości pensówki oraz Mika2/MicaZ
41
Zestawienie parametrów wybranych urządzeń typu Mote.
Producent
Mikrokontroler
Zegar
Pamięć RAM
Pamięć ROM
Pamięć flash
Komunikacja
radiowa
Maksymalny
zasięg
Zasilanie
System operacyjny
Bluetooth
Tabela 1
Btnode 3
Art of Technology
Atmel Atmega
128L
7,37 MHz
64 + 180 kB
128 kB
4 kB
Chipcon CC1000
315/433/
868/916 MHz
38,4 kb/s
150 – 300 m
Mica2
CrossBow
Atmel Atmega
128L
7,37 MHz
4 kB
128 kB
512 kB
Chipcon CC1000
315/433/
868/916 MHz
38,4 kb/s
150 – 300 m
Mica2dot
CrossBow
Atmel Atmega
128L
4 MHz
4 kB
128 kB
512 kB
Chipcon CC1000
315/433/
868/916 MHz
38,4 kb/s
150 – 300 m
MicaZ
CrossBow
Atmel Atmega
128L
7,37 MHz
4 kB
128 kB
512 kB
Chipcon CC2420
2,4 GHz
250 kb/s
IEEE 802.15.4
750 – 100 m
2x bateria AA
Nut/OS
TAK
2x bateria AA
TinyOS
-
TinyOS
-
2x bateria AA
TinyOS
-
Zestawienie płyt z sensorami dla Mote’ów Mica2.
Fotorezystor
Termistor
Sensor akustyczny
Actuator akustyczny
Przyspieszeniomierz
Przyspieszeniomierz
dwukierunkowy
Miernik pola
magnetycznego
Higrometr
Barometr
GPS
MTS101CA
+
+
MTS300CA
+
+
+
+
Tabela 2
MTS310CA
+
+
+
+
MTS400
+
+
MTS400CA
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Charakterystyka czujnika przyspieszeń ADXL202E znajdującego się na płycie MTS310CA. Tabela 3
Minimum
Zakres wartości wejściowy
Charakterystyka częstotliwościowa
Napięcie pracy
Prąd pracy
Czułość
Szum wyjścia RMS
3
140
4. TinyOS
Oprogramowanie działające w ramach inteligentnych
węzłów pomiarowych wykonywane jest pod kontrolą
systemu operacyjnego o nazwie TinyOS [10]. Jest to
system operacyjny przechowywany w pamięci kontrolera Mote’a. Zapewnia on reakcje na zdarzenia i
współbieżne wykonywanie wielu operacji realizowanych w sieci węzłów pomiarowych. Mote może korzystać między innymi z:
42
Typowo
±2
0 – 6 kHz
0,6
167
200
•
•
•
•
•
•
Maksimum
g
5,25
1
195
Jednostka
m/s2
Hz
V
mA
mV/g
µg/√Hz
oprogramowania planującego
bazy danych
programu obsługi łączności bezprzewodowej
programu obsługi sieci przewodowej,
oprogramowania zarządzającego zużyciem
energii
oprogramowania technologii kodowania zapewniającej poufność transmisji danych.
System operacyjny TinyOS może kontrolować pracę
Mote’ów typu Mica2, Mica2dot oraz MicaZ i jest z
konieczności prostym rozwiązaniem, co wynika z
faktu, że węzeł czujnika jest urządzeniem o niewielkich zasobach pamięci.
TinyOS jest systemem operacyjnym typu open source, w którym biblioteki, aplikacje oraz samo jądro
systemu zostały zaimplementowane w języku strukturalnym nesC. Język nesC [3] powstał na potrzeby
stworzenia oprogramowania dla dedykowanych systemów autonomicznych (embedded). Aplikacje napisane w języku nesC tworzone są z komponentów,
czyli modułów programowych wymieniających dane
poprzez tzw. interfejsy programowania. Dzięki temu
programiści mogą tworzyć aplikacje z dostępnych na
rynku komponentów, bez konieczności posiadania
wiedzy na temat ich struktury wewnętrznej.
Bazą systemu operacyjnego TinyOS jest trzypoziomowa architektura abstrakcji sprzętowej HAA
(Hardware Abstraction Architecture). Najniższa warstwa HPL (Hardware Presentation Layer) tej architektury stanowi zespół podstawowych procedur wejścia/wyjścia, wartości rejestrów oraz sprzętowych
ustawień zainstalowanego sprzętu. Drugim poziomem
jest warstwa HAL (Hardware Abstraction Layer) udostępniająca pełną funkcjonalność wszystkich elementów sprzętowych systemu w sposób bardzo łatwy do
wykorzystania przez programistów. Trzecia, najwyższa warstwa HIL (Hardware Independent Layer) udostępnia funkcje niezależne sprzętowo, co umożliwia
programistom pisanie aplikacji wykorzystujących
dowolny sprzęt kompatybilny z systemem operacyjnym TinyOS.
Model obsługi kilku procesów stosowany w nesC
oparty jest na zdarzeniach. W ramach TinyOS istnieje
tylko jedna kolejka zadań oczekujących na wykonanie, a jedno zdarzenie może zostać zgłoszone do obsługi tylko jeden raz, dlatego w przypadku zadań,
które muszą być wykonywane cyklicznie w zadanym
okresie czasowym, muszą one same ponownie siebie
zgłaszać do wykonania.
Do pełnego wykorzystania możliwości systemu operacyjnego TinyOS niezbędne jest posiadanie odpowiednich narzędzi programowych. Narzędzia tego
typu pozwalają na szybkie usuwanie błędów programowych w tworzonych aplikacjach, a także na detekcję uszkodzonego sprzętu. Przykładowo, komunikacja
w ramach TinyOS realizowana jest poprzez następujące funkcje po stronie węzła nadawczego:
• ustalenie zawartości wysyłanego komunikatu
• ustalenie węzłów, do których komunikat jest
adresowany
•
ustalenie momentu zwolnienia pamięci zawierającą treść komunikatu
oraz funkcje realizowane po stronie węzła odbierającego:
• buforowanie odbieranego komunikatu
• przetwarzanie odebranego komunikatu.
Łączność bezprzewodową można realizować za pomocą protokołów ZigBee, IEEE 802.15.4 oraz Bluetooth (BTnode 3, Nut/OS) [9, 11].
5. ZigBee
Standard ZigBee wykorzystuje technologię radiową
zdefiniowaną w ramach IEEE 802.15.4 uzupełniając ją
o sieć logiczną oraz oprogramowanie związane z bezpieczestwem i aplikacjami użytkownika. Zgodność ze
standardem IEEE zapewnia dużą kompatybilność we
współpracy między urządzeniami pracującymi w tej
technologii. ZigBee aspiruje do pozycji globalnego
standardu obsługującego sieci inteligentnych węzłów
pomiarowych.
Cechą znamienną technologii ZigBee jest bardzo mały
pobór mocy wykorzystywanych urządzeń, pozwalający na zastosowanie baterii, które mogą służyć nawet
kilka lat.
Architektura systemów ZigBee składa się warstw, z
których każda zapewnia określony zestaw usług –
zgodnie ze strukturą komunikacji sieciowej OSI (Open
Systems Interconnection). Architekturę systemów
ZigBee przedstawiono na rys. 5.
Standard IEEE 820.15.4 definiuje dwie najniższe
warstwy: fizyczną PHY (phisical) oraz podwarstwę
łącza danych MAC (Media Access Control). ZigBee
zdefiniowało warstwę sieciową NWK (network) i
strukturę dla całej warstwy aplikacji, która zawiera
wsparcie podwarstwą APS (APplication Support),
ZDO (ZigBee Device Objects) i zbudowane przez
producenta obiekty aplikacji.
Warstwa fizyczna PHY może wykorzystywać jedno z
trzech dostępnych pasm o częstotliwościach 2450
MHz (16 kanałów), 915 MHz (10 kanałów) lub 868
MHz (1 kanał).
Warstwa MAC definiuje dwa typy węzłów: węzły o
ograniczonej funkcjonalności RFD (Reduced Function Device) oraz węzły w pełni funkcjonalne FFD
(Full Function Device). Pierwsze z nich (RFD) mogą
występować jedynie jako węzły końcowe, zarówno w
strukturze sieci typu gwiazda, jak i w strukturze typu
master-slave.
Porównanie parametrów technologii Bluetooth oraz
ZigBee przedstawiono w Tabeli 4.
43
Rys. 5. Schemat architektury systemów standardu ZigBee
Porównanie parametrów sieci urządzeń standardów
Bluetooth oraz ZigBee [7, 11].
Tabela 4
Standard
protokołu
Zastosowanie
Bluetooth
ZigBee
IEEE 802.11
IEEE.802.15.4
Przemysł, medycyna, badania naukowe
Ad-hoc
Statyczny
Typ sieci
Liczba
7
urządzeń
Maksymalna
1 Mb/s
przepustowość
Liczba kanałów
79
Czas akceptacji
≥3 s
nowego węzła
Czas budzenia
3s
węzła
Czas dostępu do
2 ms
aktywnego węzła
Interfejs WE/WY UART, RS232,
I2C
Pobór prądu
* aktywne
48 mA
* pasywne
180 µA
256
250 kb/s
27
30 s
15 ms
15 ms
SPI, RS232, I2C
<40 mA
5 µA
6. Podsumowanie
Postęp technologiczny w zakresie sieci bezprzewodowych oraz dostępność układów typu MEMS pozwoliła na skonstruowanie miniaturowych urządzeń
pomiarowych. Urządzenia te, połączone w ramach
sieci bezprzewodowej, potrafią nie tylko mierzyć
wybrane parametry otoczenia, ale również realizować
wyrafinowane procedury oceny stanu układu pomiarowego poprzez analizę i przetwarzanie sygnałów w
trybie on-line.
44
Literatura
[1]
Akyildiz I. F., Su W. J.: Sankarasubramaniam
Y., Cayirci E., Wireless sensor networks: a survey. Computer Networks, Vol. 38, 2002.
[2] Bojko T.: Bezprzewodowe systemy pomiarowe
dla potrzeb diagnostyki strukturalnej. Pomiary
Automatyka Kontrola, Vol. 52, No. 5, 2006.
[3] Eliasz D., Powroźnik P.: Systemy operacyjne w
sieciach czujników. Pomiary Automatyka Kontrola, Vol. 53, No. 9, 2007.
[4] Ruiz-Sandoval M., Nagayama T., Spencer B. F.
Jr.: Sensor Development Using Berkeley Mote
Platform. Journal Earthquake Engineering,
Vol. 10, No. 2, 2006.
[5] Spencer B. F. Jr., Ruiz-Sandoval M., Kurata N.:
Smart sensing technology: opportunities and
challenges. Structural Control Health Monitoring, Vol. 11, 2004.
[6] Zakrzewski J., Czujniki I.: Przetworniki pomiarowe. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2006.
[7] BTnodes – A Distributed Environment for
Prototyping
Ad-hoc
Networks,
http://www.btnode. ethz. ch/.
[8] Crossbow Technology Inc., http://www.
xbow.com/.
[9] Nut/OS – The BTnode operating system core,
http://www.ethernut.de/.
[10] TinyOS Community Forum, http://www
.tinyos.net/.
[11] ZigBee Alliance, ZigBee Specifications, version
1.0, April 2005.
dr inż. Marian Szymański
Instytut Pojazdów szynowych „TABOR”
Deformacje eksploatacyjne toru tramwajowego
determinujące skrajnię budowli
W pracy przedstawiono deformacje toru tramwajowego powstające w wyniku eksploatacji a
mające wpływ na skrajnię budowli.
1. Wstęp
Praca jest wynikiem realizacji projektu badawczego
własnego nr N509 035 31/2367 finansowanego przez
Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego pt.: Metodyka wyznaczania kinematycznego zapotrzebowania
przestrzeni oraz luzów bezpieczeństwa dla pojazdów
tramwajowych celem ustalenia optymalnego zarysu
pojazdu.”
Celem opracowania jest wskazanie na czynniki wywołane deformacjami eksploatacyjnymi toru tramwajowego wpływającymi na skrajnię budowli.
Kontur koniecznej przestrzeni niezabudowanej (skrajni budowli) powstaje z zarysu odniesienia skrajni
kinematycznej [1] w drodze poszerzania tego zarysu o
amplitudy (czynniki) ruchów pasożytniczych (szkodliwych) pojazdu wywołanych deformacjami eksploatacyjnymi toru.
Na torach w miarę upływu czasu ich eksploatowania
zaczynają się pojawiać następujące deformacje mające
wpływ na ruchy pasożytnicze pojazdu [2, 3]:
- zygzakowatość toru (terminologia anglojęzyczna „track stagger”),
- przesunięcie się toru w poprzek („transversal
track dislocation”),
- nierównomierne zużycie boków główek szyn
(„uneven wear of the rail sides”),
- zapadnięcie pionowe toru („vertical track
subsidence”),
- zużycie główek szyn („wear of the rail tops”),
- wichrowatość toru („track twist”).
Rozpatrzymy po kolei wszystkie te deformacje.
2. Zygzakowatość toru
2.1. Dopuszczalna wielkość zygzakowatości toru
Według [2,3] dopuszcza się następującą zygzakowatość toru (rys.1).
Zatem amplituda zygzakowatości wynosi
e zygz =
50
=25 mm=0,025 m
2
a ćwierć długości fali zygzakowatości wynosi co najmniej
A zygz =
10000
=5000 mm=5 m.
2
Kąt zygzakowatości wynosi
α zygz =
e zygz
A zygz
=
0,025
= 0,005 .
5
2.2.Ustawienie statyczne pojazdu w zygzaku toru,
gdy zestawy kołowe zajmują środkowe położenie w
torze (rys. 2).
Odbieganie punktu A pojazdu od osi toru idealnego
wyniesie
e A = e zygz −
p
p
⋅ α zygz = (1 −
) ⋅ e zygz .
2
2A zygz
Odbieganie punktu C pojazdu od osi toru idealnego
wyniesie
eC = e A + l pr ⋅ α zygz = (1 +
2l pr − p
2A zygz
) ⋅ e zygz
(1)
Rys. 1. Zygzakowatość toru
45
z1 i z2 – środki zestawów kołowych przedniego wózka
A i B – czopy skrętu
Rys. 2. Ustawienie pojazdu
Nie ma raczej szans na to aby kiedykolwiek wartość p
mogła być mniejsza od obecnej 1,9m [1]. Z kolei
wydaje się, że największa możliwa wartość lpr, jaka
kiedykolwiek będzie mogła być zastosowana, nie
będzie większa niż 3m. Przyjmując te wartości i
podstawiając do ec otrzymamy
ec =~35 mm.
3. Przesunięcie się toru w poprzek
Dopuszczalne równoległe przesunięcie się toru w
poprzek wynosi tak jak dopuszczalna zygzakowatość
[2,3]
eprzes=25 mm= 0,025 m
4.Nierównomierne zużycie boków szyn
Według [2, 3] dopuszczalne zużycie boku szyny
wynosi 15 mm. Gdy boki szyny zużywają się
jednakowo, to oś symetrii toru nie zmienia swego
położenia i tor pozostaje idealny (rys. 3).
Taki przypadek rozpatrywano przy wyznaczaniu zarysu odniesienia skrajni kinematycznej.
Gdy tylko jedna szyna ulega zużyciu, to oś symetrii
toru odbiega od swego początkowego położenia o
połowę zużycia szyny (rys. 4).
46
Rys. 4. Tor – niesymetryczne zużycie szyn
Zatem
e zuż =
15
=7,5 mm=0,0075 m.
2
5. Jednoczesność zygzakowatości, przesunięcia
równoległego i zużycia boku pojedynczej szyny
toru
Na torze zygzakowatym zawsze zużywają się boki
szyn w punktach A, B i C (rys.1). Zatem zużywanie
się szyn jak gdyby stara się „wyprostować” zygzakowatości. Wobec tego zygzakowatość jest najbardziej
niekorzystna gdy zaistnieje na nowym niezużytym
torze, co może nastąpić na przykład w wyniku wysokiej temperatury latem.
Zatem przy zygzakowatości toru nie należy uwzględniać nierównomiernego zużywania się boków szyn.
Dla odmiany na torze przesuniętym w poprzek równolegle może wystąpić zużycie tylko jednej szyny i to
dowolnej, czyli zużycie boku szyny może powiększyć
przemieszczenie pasożytnicze (szkodliwe) pojazdu na
przesuniętym torze. Łącznie przesunięcie wyniesie
ep=eprzes+ezuż
Liczbowo wyniesie to
ep=25+7,5=32,5 mm.
(2)
Tor nie może być jednocześnie zygzakowaty i przesunięty równolegle. Zatem zygzakowatość toru, dla
której przesunięcie pasożytnicze pewnej części pojazdu w bok wynosi ec=35 mm jest przypadkiem bardziej
niekorzystnym niż przesunięcie równoległe dające
tylko 32,5 mm przemieszczenia pojazdu.
Wobec tego przemieszczenie pasożytnicze pojazdu
wynikające z deformacji poziomych toru może wynosić
epoz=ec=35 mm.
6.Zużycie główek szyn i zapadnięcie toru (rys. 5)
6.1. Ustawienie statyczne pojazdu w zapadnięciu
toru
Według [2, 3] dopuszczalne zużycie główki szyn
wynosi 18 mm, a dopuszczalne zapadnięcie toru 25
mm.
Przyjmiemy tę bardziej niekorzystną wartość hzap=25
mm. Im większa jest przy tym długość zapadnięcia,
tym bardziej niekorzystna jest sytuacja dla skrajni.
Jest nieprawdopodobne aby ta długość była większa
niż 5000 mm. Przyjmiemy tę wartość.
Opadnięcie pierwszego koła K1 wyniesie hzap=25 mm.
Opadnięcie czopa skrętu wózka wyniesie
h cs = h zap −
p h zap
p
⋅
= (1 −
)h zap
2 A zap
2A zap
h góra =
Opadnięcie punktu C pudła pojazdu wynosi
h dó ł =
a + lpr
a
h góra =
Podstawiając za hcs powyższą wartość otrzymamy
h dó ł
p
= (1 + ) ⋅ (1 −
) ⋅ h zap
a
2A zap
l pr
a
⋅ h cs
czyli
⋅ h cs
l pr
Kontur koniecznej przestrzeni niezabudowanej musi
być tak wyznaczony, żeby pasował do wszelkich typów tramwajów, nawet takich których obecnie jeszcze
nie ma, ale które mogą być skonstruowane kiedyś w
przyszłości. Wobec tego we wzorze (3) trzeba przyjąć
największą możliwą wartość lpr, jaka kiedykolwiek
może zostać zastosowana, najmniejszą możliwą wartość – a, najmniejszą możliwą wartość p i najmniejszą
możliwą wartość Azap.
Obecnie na ogół a we wszystkich tramwajach na
świecie wynosi około 6 m. Nie widać powodów, dla
których wartość ta mogłaby kiedykolwiek zostać
zmniejszona ( raczej będzie występowała w przyszłości tendencja do zwiększenia wymiaru a).
Wobec tego przyjmiemy a=6 m.
Wydaje się, że największa wartość lpr (odległość na
zewnątrz czopa skrętu, na której będą wisiały na podwoziu niskozawieszone urządzenia), jaka kiedykolwiek zostanie zastosowana, nie będzie nigdy większa
niż 3 m i tę wartość przyjmiemy.
Wartość p wynosi w obecnych tramwajach 1,9 m. Nie
wydaje się możliwe zmniejszenie w przyszłości tej
wartości, to też przyjmiemy p=1,9 m.
Podstawiając powyższe dane do zależności (3) opadnięcie punktu C wyniesie
hdół=~30 mm.
Z kolei punkt D pojazdu uniesie się w górę o
(3)
l pr
a
(1 −
p
) ⋅ h zap
2A zap
(4)
podstawiając dane otrzymamy
hgóra=~ 10 mm.
Rys. 5. Pojazd w zapadnięciu toru
47
6.2.Ustawienie kinematyczne pojazdu w zapadnięciu toru
Ponieważ wyczerpanie wszystkich możliwych ugięć
usprężynowania zostało już uwzględnione przy wyznaczaniu zarysu odniesienia skrajni kinematycznej,
przeto powyżej wyznaczone wartości hgóra i hdół są
jedynymi dodatkowymi przemieszczeniami pasożytniczymi tramwaju na zapadnięciu toru.
Zatem przemieszczenia pasożytnicze części pojazdu z
tytułu deformacji pionowych toru wynosi:
- dla dolnych krawędzi pojazdu hdół=30 mm
- dla górnych krawędzi pojazdu hgóra=10 mm.
7.Wichrowatość toru
7.1.Dopuszczalna wichrowatość toru
Dopuszczalna różnica poziomu obu szyn na torze
prostym o szerokości 1435 mm wynosi – W=30 mm,
a dla toru o szerokości 1000 mm – W=20 mm [2, 3]
Kąt poprzeczny wichrowatości toru
δ=
Odchylenie punktu A od płaszczyzny toru idealnego
wynosi (rys.5)
(5)
egeom wichr=h⋅sin δ=~h⋅δ
Temu jest też równe odchylenie punktu B od jego
położenia na torze.
Analogicznie obniżenie się punktu C w stosunku do
jego położenia na torze idealnym wynosi
(6)
Wgeom wichr=b⋅sin δ =~b⋅δ
7.3.Skutek statyczny wichrowatości toru
Na torze wichrowatym na pojazd, choćby stojący
nieruchomo, działa siła poprzeczna podobna do niezrównoważonej siły odśrodkowej działającej na łuku
toru, gdy na tym łuku występuje niedobór lub nadmiar
przechyłki (rys.7).
W
St
Gdzie St-rozstaw kręgów tocznych zestawu kołowego
Dla toru 1435-δ=
δ=
30
=0,02 a dla toru 10001500
20
=~0,019
1065
W dalszych rozważaniach przyjmujemy jednolicie δ=
0,02.
7.2.Skutek geometrycznych wichrowatości toru
Rys. 7.Odchylenie pudła pojazdu – siła poprzeczna
Z rys. 7 wynika że,
j
= sin δ = ~ δ
g
(7)
gdzie j - przyspieszenie poziome
Pod wpływem siły poprzecznej równej m?j podparcie
sprężyste pojazdu odkształca się a pojazd ulegnie
dalszemu przechyleniu o kąt ε (rys.8).
Kąt quasistatycznego przechylania pojazdu wywołany
niezrównoważoną siła poprzeczną wynosi
ε=s
Rys.6. Odchylenie pudła pojazdu
48
j
g
gdzie s-współczynnik przechylania pojazdu [1]
Wykorzystując zależność (7) mamy
ε=s⋅δ
Przyjęta wartość współczynnika s=0,4 [1] to
ε=0,4⋅δ
Odchylenie punktu A od płaszczyzny symetrii toru
wichrowatego może zatem wynieść
7.5.Łączne przesunięcie pasożytnicze wynikające z
wichrowatości toru
ewichr=egem wichr+estat wichr+edyn wichr
czyli
ewichr=h⋅ δ+|h-0,3|⋅0,4⋅ δ+0,3⋅|h-0,3|⋅0,4⋅ δ
i ostatecznie
(12)
ewichr=/h +0,52⋅|h-0,3|/⋅ δ
Analogicznie otrzymamy
wwichr==/b +0,52⋅b/⋅ δ
czyli
wwichr==1,52⋅b⋅ δ
(13)
Podstawiając tu δ=0,02 otrzymamy
ewichr=/h +0,52⋅|h-0,3|/⋅ 0,02
wwichr =1,52 ⋅b⋅ 0,02
czyli
wwichr =0,0304 ⋅b
Liczbowo wartości te wynoszą jak następuje:
Rys.8.Przechylenie pojazdu
czyli
estat wichr=|h-h0|⋅sinε=~|h-h0|⋅ε
estat wichr=|h-h0|⋅sinε=~|h-h0|⋅0,4⋅ δ
gdzie: h-wysokość rozpatrywanego punktu nad
główkę szyny
h0-wysokość bieguna kołysania tramwaju
nad główkę szyny
Im mniejsze h0, tym większe odchylenie estat wichr. Zatem trzeba wziąć pod uwagę najmniejsze możliwe h0.
Jest nieprawdopodobne aby kiedykolwiek skonstruowano tramwaj o wysokości bieguna przechylania h0
mniejszej niż 0,3 m.
Zatem
(8)
estat wichr=|h-0,3|⋅0,4⋅ δ
Analogicznie obniżenie punktu C wyniesie
wstat wichr=b⋅0,4⋅ δ
(9)
7.4.Skutek dynamiczny wichrowatości toru
Dynamicznym skutkiem wichrowatości toru jest kołysanie się pojazdu wokół bieguna kołysania, przy czym
środkowym położeniem podczas tego kołysania jest
położenie wywołane przez quasistatyczny skutek wichrowatości toru, określony w poprzednim punkcie.
Przyjmując współczynnik nadwyżki dynamicznej
obciążenia poprzecznego Kd=1,3 taki sam, jaki przyjęto dla kołysania się tramwaju na torze idealnym [1],
otrzymujemy amplitudę kołysania na wichrowatym
torze równą
edyn wichr=(Kd-1) ⋅ estat wichr
czyli
edyn wichr=(Kd-1) ⋅|h-0,3|⋅0,4⋅ δ
czyli
edyn wichr=(1,3-1) ⋅|h-0,3|⋅0,4⋅ δ
albo
(10)
edyn wichr=0,3⋅|h-0,3|⋅0,4⋅ δ
Analogicznie będzie
(11)
wdyn wichr=0,3⋅b⋅0,4⋅ δ
(14)
(15)
- Na wysokości h=3,2 m
ewichr=(3,2+0,52⋅|3,2-0,3|)⋅0,02=(3,2+0,52⋅2,9)⋅
⋅0,02=(3,2+1,503) ⋅0,02=4,708⋅0,02=0,09416 m ≈
94 mm
ewichr=(0,3+0,52⋅|0,3-0,3|)⋅0,02=(0,3+0,52⋅0)
⋅0,02=0,3⋅0,02=0,006 m =6 mm
ewichr=(0,060+0,52⋅|0,0600,3|)⋅0,02=(0,060+0,52⋅0,24)
⋅0,02=(0,08+0+0,1248)
⋅0,02=0,1848⋅0,02=0,003696 m ≈ 4 mm
- Na szerokości b=1,35 m
wwichr=0,0304⋅1,35=0,04104 m ≈ 40 mm
8.Jednoczesność wichrowatości i zygzakowatości
toru
Wichrowatość i zygzakowatość toru mogą występować jednocześnie, ale prawdopodobieństwo tej jednoczesności jest takie, że można zastosować do niego
prawa rozkładu zmiennych losowych.
Wypadkowe pasożytnicze ruchy poziome pojazdu
wyniosą wtedy
D = e 2wichr + e 2poz
(16)
D = 942 + 352 =~100 mm
-
Na wysokości h=0,3 m
D = 62 + 352 = 36 + 1225 =~36 mm
-
Na wysokości h=0,060 m
D = 42 + 352 = 16 + 1225 =~35 mm
49
9.Jdnoczesność wichrowatości i zapadnięcia toru
Wichrowatość i zapadnięcie toru wykluczają się nawzajem. Zatem wystarczy uwzględnić albo jedno albo
drugie. Przy tym należy pamiętać o tym, że zarys odniesienia skrajni kinematycznej został opracowany w
[1] w ten sposób, że ujmuje wszystkie pionowe ruchy
pasożytnicze pojazdu na idealnym torze w takim
rozmiarze, który wyczerpuje pionowe luzy elementów
sprężystych do wyczerpania. Pojazd o wyczerpanych
luzach pionowych nie może się kołysać, a zatem decydującym wymiarem jest przemieszczenie powstające przy zapadnięciu toru.
Zatem dla dolnej krawędzi skrajni, kiedy możliwość
kolizji występuje przy dużych ugięciach resorów
pojazdu, mamy
W=h dół=30 mm
Dla odmiany dla górnych krawędzi skrajni, kiedy
możliwość kolizji występuje przy małych ugięciach
resorów pojazdu mamy:
W=wwichr
co na szerkości b=1,35 m wynosi
W=40 mm
10.Dodatkowe przemieszczenia pasożytnicze pantografu
Z uwagi na elastyczną konstrukcję pantografu można
przyjąć, że na odkształceniach toru pantograf będzie
starał się utrzymać poprzednie położenie nie ulegając
dodatkowym ruchom pasożytniczym.
11.Poszerzenie konturu koniecznej przestrzeni niezabudowanej na łukach
Poszerzenie to jest identyczne jak poszerzenie zarysu
odniesienia skrajni kinematycznej.
12.Wnioski końcowe
1. Kontur koniecznej przestrzeni niezabudowanej
skrajni budowli omawiany w niniejszym opracowaniu
ważny jest wtedy, gdy deformacje toru powstające w
wyniku eksploatacji nie przekroczą następujących
wartości:
- przesunięcie się osi podłużnej toru w poprzek
mierzone od osi geodezyjnej toru – 25 mm
- zygzakowatość toru (lub wielokątny kształt
łuku toru) mierzony od osi geodezyjnej toru –
25 mm
- zapadnięcie się toru mierzone od poziomu
geodezyjnego toru (włącznie z pionowym zużyciem główek szyn) – 25 mm
50
-
wichrowatość toru (niejednakowy poziom
główek obu szyn) - 30 mm na torze o
szerokości 1435 mm, a 20 mm na torze o
szerokości 1000 mm.
Wszystkie powyższe deformacje mogą występować
jednocześnie w tym samym punkcie toru, o ile ze swej
natury same się nie wykluczają wzajemnie (jak np.
przesunięcie i zygzakowatość, albo zapadnięcie i wichrowatość).
2. Kontur koniecznej przestrzeni niezabudowanej
skrajni budowli omawiany w niniejszym opracowaniu
ważny jest wtedy, gdy po torze będą jeździły wagony
tramwajowe, których cechy charakterystyczne będą
następujące:
- wagon będzie kinematycznie zgodny z zarysem odniesienia skrajni kinematycznej (to
znaczy w żadnym jego położeniu czy to na torze prostym, czy też na łuku toru żadna część
wagonu nie będzie wystawać poza ten zarys
odniesienia na idealnie niezdeformowanym
torze zarówno w stanie spoczynku jak i w stanie jazdy z prędkościami od 0 do maksymalnej i z uwzględnieniem maksymalnych amplitud wszelkich ruchów pasożytniczych wagonu
spowodowanych prędkościami jazdy),
- prosta ściana boczna wagonu nie będzie
wysięgała poza czop skrętu wózka o więcej
niż 3 m,
- na podwoziu nisko zawieszone części i
mechanizmy nie będą rozmieszczone na
długości większej niż 3m mierzonej od czopa
skrętu w kierunku do czoła lub tyłu wagonu,
- współczynnik przechylania wagonu s nie będzie większy niż 0,4.
Literatura
[1] IPS „Wymiary dopuszczalne przekrojów wagonu
tramwajowego w świetle obowiązującej skrajni kinematycznej.” Nr OR-9130 opracowano
02.2007r.
[2] BN-89/9396-05/03: „Komunikacja miejska. Skrajnia budowli.” (Unieważniona 2.01.1998)
[3] PN-K-92009: styczeń 1998 „Komunikacja miejska
–Skrajnia budowli – wymagania”
dr inż. Marek Sobaś
Nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne pojazdów tramwajowych
z uwzględnieniem wymagań skrajni kinematycznej
Artykuł jest poświęcony nowoczesnym rozwiązaniom konstrukcyjnym pojazdów tramwajowych z uwzględnieniem wymagań skrajni kinematycznej. Przedstawiono tendencje rozwojowe pojazdów szynowych i ich podzespołów oraz elementów w ostatnich latach. Uzasadniono konieczność realizacji poszukiwania optymalnego zarysu pojazdu w powiązaniu z innymi wymaganiami jak np. ulżenie konstrukcji, budowa modułowa pojazdu itp.
Artykuł powstał w ramach projektu badawczego nr N 509 03531/2367, finansowanego
przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego ze środków na naukę na lata 2006÷2009,
pt.: „Metodyka wyznaczania kinematycznego zapotrzebowania przestrzeni oraz luzów bezpieczeństwa dla pojazdów tramwajowych, celem ustalenia optymalnego zarysu pojazdu”.
1. Wstęp
Jak wykazano w pracach [8÷13] istotnym
czynnikiem wpływającym na ostateczny kształt pojazdów tramwajowych jest zarys odniesienia skrajni kinematycznej oraz skrajni budowli. Istotą procesu projektowania pojazdu tramwajowego jest znalezienie
jego optymalnego kształtu, spełniającego zasadnicze
wymagania klienta, wynikające z gospodarki rynkowej
oraz obowiązujących przepisów. W związku z powyższym na każdego z producentów poszczególnych podzespołów dla taboru tramwajowego jest wywierany
nacisk, aby wykonywać elementy o bardzo zwartej
budowie (niem.„kompakte Bauweise”), zajmującej
możliwie najmniejszą przestrzeń, przy jednoczesnym
zmniejszeniu masy własnej oraz przy zachowaniu
własności funkcjonalnych, wysokiego poziomu niezawodności i wytrzymałości. Logicznym następstwem
przy konstrukcjach tramwajów z obniżoną podłogą
jest kompaktowa budowa układy biegowego oraz usytuowanie wielu podzespołów na dachu pojazdu
tramwajowego. Kolejnym wyzwaniem rynkowym jest
zwiększenie wskaźnika przepustowości ( mobilności)
dla podróżnych podczas wsiadania i wysiadania. Przykładem takiego rozwiązania może być nowoczesny
siedmioczłonowy tramwaj przegubowy z obniżoną
podłogą typu „Combino Classic” opracowany przez
Siemiens Trasnportation Systems i przeznaczony dla
miejskiego przedsiębiorstwa komunikacyjnego Berner
Verkehrsbetriebe Bernmobil (Szwajcaria) o długości
42 m, który jest dłuższy od dotychczasowej wersji o
11 m ( Combino Advanced von Bern ), co z kolei
zwiększa wskaźnik przepustowości podróżnych o 30%
[17]. Trudno nie zgodzić się z poglądem zaprezentowanym w [1], że klienta w ogólne nie interesuje jak
jest zbudowany pojazd, natomiast jest zainteresowany
jego funkcjonalnością i dobrą ceną.
2. Nowoczesne rozwiązania układów biegowych
2.1. Przykłady rozwiązań układów napędowych
Jak zasygnalizowano w [4] układy biegowe
dla tramwajów niskopodłogowych muszą posiadać
Rys.1. Trakcyjne układy biegowe dla Gesteiz dla toru o prześwicie
1000 mm (rys1a) i Sevilli dla toru o prześwicie 1435 mm (rys.1b)
wg [4]
zwartą, kompaktową budowę, z uwagi na niewielką
przestrzeń do dyspozycji. Jest to wynikiem coraz
większego nacisku na obniżenie wysokości podłogi w
stosunku do poziomu główki szyny. Przykład rozwoju
konstrukcji zwartych wózków trakcyjnych wynika z
porównania ich układów napędowych. Na rys.1 przedstawiono dwa trakcyjne układy biegowe dla Vitoria
51
Gesteiz z przekładnią z boku koła dla toru o
prześwicie 1000 mm ( u góry rys.1) oraz dla Sevilli z
przekładnią z boku koła dla toru o prześwicie 1435
mm ( u dołu rys.1). Usytuowanie silnika trakcyjnego
jest takie same w obydwu wózkach. Obydwa układy
biegowe zostały opracowane dla tramwajów
wykonanych przez firmę CAF.
Na rys.2. przedstawiono nowoczesne rozwiązanie
trakcyjnego układu biegowego bezprzekładniowego
( niem. „getriebelose Antrieb”), zastosowane w pojazdach tramwajowych firmy Stadler [4].
Rys.2. Rozwiązanie bezprzekładniowe z bezpośrednim ośmiobiegunowym silnikiem asynchronicznym ( niem. „achtpolige
Direkt-Asynchronmotor”) firmy Stadler [4]
Zaletą rozwiązania bezprzekładniowego sytemu napędowego jest:
usunięcie źródła hałasu, jakim jest przekładnia
mechaniczna
brak strat energii w przekładni
mniejszy poziom emisji hałasu przez silnik
trakcyjny w dolnym i górnym zakresie prędkości
mniejszy poziom hałasu emitowany przez system chłodzenia
brak prac konserwacyjnych związanych z
przekładnią
brak zapotrzebowania na smarowanie olejem
przekładni
mniejsza masa napędu
mniejsza masa nieusprężynowana,
natomiast wadą jest to, że bezpośredni ośmiobiegunowy silnik asynchroniczny wykazuje współczynnik
sprawności w punkcie obciążenia, który jest mniejszy
o około 20 % niż przy kombinacji silnik trakcyjnyprzekładnia. Układ bezprzekładniowy jest rozwiązaniem przyszłościowym, tym bardziej że jest on stosowany również w zespołach trakcyjnych przystosowanych do wysokich prędkości [4].
52
2.2. Konstrukcje silników trakcyjnych
Do napędu pojazdów tramwajowych stosuje się
obecnie silniki asynchroniczne z dwoma systemami
chłodzenia:
- chłodzenie powietrzem
- chłodzenie substancjami ciekłymi ( woda, glikol, olej przekładniowy) [6].
W przypadku silników asynchronicznych chłodzonych powietrzem (niem.„ Traktionsmotoren mit Luftkühlung”) średnia prędkość strumienia powinna
wynosić 20 do 30 m/s . Przy takich prędkościach powietrza w systemie jego przepływu występuje bardzo
duża emisja hałasu, pojawiająca się przede wszystkim
przy zmianie kierunku oraz ostrych przejściach w
przewodach przelotowych. Kolejnym parametrem
wpływającym na efektywność systemu chłodzenia jest
spadek ciśnienia pomiędzy wlotem i wylotem powietrza na korpusie silnika. Miarodajnymi czynnikami dla
całkowitego spadku ciśnienia powietrza chłodzącego
są wymuszone zmiany kierunku, zmniejszenia i
zwiększenia przekroju poprzecznego. Spadek ciśnienia
w pakiecie blach żelaznych wirnika i stojana wynosi
jedynie ok. 10 do 20% całkowitego spadku. Zaletą
zastosowania silników chłodzonych strumieniem powietrza jest bardzo dużą ilość ciepła oddawana przez
powierzchnię pakietu blach żelaznych wirnika i stojana, która może być jeszcze powiększona przez poosiowe otwory wentylacyjne.
Moc strat cieplnych oddawana przez strumień ciekłego środka chłodzącego jest wyrażona wzorem:
Pstrat = m ' ⋅ c Pow ⋅ ∆Tpow
gdzie:
m’- masa środka chłodzącego [kg]
cpow- jednostkowa pojemność cieplna powietrza
[Ws/kg⋅K]
∆Tpow- podgrzanie powietrza chłodzącego [? K]
a po wstawieniu m’=Vpow’⋅ ρpow otrzymuje się:
'
Pstrat = Vpow ⋅ ρ pow ⋅ c pow ⋅ ∆Tpow
gdzie:
(1)
(2)
Vpow’- gęstość strumienia powietrza [m3/s]
ρpow- gęstość środka chłodzącego [kg/m3].
Silniki asynchroniczne chłodzone za pomocą substancji ciekłych (niem.„ Traktionsmotoren mit Flüssigkeitskühlung”) mają istotną zaletę polegającą na
tym, że są one całkowicie zamknięte i wskutek tego
zabezpieczone przez wnikaniem zanieczyszczeń, kurzu i wilgoci. Korpus stojana jest wykonany w postaci
podwójnego płaszcza ( niem.„ Doppelmantel”) , który
napełniony substancją ciekłą tłumi emisję hałasu. Oddawanie ciepła przez stojan odbywa się bezpośrednio
przez środek chłodzący, natomiast przez wirnik pośrednio przez szczeliny powietrzne i łożyska, co powoduje, że chłodzenie przez podwójny płaszcz odbywa się zasadniczo przez pakiet blach stalowych. Moc
strat cieplnych przez strumień ciekłego środka chłodzącego jest zgodna ze wzorem:
Pstrat = m ' ⋅ c Kf ⋅ ∆T
(3)
gdzie:
m’- masa środka chłodzącego [kg]
cKf- jednostkowy pojemność cieplna [Ws/kg⋅K]
∆T- podgrzanie substancji ciekłej [? K]
a po wstawieniu m’=V’⋅ ρKf otrzymuje się:
Pstrat = V ' ⋅ ρ Kf ⋅ c Kf ⋅ ∆T
gdzie:
(4)
V’- gęstość strumienia środka chłodzącego
[m3/s]
ρKf- gęstość środka chłodzącego [kg/m3].
Aby zwiększyć warunki temperaturowe silników trakcyjnych chłodzonych za pomocą substancji ciekłych, a
przede wszystkim zwiększyć możliwość oddawania
ciepła przez wirnik zaproponowano następujące
przedsięwzięcia konstrukcyjne:
zastosowanie wewnętrznego wentylatora (
niem. „Innenventilator”) i otworów wentylacyjnych (niem. „Kühlbohrungen) usytuowanych w kierunku równoległym do osi w stojanie i wirniku w celu polepszenia odprowadzenia ciepła w pakiecie blach stalowych
chłodzenie wału wirnika za pomocą ciekłego
medium przy zastosowaniu uszczelnień za
pomocą pierścieni ślizgowych
zastosowanie korpusów silników wykonanych
z aluminium
jednostronne lub dwustronne chłodzenie pokryw łożysk wirnika.
Porównanie parametrów cieplnych asynchronicznych
silników chłodzonych powietrzem oraz substancjami
ciekłymi jest przedstawione w tabeli 1 wg [6].
Zalety silników chłodzonych substancjami ciekłymi:
małe emisja hałasu pomimo wysokiej prędkości obrotowej silników z małą objętością zabudowy
wnętrze silnika zabezpieczone przed zanieczyszczeniami
małe przekroje przyłączeniowe dla płynu
chłodzącego
bardzo duża możliwość termicznego przeciążenia w ciągu dłuższych okresów czasu
możliwość chłodzenia silnika również w stanie postoju.
Zestawienie parametrów strumienia cieplnego dla trakcyjnych silników asynchronicznych chłodzonych
Tabela1
powietrzem oraz substancjami ciekłymi
L.p.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Nazwa parametru
Oznaczenie Jednostka
Silnik chłodzony
powietrzem
Silnik chłodzony
substancjami ciekłymi
Średnia temperatura
środka chłodzącego
ºC
60
70
Zdolność do przewodzenia ciepła
λ
W/mK
0,029
0,044
Współczynnik przejmowania ciepła
α
W/m2K
56
1900
Jednostkowa pojemność
cieplna
c
Ws/kgK
1,009
3600
Gęstość ( masa właściρ
kg/m3
1,0452
1048
wa))
Jednostkowa objętoc·ρ
Ws/m3kg
ściowa pojemność
1,0546
3 772 800
cieplna
Przykład porównawczy dla silnika trakcyjnego Pab=200 kW (η=93,5%)
Moc strat cieplnych
Pverl
W
14 000
14 000
Różnica temperatur
∆T
K
30
8
Wejście-wyjście
Strumień czynnika
V’
m3/l
0,48
0,00046
chłodzącego
l/min
26 500
27,8
Przekrój poprzeczny
A
mm2
22 000
1 500
strumienia
Prędkość strumienia
w
m/s
20
0,31
53
Dane asynchronicznych silników trakcyjnych chłodzonych substancjami ciekłymi, zastosowanych w
taborze tramwajowym typu 4WXA25 wg [6]
Tabela 2
L.p.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Opis parametru
Moc
Prędkość obrotowa
Moment obrotowy
Napięcie
Natężenie prądu
Masa
Klasa izolacji
Jednostka
kW
obr/min
Nm
V
A
kg
Zalety dla pojazdów trakcyjnych z zamontowanymi
silnikami chłodzonymi substancjami ciekłymi:
brak kanałów powietrznych i mieszków w systemie doprowadzenia powietrza
brak filtrów powietrza
dowolne rozmieszczenie urządzenia schładzającego rozgrzane chłodziwo
mały poziom emisji hałasu urządzenia schładzającego chłodziwo
możliwość tworzenia wspólnego układu chłodzenia dla silników trakcyjnych, falowników i
oporników
możliwość wykorzystania strat cieplnych do
ogrzewania wnętrza pojazdu.
Wady silników chłodzonych substancjami ciekłymi:
małe chłodzenie wirnika (przy zastosowaniu
tylko chłodzenia dwupowłokowego lub dwupłaszczowego (niem.„Doppelmantelkühlung”)
nieznaczne oddziaływanie środków chłodzących na łożyska silnika przy zastosowaniu
chłodzenia dwupłaszczowego
ograniczona moc silników ( maksymalnie do
250 kW)
przy równych wymiarach zewnętrznych konieczność zmniejszenia aktywnej średnicy stojana z uwagi na kanał chłodniczy
Wady dla pojazdów trakcyjnych z zamontowanymi
silnikami chłodzonymi substancjami ciekłymi:
konieczność instalacji urządzenia do chłodzenia rozgrzanej substancji chłodzącej
kosztowne prace konserwacyjne z uwagi na
zastosowanie urządzenia chłodzącego.
2528
60
2006
309
355
145
225
200
Oznaczenie seryjne silnika
2544
95
2004
453
363
200
275
200
Przykłady asynchronicznych silników trakcyjnych
chłodzonych substancjami ciekłymi są podane w tabeli
2.
Ww. silniki trakcyjne zostały zastosowane w tramwajach niskopodłogowych dla Antwerpii, Bielefeld,
Darmstadt, De Lijn ( Holandia), Erfurtu, Essen, Freiburga, Heidelbergu, Karlsruhe, Lipska, Ludwigshafen, Magdeburga, Mannheim, Rostocku i Zurychu. W
przypadku silników z chłodzeniem dwupowłokowym
wirnik średnio chłodzony przez szczelinę powietrzną
względnie przez łożyska. Dlatego wykorzystanie mocy nie jest ograniczone tylko w części elektrycznej
przez wysokie temperatury ( uzwojenie wirnika i stojana), lecz również w części mechanicznej przez maksymalne temperatury łożysk. Dla łożysk kulkowych
zwykłych i łożysk walcowych maksymalna temperatura graniczna wynosi 130÷150°C. Należy to uwzględnić przy termicznym projektowaniu wirnika. Dodatkowo przy wysokim poziomie temperatur smar w
łożyskach jest również elementem obciążonym termicznie. Smary na bazie olejów mineralnych pozwalają na największą temperaturę eksploatacyjną
130÷140°C, natomiast na bazie syntetycznej 150÷160°
C. Niezależnie od gatunku smaru, zwiększenie temperatury łożyska o 10°C, zmniejsza okres użytkowania
smaru o połowę. Kolejnym istotnym ograniczeniem są
części wirnika, które nie mogą być uszkodzone wskutek oddziaływania temperatury. Wykaz części wirnika
wraz z dopuszczalną temperaturą jest przedstawiony w
tabeli 3.
Wykaz części wirnika wraz z ograniczeniami temperaturowymi wg [6]
L.p.
Część konstrukcyjna
Materiał
1.
Blacha wirnika
Blacha prądnicowa
z izolacją lakierową
2.
Uzwojenie zwarciowe
Miedź
3.
Pierścień skurczowy dla mechanicznego zabezpieczenia pierścieni krótkozwartych przed skutkami
obciążenia silą odśrodkową
Wirnik
4.
54
2557
127
2008
604
410
235
330
200
Tabela 3
Skutki obciążenia
temperaturowego
Uszkodzenia lakieru zwiększają straty żelaza
Zmniejszenie wytrzymałości
mechanicznej i zwiększenie
rezystancji
Temperatura
graniczna
Stop brązu
mechanicznej
ok.300 °C
Stal chromowoniklowa
mechanicznej i wydłużenia
ok. 200°C
ok.250°C
ok.300°C
Dane asynchronicznych silników trakcyjnych chłodzonych substancjami ciekłymi, zastosowanych w
taborze metra i szybkiej kolei miejskiej typu 4WXA35 wg [6]
Tabela 4
L.p.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Opis parametru
Moc
Prędkość obrotowa
Moment obrotowy
Napięcie
Natężenie prądu
Masa
Klasa izolacji
Jednostka
kW
obr/min
Nm
V
A
kg
Bardzo dobra przydatność asynchronicznych silników
trakcyjnych zachęciła do stosowania producentów
zespołów trakcyjnych szybkich kolei miejskich (Hamburher Hochbahn) i metra (Wiener U-Bahn), pojazdów
podmiejskich należących do Deutsche Bahn AG. Parametry tych silników są przedstawione w tabeli 4.
Obecnie jest zastosowanych 5000 asynchronicznych
silników trakcyjnych chłodzonych ciekłymi substancjami w tramwajach, pojazdach trakcyjnych metra i
szybkiej kolei miejskiej ( o mocy w zakresie 65÷200
kW). Głównym producentem silników tego typu jest
firma DaimlerChrysler Rail Systems, której poprzedniczki BBC, ABB, ABB-Daimler rozpoczęli produkcję już 20 lat temu. Pierwszy prototypowy silnik posiadał moc 120 kW oraz prędkość obrotową wynoszącą ok. 2000 obrotów na minutę. Silnik prototypowy
był wyposażony w 30 czujników temperatury w celu
umożliwienia obserwacji własności termicznych.
3553
125
1820
656
470
206
504
F
Oznaczenie seryjne silnika
3549
135
2001
644
570
178
460
200
3558
200
2303
829
1325
114
550
200
2.3. Konstrukcje chłodnic dla silników trakcyjnych
Zalety asynchronicznych silników trakcyjnych
chłodzonych za pomocą substancji ciekłych i ich coraz
częstsze zastosowanie w taborze tramwajowym
spowodowały konieczność nowych rozwiązań w
zakresie chłodnic. Innowacyjnym pomysłem takiego
rozwiązania autorstwa firmy ABB [4], jest między
innymi umieszczenie chłodnicy silników trakcyjnych i
falowników w jednej oddzielnej skrzyni ( kontenerze).
Skrzynia ta jest umieszczona na dachu tramwaju z
obniżoną podłogą. Przykład takiego rozwiązania jest
podany na rys. 3.
Rys.3. Chłodnica asynchronicznych silników trakcyjnych wraz z
falownikiem umieszczone w jednej obudowie skrzynkowej
wg [4]
55
Gatunki stali wytypowane do budowy pudeł tramwajów niskopodłogowych wg [5]1) Tabela 5
L.p.
Gatunek
stali
1.
2.
3.
St 52-3
COR-TEN B
1.4003
Wytrzymałość na
rozciąganie Rm
[N/mm2]
490÷630
490÷630
450÷600
4.
1.4589
550÷700
Granica
plastyczności
Rp0,2 [N/mm2]
335
355
320÷370
420÷450
Obecnie producent ABB Schweiz w Turgi (Szwajcaria) poddaje próbom wszystkie urządzenia i sprawuje
nadzór konstrukcyjny przy uruchomieniu pierwszego
pojazdu, nie jest jednak dostawcą wyposażenia elektrycznego w klasycznym sensie jak ma to miejsce w
przypadku uznanych producentów jak Alstom, Bombardier Transportation w Brush, Siemens Transportation Systems, Elin BBG lub Vossloh Kiepe.
3. Konstrukcja nadwozia tramwaju
Nadwozie tramwaju we współczesnych pojazdach musi spełniać wiele kryteriów, które w głównej
mierze sprowadzają się do utrzymania możliwe niskiej
masy własnej. Stwierdzono, że przy konstrukcjach
stalowych pudła wagonu w stanie surowym dla pojazdów tramwajowych o porównywalnej budowie
wskaźnik jednostkowej masy własnej (przeliczony na
powierzchnię użytkową pojazdu) wynosi ok. 100
kg/m2 oraz że jego masa własna jest większa niż masa
wyposażenia, przy czym jednostkowa masa własna
wyposażenia nadwozia wynosi ok. 79÷118 kg/m2. Cel
rozwojowy powinien być tak sformułowany, aby pudło wraz z wyposażeniem posiadało masę własną nie
większą niż 8400 kg. Wyposażenie pudła pojazdu nie
powinno wymagać dużego nakładu pracy, posiadać
małą masę własną nie przekraczającą 4 200 kg ( ok.86
kg/m2) i innowacyjne rozwiązania. W przypadku
utrzymania proporcji masowych pudła pojazdu w stosunku do jego wyposażenia 50:50, masa pudła nie
powinna być większa aniżeli 4200 kg. W wyniku prac
studialnych pożądaną masę pudła pojazdu można
osiągnąć przy zastosowaniu wysokowytrzymałych
stali nierdzewnych.
Materiały, które mogą być użyte do budowy pudła
pojazdu tramwajowego są dobierane wg kryterium
minimalnej masy własnej i muszą być użyte w postaci
cienkościennych profili (niem. „dünnwandige Profile”) o bardzo dużej odporności na korozję. Przykłady
wysokowytrzymałych stali, które mogą być brane pod
uwagę do budowy pudła pojazdu tramwajowego
przedstawiono w tabeli 5.
Analizując materiały przedstawione w tabeli 5 projektanci taboru tramwajowego zdecydowali się na zastosowanie stali 1.4003, przyjmując następujące kryteria:
większa odporność na korozję niż dla stali
COR-TEN B
56
Możliwość
formowania
(np. gięcie)
dobra
dobra
dobra z ograniczeniami
dobra z ograniczeniami
Dostawa
profilów
tak
utrudniona
utrudniona
Koszty
tak
340%
100%
112%
264%
większa wytrzymałość zmęczeniową niż dla
stali 1.4589
podobne wartości wytrzymałości jak dla stali
St 52-3
możliwość, aby uzyskać doświadczenia w ramach rozwoju konstrukcji prototypowej
nieznaczne zwiększenie kosztów całkowitych
w stosunku do stali COR-TEN B.
Kolejny etap poszukiwania nowych materiałów polega
między innymi na możliwości zastosowania materiałów o mniejszej gęstości ( masie właściwej) niż stale,
z przedstawieniem wytrzymałości na rozciąganie Rm
oraz ze wskaźnikiem długości rozrywania IR ( niem.„Reisslänge”), który definiuje się jako długość pręta, który rozrywa się pod wpływem masy własnej.
Wskaźnik rozrywania dla danego materiału określa się
ze wzoru:
R
R
(5)
IR = m = m
m V ⋅ρ
gdzie:
V-objętość pręta
ρ- masa właściwa.
Odpowiednie zestawienie dla różnych materiałów,
które rozpatrywano pod kątem zastosowania w konstrukcjach lekkich pudeł tramwajowych przedstawiono na rys.4.
Rys.4. Porównanie wybranych parametrów wytrzymałościowych
Rm i IR dla analizowanych materiałów pod kątem przydatności dla
ultralekkich konstrukcji wg [1]
Jak wynika z rys.4, stopy tytanowe oraz tworzywa
sztuczne wzmocnione włóknami szklanymi mogą być
brane pod uwagę ze względu na parametry wytrzymałościowe, natomiast nie są konkurencyjne z punktu
widzenia możliwości obróbki mechanicznej oraz ceny.
W przypadku stopów aluminium i stali o wysokich
parametrach wytrzymałościowych porównanie daje
zdecydowanie inne rezultaty. Jeśli dodatkowo porównać parametr sztywności wyrażony iloczynem EּJ
(gdzie: E- moduł Younga, a J- powierzchniowy moment bezwładności), to wówczas okazuje się, że aluminium posiada o 2/3 mniejszy moduł Younga. Aby
osiągnąć analogiczną sztywność należy liczyć się z
tym, że należy zwiększyć przekroje poprzeczne powierzchni. Do tego dochodzą koszty inwestycji związane z uruchomieniem linii produkcyjnej stopów aluminiowych, względnie mała możliwość przystosowania technologii, problemy z drganiami i akustyczne
oraz podatność na powstawanie pęknięć spawalniczych. Praktyka wykonawcza pudeł pojazdów szynowych, wyprodukowanych całkowicie ze stali lub z
aluminium dowodzi, że procesowi wytwarzania towarzyszą bardzo długie spoiny, wynikające z tego skurcze cieplne i związana z tym obróbka cieplna oraz
mechaniczna bądąca poważnym problemem technologicznym i konstrukcyjnym. Dlatego rozpatrzono możliwość zastosowania modułowej konstrukcji hybrydowej (niem.„ modulare Hybridenbauweise”)[15]. Główną jej ideą jest zastosowanie kombinacji różnych
materiałów, przy której dominują półprodukty stalowe
z możliwością wykonania niektórych podzespołów z
aluminium albo tworzyw sztucznych. Pudło pojazdu o
klasycznej budowie nie występuje więcej w nowoczesnych konstrukcjach pojazdów tramwajowych. Modułowość definiuje się w kompatybilnym wyborze elementów, podzespołów i metod wytwarzania, jak również techniki montażowej i połączeniowej. Przykładem innowacyjnego połączenia jest zastosowania
kombinacji profilów wielkogabarytowych oraz konstrukcji typu dzielonego. Przykładem takich konstrukcji jest opatentowany system śrubowy typu „ ALUSUISSE” (rys.5)[5].
Rys.5. Przykład łączenia konstrukcji wielkogabarytowych oraz
systemu śrubowego typu „ALUSUISSE” wg [5]
Kolejny przykład zastosowania oryginalnej techniki
łączeniowej jest podany na rys. 6 i 7.
Rys.6. Mocowanie ścian bocznych pudła tramwajowego za
pomocą węzłówek śrubowych łączących pionowe i wzdłużne
profile głębokotłoczne ( niem.„ Strangpressprofile”) oraz
zastosowanie nitów, łączących profile wzdłużne i z podłogą
pojazdu tramwajowego „ CitySprinter” produkcji Siemens
Transportation Systems wg [3]
Rys.7. Przykład zastosowania połączeń nitowanych na profilach
głębokotłocznych z kombinacją węzłówek śrubowych łączących
z podłogą pojazdu tramwajowego „CitySprinter” produkcji
Siemens Transportation Systems wg [3]
4. Pojazdy tramwajowe bez sieci jezdnej
Wysokość użytkowa pudła jest niewątpliwie
obok jej szerokości istotnym parametrem pojazdu.
Ogranicza go na pewno górny zarys odniesienia skrajni kinematycznej oraz budowli. Elementem, który
ogranicza od góry zastosowanie większej wysokości
pojazdu jest niewątpliwie układ odbierak prądu-sieć
jezdna. W związku z powyższym kontynuowane są
prace nad pojazdami tramwajowymi nowej generacji
bez sieci jezdnej ( niem.„ Strassenbahnen ohne Oberleitung” lub „fahrdrahtlose Strassenbahnen”) [7]. Krajami najbardziej zaawansowanymi w pracach nad nowymi rozwiązaniami są Francja i Niemcy. Francuski
system typu APS ( franc. „alimentation ?lectrique par
le sol”) polega na zasilaniu pojazdu systemu tramwajowego przez przewód umieszczony u dołu. Został on
opracowany przez firmę Alstom oraz zamówiony dla
pojazdów eksploatowanych w Bordeaux, Angers, Orleans i Reims. System APS okazał się bardzo awaryjny z uwagi na wrażliwość przewodu zasilającego na
57
czynniki klimatyczne jak np. śnieg, lód i silne deszcze
oraz oddziaływań zanieczyszczeń. Koszty inwestycyjne związane z systemem APS są czterokrotnie większe
niż dla klasycznego przewodu jezdnego, natomiast
koszty utrzymania prawie 50 razy większe. Niemiecki
system stosuje zespół zasilający o budowie modułowej
jako kontenera z umieszczonymi kondensatorami wysokiej mocy (niem. „Hochleistungskondensatoren”)
zamontowany na dachu pojazdu tramwajowego (ang.„
Supercap with MITRAC Energy Saver”). Zespół ten
został zaprojektowany i wyprodukowany przez Bombardier Transportation, natomiast tramwaje z takim
rozwiązaniem technicznym określa się jako pojazdy
typu „Supercap” ( niem. „Supercapfahrzeugen”). Ich
rezultatem może być nie tylko oszczędność energii
trakcyjnej o ok. 30% przy bezawaryjnej eksploatacji,
ale również zwiększenie miejsca w górnych partiach
pojazdu, co potwierdziły pierwsze czteroletnie próby
przeprowadzone przez przewoźnika Rhein-NeckarVerkehr GmbH (RNV) w Mannheim od lata 2003
roku. Jak wynika z pierwszych przeprowadzonych
prób w Heidelbergu ( posiada 8 pojazdów tego typu)
oraz w Monachium ( posiada jeden pojazd tego typu) z
pojazdami prototypowymi całkowita rezygnacja z
sieci jezdnej z punktu widzenia obecnego stanu techniki nie jest jeszcze możliwa, biorąc pod uwagę chociażby względy kosztowe lub niezawodnościowe. Na
razie za tym rozwiązaniem przemawiają względy
oszczędności energii. Zużycie energii w nowoczesnym
pojeździe tramwajowym jest 5-cio krotnie większe
aniżeli dla tramwajów z lat 50-tych, zakładając tę samą wydajność przewozową we wskaźniku będącym
iloczynem ilości pasażerów i kilometrów. Przewód
jezdny przy dzisiejszych rozwiązaniach technicznych
może posiadać mniejszy przekrój, ale przede wszystkim odciążone są podstacje zasilające. Zapotrzebowanie na prąd szczytowy spada o 50%. Inwestycje na
obecnym poziomie polegające na dodatkowym wyposażeniu pojazdu w Heidelbergu wynoszą 270 000
EUR na pojazd tramwajowy i gwarantują zwrot kosztów z tytułu mniejszego zapotrzebowania na energię
po 15 latach z tytułu oszczędności energii w wysokości 295 000 EUR. W przypadku zastosowania hamowania odzyskowego, czyli magazynowania energii
hamowania
przez zasobniki
(niem.„Bremsenergiespeichern”) zwrotu kosztów inwestycyjnych z
tytułu mniejszych oszczędności energetycznych można oczekiwać po 10 latach.
5. Zakończenie
Na podstawie przedstawionych przykładów tendencji rozwojowych pojazdów tramwajowych można
wyciągnąć wniosek, że sprowadzają się one do:
budowy lekkich konstrukcji poprzez określenie maksymalnej masy
zastosowanie nowych materiałów konstrukcyjnych [2 i 16]
58
modułowej budowy pojazdu [3,4,5,14 i 15]
bardzo dobrej ochrony przeciwkorozyjnej
zastosowania nowych koncepcji wykonawczych
100% udziału niskiej podłogi
optymalnego
wykorzystania
przestrzeni,
zwłaszcza z uwzględnieniem szerokości pojazdów, wynoszących 2,3 m do 2,65 m
prostych napraw uszkodzeń powypadkowych,
możliwie bez zastosowania specjalnych technologii wykonawczych jak np. spawanie [15].
Poszukiwanie optymalnego zarysu pojazdu tramwajowego w aspekcie zarysu skrajni kinematycznej oraz
skrajni budowli jest powiązane z zapewnieniem jak
najwyższego komfortu jazdy pasażerom przez który
rozumie się bardzo dobre warunki przy wsiadaniu i
wysiadaniu z pojazdu, dużą ilość miejsc siedzących,
dużą szerokość korytarzy przejściowych pomiędzy
miejscami siedzącymi, maksymalną ilość poręczy i
uchwytów, możliwość korzystania z pojazdu tramwajowego przez osoby niepełnosprawne, osoby z bagażem oraz z wózkami dziecięcymi. Do tego dochodzi
konieczność zapewnienia najwyższego bezpieczeństwa dla podróżnych, czego przykładem może być
możliwość obserwacji przez motorniczego pasażerów
i pojazdu przez system kamer video, umieszczonych
na zewnątrz pojazdu. Nowoczesne pojazdy tramwajowe posiadają obniżoną podłogę, co w konsekwencji
prowadzi do bardzo ograniczonej przestrzeni dla układu biegowego oraz prowadzi do konieczności lokalizacji urządzeń pomocniczych na dachu. Poszukiwanie
optymalnej przestrzeni dla pojazdu tramwajowego
służy spełnieniu poważnego wyzwania rynkowego,
jakim jest wyprodukowanie nowoczesnego środka
komunikacji miejskiej, konkurującego skutecznie z
innymi środkami transportu miejskiego, jakimi są
samochody osobowe, autobusy, trolejbusy i pojazdy
kolejowe metra. Należy zwrócić uwagę, że poszukiwania większego dopuszczalnego zarysu pojazdu,
pośrednio tylko zmniejsza kłopoty wykonawcze producentom armatury elektrycznej oraz mechanicznej.
Producent wyrobu finalnego, który sam znajduje się
wobec „presji wymagań rynkowych” coraz bardziej
wywiera nacisk na wykonanie aparatury o coraz
mniejszych wymiarach gabarytowych oraz o mniejszej
masie. Istotnym ograniczeniem poszukiwania konstrukcji „ultralekkich” jest częstotliwość własna drgań
giętnych pudła w stanie surowym oraz wraz z wyposażeniem, która nie powinna być mniejsza niż odpowiednio 7,5 Hz oraz 9÷10 Hz zgodnie z [5].
Literatura
[1] Altenburg K. Quo-vadis Waggonbau?- Einige aktuelle Konzepte und Richtungen der Bauweisenentwicklung im Waggonbau. ZEV+DET Glasers
Annalen Nr. 123, 11/12, 1999.
[2] Dillig G.: Aluminium–ein etablierter Werkstoff im
Schienenfahrzeugbau. Stadtverkehr Nr. 5/2000.
[3] Hondius H.: Der CitySprinter-Nachfolger des
Stadtbahn–B-Wagens. Stadtverkehr 9/1999.
[4] Hondius H.: Entwicklung der Niederflur-Strassenbahn -und Stadtbahnen. Stadtverkehr 1-2
/2008.
[5] Müller A.: Niederflur-Stadtbahnwagen. Eine neue
Fahrzeuggeneration. Vorträge der ETG Fachtagung vom 13 bis 14 März 1990 Kassel. ETGFachbericht Nr.31.
[6] Neudorfer H.: Flüssigkeitsgekühlte DrehstromTraktionsmotoren. ZEV+DET. Glasers Annalen
Nr124, 5/2001.
[7] Neumann T.: Strassenbahnen ohne Oberleitung.
Stadtverkehr 3/2008.
[8] Sobaś M.: Skrajnia kinematyczna i budowli pojazdów tramwajowych. Pojazdy Szynowe nr 3/2007.
[9] Sobaś M.: Analiza przemieszczeń geometrycznych i
kinematycznych krajowych pojazdów tramwajowych na torze prostym oraz na łuku o minimalnym promieniu. Pojazdy Szynowe nr 4/2007.
[10] Sobaś M.: Luzy bezpieczeństwa pomiędzy skrajnią kinematyczną i skrajnią budowli dla pojazdów
tramwajowych (1). Pojazdy Szynowe nr 1/2008.
[11] Sobaś M: Luzy bezpieczeństwa pomiędzy skrajnią
kinematyczną i skrajnią budowli dla pojazdów
tramwajowych (2). Pojazdy Szynowe nr 1/2008.
[12] Sobaś M.: Możliwości kształtowania optymalnego
zarysu pojazdu tramwajowego. Pojazdy Szynowe
nr 2/2008.
[13] Sobaś M.: Możliwości kształtowania optymalnego
zarysu pojazdu tramwajowego w świetle aktualnie
obowiązujących przepisów bezpieczeństwa jazdy,
komfortu pasażerów i ergonomii pracy motorniczego. Pojazdy Szynowe nr 2/2008.
[14] Wimmer D.: Energieeinsparung durch neue
Bordnetzumrichter. Elektrische Bahnen Nr. 104,
2006 Heft 7.
[15] Zehnder J.: Neuartige Struktur in AluminiumHybridenweise für Nahverkehrsfahrzeuge. ZEV+
DET Glasers Annalen Nr.121, 2/3 1999.
[16] Żmuda-Sroka M.M.: Materiały lekkie do budowy
pojazdów szynowych. Technika Transportu Szynowego. 5/1999.
[17] Siemens Transportation Systems: Siemens liefert
21 Combino Strassenbahnen nach Bern. ZEVrail
Glasers Annalen Nr.132, 3/2008.
59

Pobierz ten numer w pdf

Transkrypt

Podobne dokumenty