BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM KÖZLEKEDÉSMÉRNÖKI KAR VASÚTI JÁRMŰVEK TANSZÉK JÁRMŰRENDSZEREK. I. rész: Vasúti járműrendszerek

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM KÖZLEKEDÉSMÉRNÖKI KAR VASÚTI JÁRMŰVEK TANSZÉK JÁRMŰRENDSZEREK I. rész: Vasúti járműrendszerek Dr. Zobory István egyetemi tanár BUDAPEST 2008

2 Az anyag számítógépi szerkesztését és az ábrákat készítette: Iványi Zoltán tanársegéd Az ábrák készítésében közreműködött: Császár László tanársegéd Kézirat gyanánt

3 0. Bevezetés A Járműrendszerek c. tantárgy nagymértékben alapoz az Általános járműgéptan c. tárgyra, és az alábbi három fő témakört tárgyalja:.) Vasúti járműrendszerek 2.) Közúti járműrendszerek 3.) Légi ill. vízi járműrendszerek A közlekedésről általánosságban az alábbiakat emeljük ki: közlekedés tömegáthelyezés: rendszeresen ismétlődő folyamat tömegáthelyezés tömegáram: [ m& ] = kg sec vagy tömegáthelyezés konkrét megvalósulása lehet: - folytonos (pl. csővezetékes) tömegáram - szaggatott (pl. járművek alkalmazása esetén) tömegáram t h Mi a jármű? - Lényegi funkciója: adott szállítandó tömeget (utasokat, árukat) befoglaló tartály. - A jármű:.) Szerkezeti részekkel elhatárolt térrész: a tartály 2.) A tartály térbeli helyzetét függőlegesen ható erőkkel biztosítani kell, megadva a vízszintes mozgás lehetőségét a fellépő súrlódási és gördülési ellenállás, valamint a közegellenállás legyőzésére. 3.) Vonóerő bevezetés vezérelhetően 4.) Fékezőerő bevezetés vezérelhetően - A járműnek a Föld gravitációs erőterében két adott felszíni pont között kialakuló mozgáspályán kell mozognia Mozgáspálya - szárazföldi: épített pálya: vasút D közút ~2D terepen ~3D -vízi: folyami ~2D tengeri ~2D - légi: 3D 2

4 A mozgáspálya: térgörbe: Például: a jármű tömegközéppont pályája (Közelítő leírás, a jármű többi pontjainak mozgáspályája is hasonló, közel egyenközű térgörbékkel ábrázolható a tömegközéppont pályája mellett.) z A.) Szárazföldi járművek y.) Járműfelépítmény (a tartály) 2.) Futómű, hordmű (kerekek, rugózás, csillapítás) B A 3.) Vonóerő-generálás: önjáró (magával viszi az erőművet ) nem önjáró (hálózathoz kötött) x 4.) Fékezőerő - A fékrendszer alapvetően fontos: ha a jármű nem indul el, az kellemetlen, de ha nem lehet megállítani, az BALESET! - Generálása: regeneratív (a mozgási energia egy részét eltároljuk, és hasznosítjuk) disszipatív: súrlódásos: a.) tuskós b.) tárcsás c.) dobfék hidrodinamikus (hűtőből elvezetve a veszteséghőt) villamos ellenállásos (a fékellenállásokat légárammal hűtve vezetjük el a veszteséghőt) - A súrlódásos fékek: a.) Tuskós fék felépítése ω F s féktuskóerő: F t F t R F s F t : fékezőerő (kerék-sín kapcsolati erő: kikényszeríti a 2RF s fékezőnyomaték) féktuskó féksaru 3

5 b.) Tárcsás fék felépítése F s F s súrlódóerők ω kaliper kerékpártengely F F féktárcsa fékbetét ezeket az erőket a két kar közé szerelt fékhenger-dugattyú fejti ki c.) Dobfék felépítése kilincs (vagy fékkulcs) F s F -F ω fékdob F s súrlódó betétek B.) Vízi járművek.) Hajótest 2.) Bemerülő hajótest-rész 3.) Tolóerő-generálás (pl. hajócsavar segítségével) 4.) Fékezőerő-generálás, hátraveretés C.) Légi járművek.) Repülőgép-test / törzs ( sárkány ) 2.) Futómű + a szárnyakon generált felhajtóerő 3.) Tolóerő: - légcsavar - tolósugár 4

6 4.) Fékezőerő: - fékszárny, féklap - tolósugár-fordítás - kerekek fékezése disszipatív módon A járművezérlő rendszer blokkvázlata hajtásvezérlés: fékvezérlés: Példa vonóerőre (ellenállásos indítású, egyenáramú jármű) ill. fékezőerőre: Ezek a jelleggörbe szakaszok kerékperdülést okoznak, mivel a tapadási határ fölé esnek! Vonóerő (Fv) u vonóerő-vezérlőjel növekedése közepes tapadási határ vontatáskor v max Sebesség (v) Fékezőerő (Ff) Megj: menetellenállás (szaggatott) közepes tapadási határ fékezéskor u 2 fékezőerő-vezérlőjel növekedése Egy vontatójárműnek akár 20 sebességfokozata is lehet, ebből a diagramban csak hét fokozathoz tartozó vonóerő jelleggörbét ábrázoltunk. Belátható, hogy a tapadási határ fölé eső jelleggörbe szakasz(oka)t (az ábrában pl. a legfelső fokozatnál) vontatásra nem lehet üzemszerűen használni, mivel ott már kerékperdülés jön létre. Továbbá ha a jármű valamely hajtásvezérléshez tartozó vonóerő jelleggörbéje a vizsgált sebességnél a menetellenállás görbe alá kerül, lassulni fog, mivel a menetellenállás nagyobb lesz, mint a kifejtett vonóerő. Ebből látható, hogy a végsebesség csak bizonyos hajtásvezérlési fokozatot meghaladó vezérlések mellett érhető el. (Példánkban ez legalább a diagramban szereplő legmagasabb fokozat.) Menetellenállás-erő (F e ) F e 2 = av + bv + c v> 0 Sebesség (v) v max 5

7 Mozgásciklus, menetábrák (foronómiai görbék) vonóerő-vezérlés τ τ 2 fékvezérlés s 2 s s2 s 0 = 0 τ τ 2. mozgásciklus: a τ időpontig befutott út s = v( t) dt 2. mozgásciklus: a [τ,τ 2 ] idő alatt befutott út s 2 = v( t) dt τ 0 τ τ 2 6

8 A jármű rendszertechnikai modellje (sík, egyenes pályára!) A lényeg kiemelésével: 3 bemeneti és kimeneti jellemző C: a külső vezérlések vektora (pl. forgalmi lámpák, jelzők, stb.) τ: a vezető által szándékolt elérési idő (menetrend) és a tényleges mozgással töltött idő különbsége r: véletlen forgalmi zavaró tényezők s: a jármű által befutott út I. Vasúti járműrendszerek Vasúti pálya-jármű rendszer - két elválaszthatatlan műszaki alrendszer együttműködése valósul meg Jármű-alrendszer Alrendszerhatár: sínfelület Pálya-alrendszer - kötött pályás közlekedési rendszer: döntő a kerék-sín kapcsolat, az alrendszerhatáron megvalósuló erőátadási folyamat 7

9 - vasúti pálya-jármű rendszer egy lehetséges függőleges síkbeli, egyszerűsített dinamikai modellje: járműfelépítmény: a tartály (tömeg) fékerő bekötő karok kétlépcsős rugózás szekunder rugózás primer rugózás kerékpár (tömeg) forgóvázkeret (tömeg) csapágytok (tömeg) rugalmas alátámasztás alapsík sínalátétek rugalmassága csapágytok-vezető kar (lengőkar) keresztaljak (tömegek) sín (rugalmas gerenda) ballaszt (zúzottkő ágyazat) rugalmassága Megj: a rugalmas elemeknek természetesen csillapításuk is van! t A pálya alrendszer - nyomtávolság: t = 435 mm (normálnyomtáv) 060; 000; 760 (750); 600 mm (keskeny nyomtáv) 600; ; 520 mm (széles nyomtáv) - vágánymérő (nyomtáv- és túlemelésmérő) berendezés felépítése: nyomtávolságmérő rész kézifogantyú libellás túlemelésmérő (ívben fekvő pályán kell használni) 4 4 libella (vízszintmérő) Megj: A jármű pályaívben haladásakor ébredő centrifugális gyorsulás hatásának csökkentése végett az ívben fekvő vágányokat ún. túlemeléssel építik, azaz a külső sínszál a túlemelés mértékével magasabban fekszik, mint a belső. Pontos méréséhez a libellát vízszintesre állítják, közben a két sínszálon fekvő berendezés ettől a vízszintestől eltér, ez az eltérés (azaz a magasságbeli különbség, vagyis a túlemelés mértéke) pedig a skáláról leolvasható. A nyomtávolság mérését a vágánytengelyre merőlegesen, a sínfejeken átfektetett érintő egyenes alatt 4 mm-rel elhelyezkedő tapintócsúcsokkal végzik. 8

10 A vasúti felépítmény Elemei: - sínek - sínleerősítések - keresztaljak - zúzottkő-ágyazat Felépítése: sínleerősítés (GEO rendszerű) vágánytengely zúzottkő ágyazat pályaszint sín keresztalj Alépítmény Felépítmény földmunka Megj: A földmunkaszint a pályatengelytől a pálya szélei felé %-kal lejt a víz elvezetése végett! GEO rendszerű sínleerősítés: leszorító anya rugós alátét íves kalapácsfejű csavar leszorító anya távtartó ( sámli ) sín síncsavar távtartó ( sámli ) GEO alátétlemez íves kalapácsfejű csavar (az alátétlemez hornyába illesztve) 9

11 GEO rendszerű sínleerősítés elemei, összeállítása: Alátétlemez Íves kalapácsfejű leszorító csavar és anya Távtartó ( sámli ) Síncsavar Leszorító csavarok fejeinek beillesztése az alátétlemez hornyaiba A sín ráhelyezése után a távtartók ráhúzása a leszorító csavarokra Az alátétlemezeket a síncsavarok rögzítik a keresztaljhoz (alátétlemezenként kettő vagy négy darab, keresztaljtól és a pálya igénybevételétől függően) A sín és a GEO alátétlemez között rugalmas sínbetét (keményfa vagy gumi) 0

12 Rugalmas csavarbiztosító alátétek ráhelyezése a távtartókra az anya meghúzás utáni meglazulásának megakadályozására, továbbá a sínleerősítés rugalmasabbá tétele végett rugalmas sínbetét Végül a sín rögzítése az anyákkal Megj: Az alátétlemezek feladata eredetileg fa keresztaljaknál a sínnyomás nagyobb felületre való elosztása volt, de sok vasút megtartotta ezt a megoldást később is, mikor a faaljakat betonaljakra cserélték. Az alépítmény.) Töltés: pályatengely zúzottkő ágyazat pályaszint A α töltés terepszint A TEREPFELÜLET - A: lábpontok felülnézetben a terepfelület és a rézsűsík metszésvonala (a rajz síkjára merőlegesen): lábvonal - rézsűhajlás: 2.) Bevágás: TEREPFELÜLET ctg α = δ = B 6 4 pályatengely vízelvezető árkok pályaszint - B: körömpontok felülnézetben a terepfelület és a rézsűsík metszésvonala (a rajz síkjára merőlegesen): körömvonal - rézsűhajlás: ctg α = δ = 6 4 α B

13 Városi vasúti felépítmény a.) Régi: betéttégla (idomkő) nyomtáv: t kockakő útburkolat kiöntés alaptalaj nyomtávtartó rúd homokos kavics alávert zúzottkő ágyazat b.) Betontálcás felépítmény csatlakozó kockakő-burkolat csatlakozó aszfaltburkolat szorítógumi (gumizsinór) vasbeton tálca 4 mm-es bebetonozott acél profillemez vályús tömbsín gumialátét 2

14 Jármű alrendszer Felépítése:.) Futómű (a kerékpár) 2.) Tengelyhajtómű (a hajtott kerékpárokat meghajtó szerkezet) 3.) Fékberendezés mechanikus része (a kerékpáron fékezőnyomaték előállítására) 4.) Hordmű (A kerékpár és a kocsiszekrény közötti szerkezet, rugózás, csillapítások, stb., mely a kerékpár és a szekrény között fellépő összes függőleges ill. vízszintes erőhatást felveszi. Ennek első eleme a tengelyágy, azaz a csapágyazás, utolsó pedig a hordmű-szekrény kapcsolat.) 5.) Alváz és a kocsiszekrény 6.) Vonó- és ütközőkészülék 7.) Gépi berendezés, belső berendezés A kerékpár - a kerekek a tengely agyülésére szilárd illesztésű (sajtolt) kötéssel kapcsolódnak - a kerekek a tengellyel együtt forognak tárcsás kerék kerékabroncs küllős kerék keréktárcsa csaprózsa portárcsa-ülés tengelycsap kerékagy-ülés kerékagy tengely tengelycsap névleges kerékátmérő nyomkarima-távolság: 425 mm elméleti futókör-távolság: 500 mm Megj: Küllős és tárcsás kerék egy tengelyen a valóságban nem fordul elő, az ábrában csakis a szemléltetés végett szerepel így! Újabban szinte kizárólagos a tárcsás kerekek alkalmazása. behengerelt rögzítőgyűrű játék (kb. 5 mm) nyomkarima 3

15 - profilos futófelület: Kerékprofil alakja: alapesetben kúpos felület DB II és MÁV M profilok: a nyomkarima közeli részen kúptól eltérő felület (progresszív visszatérítő erő) nyomkarima - a kerékpár, mint torziós lengőrendszer: s t s t M ; [ s ] = ϕ = t Nm rad (torziós rugómerevség) Θ ϕ Θ 2 tehetetlenségi nyomatékok ϕ 2 kitérések (szögelfordulások) - mozgásegyenletek:. Θ && ϕ = s ( ϕ ϕ ) t 2 2. Θ && ϕ = s ( ϕ ϕ ) 2 2 t 2 4

16 explicitté tesszük. 2. st && ϕ = Θ st && ϕ 2 = Θ 2 ( ϕ ϕ ) ( ϕ ϕ ) 2 2 && ϕ 23 & ϕ st 2 = Θ & ϕ t ( ϕ ϕ ) ( ϕ ϕ ) ϕ s Θ ϕ 2 && ϕ = st ϕ + = s Θ+Θ t ϕ, rendezve: Θ Θ2 ΘΘ 2 2 && t ΘΘ 2 ϕ + s Θ+Θ ϕ = 0 harmonikus rezgőmozgás Θ + Θ Θ Θ 2 a sajátrezgés körfrekvenciája: α = s ; [ α ] t 2 = rad s A csapágyazás - lehet sikló- vagy gördülőcsapágyazás - a csapágyat a csapágytok foglalja magába - F, F 2 : csapterhelések (a járműszekrény és hordmű egy-egy tengelycsapra jutó súlyereje alapján) F F 2 kerekek tengely csapágy csapágy.) Siklócsapágyas ágytok Metszete: fedél nyomólap F Siklócsapágyazás felépítése vázlatosan: (a tengelycsap felől nézve) csapágyház F csapágycsésze csapágycsésze portárcsa-ülés csaprózsa tengelycsap fehérfém bélés portárcsa (tömítőgyűrű) kenőpárna kenőolaj 5

17 2.) Gördülőcsapágyas ágytok Felépítése: Vázlatosan: külső gyűrű görgő csapágyház belső gyűrű csapágyház külső gyűrű fedél tengelycsap tömítőgyűrű-ülés tömítőgyűrű görgő belső gyűrű csapágyvezeték (ld. hordmű) Megj: A görgőscsapágyazásnak a siklóágyazással szemben zsírkenése van! Egyszerű hordmű, rugózás.) Felépítés rugótörés-tám szegecskötés hordrugó-köteg bilincs alváz z rugótám felfüggesztő láncszem lemezes hordrugó-köteg csapágytok (benne a csapágyazással) kötvas (heveder) csapágyvezeték 6

18 2.) Rugódiagram F Megj: A lemezes rugóköteg száraz súrlódásos lengéscsillapítást biztosít Rugómerevség: s = tgα ; [s] = N/m F 0 dz/dt >0 rugalmas erő egy teljes ciklus során elvont munka: W (csillapítást jelent) dz/dt < 0 α z 0 z 0 z z 0 + z z z 0 : statikus besüllyedés F 0 : statikus rugóterhelés z 0 + z : legnagyobb rugódeformáció z 0 z : legkisebb rugódeformáció 3.) A rugókötés, mint inga alváz rugótám α x rugóköteg felfüggesztő láncszem Az inga kitérése: x F Megj: A G erő az egy rugóra jutó kocsiszekrény-rész súlya. Az F erő az inga visszatérítő ereje. F = G tgα G 4.) A jármű, mint lengőrendszer: több rugóval alátámasztott tömeg Helyettesítő egytömegű rendszer: m z s s m s s e s s e = s + s + s + s = 4s s e = 4s 7

19 - a hordmű a kocsiszekrénynek ( a tömegnek ) rugózott alátámasztást biztosít - kéttengelyes jármű egyszerű hordművel: 4 db párhuzamosan kapcsolt hordrugó - tömeg + rugózott alátámasztás = lengésképes rendszer (függőleges LENGŐRENDSZER - rázás) sajátkörfrekvencia: α = [ α] α ; 2π s e m ; = rad s sajátfrekvencia: f = [ f ] = = Hz 5.) A vasúti jármű parazita mozgásai s z ψ ϕ x κ y - transzlatorikus: x rángatás y szitálás z rázás - rotatorikus: ϕ támolygás κ bólintás ψ kígyózás Forgóváz.) A forgóváz funkciója Kis tengelytávú, kéttengelyes futómű lévén, jól beáll kisebb sugarú pályán is hosszú járműveknél feltétlenül szükséges az ún. ékelt futás megakadályozására. 8

20 Forgóváz ívbeállása: α 2 α L α α 2 0 Példa forgóvázas járműre: cementszállító tartálykocsi L = Megj: L forgócsaptáv, személykocsiknál és hosszabb teherkocsiknál 6-8 m is lehet 2.) A forgóváz felépítése Egy jellegzetes személykocsi forgóváz szerkezet: gumirugók (rezgésgátló) himbagereneda primer rugózás forgóvázkeret alváz primer csillapítás csapágytok lengőkar lengőkar forgócsap szekunder rugózás szekunder csillapítás 9

21 Néhány forgóváztípus: Kaláka III típusú forgóváz A MÁV Dunakeszi Járműjavítóban fejlesztették ki az 960-as években, kisebb átalakításokkal személykocsik alatt ma is használják. A csapágyrugók lengéscsillapítását a csapágyvezetés súrlódása biztosítja, a himbarugózás függőleges lengéscsillapításáról pedig a forgóvázkeret és a himbagerenda közé kétoldalt elhelyezett hidraulikus lengéscsillapítók gondoskodnak. 20 km/h sebességig használható, futásjósága efölött már nem megfelelő. 00 km/h-ig egyszeres, 20 km/h-ig pedig kettős féktuskós rendszert használnak (ez utóbbi esetben egy kereket összesen négy féktuskó fékez). CAF GC-5 típusú forgóváz A CAF spanyol vasúti járműgyár fejlesztette ki a MÁV részére szállított személykocsikhoz. Engedélyezett sebessége 200 km/h, a fékezésről kerékpáronként három féktárcsa és forgóváz-oldalanként egy-egy mágneses sínfék gondoskodik. Lemezkeretes (ORE) teherkocsi forgóváz: A hossztartókat középen a kereszttartó, a végeken pedig egy-egy U keresztmetszetű tartó köti össze merev keretté. A forgóváz egylépcsős rugózású (nincs szekunderrugózás), maximális tengelyterhelése 200 kn (azaz 20 t). A kocsiszekrény a kereszttartóra szerelt ún. gömbfészkes forgótányéron fekszik fel. A forgóvázak jelenleg nagy számban üzemben vannak. 20

22 Y 25 típusú teherkocsi forgóváz: Franciaországban az 950-es évek végén kezdték fejleszteni. 20 km/h sebességig használható, így kettős féktuskókkal és automatikus raksúlyváltóval is felszerelték. (A raksúlyváltó feladata a kocsi rakott vagy üres állapotától függően a fékerő beállítása. Rakott kocsinál nagyobb erővel kell a féktuskókat a kerekekre szorítani a megfelelő féklassulás eléréséhez, míg üres kocsi esetén a túl nagy féktuskó-erő a kerék megcsúszását okozhatja.) A hossztartókat középen a kereszttartó, a végeken pedig egy-egy U keresztmetszetű tartó köti össze merev keretté. Szekunder rugózása nincs, a lengéscsillapítást a csapágyvezetékek súrlódása biztosítja. A kocsiszekrény forgótányéron a kereszttartóra fekszik fel. Jelenleg is üzemelnek. Villamos mozdony forgóváza: szekunder rugózás primer (csapágy-) rugózás primer csillapítás forgóvázkeret villamos vontatómotorok féktárcsák tengelyhajtómű vonóerő-bekötő rúd Z-elrendezésű mechanizmussal forgóváz kereszttartó 2

23 Megj: A hajtott kerékpárokat tartalmazó forgóvázak gyakori problémája a rendelkezésre álló hely csekély volta. Az előző képen bemutatott villamos mozdony forgóváza esetében például a féktárcsák már nem fértek el a kerékpártengelyeken, ezért ezek egy-egy külön tengelyen kaptak helyet a forgóváz két végén. Ezek a féktengelyek természetesen egy hajtóművön keresztül kapcsolatban állnak a kerékpártengellyel. A vonórudak (sárgával jelölve) a vonóerő átvitelét szolgálják: a kerekekről a forgóvázkeretre, majd onnan a mozdony alvázára, amelyhez az ütköző- és vonókészülék is kapcsolódik. BKV-HÉV MX/A motorkocsi forgóváza: egyenfeszültségű vontatómotorok tengelyhajtómű (egyfokozatú homlokfogaskerékpár) himbagerenda forgóvázkeret csapágyház kerék marokcsapágyak féktárcsa 3.) Sajátkörfrekvencia meghatározása rázásra - Kulcsfeladat: az eredő rugómerevség meghatározása szekunder rugó merevsége: s sz ALVÁZ s sz s sz s p s sz s sz s p s p s p primer rugó merevsége: s p 22

24 - primer rugózás eredő rugómerevsége egy forgóvázra (a primer rugók párhuzamosan kapcsolódnak): s = 4s pe p - szekunder rugózás eredő rugómerevsége egy forgóvázra (a szekunder rugók is párhuzamosan kapcsolódnak): s = 4s sze sz - az első és hátsó forgóváz eredő rugómerevsége s és s 2 megegyezik: s = s 2 - a primer és szekunder rugók eredője sorosan kapcsolódik egymáshoz: s = s 2 = s pe + s sze = 4s p + 4s sz - a kétforgóvázas jármű eredő függőleges rugómerevsége a két forgóváz eredő rugómerevségének összege, mivel ez utóbbiak párhuzamosan dolgoznak: s e = s + s 2 = 4s p 2 + 4s sz = 8* s p + s sz + s m 2 - rázási sajátkörfrekvencia: α = = ; [ α ] s e m s = rad s (ahol m a lengő tömeg) A kerék-sín rendszer (döntő fontosságú).) Geometriai viszonyok - A kerék futófelülete profilos, kúpos: a középhelyzetből keresztirányban kitérített kerékpár esetén r < r 2 v < v 2 (a kerekek kerületi sebessége r < r 2 miatt különbözik, mivel a két kerék szögsebessége a merev tengelyből adódóan egyforma) - A kerékpár önvezérlő mozgása: r 2 > r szinusz-szerű futás egyenes pályán. 2. a kerékpártengely-középpont gördülési r r 2 pályája szinuszhullám minél nagyobb a kúposság, annál h: teljes nyomjáték a bal oldalon van kisebb a kialakuló hullámhossz 2. r 2 > r r 2 = r r 2 < r r 2 = r r 2 > r. v 2 > v v 2 = v v 2 < v v 2 = v v 2 > v 23

25 - Ívben haladás: mire is jó még a kúpos keréktalp? közel csúszásmentes gördülés alakulhat ki, ha R p elég nagy! külső sínszál pálya tengelyvonal belső sínszál R R p R 2 befordulási szögsebesség: Ω v v 2 r r 2 NYOMTÁV: R 2 R = t A centrifugális erő az ívsugár irányában kifelé hat, a külső kerék nyomkarima-érintkezéssel halad: h r 2 > r v 2 > v a csúszásmentes gördülés határhelyzete: Megj: r, r 2 a h nyomjáték és a kerékprofil által meghatározott legkisebb ill. legnagyobb lehetséges gördülési sugár r = r 2 r ismert, t ismert ismert a jellemző β szög is r A hasonló háromszögek alapján: r 2 t r r r tgβ = = t R ebből pedig: Ha R > R * csúszásmentes gördülés melletti radiális beállás lehetséges! β R R = t r r 2.) Dinamikai (erőtani) viszonyok - Fékezett kerékpár: - Hajtott kerékpár: v ω R R v ω F f (fékerő) F n - támaszerő (tengelyterhelés) M f (fékezőnyomaték) F n - támaszerő (tengelyterhelés) M h (hajtónyomaték) F v (vonóerő) 24

26 - Erőkapcsolati tényező F definíció: µ = * F n def Rω v bevezetjük a hosszirányú kúszás fogalmát: ν = ** v * + ** µ = µν ( ) v 0 erőkapcsolati tényező (µ) valószínűség eloszlás: az erőkapcsolati tényező sávszerűségét jellemzi Rω v < 0 ν < 0 fékezőerő átvitel blokkolás 0 kerékperdülés kúszás (ν) Rω v > 0 ν > 0 vonóerő átvitel makrocsúszás mikrocsúszás makrocsúszás fontos alaptétel: Zéró kúszás, zéró tangenciális erő! ν > a keréktalpon átvitt erő vonóerő F = F * µ ( ν ) v fékezőerő F F * µ ( ν ) f n n ν < 0 > 0 = 4243 < 0 Fékrendszerek - Fékrendszerek:.) Súrlódásos fékek (disszipatív) tuskós fék (dobfék) tárcsafék sínfék 2.) Egyéb disszipatív fékek (villamos ellenálláson vagy hidraulika rendszer hűtőjében történő disszipáció) 25

27 A tuskós fék felépítése 3.) Regeneratív fékek (a jármű kinetikus energiáját nem emésszük fel, hanem eltároljuk, vagy azonnal felhasználjuk) alváz függesztőrúd függvas F s c F f függőleges emeltyű d F t R F t (féktuskóerő) F s kerületi fékezőerő a kerék-sín kapcsolatban: F K ω féksaru féktuskó - Néhány lehetséges féktuskó-saru kialakítás: Egybetétes (Bg) Kétbetétes, merev sarus (Bgu) Kétbetétes, csuklós sarus (BDg) - Féktuskó-kerékabroncs súrlódási tényező kompozit (műanyag) tuskó esetén µ 0 p (féktuskónyomás) növekszik csúszási sebesség: V [km/h] 26

28 öntöttvas tuskó esetén µ 0 p (féktuskónyomás) növekszik csúszási sebesség: V [km/h] Kéttengelyes jármű fékrudazata függőleges emeltyűk F t c d F a F t F a F f b F h a vízszintes emeltyűk fékhenger F h F f F t kézifék F a F t fékháromszög raksúlyváltó állító karja (csak teherkocsiknál) F t fékháromszög - Fékháromszög: egy erőleosztó gerenda, mely összekapcsolja a két oldali féksarukat össztuskóerő ΣFt - Erőmódosítás: k = = a fékhengerben kifejtett erő F - Egyszerű nyomatéki összefüggésekkel: a Fb f = Fa h Ff = Fh a függőleges emeltyű felső végén bevitt erő b c c a Fc = f Fd a F = a Ff Fh d = d b a fékháromszög közepén bevitt erő A kéttámaszú tartóként működő fékháromszög sajátosságaiból adódó összefüggés: ca Fa = 2 Ft Ft = Fa = Fh az egy féktuskón bevitt erő 2 2 db h 27

29 ca ca 8 tuskó Σ F = 8* F = 4* F 2 db db végül az eredő erőmódosítás: - A fékhenger: t h h rugó a dugattyú visszatolásához ca 4* F ΣF h t k = = db k = 4* ca F F db h h dugattyú levegő be F h F h = Ap h p h - fékhengernyomás dugattyúrúd a fékdugattyún kifejtett hasznos erő: F r - rugóerő F A r Fh = ph A A a dugattyú felülete F d = cf c a tuskós fék által kifejtett fékezőnyomaték: M f = 2RFs = 2R~ µ Ft = 2R~ µ F f d Megj: a fenti összefüggés jelöléseinek magyarázatát ld. a 26. oldalon, a tuskós fék felépítését bemutató ábrában! Továbbá: µ ~ a kerék és féktuskó közötti ún. virtuális súrlódási tényező. A jelzett név abból a- dódik, hogy az összefüggés az F s eredő súrlódó erőt az R sugárra helyezve veszi figyelembe. A tényleges eredő súrlódó erő egy R + δ ; δ > 0 karon hat. Dinamikai modell (síkmodell) v t f m F l F l -K 2 -K M fk2 m K2 Θ 2 M fk m K Θ M fk2 K 2 M fk K F 2 F F 2 F - A két belső kényszererő a vízszintes csapágyerők: K, K 2 ; összekapcsolják a járműtest és a kerékpárok haladó - A környezet felől átadódó erők mozgását a kerék-sín kapcsolati erők: F, F 2 a légellenállás-erő: F l 28

30 - A mozgásegyenletek Megj.: A modellben szereplő 3 tömeg 5 mozgásfajtát végez, ezért 5 mozgásegyenlet írható fel: három egyenlet haladó mozgásra és kettő forgómozgásra.. ( ) K + K F = ma haladó mozgás 2 l K F = m a haladó mozgás 2. k k 2 K F = m a haladó mozgás M fk Θ F 2 + = a forgó mozgás (a nyomatékegyenletet -rel szoroztuk) r r r M fk 2 Θ2 F2 2 + = a forgó mozgás (a nyomatékegyenletet -rel szoroztuk) r r r M fk M fk 2 Θ Θ 2 összeadva: Fl = m+ mk+ mk2 + + a 2 2 r r 4243 r r Σmred M fk M fk 2 Fl a = r r Θ Θ 2 m+ mk+ mk r r Σmred a = M fk M fk 2 Fl r r ( m+ m + m +Σm ) k k2 red a féklassulás, a<0 A pneumatikus fékrendszer elemei (az ábrán feltüntetett jelölésekkel): kompresszor K főlégtartály FL fékezőszelep (ezt kezeli a járművezető) FSZ főlégvezeték FV a.) légszállító funkció b.) vezérlő funkció kormányszelep (elosztó szelep) KSZ 4 csőcsatlakozás:. fővezetékkel 2. segédlégtartállyal 3. fékhengerrel 4. szabad levegővel segédlégtartály SL fékhenger FH csak a vontatójárművön minden (vontató- és vontatott) járművön 29

31 - Jellegzetes önműködő légfék: indirekt működtetés kormányszelepen át elzáró váltó FSZ szabadba FL K FV FV elzáró váltó SL KSZ tömlőkapcsolat FH kivezetés a szabadba FH tömlőkapcsolat SL KSZ kivezetés a szabadba tömlőkapcsolat.) töltő-oldó állás a fékezőszelepen dp t > 0 (a fővezeték nyomása növeszik) dt a kormányszelep: összeköti a fővezetéket és a segédlégtartályt, így ez utóbbi feltöltődik összeköti a fékhengert a szabad levegővel, ezáltal üríti azt 2.) fékező állás a fékezőszelepen dp t < 0 (a fővezeték nyomása csökken) dt a kormányszelep: összeköti a fékhengert és a segédlégtartályt, így fékezőerő jelenik meg Hajtásrendszerek - Funkciója: energiabevezetés, a vontatójármű kerekein kifejtett hajtónyomaték munkájának formájában - Nyomatékátvitel a kerékpárra a.) Marokcsapágyas, homlokfogaskerekes tengelyhajtás Megj: marokcsapágyas hajtást villamos vontatómotorok esetén alkalmaznak, legyen szó villamos vontatójárműről (mozdony, motorkocsi) vagy villamos erőátvitelű dízelmozdonyról (felépítését lásd lejjebb!). Villamos erőátvitelű motorkocsi a gépek nagy tömege és terjedelme miatt kevésbé elterjedt. 30

32 i th = < z2 k th z lassító áttétel Mk Pk =, η = M P m m nagyfogaskerék a kerékpártengelyen z 2 fogszám ω ker szögseb. M k nyomaték kerék kisfogaskerék a motortengelyen z fogszám ω mot szögseb. M m nyomaték rugózott nyomatéktám vontatómotor marokcsapágyak fogaskerék-hajtómű (reduktor) TC-motor trakciós (vontató) motor tápkábelek marokcsapágyak nyomatéktám kisfogaskerék z 7 hajtóműház tartókonzolja b.) Egyfokozatú kúpfogaskerekes tengelyhajtás i z th = < z2 lassító áttétel M k k =, η = k * i M th th th th m behajtás kisfogaskerék z fogszám ω mot szögseb. M m nyomaték nagyfogaskerék a kerékpártengelyen z 2 fogszám ω ker szögseb. M k nyomaték 3

33 c.) Kétfokozatú, homlok- és kúpfogaskerékpárt tartalmazó (tornyos) tengelyhajtás i k th th z = z = 2 M M z z k be 3 4, < lassító áttétel η = k th i th th behajtás kisfogaskerék z fogszám M be nyomaték tányérkerék (nagyfogaskerék) a kerékpártengelyen z 4 fogszám ω ker szögseb. M k nyomaték továbbhajtás nagyfogaskerék z 2 fogszám M tov nyomaték kisfogaskerék z 3, M tov kúpfogaskerék-pár homlokfogaskerék-pár A tengelyhajtás elrendezése a vontatójárművekben a.) Villamos vontatómotorok 4 db TC motor, forgóvázanként 2-2 (tengelyenként -) Megj: az ábrán példaként egy dízel-villamos mozdony szerepel, így ennek felépítése is bemutatásra kerül! ) fűtőkazán 0.) hűtő 2.) főlégtartály.) légsűrítő 3.) vezetőpult 2.) elosztó hajtómű 4.) kontaktorszekrény 3.) világítási dinamó 5.) kipufogócső 4.) főgenerátor 6.) szívócső 5.) generátor szellőző 7.) gázolajtartály 6.) vontatómotor 8.) dízelmotor 7.) akkumulátorok 9.) ventilátor 8.) tápkábelek 32

34 b.) Dízel járművek, mechanikus tengelyhajtással Megj: Ilyen tengelyhajtás villamos járműveknél is előfordul, ahol pl. egy forgóvázhoz egy vontatómotor tartozik, és ez a motor nem a forgóvázba van beépítve, hanem a jármű alvázára van felfüggesztve. Ekkor a nyomaték az alábbi ábrán is látható módon, kardántengelyek és hajtóművek segítségével jut el a motortól a kerekekig. Ilyen jármű például a MÁV BDVmot sorozatú villamos motorvonata. - Kardántengelyek: nyomaték- ill. forgásátvitel, ugyanakkor biztosítja a kerékpárok szükséges szabad elmozdulását sebességváltó kardántengelyek dízelmotor tornyos hajtómű egyfokozatú, kúpkerekes hajtómű - Dízelmozdony erőátviteli rendszerek: elosztó hajtómű Megj: a sebességváltó (nyomatékmódosító) közepes teljesítményű mozdonyoknál hidraulikus (pl. a MÁV M4 sor., teljesítménye 300 kw), kisebb mozdonyoknál (kb. 300 kw teljesítményig, pl. a MÁV M sor., teljesítménye 95 kw) vagy motorvonatoknál pedig mechanikus is lehet. mechanikus sebességváltó szivattyú turbina áramfejlesztő villamos áramkör vontatómotor motor motor tengelyhajtás motor felé tengelyhajtás felé olajkör Mechanikus Hidraulikus Villamos tengelyhajtás felé Gépezeti berendezések M h - Villamos vontatómotorok.) Egyenfeszültségű táplálás (DC) - egyenáramú, soros gerjesztésű motor - vezérlés az U k kapocsfeszültség változtatásával U k növekszik - söntölés - egyenáramú soros motor nyomaték-fordulatszám jelleggörbéje: V max V 33

35 2.) Háromfázisú, váltakozó feszültségű táplálás (AC) aszinkron (indukciós) motor (forgó mágneses mező) a.) kapocsfeszültség-vezérlés (állandó frekvencián): az U eff k effektív kapocsfeszültség változtatásával b.) frekvenciavezérlés (állandó effektív kapocsfeszültségen) az f frekvencia változtatásával M h f = áll. M h U k eff = áll. U k eff növekszik (effektív kapocsfeszültség) f < f 2 < f 3 ω 0 () (2) szinkronpont: ω 0 szinkronpont eltolódása: ω 0 ω 0 (3) - A dízelmotoros vasúti járművek hajtása: a tárgy Gépjárműrendszerek című részében kerül tárgyalásra. - Vasúti vontatójárművek vonóerőgörbéje: F v F tap közepes tapadási vonóerő a tapadási határ sűrűségfüggvénye P v vontatási teljesítmény = áll. (ideális vonóerő-hiperbola) V max kerék-sín közötti súrlódási (erőkapcsolati) tényező: µ ks V R F M tap ΣF v ω M h F v (vonóerő) F n - támaszerő (tengelyterhelés) h = F R v = Rω n = µ ΣF ks v = m Megj: m a tapadó tömeg, azaz a hajtott kerékpárokra eső össztömeg a g n 34

36 A vonat a vasúti közlekedés alapvető objektuma - Járműfüzér: Hosszdinamikai rendszer, tömegek rugalmasan összekapcsolt láncolata többtömegű lengőrendszer - Vonóerőátvitel a járművek között: vonóhoroggal - Ütközőerő-átvitel: ütközőkészülékkel - Ütköző- és vonókészülék rendszerek: oldalütközők és vonóhorog rugózott eőátadás, csillapítás csavarkapocs vonóhorog nem átmenő vonókészülék átmenő vonókészülék a jármű alvázának részlete ütközőkészülék (oldalütköző) Megj: az átmenő vonókészülék előnye, hogy nem a jármű alvázát terheli a teljes, vonóhorgon kifejtett vonóerő, ezt az átmenő vonókészülék viseli. Az alvázra csak az adott jármű (kocsi) vontatásához szükséges erők hatnak. központi ütköző-vonókészülék központi ütköző-, vonókészülék reteszelés-mozgatókar (szétkapcsoláshoz a vonatösszeállítás és szétrendezés során) 35

37 - Vonókészülék kialakítás (csavarkapcsos rendszer): vonóhorog (síkgörbe tartó) mellgerenda heveder csavarorsó forgatókar kengyel - Ütközőkészülék kialakítás: Gyűrűrugós konstrukció: jelentős csillapítást is képvisel ) gyűrűrugó-oszlop 2.) ütközőhüvely, fejlemezzel 3.) ütközőtok, talplemezzel 4.) ütközőtányér 5.) előfeszítő rúd 6.) előfeszítő-tám 7.) porvédő tárcsa 8.) rögzítő félgyűrű 9.) kiegyenlítő tárcsa 0.) alaplemez 36

38 Felhasznált irodalom Dr Horváth Attila: Sínleerősítések kialakítása és méretezése, Műszaki Könyvkiadó, Budapest 984 Dr Sostarics György Dr Balogh Vilmos: Vasúti járművek, Tankönyvkiadó, Budapest 99 Vasúti lexikon A-tól Z-ig, főszerkesztő: Csárádi János, Műszaki Könyvkiadó, Budapest 994 Vasúti lexikon, főszerkesztő: Urbán Lajos, Műszaki Könyvkiadó, Budapest 984 Gábor Péter: Villamos vasutak I., Kézirat, 2. jav. kiadás, Budapest