A vasúti kocsik külső ajtajának pneumatikus modellezése

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZAT A vasúti kocsik külső ajtajának pneumatikus modellezése Készítette: Rónai László Miskolci Egyetem GÉIK mechatronikai mérnöki szakos hallgatója Neptun kód: TNDKJP Konzulensek: Dr. Szabó Tamás egyetemi docens Nagy Lajos tanársegéd Kézirat lezárva: Miskolc, november 07. 1

2 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés: 3 2. Vasúti külső ajtók vizsgálata: A vasúti szerelvények külső ajtómozgató mechanizmusai: Az ajtó működési elve: A modellezés eredményei: Összefoglalás: Irodalomjegyzék:

3 1. Bevezetés A pneumatika kifejezés a görög pneuma (levegő, légzés) szóból eredeztethető. A sűrített levegőt már az ókorban ismerték és használták szerkezetek működtetésére, példa erre Ktesibios víziorgonája. Korunkban a pneumatika alkalmazásának egyik fő célja a monoton és ismétlődő fizikai munka felváltása. Segítségével a nagymennyiségben gyártott termékek termelékenyebben állíthatók elő. A műszaki élet szinte minden területén előfordul a pneumatika alkalmazása [2] [3] pl. hajózás, egészségügy, haditechnika, bányászat és vasúti közlekedés területén. Sok helyen sűrített levegővel működtetik az ajtók nyitó-záró mechanizmusait. Ebben a dolgozatban a vasúti külső ajtók pneumatikus működtetését vizsgáljuk és elemezzük. A [4] irodalom részletesen foglalkozik az ajtók működtetésének mechanizmusaival, több kapcsolási rajzot ismertet, amelyek között található egyszerű és összetettebb megoldás is. A [5] irodalom hasonló kapcsolási vázlatokat mutat be. A dolgozat célja, hogy laboratóriumi körülmények között modellezze és megvizsgálja a vasúti külső ajtó pneumatikus működtetését. A kutató munka egy elektro-pneumatikusan működtetett vasúti külső ajtó leírása után egy rendszer modellezéssel foglalkozik. A modellezést a Robert Bosch Mechatronikai Tanszék Bosch Rexroth gyártmányú pneumatikus eszközeivel valósítottuk meg. Egy forgalomban használt vasúti kocsi ajtajának működését a gyakorlatban is megvizsgáltuk. A későbbiekben összehasonlítottuk a laboratóriumi megoldással. 3

4 2. Vasúti külső ajtó vizsgálata 2.1 A vasúti szerelvények külső ajtómozgató mechanizmusai A 2.1. ábra egy vasúti szerelvény részletét mutatja, amelyen több egyszárnyas, elektro-pneumatikusan működtetett feljáró ajtó látható. Az ajtók zöld gombnyomásra nyílnak és piros gomb segítségével záródnak ábra InterCity szerelvény részlete A vasúti személykocsik ajtajának nyitási, zárási feladatát sűrített levegő alkalmazásával és megfelelő mechanizmusok segítségével valósítják meg. Az ajtó nyitás-zárás vezérlése része lehet akár egy komplex berendezésnek, de önálló egységet is alkothat. A mozgatás működtetés megvalósításának sokféle megoldása képzelhető el, az hogy éppen melyik megoldást választják és alkalmazzák, az attól függ, hogy: az előírt funkciót teljesíti-e, és azt melyik műszaki megoldás elégíti ki a legjobban, a beépíthetőséget hogyan lehet megvalósítani, az igénybevétel milyen típusú, gyakoriságú, a gyártás és szerelés mennyire gazdaságos, a kivitelezés mennyire egyszerű és milyen karbantartatás igényű. 4

5 Az ajtók típusai: az ajtók egy- és kétszárnyú, lengő, illetve lengőszárnyas kivitelűek lehetnek. A 2.2. ábra egy lengőszárnyas ajtó megoldását mutatja. A vezérlés kivitelezésének egyik fontos lépése a pneumatikus henger lökethosszának meghatározása. A 2000 mm-nél nagyobb nyitási szélességnél célszerű áttételeket alkalmazni a henger és az ajtómozgató szerkezet között. A vasúti kocsikban homlokajtó, feljáróajtó, és szakaszajtó található. Z1 Munkahenger S1 S2 N1 F1 SZ1 SZ2 F2 S1 S2 Levegő- előkészítő egység K ábra Példa egy lengőszárnyas ajtó vezérlésére A 2.2. ábra szerinti, a [4] irodalomban közölt, pneumatikus működtető rendszer elemei: 1db kétoldali működésű Z1 munkahenger, 2db S1 és S2 végálláskapcsoló 3/2- es szelep, 2 db SZ1 és SZ2 monostabil 3/2-es szelep, 2db F1 és F2 fojtó-visszacsapó szelep, 1 db K1 kézi működtetésű útváltó és 1db E1 levegő előkészítő egység, valamint 1db N1 4/2-es szelep. A levegő- előkészítő egység a következő elemeket tartalmazza: olajködkenő, szűrő, manométer, nyomásőr. 5

6 A dolgozat központi témája az intercity külső ajtók pneumatikus, illetve elektropneumatikus vezérlésének modellezése. Az alábbiakban megadjuk a feljáró ajtó fontosabb paramétereit: munkahenger lökethossza: ajtó tömege: ajtónyitási sebesség: ajtózárási sebesség: ajtónyitási idő: ajtózárási idő: üzemeltetési nyomás: névleges feszültség: hőmérséklet tartomány: 49 cm kb. 30 kg 0,1225 m/sec 0,1634 m/sec 4 sec 3 sec ~5 bar = Pa 24 / 18 / 33 V, DC K fokig. A műszaki adatokból meghatároztam és méréssel ellenőriztem az ajtó zárási és nyitási idejét. Az idő adatokból jól látható, hogy a sűrített levegő alkalmazása viszonylag rövid nyitási, zárási időt biztosított és biztosít ábra A megfelelő levegőellátást biztosító levegő előkészítő egység 6

7 A 2.3. ábra fényképén jól láthatók az előkészítő egység már említett fontosabb elemei: (1), szűrő (2), manométer (3), nyomásőr (4), olajködkenő. A sűrített levegővel működő külső ajtók villamos vezérlésének működtetéséhez szükséges elektromos ajtóvezérlő mechanizmus elemi a következők: 1-1db nyitó utas nyomógomb kívül és belül, 1-1 db záró utas nyomógomb kívül és belül, reteszelés visszajelző kapcsoló, ami jelzi az ajtó bezárását ajtókontroll kapcsoló, nyomáshullám kapcsoló vészkapcsoló, test becsípődés elleni védelemre kalauzkulcsos távkapcsoló, a kalauz kézi működtetéséhez a vezérlő panelen. nyitó-záró nyomógombok az ajtó kézi működtetéséhez, zöld és piros színűek, vészkapcsoló, vészjelző kürt, ajtó nyitó-záró és blokkoló mágnes szelep, pneumatikus munkahenger, ami az ajtó zárást-nyitást végzi. A vezérlés egy programozható mikroprocesszorral történik, amely minden fontos paramétert tartalmaz, így például az időfutást is. Ezen kívül minden külső ajtót ellátnak egy a működés folyamatát automatikusan kiértékelő diagnosztikai rendszerrel is, ami 5 db euroformátumú TB jelű steck-kártyába került beépítésre. Az ajtót működtető programot egyszerűen lehet módosítani, az EPROM memóriamodulon keresztül. 7

8 Z1 Henger Retesz-henger (Bezár) F1 F2 Záró-henger (Aktív retesz) Mágnes szelep 5Km/h-nál nagyobb sebességnél blokkol Y3 Mágnes szelep nyit Mágnes szelep zár Kuplung-henger (Rásegítő retesz) Y1 Y bar 2.4. ábra A MÁV-nál alkalmazott, külső feljáró ajtót működtető mechanizmus A 2.4. ábra szerinti kapcsolási rajzon a MÁV-nál járatos személykocsik külső feljáró ajtaját működtető rendszer látható. A Z1 munkahenger állítható löketvégi csillapítással rendelkezik mindkét oldalon, ezen kívül láthatunk útváltókat, mágnes szelepeket és két fojtó-visszacsapó szelepet is, amelyekkel a henger menetsebessége szabályozható. A tápnyomás maximum 12 bar lehet, de a munkahenger nagyobb élettartamára, és az utasok biztonságára ügyelve, ezt az értéket 6 bar nyomásra korlátozták. 8

9 Egyszárnyú tolóajtó Homlok tolóajtó 1 Z1 3 S2 Z2 F S1 1 2 F1 F2 F Levegő-előkészítő egység ábra A MÁV személykocsik tolóajtajainak pneumatikai sémája A 2.5. ábrán a tolóajtók pneumatikus működtetésének kapcsolási vázlata látható. Megjegyezzük, hogy a dolgozatban csak az egyszárnyú ajtó mechanizmusával foglalkozunk. A 2.5. ábrán a következő pneumatikus elemek találhatók: levegő előkészítő egység, két darab kétoldali működtetésű munkahenger, az egyik a homlok tolóajtó, míg a másik az egyszárnyú tolóajtó mozgatási mechanizmusát teszi lehetővé, ezek a munkahengerek tartalmaznak löketvégi csillapítást. Az ajtók mozgatásának a sebességét két-két darab fojtó-visszacsapó szeleppel oldják meg. 2db S1 és S2 kézi működtetésű nyomógomb segítségével lehet a hengereket alaphelyzetbe állítani. Az ajtóvezérlés bekapcsolásához, illetve kikapcsolásához olyan feltételeknek kell teljesülnie, mint: akkumulátor feszültség megfelelő szintje, menetsebesség, a sűrített levegő megfelelő nyomása. 9

10 2.2 A feljáró ajtó működési elve Ebben a fejezetben foglalkozunk a feljáró ajtó nyitásával, zárásával és a vésznyitásával. A működtetéshez elengedhetetlen feltétel a megfelelő levegőnyomás biztosítása és a tápfeszültség megléte. A nyomógomb megnyomásával jelet adunk (záró, vagy nyitó), ilyenkor a munkahenger kifut, vagy alaphelyzetbe tér vissza. A munkahenger állandó nyomás alatt van, vészhelyzet esetén a gyors leszellőzés biztosított. A mágnesszelepek (2.6. ábra) az ajtó nyitásánál, illetve zárásánál elengednek, ha a folyamat végbe ment, akkor újra feszültség alá kerülnek. Nagyon fontos biztonsági intézkedés a becsípődés védelem, amit egy üreges gumiprofillal oldottak meg, a profilokat az ajtózáró élén helyezik el, egy nyomáshullám kapcsolóval egyetemben. A fentebb említett elemek a következő funkciókat aktiválják: Ha a menetsebesség kisebb, mint 5 km/h, akkor az ajtó visszanyit, és csak 10 másodperc után záródik vissza, de ha a sebesség nagyobb, mint 5 km/h, akkor az ajtózáró mágnes szelep leold, viszont az ajtónyitó mágnes szelep nem fog bekapcsolni. A sűrített levegő nyomását egy nyomáskapcsoló értékeli ki. Ha a nyomás 4,5 bar alá csökken akkor a következő opciókból választ a vezérlés. Ha a menetsebesség kisebb, mint 5km/h, akkor a nyugalmi állapotot veszi fel. Ha a sebesség nagyobb, mint 5 km/h, akkor az ajtóhenger záró parancsot kap, ezután a becsípődés védelem továbbra is aktív marad. Az ajtó belső és külső oldalán találhatók a zöld színű ajtónyitó nyomógombok. A gombok valamilyen fizikai behatásra működnek és impulzusszerű jeleiket a következőképpen értékelik ki. A mágnes szelep feszültség alatt marad, amíg: záró parancsot nem adnak, 10

11 ajtóreteszt nem kapcsolják ki, az ajtóvezérlést nem kapcsolják ki. A nyitás megvalósításának fontosabb feltételei: A csúszásgátló (védelem céljából) be van kapcsolva, a vészkapcsoló kikapcsolt állapotú. Ha az ajtó nem kap tápfeszültséget, vagy a sűrített levegőellátás szünetel, akkor a feljáró ajtókat manuálisan is ki lehet nyitni a fogókagyló segítségével. Az ajtó zárását hasonlóan a nyitáshoz, impulzusszerűen működő piros nyomógombbal oldják meg. A zárás végrehajtásának feltételei: a vészkapcsoló és az ajtóretesz kapcsoló nincs működtetve. A mágnes szelep (2.6. ábra) feszültség alatt marad, amíg: nyitási parancs nem érkezik, az ajtóreteszt nem működtetik, a vészkapcsolót nem működtetik, az ajtóvezérlés megszűnik ábra A mágnes szelep képe 11

12 A vésznyitás történhet belülről, vagy kívülről. Belülről a vésznyitást egy villamosan működtetett vészkapcsoló és egy mechanikusan működtetett vészkireteszelő oldja meg. A vészkapcsoló működtetése hatással van a: hozzátartozó ajtó vezérlésére, hiszen ilyenkor kikapcsol, a mechanikus szétválasztó léghengere leszellőzik, ezáltal a bowden kapcsolódik a vészkireteszelőhöz, a vészkürt minden esetben megszólal. Kívülről az ajtót a fogókagylóval lehet kézzel kinyitni, de csak abban az esetben, ha nincs érvényes záró parancs (záró nyomás a léghengeren), egyébként a vésznyitást egy mechanikus vészkireteszelővel oldják meg. Ekkor az ajtó reteszelése egy úgynevezett bowdenhuzalon keresztül oldható meg. A rendszer vezérlő egysége észleli az esetleges rendellenes működési állapotot és azt egy hibakóddal azonosítva digitálisan kijelzi (2.7. ábra). Az esetleges hiba kódszámát kijelzi az egység 2.7. ábra Vasúti kocsik hibakijelző egysége 12

13 Az ajtó lezárása az ajtózáró kapcsoló négyszögzárával kívülről és belülről egyaránt megvalósítható, ami természetesen az ajtó bereteszelt állapotában történik meg. Ilyenkor a becsípődés védelem aktív. Az ajtó mozgatását a 2.8. ábrán bemutatott munkahenger végzi ábra A feljáróajtó működtető munkahengere 13

14 3. A modellezés kivitelezése Először megterveztük az ajtó pneumatikus kapcsolását, amit egy Bosch Rexroth gyártmányú munkaasztalon össze is állítottunk. A kapcsolási vázlatot a 3.1. ábra szemlélteti. Retesz-henger (Bezár) Z1 Ajtóhenger + - Záró-henger (Aktív retesz) Y3 SV1 SV2 Y1 Y2 E ábra A modellezés során elkészített működési mechanizmus A modellezés kivitelezéséhez az alábbi elektropneumatikus, illetve pneumatikus elemeket használtuk: Három darab 5/2-es monostabil elektropneumatikusan működtetett szelep (Y1, Y2, Y3), amelyek egyik végükön le lettek zárva, így egy 3/2-es szelepként lehetett helyettesíteni. Két darab fojtó-visszacsapó szelep (SV1, SV2), 14

15 Egy darab kétoldali működésű munkahenger (Z1). Két darab retesz henger. A kuplung hengert megfelelő alkatrész hiányában nem használtuk fel, így csak a záró, illetve a retesz-hengert alkalmaztuk. A modellezésről készült fényképen (3.3. ábra) láthatóak az egyes pneumatikai, illetve elektropneumatikai elemek, amelyek komplex működése valósítja meg az ajtó nyitó, illetve záró mechanizmusát. Elektronikai panel Levegő előkésztő egység Z1 Retesz henger SV1, illetve SV2 Y3 Retesz henger Y1 Y ábra Az elkészült elektropneumatikus modell A 3.2. ábrán az elektropneumatikus rendszer villamos kapcsolási sémáját láthatjuk. A modellezés során két relét használtunk fel. 15

16 S1 S2 S3 K1 K2 K3 K1 K2 K3 Y1 Y3 Y ábra A villamos kapcsolási sémája a modellezésnek 16

17 4. Összefoglalás A TDK dolgozatban a vasúti külső ajtók pneumatikus működtetésének és modellezésének kérdéseivel foglalkoztunk. Az irodalom alapján többféle megoldást tekintettünk át. Továbbá szemrevételezéssel megvizsgáltunk egy Intercity szerelvény kocsiján alkalmazott megoldást. Ezt követően a Robert Bosch Mechatronikai Tanszék Bosch-Rexroth Pneumatika laboratóriumában rendelkezésre álló eszközökkel modell kísérleteket végeztünk. A megfigyeléseket összehasonlítottuk a MÁV-nál használt ajtó mechanizmusaival. 17

18 Irodalomjegyzék 1. Ing.-Büro J.P. Hasebrink: A pneumatika alapjai, Bosch Rexroth AG, Dr. Elek, I. - Hudáky, J.: Az ipari pneumatika alapjai, Budapest, K. Eversen J. Ruud: A pneumatika alapjai, AB Mecman Stockholm, 4. Deppert - Stoll: Pneumatika a gyakorlatban, Budapest, Szaladnya, S.- Telek, P.: A pneumatikus automatizálás eszközei, a tervezés módszerei, Budapest,