Villamos mozdonyok fejlesztési irányai

Átírás

1 Villamos mozdonyok fejlesztési irányai Kiss Csaba MÁV Zrt. VMMSZK Fejlesztési és Mérnöki Szolgáltató Osztály fejlesztőmérnök BME Vasúti Járművek és Járműrendszeranalízis Tanszék, tanársegéd

2 A tartalomból Vasúti vontatójárművek fejlesztésének főbb irányai Vontatójármű fejlesztési tendenciák megközelítési módjai Korszerű villamos mozdony néhány jellemző tulajdonsága A vontatójárművek fejlesztési irányai a jármű alrendszerei szerkezeti felépítése tekintetében A vontatójárművek fejlesztési irányai a vontatójárművek üzeme tekintetében A vontatójárművek fejlesztési irányai a vontatójárművek fenntartása vonatkozásában Érdekességek, újdonságok Összefoglalás, kitekintés

3 A vasúti vontatójárművek fejlesztésének főbb irányai Vasúti szállítás minőségi jellemzőinek fokozása társadalmi igény A vasúti közlekedés energiafogyasztásának csökkentése összességében és fajlagosan is, gazdaságosság Részben az előzőt is magában foglalja a vasúti közlekedés környezetterhelésének csökkentése. környezetvédelem

4 A vontatójármű fejlesztési tendenciák szempontjai, megközelítésének módjai a jövőben várható piaci igények vasút piaci részesedése nem romlik a közlekedési munkamegosztásban a járműfejlesztés, a műszaki tartalom enegiafogyasztás csökkentése összességében és fajlagosan is a vontatási szolgáltatást nyújtó szempontjából nyereséges piaci szereplés

5 A korszerű villamos mozdony néhány jellemző tulajdonsága nagyterhelésű és nagy sebességű vontatójármű járműcsalád tagja, legmesszebb menőkig érvényesül az építő szekrény elv a szerkezeti felépítésében eltérő jellegű vontatási feladatok ellátására is alkalmas (univerzális jelleg) nagy értékű, nagy teljesítőképességű, nagy igényű szerkezeti felépítésű műszaki, energetikai rendszer pénzügyi élettartama közelítőleg 20+ év, műszaki élettartama közel 40 év beszerzési ára egyszeri viszonylag nagy költség, azonban élettartam költsége ennél közelítőleg egy nagyságrenddel nagyobb

6 Villamos mozdonyok vontatási és energetikai jellemzői F k F ki 1. szilárdsági határ: a jármű vontató berendezése által kifejthető maximális vonóerő 2. fizikai határ: erőkapcsolati tényező sebességfüggése 3. teljesítőképességi határ: a beépített teljesítményből számítható vonóerő η kn.. η k2 η k1 kerékkerületi hatásfok: η k1 > η k2 > >η kn 4. futástechnikai határ: a hordmű futástechnikai jellemzői korlátozzák v max v 5. terhelés: a vonatott kocsisor menetellenállása

7 A jármű konstrukcióval kapcsolatos kérdéseket főbb alrendszerekként tekintjük át: főüzemi energiaátalakító berendezés, segédüzemi energiaátalakító berendezés, a vonat villamos energiával történő ellátását biztosító alrendszer, irányítástechnikai rendszer, sűrített levegős rendszer, fékrendszer, járműszerkezeti rész.

8 Főbb állomások (mérföldkövek) a járművek fejlesztésében az elmúlt évtizedekben kétirányú energiaáramlást lehetővé tevő, szabályozható teljesítménytényezőjű áramirányító topológia (1974), teljes értékű teljesítményfélvezető kifejlesztése (GTO (1975), IGBT (1987)), háromfázisú váltakozó áramú vontatómotoros hajtások irányításának elméleti megalapozása, kiépítése (1960-as és 1970-es évek részben az 1980-as évek), nagydinamikájú, ipari kivitelű, folyamatirányító rendszerek gyakorlati megvalósítása (megbízható minőségben, nagy darabszámban, kedvező áron) (1980-as, 1990-es évek), a fenti ponthoz kapcsolódóan az ahhoz szükséges informatikai rendszerek kifejlesztése és gyakorlati alkalmazása (1980-as, 1990-es évek) Ezek révén a kommutátoros vontatómotor kiváltása

9 Elvárások a korszerű villamos vontatójárművekkel kapcsolatban környezetbarát áramnem Vonatbefolyásolás Szabványok, normák Engedélyeztetés gazdaságos rugalmasság ár LCC Forrás: Siemens Transportation Inc.

10 Egy nagy teljesítményű korszerű villamos mozdony főáramköre Forrás: Siemens Transportation Inc.

11 Vontatómotor típusok Rövidrezárt forgórészű aszinkron motor, Szinkron motor gerjesztőtekercsekkel, Állandó mágnesű szinkron motor. Tengelyhajtás Marokcsapágyas (rugózatlan), Félig rugózott, Teljesen rugalmas vontatómotor felfüggesztés.

12 Marokcsapágyas tengelyhajtás Forrás: Alstom

13 Teljesen rugalmas tengelyhajtás Forrás: Bombardier Transportation

14 Segédüzemi energiaátalakító berendezés Táplálás történhet a főtranszformátor segédüzemi tekercsről vagy az egyenáramú közbenső körből. A segédüzemi fogyasztók két csoportba oszthatók: Változó fordulatszámú fogyasztók, Állandó fordulatszámú fogyasztók.

15 Az irányítástechnikai rendszer járműdiagnosztika az elmúlt időszakban a vasúti járművek felépítése nagymértékben egységessé vált a járművek felépítése számottevően bonyolultabbá vált a járművekben zajló folyamatokat a járműbe beépített, ipari kivitelű, folyamatirányító számítógépek irányítják az irányításhoz jelentős mennyiségű valós idejű adat szükséges az irányítandó berendezések állapotáról és működési jellemzőiről a járműdiagnosztika ma már a járművek irányítástechnikai rendszerének szerves része

16 Egy korszerű jármű segédüzeme Forrás: Siemens Transportation

17 Irányítástechnika feladatai Irányítástechnikai rendszer Az irányítástechnika célja, hogy adott rendszerek viselkedését általunk kívánt tulajdonságúvá tegye illetőleg a rendszerek viselkedését megadott szempontoknak, céloknak megfelelővé, optimálissá tegye. q Vontatás irányítás q Fékberendezés irányítása q Segédüzemi berendezés irányítása q Automatikus menet/fék irányítás q Központi mozgásállapot érzékelés q Vonatkommunikáció q Járműdiagnosztika

18 Irányítástechnikai rendszer szintjei 1. Vonatirányítás - távvezérlés, - ingavonati üzem stb. 2. Járműirányítás - jármű folyamatai irányítása - diagnosztika 3. Alrendszer - hajtás - segédüzem stb. Forrás: Bombardier Transportation

19 Egy korszerű villamos mozdony irányítástechnikai rendszere Forrás: Siemens Transportation

20 Egy korszerű irányítástechnikai rendszer felépítése DAVIS 185 MMI - Diagnose MMI - ERTMS WLAN GSM/GPRS GPS MMI - ERTMS MMI - Diagnose DCPU1 LS+ I/O DCPU2 rechts links MVB ZBF CAN rechts links Videokameras FR1 Videokameras FR2 BC BC SHP EBICAB 2000 PZB LZB Teloc (JRU) ZMS SR1 MBS HBU1 HBU2 Klima SR2 PL D,A Profibus UIC Forrás: Bombardier Transportation

21 Egy jármű diagnosztikai rendszerének felépítése Betriebsdiagnose Warnung / Alarm Fehlerliste Abhilfemaßnahmen Selbsttest NFS Instandhaltungs- Diagnose Prozeßkontrolle ZSG DCU Fehlerliste mit Filter Historie Umfelddaten Reparaturhinweise FEHLER-Erkennung FEHLER-Speicherung FEHLER-Ausgabe Forrás: Bombardier Transportation

22 Sűrített levegős rendszer -sűrített levegő termelése, szállítása, tárolása és elosztása - Hagyományos dugattyús kompresszor helyett olajmentes dugattyús kompresszor vagy csavarkompresszor - A nyomásszintek miatt a jövőben is csak térfogatkiszorítású légsűrítők Fékrendszer - az egyik legalapvetőbb közlekedésbiztonsági berendezés - Tuskós féket kiszorítja a tárcsafék, melyet többnyire a keréktárcsán helyeznek el - a mechanikus fék szerepét -ahol lehet- a hajtóműfék vagy a villamos fék veszi át - valamennyi fékműködtetéshez szükséges elem egy panelen történő elhelyezése

23 Egy korszerű villamos mozdony fékállványa Forrás: Bombardier Transportation

24 Korszerű villamos mozdony levegős vázlata Forrás: Bombardier Transportation

25 Az ERTMS\ETCS rendszer alapvető architektúrája Történeti előzmények 1.jelenlét ellenőrzése 2.cselekvőképesség ellenőrzése 3.vonatbefolyásolás

26 ETCS rendszer

27 Egy korszerű vontatójármű ETCS-konfigurációja Forrás: Bombardier Transportation

28 A vonat villamos energiával történő ellátását biztosító berendezés Helyhezkötött energiaellátó berendezésről táplált járművek esetén a táplálás a transzformátor külön tekercséről Beépített erőforrással rendelkező illetve kétéltű járművek esetén a rendszer lehetséges felépítése - váltakozóáramú generátor+statikus áramirányító berendezés (Head End Power) - villamos erőátvitelű váltakozóáramú vontatómotoros mozdonynál az egyenáramú közbenső körből statikus áramirányító berendezésen keresztül potenciál elválasztó transzformátor közbeiktatásával.

29 Járműszerkezeti rész Melynek részei járműszekrény: - döntően önhordó, hegesztett szerkezetekkel kell majd számolni, - a közeljövőben még szerkezeti acélokalkalmazása valószínű, - döntő hatása a járművek kialakítására az EN15227 szabványnak (Vasúti járműszekrények ütközésbiztonsági követelményei) forgóváz: - hegesztett (vagy öntött) szerkezetek, - alapvető kialakításukat döntően az erőátvitel típusa, rendszere határozza meg forgóváz-járműszekrény kapcsolat: - Z -bekötés, - húzó-, nyomórudas.

30 Húzó-nyomórudas vonóerőbekötésű forgóváz Forrás: Bombardier Transportation

31 Z-bekötés -es forgóváz Forrás: Siemens Transportation

32 A járművek üzemével kapcsolatos kérdések - alapvető igény: az üzemben eltöltött idő maximális és az elfogyasztott energia minimális legyen, - a jármű üzem- és segédanyagokkal történő kiszolgálásához szükséges idő minimalizálása, - a jármű folyamatos üzemkész állapotának biztosíthatósága szolgálatmentes időkben (parkoló állás) - a jármű biztonságos üzeme, rendelkezésre állása, megbízhatósága és a jármű tartóssága, - a jármű gyors és kedvező viselkedése tranziens (instacionárius) üzemállapotokban is

33 A vontatójármű energiaátalakítási hatásfoka állandó javításának okai, céljai ugyanakkora beépített teljesítmény esetén a jobb hatásfokú jármű nagyobb vonó- illetve fékezőerőt tud kifejteni kedvezőbb vonattovábbítási dinamika és a járműbe beépített teljesítmény jobb kihasználhatósága azonos vontatási feladat teljesen azonos körülmények mellett történő végrehajtása esetén kisebb energiafogyasztás, kisebb energiaköltség kedvezőbb energiaátalakítási hatásfok miatt a jármű egyes szerkezeti elemeinek kisebb termikus igénybevétele, kisebb hűtéssel elvezetendő veszteséget eredményez, kisebb hűtési teljesítményigény a jármű kedvezőbb teljesítménytényezője és energiaátalakítási hatásfoka nemcsak a vontatójármű, hanem a helyhez kötött energiaellátó berendezés veszteségei is kisebbek

34 A vontatójárművek üzemének energiaoptimális irányítása Erre alapvetően 3 területen van lehetőség: 1.A járművekben zajló folyamatok energiaoptimális irányítása, 2.Járműgazdálkodás, 3.Forgalomirányítás. Ennek megvalósítása hitelesített energiafogyasztás mérő rendszerek a vontatójárműveken valós idejű kapcsolattal, szolgálatmentes, de üzemben lévő vontatójárműveknél energiafogyasztás csökkentést lehetővé tevő rendszerek alkalmazása (parkoló állás), közlekedés folyamatosságának javítása és energiaoptimális vezetés a járműre telepített tanácsadó rendszerek segítségével.

35 Energiaoptimális közlekedésirányítás Forrás: Bombardier Transportation

36 A jármű fenntartásával kapcsolatos kérdések - karbantarthatóság, - vizsgálati szintek gyakorisága, ciklusideje, normaideje, tartalma, - javítási szintek gyakorisága, ciklusideje, normaideje, tartalma, - az egyes fenntartási szintek emberi erőforrás-, anyag- és munkaóraköltségei. Alapvető elvárások a vontatójármű fenntartásával kapcsolatban maximális elérhető rendelkezésre állás, maximális elérhető üzemi megbízhatóság, minimális költségű fenntartás.

37 Az előző követelmények teljesítéséhez Kis fenntartás igényű szerkezet, A fenntartási eseményszám lehető csökkentése, A fenntartás összes időigényének csökkentése, A fenntartási események döntően megelőző jellegűek legyenek, azaz tervezhetőek minden szempontból, A fenntartási tevékenységet begyakorlott kezekre és kevés számú kifogástalanul felszerelt helyre célszerű összpontosítani.

38 Last-Mile villamos mozdony Iparvágányok, rakodó terminálok tolató mozdony nélküli kiszolgálása Forrás: Bombardier Transportation

39 Last-Mile villamos mozdony gépezeti elrendezése Forrás: Bombardier Transportation

40 Középfrekvenciás transzformátorral felszerelt villamos mozdony Forrás: Elektrische Bahnen (2005)

41 Kétéltű dízel és villamos mozdony elvi kapcsolási vázlata Forrás: Bombardier Transportation

42 Összefoglalás, következtetések A villamos mozdonyok fejlesztése a jövőben a környezetterhelés mérséklése és a vasút versenyképességének növelése jegyében fog eltelni. Ennek következtében a vontatójármű fejlesztés fő hajtóereje a vasút energia fogyasztásának, a környezetnek okozott zaj illetve rezgés terhelésének mérséklése, valamint a vasút saját költségeinek mérséklése lesz.

43 Köszönöm megtisztelő figyelmüket!