MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZAT Járműajtók pneumatikus mozgatásának modellezése Cservenák Ákos Neptun: G9UNON II. éves mechatronikai mérnöki szakos hallgató Konzulensek: Dr. Szabó Tamás egyetemi docens Nagy Lajos tanársegéd Robert Bosch Mechatronikai Tanszék Miskolc, 2011 1/19.oldal
Tartalomjegyzék: 1. Bevezetés...3 2. Ajtóvezérlés...4 2.1 Pneumatikus ajtóvezérlési megoldások ismertetése...4 2.2 MÁV-nál alkalmazott vasúti kocsi ajtók mozgatásának leírása...11 3. Laboratóriumi modellezés...15 4. Összefoglaló...19 5. Irodalomjegyzék...19 2/19.oldal
1. Bevezetés A pneumatikus rendszereket széles körben alkalmazzák mind a műszaki és mind a hétköznapi életben. A pneumatika alkalmazása megkönnyíti a nehéz, monoton fizikai munka elvégzését, csökkenti az emberi erőszükségletet és lehetővé teszi az automatizálást. Célunk az üzemi megoldások egyikének laboratóriumi megvalósítása és vizsgálata. A MÁV-nál a személyközlekedésben használt vasúti kocsik külső- és belső ajtajait régebben csak mechanikusan lehetett nyitni-zárni. Az utóbbi két évtizedben terjedtek el a pneumatikával működtetett ajtó mechanizmusok. Az ajtók nyitását elektropneumatikus, illetve fotocellás rendszerek teszik kényelmesebbé. A nyílászárók mozgatására pl. az [1], [2] szakirodalmak számos megoldást ismertetnek. Ezek között van tisztán pneu-mechanikus, elektro-pneumatikus és mindkettőt alkalmazó vegyes üzemeltetésű. A dolgozat 2.1 fejezete az fenti irodalmakban közzétett rendszerekből két megoldást vizsgál és mutat be. Az egyik megoldás pneu-mechanikus, a másik pedig elektropneumatikus rendszer. A 2.2 fejezetben a MÁV-nál jelenleg üzemben lévő személyszállító kocsik belső ajtóinak elektro-pneumatikus vezérlését vizsgáljuk. A dolgozat 3. fejezete a 2.1 fejezetbeli elektro-pneumatikus megoldás laboratóriumi modellezésével és megvalósításával foglalkozik. A rendszer összeállítását és vizsgálatát a Robert Bosch Mechatronikai Tanszék Bosch-Rexroth laboratóriumi eszközeivel végeztük el. A 4. fejezet az eredmények összefoglalását tartalmazza. 3/19.oldal
2. Ajtóvezérlés Az ajtóvezérlés fejezetben az egy- és kétszárnyú vasúti belső ajtók egy pneumechanikus illetve egy elektro-pneumatikus működtetését mutatunk be az [1] irodalom alapján. Ezután a MÁV-nál jelenleg is üzemben lévő személyszállító kocsik belső ajtóinak elektro-pneumatikus vezérlését vizsgáljuk. 2.1 Pneumatikus ajtóvezérlési megoldások ismertetése Az ajtók mozgatásánál három megoldás lehetséges: Pneu-mechanikus kivitelek, ahol a pneumatikus útváltókat mechanikusan működtetjük. Elektro-pneumatikus vezérlésű megoldások, ahol az útváltó szelepeket elektromágnesek működtetik. Vegyes rendszerek, amelyeknél pneu-mechanikus és elektro-pneumatikus megoldásokat egyaránt alkalmaznak. A vasúti kocsi ajtók mozgatásához hasonló megoldások fordulnak elő pl. raktárak beés kijárati ajtóinál, ipari, vegyipari berendezések védőablakainak és védőajtóinak, vagy gyártósorok be- és kieresztő nyílászáróinak mozgatásánál. A különbségek elsősorban a méretekben, tömegekben, mozgatási irányokban (vízszintes, függőleges) és a környezeti feltételekben mutatkozhatnak meg. A 2.1 ábrán vízszintesen mozgatott kétszárnyú tolóajtó pneu-mechanikus vezérlése látható, amely a következő elemekből áll: 2 db kétoldali működési, löketvégi csillapítású, egymással párhuzamosan kapcsolt munkahenger (1) 4 db fojtó-visszacsapó szelep (2), 1 db 4/2-es, mindkét oldalon pneumatikus vezérlésű, bistabil útváltó szelep (3), 3 db kettős visszacsapó (VAGY) szelep (4), 1 db késleltető rendszer, ami áll egy 3/2-es rugós visszatérítésű, pneumatikus vezérlésű, monostabil útváltó szelepből és egy fojtó-visszacsapó szelepből (5), 4/19.oldal
2 db 3/2-es, pneumatikusan elővezérelt, rugós visszatérítésű, monostabil útváltó szelep (6), 2 db 3/2-es, pneumatikusan elővezérelt, mechanikusan reteszelhető, rugós visszatérítésű, monostabil útváltó szelep (7), 1 db 3/2-es, kétoldali mechanikusan működtetett, bistabil útváltó szelep (8), 1 db levegő-előkészítő egység illetve a táplevegő (9). A 2.2 ábra szerinti rendszer működése: Az ajtók alaphelyzetben zárva vannak. Ekkor a levegő útja 9-8-3-2 pneumatikus elemeken át jut a sűrített levegő a 1 munkahengerek dugattyúrúd oldali ( ) részébe. Ha a 6, vagy 7 útváltók közül az egyiket átváltjuk (a 4 szelepeknek köszönhetően elegendő az vagy a 6, vagy a 7 útváltót átváltani), akkor a 3 szelep 14 oldaláról átvált a másik állásba, így az 1 munkahengerek kifutnak a (+) pozícióba, ekkor nyílik ki az ajtó. Miközben a munkahengerek kifutnak, az 5 egységben lévő fojtó szelepen a levegő keresztüláramlik, és megfelelő nyomást elérve az 5 egységben lévő útváltó szelep 12 oldalán (a megfelelő idő elteltével), a rendszerben lévő 3/2-es szelep átvált. Ekkor a 3 útváltó a 12 oldalról átvált az alaphelyzetbe, és így a 2 szelepeken keresztül a levegő a munkahengerek ( ) részébe jut, azok visszafutnak alaphelyzetbe, és az ajtók bezáródnak. Az ajtó automatikus nyitás/zárás idejének és sebességének beállítása a 2 fojtóvisszacsapó szelepekkel történik. A [3] alapján megrajzoltuk az 1 munkahenger és a 3 útváltó ütemdiagramját (2.1 ábra). 2.1 ábra Ütemdiagram a 2.2 ábrán lévő kapcsoláshoz 5/19.oldal
2.2 ábra Kétszárnyú tolóajtót működtető pneu-mechanikus vezérlés 6/19.oldal
A 2.4 ábrán vázolt egyajtós elektro-pneumatikus rendszer elemei az alábbiak: 1 db kétoldali működésű, löketvégi csillapítású munkahenger (1), 1 db kettős visszacsapó (VAGY) szelep (2), 1 db fojtó-visszacsapó szelep (3), 3 db 3/2-es, elektromos vezérlésű, rugós visszatérésű, monostabil útváltó (4.1, 4.2, 4.3), 1 db elektromos vezérlés fotocellás, vagy padlókapcsolós működtetéssel (5), 1 db elektromos vezérlésű időtag az ajtó késleltetett zárásához (6), 1 db fojtószelep (7), 1 db hangtompítós ürítő szelep (8), 1 db 3/2-es, mechanikusan reteszelhető, bistabil útváltó szelep (9), 1 db levegő-előkészítő egység illetve a táplevegő (10). A 2.4 ábra szerinti rendszer működése: Az ajtó alaphelyzetben zárva van. Az 5 padlókapcsolós, vagy fotócellás elektromos vezérlés aktiválásakor a 4.3 útváltó szelep átvált, és a levegő a 10-9-4-3 elemeken keresztül az 1 munkahenger jobboldali (+) részébe jut, kifut a munkahenger, és az ajtó kinyílik. Ekkor az 1 munkahenger dugattyúrúd oldaláról ( ) a levegő a 2-7-8 úton távozik. Amint az 1 munkahenger teljesen kifutott, az ezt érzékelő egység jelet küld az időtagnak, és ott elindul a visszaszámlálás. Amint letelt az ott beállított idő, akkor a 4.2 útváltó szelep működésbe lép, és így a levegő 10-9-4.2-2 elemeken keresztül az 1 munkahenger dugattyúrúd oldalára ( ) jut, a henger visszamegy az alaphelyzetébe, és az ajtó bezáródik. A zárás sebessége lassabb, mint a nyitás sebessége, ugyanis a 3 fojtást erősebbre állítják. Ezzel is az utas védelmét szolgálják. Az ajtó automatikus zárás idejének és sebességének beállítása a 3 fojtó-visszacsapó szeleppel történik. Az 1 munkahenger, a 4.2 és 4.3 útváltó szelepek ütemdiagramja a 2.3 ábrán látható 7/19.oldal
2.3 ábra Ütemdiagram a 2.4 ábrán lévő kapcsoláshoz Amennyiben nincs áram, akkor az előbbi eset nem állhat fenn. Az 5 vezérléstől, áram hiányában, a 4.3 szelep nem tud átváltani, így az ajtó zárva marad. Ekkor kézzel lehet az ajtót kinyitni. Ha elkezdjük az ajtót kézzel kinyitni, akkor az 1 munkahenger (+) oldalába a 8-4.3-3 elemeken át juthat be a sűrített levegő. A munkahenger ( ) oldaláról a levegő a 2-7-8 elemeken át távozhat. Mivel ilyenkor a munkahenger két része között kapcsolat van, ezért a levegő a munkahenger ( ) oldaláról a 2-7-4.3-3 elemeken át is eljuthat a munkahenger (+) oldalára. Ezzel tudjuk biztosítani vész esetén az ajtó kinyitását. 8/19.oldal
Nyitás Ajtó Felgyorsuláskésleltetés 4.1 + 7 6 Időtag Zárás 4.2 4.3 8 10 9 2.4 ábra Egyszárnyú tolóajtó működtetése elektro-pneumatikus vezérléssel. 9/19.oldal Zárás 1 2 3 5 Padlókapcsolós vagy Fotocellás Nyitás -
A 2.2 és 2.4 ábra szerinti kapcsolási tervek helyiségek tolóajtóihoz készültek, közülük vagylagosan választható a tisztán pneu-mechanikus, vagy a elektro-pneumatikus vezérlésű megoldás. Mindkét változat rendelkezik a nyitás után késleltetési idővel, amelynek letelte után az automatikus zárás folyamata elindul. Mindkét esetben választható a nyitás és a zárás kézi távműködtetése, vagy a zárás időtagos működtetése. Ha a berendezés elhelyezéséhez oldalirányban kevés a hely, a munkahengerek közvetlenül az ajtó fölött is elhelyezhetők. A dugattyúrúd, amelynek átmérője rendszerint kisebb, mint az ajtó vastagsági mérete, nyitáskor az ajtóval együtt mozog. Megoldható a munkahenger függőleges elhelyezése az ajtó mellett, az ajtókereten is, amikor az ajtó vízszintes mozgatását pl. a 90 fokos iránytörést biztosító görgőkötélrendszer közbeiktatásával oldjuk meg. A biztonsági előírások (vészkijárat biztosítása pl. a kocsi elhagyásához, vagy tűzveszélynél) az ajtó kézi kinyitásának lehetőségét is megkívánják, ami akkor szükséges, ha áram, vagy levegő kimaradás történik. A nyitást ellensúly segítheti. Hálózati kimaradásnál a belső ajtó nyitása nagyon egyszerűen megtörténhet kézi beavatkozás nélkül is. Megoldás lehet például az, ha az ajtót pneumatika zárja és egy ellensúly nyitja, amikor gondoskodni kell a levegő eltávozásáról. A munkahengerek lökethossza az ajtók elmozdulási úthosszához, azaz a nyílás szélességéhez igazodik. Ez érvényes lehet lengőajtónál, amikor a henger lökethosszát a forgásponthoz viszonyított henger elhelyezés határozza meg. Az egyszárnyú ajtók nyílásszélességei pneumatikus munkahengerrel való közvetlen működtetésnél 2000 mm-ig terjedhetnek. Ennek oka egyrészt a konstrukciós kialakítás nehézségeiben, másik a gazdaságossági (költség) kérdésekben található. A 2000 mm-nél nagyobb méretű elmozdulásokat a hengerrel működtetett mechanikai szerkezetekkel célszerű megoldani. A 2.4 ábra szerinti megoldásban az ajtó kézi zárásakor a henger a 2 visszacsapó szelepen és a 7 fojtáson keresztül levegőt szívhat be. Nyitáskor az 1 henger jobboldaláról a levegő a beállítható 3 fojtáson és 4 nyitott útváltó szelepen eltávozhat. A bemutatott ajtóvezérlések jól használhatók a vasúti járművek nyílászáróinak mozgatására is. A következőkben ezek laboratóriumi modellezésével foglalkozunk. 10/19.oldal
2.2 MÁV-nál alkalmazott vasúti kocsi ajtók mozgatásának leírása A MÁV-nál egy Intercity szerelvényeken kétféle belső ajtó működését vizsgáltuk: szakaszajtó, amely a kocsi előterétől választja el az utas-részt, illetve átjáró ajtó, ami az egyes kocsik közötti átjárást biztosítja. A két ajtótípus mozgatása között az alábbi eltérések mutatkoznak: a szakaszajtónál egy munkahenger mozgat egy darab egyszárnyú ajtót, az átjáró ajtónál egy munkahenger kétszárnyú ajtót mozgat egy közvetítő lánc és lánckerekek segítségével, ezt a megoldást a 2.3 ábra mutatja 2.3 ábra A kétszárnyú tolóajtó nyitásának szemléltetése 11/19.oldal
2.4 ábra Az egyszárnyú tolóajtó és a homlokajtó kapcsolószekrényben található pneumatikus kapcsolási rajza A 2.4 ábra fényképén lévő kapcsolási rajzon látható, hogy a kétféle ajtó mozgatását vezérlő pneumatikus körben eltérés mutatkozik az ajtó(k) nyitásánál: egyszárnyú tolóajtónál a 12 fojtó-visszacsapó szelep a 11 vésznyitó 3/2-es útváltó szelep és a 6 5/3 útváltó szelep között helyezkedik el, homlok tolóajtónál az 12-vel azonos funkciójú 17 fojtó-visszacsapó szelep a 18 henger és a 16 vésznyitó 3/2-es szelep között van. Ez a megoldás az elterjedt és a javasolt. A 2.5 ábrán látható az egyszárnyú belső szakaszajtó mechanizmusa kifutott állapotban, azaz amikor az ajtó nyitva van. Az ábra jobboldalán a működtető henger és az ajtót vezető rúd, baloldalán henger és kitolt dugattyúrúd a működtetett szerkezettel, amely az alsó rúdon gördülően megvezetett. 12/19.oldal
2.5 ábra A belső szakaszajtó mechanizmusának részletei. A 2.6 ábrán a szakaszajtó jobb oldali részének kinagyított képe látható visszahúzott állapotban, azaz amikor az ajtó zárva van. Itt látható: a munkahenger jobb oldala, a hengerház forgó felfogatása és a hengerbe befutó pneumatikus vezetékek (kék színnel), az ajtót mozgató mechanizmus jobb oldali vége, és a végálláskapcsoló alul jobbra a piros húzókar egy elektro-pneumatikus elven működő vészkar Munkahenger Ide fut be a kék vezeték Ajtót mozgató mechanizmus Végálláskapcsoló Vészkar 2.6 ábra A szakaszajtó jobb oldali részének kinagyított képe 13/19.oldal
A 2.7 ábrán megfigyelhető a homlokajtót működtető mechanizmus, és a munkahenger végére csatlakoztatott egységhez kapcsolt lánc, amellyel az ajtó két szárnya nyithatócsukható. Ez a lánc nyitja, illetve csukja az ajtó két szárnyát. Lánc Munkahenger Lánc 2.7 ábra A homlokajtó mechanizmusa 14/19.oldal
3. Laboratóriumi modellezés A Robert Bosch Mechatronikai Tanszék Bosch-Rexroth laboratóriumi eszközeivel a 3.1 ábrán látható pneumatikus és villamos kapcsolást állítottuk össze. Az elektropneumatikus vezérlés kapcsolásának laboratóriumi fényképe a 3.3 ábrán látható. A pneumatikus kapcsolás a következő elemekből áll: 1 db kétoldali működésű, reed relével (B1) ellátott munkahenger (Z1), 1 db fojtó-visszacsapó szelep (SV1), 1 db 5/2-es rugós visszatérítésű, egyik oldalon elektromos működésű (Y1), monostabil útváltó szelep, ami az egyik kimeneti csatlakozó lezárásával 3/2-es szelepként funkcionál (F2), 1 db 5/2-es mindkét oldalon pneumatikus vezérlésű, bistabil útváltó szelep (F1), 1 db torló-fúvókás érzékelő (S1), 1 db 3/2-es mechanikusan működtetett, bistabil útváltó szelep (E1), 1 db levegő-előkészítő egység (LEE). A villamos kapcsolás a következő elemeket tartalmazza: 1 db reed relé (B1), 1 db időtag (K1) 1 db relé (Y1). A 3.1 ábrán látható kapcsolás hasonlít a 2.4 ábrán látható kapcsolásra. Az eltérések a következőkben rejlenek: a fotocellás nyitás helyett itt egy torló-fúvókás érzékelő segítségével valósítjuk meg a folyamat elindítását; a 2 db 3/2-es szelep helyett 2 db 5/2-es szelepet alkalmazunk, mégpedig úgy, hogy az egyik a munkahenger ki- és befutását vezérli, a másik pedig az előző szelep egyik oldali pneumatikus vezérlését; a laboratóriumi kapcsolásban felgyorsulás-késleltetés nincs, így a kettős visszacsapó szelepre sincs szükség. 15/19.oldal
Villamos kapcsolás B1 Z1 munkahenger +24V + - B1 K1 K1 Y1 SV1 0V 1.ág 2.ág F1 4 2 14 12 1 Y1 F2 S1 E1 LEE 3.1 ábra A laboratóriumban összeállított kapcsolás 16/19.oldal
A 3.1 ábra szerinti rendszer működése: Az ajtó alapesetben zárva van. Ekkor a levegő az LEE-E1-F1 útváltó szelepen át jut a Z1 munkahenger dugattyúrúd oldali ( ) részébe. Ha az S1 torló-fúvókás érzékelőnél a fúvókából kiáramló levegőnek útját állja valami, jelen esetben egy munkahenger, akkor a rendszerben szereplő S1 útváltó szelep átvált, az F1 szelep 12 oldalról átvált a másik állásba, a levegő a LEE-E1-F1-SV1 elemeken át jut a Z1 munkahenger (+) oldalára, így a Z1 munkahenger kifut. Amint a munkahenger kifutott, az ezt érzékelő egység (B1) áramköre záródik, így a villamos kapcsolás 1. ága is záródik. A K1 időtag így áram alá kerül, és elkezdi a beállított idő szerinti visszaszámlálást. Amint az idő letelt, a 2. ágon levő K1 záródik, és így az Y1 is záródik. Az Y1 gerjesztésre az F2 útváltó szelep átvált, az F1 útváltó 14 oldala nyomás alá kerül és átvált, így a levegő a LEE-E1-F1 elemeken át jut a Z1 munkahenger ( ) kamrájába, és a Z1 munkahenger visszafut alaphelyzetébe. A munkahenger (+) oldaláról a SV1 fojtó-visszacsapón keresztül távozik a levegő, ami lassítja a visszafutási sebességet. A munkahenger automatikus kifutás/visszafutás idejének és sebességének beállítása az SV1 fojtó-visszacsapó szeleppel történik. Az 1 munkahenger és a F1, F2 útváltó szelepek ütemdiagramja a 3.2 ábrán látható 3.2 ábra Ütemdiagram a 3.1 ábrán lévő kapcsoláshoz 17/19.oldal
F1 F2 Y1 LEE E1 Cservenák Ákos 18/19.oldal A laboratóriumban összeállított kapcsolás fényképe 3.3 ábra S1 SV1 B1 Z1 K1
4. Összefoglaló: A TDK dolgozatban a szakirodalom alapján áttekintettük a vasúti személykocsik pneumatikus/elektro-pneumatikus működtetésű belső ajtóinak működtetési megoldásait. A Magyar Állami Vasutaknál (MÁV-nál) használt két megoldást részletesebben is megvizsgáltunk és elemeztünk. Az egyik elektro-pneumatikus kapcsolást a Miskolci Egyetem Robert Bosch Mechatronikai Tanszékének hidraulikapneumatika laboratóriumában kisebb módosítással megépítettük és modelleztük. 5. Irodalomjegyzék: [1] Deppert-Stoll: Pneumatika a gyakorlatban [2] Bosch Rexroth Group: A pneumatika alapjai [3] Szaladnya S.- Telek, P.: A pneumatikus automatizálás eszközei, a tervezés módszerei, Budapest, 2009 19/19.oldal