Analiza przyczyn przyspieszonego zużycia powierzchni ... · uszkodzenia powierzchni tocznej,...

POJAZDY SZYNOWE NR 2/2007

1. Wstęp W autobusach szynowych serii SA 108 eksplo-

atowanych na terenie Województwa Wielkopolskiego przez lokalny Zakład Przewozów Regionalnych PKP wystąpiło zjawisko zbyt intensywnego, przedwcze-snego zużycia powierzchni tocznych kół monobloko-wych, zarówno napędnych jak i tocznych. Zużycie wystąpiło nie tylko w postaci normalnego, równo-miernego starcia powierzchni tocznej, ale też w po-staci głębokich lokalnych ubytków (wżerów), wymu-szających wcześniejsze niż deklarowane przez produ-centa wycofanie z eksploatacji zestawów kołowych celem przetoczenia kół.

Zjawisko to zaniepokoiło poważnie zarówno właściciela pojazdów (władze samorządowe), użyt-kownika, jak i producenta. Badania wstępne możli-wych przyczyn tego zjawiska wykonano w Politech-nice Poznańskiej [1], na wycofanych z eksploatacji najmocniej zużytych kołach autobusu szynowego SA 108-004. Dotychczas ZNTK Poznań S.A. wykonały partię 10 sztuk autobusów SA 108.

Przeprowadzono studium literaturowe proble-mu i stwierdzono, że rodzaje zużycia podobne do powstałych na kołach badanego autobusu nie są na świecie rzadkością; powstawały i są opisywane w fachowej literaturze angielskiej, amerykańskiej, ja-pońskiej, jak również w polskiej i wielu innych. Do-konano więc opisu najczęściej występujących uszko-dzeń powierzchni tocznych kół.

Dokumentację konstrukcyjną wózka i układu biegowego opracował dr inż. Ryszard Suwalski, na-tomiast obliczenia konstrukcyjne nadwozia wykonane zostały przez firmę Energocontrol sp. z o.o. w Kra-kowie. Badany autobus, oznaczony przez Wielkopol-ski Zakład Przewozów Regionalnych PKP numerem SA 108-004, jest autobusem typu 215M (oznaczenie konstrukcyjne ZNTK Poznań S.A.).

2. Opis obiektu badań Przedmiotem ekspertyzy był autobus szynowy

SA 108-004, wyprodukowany przez ZNTK Poznań S.A. dla Urzędu Marszałkowskiego Województwa Wielkopolskiego. Pojazd został wyprodukowany w roku 2003 i przekazany w użytkowanie do Wielko-polskiego Zakładu Przewozów Regionalnych PKP.

Rys. 1. Autobus szynowy serii SA 108 [10]

Autobus serii SA 108 jest pojazdem dwuczło-nowym (rys. 1), człony połączone są ze sobą przegu-bowo, każdy człon oparty jest na dwóch wózkach jednoosiowych – napędnym i tocznym. Wózki na-pędne znajdują się na krańcach składu, a wózki tocz-ne w środku. Wszystkie zestawy kołowe wyposażone są w hamulec tarczowy i nie mają hamulców klocko-wych. Zestawy kołowe są wyposażone w koła mono-blokowe i miały być zgodnie z dokumentacją wyko-nane ze stali R7T przez hutę BONATRANS a.s. w Bohuminie (Czechy). Całkowita masa pojazdu wyno-si 54 t, a jego prędkość maksymalna 110 km/h. Auto-bus podjął eksploatację dnia 09.01.2004 r., w począt-kowym okresie obsługując trasę Poznań – Wągrowiec

1

prof. dr hab. inż. Jerzy Kwaśnikowski prof. dr hab. inż. Leszek Małdziński dr inż. Jacek Borowski mgr inż. Bartosz Firlik mgr inż. Grzegorz Gramza Politechnika Poznańska

Wstępna analiza przyczyn niepokojąco szybkiego zużycia (z wyłuszczeniami) powierzchnitocznych kół monoblokowych zestawów kołowych lekkiego pojazdu szynowego serii SA 108z hamulcami tarczowymi. Wykonano badania metalograficzne i wytrzymałościowenajbardziej zużytego wieńca, oraz dokonano analizy sposobu eksploatacji pojazdu.Przypuszczalnymi przyczynami były: za mała zawartość węgla w stali, brak ulepszeniacieplnego wieńców kół oraz zbyt intensywne hamowania eksploatacyjne.

Analiza przyczyn przyspieszonego zużycia powierzchni tocznych kół autobusu szynowego SA 108 ( 215M )


– Gołańcz – Poznań, a od stycznia 2006 trasę Krzyż – Chojnice. 3. Przebiegi między kolejnymi przetoczeniami i opis zużycia powierzchni tocznych kół

Do pierwszego przetoczenia kół pojazd został wycofany w dniu 27.05.2004, z przebiegiem 41 878 km, z powodu płaskich miejsc na powierzchni tocz-nej. Podczas reprofilacji na kołach zebrano warstwy materiału o grubości 13÷17 mm. Drugie przetoczenie odbyło się po przebiegu 99 500 km od pierwszego przetoczenia, z powodu płaskich miejsc i wykruszeń na powierzchni tocznej, określonych jako „rakowi-ny”. Stoczono wówczas 23÷30 mm warstwy materia-łu i przekazano pojazd do dalszej eksploatacji. Kolej-ne przetoczenie miało miejsce po przebiegu 85 947 km (od ostatniego przetoczenia), również z powodu płaskich miejsc i rakowin – zebrana warstwa materia-łu zawierała się między 22÷25 mm. Dnia 21.01.2006 autobus został ponownie przekazany do serwisu pro-ducenta z powodu wżerów i płaskich miejsc na ko-łach członów A i B, jednak z uwagi na starcie kół poniżej dopuszczalnej minimalnej średnicy, kolejna reprofilacja kół nie była możliwa.

Po demontażu zużytych kół, na pojeździe zo-stały zamontowane zestawy kołowe z nowymi kołami monoblokowymi produkcji Lucchini Sidermeccanica S.p.A.

Zdemontowane z pojazdu zużyte koła poddano szczegółowej analizie w celu wyjaśnienia przyczyn tak szybkiego zużycia powierzchni tocznej (produ-cent autobusu gwarantował przebiegi rzędu 150 000 km między kolejnymi przetoczeniami). Na wszyst-kich zestawach kołowych autobusu zaobserwowano silne zużycie z widocznymi złuszczeniami oraz wy-kruszeniami materiału.

Zestawy kołowe napędne nr 1 i 4 oraz zestaw kołowy toczny nr 2 miały optycznie porównywalne

Rys. 2. Pojedyncze wykruszenia na powierzchni tocznej zestawu kołowego nr 2

zużycie na powierzchni tocznej. Widoczne były poje-dyncze wykruszenia (rys. 2) i złuszczenia struktury, płaskie miejsca, jak również nieliczne wybłyszczenia (jasne obszary mające postać plam – rys. 3).

Rys. 3. Wybłyszczenia na powierzchni tocznej zestawu kołowego nr 1

Zestaw kołowy nr 3 wykazywał największe uszkodzenia powierzchni tocznej, dlatego poddany został bardziej szczegółowej analizie. Na całym obwodzie występowały silne wykruszenia i liczne pęknięcia powierzchniowe, jak również niewielkie wybłyszczenia. Poprzeczne pęknięcia znajdują się w pobliżu lub na krawędziach wykruszeń (rys. 4).

Rys. 4. Uszkodzenia na powierzchni tocznej zestawu koło-wego nr 3

Pęknięcia przebiegały nieregularnie i były ograniczone do obszaru powierzchni tocznej (rys. 5). Głębokość wykruszeń była zróżnicowana i wynosiła od kilku dziesiętnych milimetra do kilku milimetrów. Nie zaobserwowano zużycia zmęczeniowego obrzeża zestawu kołowego.

Zestaw kołowy nr 3 wykazuje też silne, niesymetryczne zużycie ścierne powierzchni tocznych obu kół - powierzchnia toczna koła prawego (rys. 6) jest dużo bardziej zużyta niż powierzchnia toczna koła lewego (rys. 7).

2


Rys. 5. Nieregularne pęknięcia i głębokie wykruszenia na powierzchni tocznej zestawu kołowego nr 3

Rys. 6. Zużycie powierzchni tocznej koła prawego zestawu kołowego nr 3

Na rysunku widać też płynięcie materiału na skutek rozwalcowywania powierzchni tocznej pod-czas jazdy.

Rys. 7. Zużycie powierzchni tocznej koła lewego zestawu kołowego nr 3

Ze względu na nadmierne zużycie, zestaw ko-łowy nr 3 został zakwalifikowany do dalszych badań.

4. Opis rodzajów zużycia na podstawie studium literaturowego

4.1. Oddziaływania na styku koła i szyny Styk koła i szyny odbywa się na pewnej po-

wierzchni o kształcie owalnym. Wielkość tej po-wierzchni zależy od sprężystości materiału koła i szyny, oraz od promienia koła i nacisku koła na szynę (obciążenia koła). Jeżeli na koło nie działa żaden moment obrotowy, to koło toczy się po szynie bez poślizgu – a więc między kołem i szyną zachodzi tarcie toczne .

Jeżeli na koło działa jakikolwiek moment obro-towy (napędowy lub hamujący), to na części po-wierzchni styku (określanej jako powierzchnia przy-legania) koła i szyny pojawia się poślizg, podczas gdy jej pozostała część zachowuje przyczepność. Miarą takiego poślizgu jest tzw. poślizg względny λ, defi-niowany jako iloraz różnicy prędkości punktu na ob-wodzie koła i prędkości środka koła (prędkości jazdy całego pojazdu) do prędkości jazdy. Jeżeli na części powierzchni styku istnieje strefa przyczepności, zja-wisko to nazywamy mikropoślizgiem – w tym przy-padku poślizg względny ma wartość na ogół poniżej 10%. Jeżeli strefa przyczepności znika całkowicie, wówczas koło wpada w poślizg pełny – poślizg względny rośnie do wartości równej 100%, jeśli koło zostanie zablokowane (np. podczas hamowania).

4.2. Pojęcie zużycia kół Zużycie kół rozpatrywać można jako propor-

cjonalne do energii dysypowanej przy pokonywaniu oporów toczenia kół po szynach. Jest ono określane przez poślizg względny λ i naciski p w strefie przyle-gania, których przebiegi pλ=const przedstawione są na rys. 8. Widoczne są obszary z różnymi rodzajami normalnego i nieprawidłowego przebiegu zużycia konwencjonalnych szyn i kół ze stali węglowych o początkowej twardości do 300 HB.

Rys. 8. Rodzaje zużycia kół i szyn stalowych: 1 – obszar normalnego przebiegu zużycia, 2 – granica nienormalnego

przebiegu zużycia [8]

3


Krzywa p λ = 40 jest granicą pomiędzy nor-malnym i intensywnym rodzajem zużycia, podczas gdy p λ = 120 jest granicą pomiędzy intensywnym a krytycznym rodzajem zużycia [8].

4.3. Zdarzenia i czynniki wpływające na zużycie Na wielkość zużycia wpływają wartości naci-

sków i względnego poślizgu w obszarze styku, które zależą od następujących parametrów i zjawisk:

- obciążenia kół (wielkość zużycia koła i szyny rośnie wraz ze wzrostem obcią-żenia)

- prześwitu toru (mniejszy prześwit toru powoduje większe zużycie obrzeża)

- twardości materiału (wzrost twardości koła jest uważany za jeden z ważniej-szych czynników zwiększających od-porność na zużycie)

- struktury materiału (odporność na zu-życie stali perlitycznych rośnie wraz z zawartością węgla, co może być wy-jaśnione przez wyższą twardość po-wierzchni tocznych, oraz rozdrobienie mikrostruktury warstwy wierzchniej w procesie utwardzania przez zgniot)

- obróbki cieplnej (normalizowanie, ulepszanie cieplne).

Ponadto współpracujące powierzchnie koła i szyny mogą zostać utwardzone przez wielokrotne kontakty (stykanie się) podczas eksploatacji. Proces ten określa się jako utwardzanie przez zgniot. Gru-bość warstwy utwardzonej wynosi tylko kilka dzie-siątych milimetra i nie przekracza 0,5 mm podczas obrotu kół, dlatego kontrolowanie tego procesu jest utrudnione.

4.4. Najczęstsze typy uszkodzeń powierzchni tocz-nej koła

Do najważniejszych rodzajów zużycia i uszko-dzenia zestawów kołowych można zaliczyć:

- wykruszenia zmęczeniowe na po-wierzchni tocznej („shelling”)

- pęknięcia zmęczeniowe na powierzchni tocznej („spalling”)

- płaskie miejsca („wheel flat”).

4.4.1. Zmęczeniowe wykruszenia na powierzchni tocznej („shelling”)

Zużycie koła typu „shelling” charakteryzuje się utratą niewielkiego skrawka powierzchni tocznej koła wskutek działania naprężeń kontaktowych RCF (Rolling Contact Fatigue) – co pokazano na rys. 9.

Uszkodzenia typu „shelling” tworzą się najczęściej w następstwie płaskich miejsc lub pęknięć termicznych. Na powierzchni zahartowanego martenzytu pęknięcia termiczne łączą się ze sobą – co

może powodować lokalne ubytki materiału o głębo-kości ok. 1 mm. Pęknięcia tego typu łatwo propagują do wnętrza (w głąb) koła. Zmęczenie powierzchni tocznej w tych miejscach zwiększa się, prowadząc do cienkiego i płytkiego łuszczenia materiału, które two-rzy się na obwodzie koła, osiągając szerokość do 10 mm. Koła o takim zużyciu mogą powodować dyna-miczne przeciążenie toru, co z kolei prowadzić może do pęknięcia szyn.

Rys. 9. Początki zjawiska typu „shelling” na powierzchni tocznej koła [8]

Główną przyczyną uszkodzeń typu „shelling” są zwiększone naprężenia kontaktowe spowodowane niewłaściwą geometrią obrzeża jak również zwięk-szona przyczepność związana z niewłaściwym pro-wadzeniem zestawu kołowego.

Zwiększone naprężenia kontaktowe mogą być również spowodowane niekonforemnymi profilami koła i szyny, przeciążeniem dynamicznym wynikają-cym z nierównomiernie rozłożonego ładunku, ude-rzeń od płaskich miejsc lub nierówności toru.

Wg literatury, do zapobiegania i kontrolowania zużycia typu „shelling” proponuje się najczęściej następujące rozwiązania:

- zastosowanie na koła stali o mniejszej ilości zanieczyszczeń

- zastosowanie konforemnych profili koła i szyny

- wycofanie z eksploatacji kół, na których po-jawią się wygarbienia lub odkształcenia profi-lu na powierzchni tocznej koła

- częstsze, lekkie przetaczanie kół, w celu usu-nięcia powierzchniowych uszkodzeń

- stosowanie wózków samoprowadzących.

4.4.2. Zmęczeniowe uszkodzenia powierzchni tocz-nej („spalling”)

Zużycie koła typu „spalling” jest to ubytek niewielkiego skrawka powierzchni tocznej koła spo-wodowany powstaniem martenzytu podczas chwilo-wego nagrzania się koła wskutek tarcia podczas po-ślizgu (rys. 10).

4


Podczas poślizgu koła po szynie, energia tarcia może doprowadzić do gwałtownego wzrostu tempera-tury powierzchni tocznej, powyżej granicy austenitu (720 °C). Następnie podczas ochłodzenia z austenitu tworzy się martenzyt. Jest to twarda, krucha faza stali, łatwo oddzielająca się od materiału wieńca koła pod-czas obciążeń, inicjująca pęknięcia powierzchniowe, doprowadzając w końcu do uszkodzeń typu „spal-ling” [8].

Uszkodzenia typu „spalling” są na tyle podob-ne do uszkodzeń typu „shelling”, że nie można ich jednoznacznie rozróżnić poprzez oględziny wzroko-we. Jedynym nieniszczącym sposobem jest wytrawie-nie powierzchni tocznej. Jeśli nie będzie zmian w wyglądzie, to uszkodzenie jest typu „shell”. Jeśli obszar wokół uszkodzenia jest koloru szarego, to jest ono typu „spall”.

Według literatury [5 i 6], wielkość zużycia typu „spalling” jest odwrotnie proporcjonalna do masy pojazdu. Im masa pojazdu była mniejsza, tym wiel-kość zużycia była większa i tym więcej kół zostało wycofanych z eksploatacji z powodu tego zjawiska. Jest to szczególnie istotna uwaga, gdyż badany auto-bus szynowy jest pojazdem lekkim, a więc zgodnie z powyższym stwierdzeniem bardziej narażonym na tego typu uszkodzenia.

Rys. 10. Początki zjawiska typu „spalling” na powierzchni tocznej koła [9]

Poślizg koła, w wyniku którego wytwarza się struktura martenzytyczna początkująca „spalling”, może mieć kilka przyczyn:

- intensywne hamowanie pojazdów o małej masie lub hamowanie nagłe (awaryjne)

- niska przyczepność koła do szyny - nierówności na powierzchni toru, np. falistość - poślizg koła na łukach o małym promieniu.

Najczęściej polecanym w literaturze sposobem

zapobiegania i kontrolowania zużycia typu „spalling”

jest podwyższenie temperatury początku austenizo-wania materiału koła (np. przez dodanie chromu w trakcie produkcji) oraz zapewnienie odpowiedniej siły hamującej koło poprzez właściwy dobór układu ha-mulcowego, szczególnie dla pojazdów o małej masie.

4.4.3. Płaskie miejsca i narosty

Pod pojęciem płaskiego miejsca rozumie się płaski obszar na powierzchni tocznej koła, spowodo-wany jego poślizgiem po szynie. Płaskie miejsca wy-nikają przeważnie z błędów obsługi w procesie jazdy lub hamowania, jak również nieprawidłowego funk-cjonowania układu hamulcowego [4]. Przyczyna po-ślizgu może wynikać też z uszkodzenia lub zamarz-nięcia hamulców, przyłożenia zbyt dużej siły hamują-cej lub też nieprawidłowego kontaktu klocków ha-mulcowych z powierzchnią toczną koła.

Występowanie płaskich miejsc może genero-wać duże obciążenia uderzeniowe szyny, jak również prowadzić do owalizacji koła. Wysoka temperatura wieńca koła podczas poślizgu, a następnie szybkie chłodzenie, gdy koło ponownie zaczyna się obracać, mogą powodować powstawanie struktury martenzy-tycznej w miejscu spłaszczenia, która jako bardziej podatna na pęknięcia i wykruszenia powoduje ich szybsze rozprzestrzenianie się w głąb materiału.

Płaskie miejsca można sklasyfikować następu-jąco:

- pojedyncze spłaszczenie w postaci owalnego obszaru uszkodzenia, spowodowane zablo-kowaniem koła w jadącym pojeździe – ob-serwowane często na kołach tocznych

- plamkowe spłaszczenie, jako zbiór pojedyn-czych spłaszczeń

- spłaszczenie ciągłe – długie i wąskie, powsta-je gdy koło zestawu ślizga się wzdłuż szyny bez blokady kół; spłaszczenia tego typu (czę-sto z plastycznym płynięciem materiału) wy-stępują przeważnie na kołach napędnych.

Do zapobiegania powstawaniu płaskich miejsc na powierzchni tocznej proponuje się w literaturze następujące rozwiązania:

- unikanie nagłego i gwałtownego hamowania - bieżąca kontrola urządzeń przestawczych

próżny/ładowny - wycofywanie do przetoczeń kół przekraczają-

cych wartości graniczne zużycia - wprowadzenie urządzeń badających obciąże-

nia uderzeniowe kół, oraz korygowanie gra-nicznych wartości nieokrągłości kół w opar-ciu o kryteria obciążeń uderzeniowych

- dokładne usuwanie warstwy martenzytycznej (oraz kilkumilimetrowej warstwy pod nią) podczas reprofilacji zużytych kół.

5


4.5. Sposoby zapobiegania zużyciu kół i szyn

W celu zmniejszenia zużycia koła i szyny, przemysł kolejowy wciąż poszukuje nowych środków zaradczych i technik utrzymania. Do najbardziej po-wszechnych metod należą:

- zwiększenie twardości stali perlitycznych przez zwiększenie zawartości węgla, roz-drobnienie mikrostruktury, jak również ter-miczne utwardzanie kół (hartowanie plazmo-we i elektrołukowe)

- odpowiednie smarowanie na styku koła i szy-ny oraz zmniejszanie poślizgu względnego poprzez zmniejszanie kąta nabiegania koła na szynę

- stosowanie różnych rodzajów profili szyn na łukach i odcinkach prostych

- kontrola i utrzymanie optymalnego prześwitu toru, zwłaszcza na łukach

- systematyczna reprofilacja kół w celu usunię-cia nieprawidłowości powierzchni i płynięcia metalu

- w przypadku zjawiska „spallingu” najbar-dziej efektywnym i sterowalnym sposobem zapobiegania jest zapewnienie odpowiedniej siły hamującej koło, poprzez udoskonalenie i odpowiednie utrzymanie układu hamulcowe-go pojazdu

- w celu zapobiegania zjawisku płaskich miejsc proponuje się przede wszystkim unikanie na-głego hamowania, bieżącą kontrolę urządzeń przestawczych, wycofywanie z eksploatacji kół przekraczających wartości graniczne zu-życia oraz wspomniane usuwanie warstwy martenzytycznej (i kilkumilimetrowej war-stwy pod nią) podczas reprofilacji kół.

5. Analiza sposobu eksploatacji autobusu 5.1. Zapisy z przeglądów kontrolnych

W każdym pojeździe prowadzona jest książka pokładowa, w której maszyniści i pracownicy serwisu zapisują swoje uwagi i spostrzeżenia oraz zdarzenia. Serwis prowadzony jest przez producenta. W ramach serwisu prowadzone są przeglądy kontrolne (PK) co jeden, dwa lub trzy dni. Przeglądy okresowe (PO), dokładniejsze, wykonywane są jeden raz w miesiącu.

Wielkopolski Zakład Przewozów Regionalnych w Poznaniu dostarczył kopię książki pokładowej po-jazdu. Dokonano analizy wpisów zawartych w książ-ce pod kątem znalezienia ewentualnych spostrzeżeń maszynistów i pracowników serwisu dotyczących zużycia kół.

Książka wykazuje szereg nieprawidłowości do-tyczących sposobu wykonywania przeglądów kontro-lnych. Poniżej przytoczono przykładowo charaktery-styczne fragmenty tej książki, dotyczące obserwowa-

nego, postępującego zjawiska zużycia kół: W dniu 4.01.2006 (godz. 1230) widnieje zapis

maszynisty, zdającego pojazd na stacji Poznań Główny, o treści: „Stuki na osiach pod członem A”. Wpis zostaje potwierdzony o godz. 2011 na stacji Piła. O godz. 2257 autobus zostaje przyjęty na stacji Chojnice, a w książce maszynista umieszcza wpis o treści: „Stuki na osiach pod członem A i B”. Pod wpisem o usterce nie ma pieczątki serwisu ZNTK Poznań S.A., a zatem można przypuszczać, że nie została ona wtedy usunięta. Najbliższy przegląd kontrolny (PK) wykonany został dnia 7.01. o godz. 045 z adnotacją „Szynobus sprawny”. Pod tym wpisem widnieje pieczątka serwisu ZNTK Poznań S.A.

Dnia 8.01.2006 o godz. 2257 na stacji Chojnice maszynista dokonał wpisu o treści: „Zestawy kołowe b/z, stuki opisano poprzednio”. Niecałe dwie godziny później (015), na przeglądzie kontrolnym 9.01.2006 stwierdzono „Wżery na kołach osi tocznej człon A”, Wżerów tych nie opisano na przeglądzie z 7.01.2006, a więc zaledwie dwa dni wcześniej (!).

Pojazd nie zostaje wycofany do reprofilacji, natomiast na przeglądach kontrolnych z dnia 11.01.2006 (godz. 020), 13.01.2006 (godz. 100), 15.01.2006 (godz. 025), oraz 17.01.2006 (godz. 400) nie ma żadnej adnotacji dotyczącej stanu kół, a jedynie wpis „Szynobus sprawny” i pieczątka serwisu ZNTK Poznań S.A.

Dnia 18.01.2006 (godz. 1515) na stacji Krzyż stwierdzono: „Brak sworznia na II osi człon A prawy”. Pojazd kontynuował jazdę do stacji Piła, gdzie o godz. 2240 stwierdzono „Brak dwóch sworzni na drugiej osi”. Wydano polecenie dyspozytorskie ograniczenia prędkości do 30 km/h, co potwierdzone zostało podczas analizy plików zapisu jazd z elektronicznych kości pamięci. Pojazd dojechał do stacji Chojnice, gdzie o godz. 240 potwierdzono: „Brak sworzni na 2-giej osi z prawej strony kabiny A”. Sworznie zostały założone podczas przeglądu kontrolnego 19.01.2006 o godz. 400, co znajduje potwierdzenie w książce pokładowej – natomiast nie widnieje tam żaden (!) wpis o stanie powierzchni tocznych kół.

Autobus kontynuuje pracę dnia 19.01.2006, wykonując jeszcze dwa kursy Chojnice – Krzyż – Chojnice. Ostatni wpis w książce pokładowej z dnia 19.01.2006 (godz. 2300) brzmi następująco (pisownia zgodna z oryginałem):

„Ze względu na głębokie wżery na kołach oś toczna czł. A; płaskie miejsca oś pędna czł. B, powodujące wypadanie sworzni i śrub mocujących cylindry szynobus wycofano z eksploatacji. Autobus odstawić do ZNTK POZNAŃ na obtoczenie zestawów kołowych”

Autobus szynowy SA 108-004 zostaje wycofany z eksploatacji i dnia 21.01.2006 przekazany do ZNTK Poznań S.A. celem reprofilacji kół.

6


5.2. Zapisy jazd autobusu szynowego

Autobusy szynowe serii SA 108 wyposażone są w tachografy kolejowe T-130P, przy użyciu których możliwa jest rejestracja: prędkości pojazdu szynowe-go, bieżącego czasu i drogi jaką przebywa pojazd. Ponadto zbierane są sygnały wejściowe pochodzące od SHP, czuwaka i hamulca. Informacje te są reje-strowane w sposób ciągły i po przetworzeniu następu-je ich zapis w elektronicznych kartach pamięci (EKP). Odczyt informacji następuje przy użyciu komputera z zainstalowanym programem kompute-rowym „TACHOxGRAF”. Oprogramowanie to po-zwala na odtworzenie na monitorze komputera całości lub fragmentu przejazdu w dowolnie wybranej skali. Przy odpowiednim powiększeniu możliwe jest ustale-nie chwili czasowej i współrzędnej drogi, od której rozpoczęto hamowanie pojazdu, a dzięki dodatkowe-mu znacznikowi łatwo można ustalić prędkość pojaz-du w danej chwili. Informacje te pozwalają na wy-znaczenie opóźnień w trakcie hamowania. Dane dostarczone przez Zakłady Taboru w Gdyni i Szczecinie w postaci plików z zapisami przejazdów autobusu szynowego SA 108-004 zarejestrowanymi przez tachograf w EKP dotyczyły okresu 06.01.2006 ÷ 19.01.2006. Analizie poddano pociągi o numerach 58721, 58723, 85722, 85728, relacji Krzyż – Chojni-ce, które obsługiwane były przez ww. autobus szyno-wy. Na skutek wynikłych w trakcie analizy trudności i niejasności związanych z odczytem i brakiem pew-nych danych, opisanych szerzej w raporcie [1],

Rys. 11. Wykres uzyskany w programie„TACHOx RAF” z zapisów na EKP dotyczących jazd autobusu szynowego SA 108-004

szczegółowa analiza ostatecznie ograniczyła się do wspomnianego wyżej okresu od 06.01.2006 ÷ 19.01.2006. Wybrane przejazdy z tego okresu były sprawdzane pod kątem zaobserwowania miejsc dużych spadków prędkości w czasie, sugerujących wystąpienie dużych wartości opóźnień w trakcie hamowania pojazdu. Przykładowy wykres uzyskany w programie „TACHOxGRAF” przedstawiono na rys. 11. Zaobserwować można duży spadek prędkości na krótkim odcinku drogi i w krótkim czasie, co świadczy o wystąpieniu dużego opóźnienia hamo-wania.

Po odczytaniu czasów i prędkości na początku i końcu manewru hamowania przeprowadzono obli-czenia. Wyniki tych obliczeń z ustalonymi warto-ściami opóźnień hamowania służbowego w trakcie przejazdów przedstawiono w tabeli 1.

Wg konstruktora układu hamulcowego autobu-sów szynowych typu 215M, opóźnienia hamowania tych pojazdów nie powinny przekraczać wartości:

- 0,60 m/s2 dla hamowania służbowego - 0,91 m/s2 dla hamowania awaryjnego.

Szczegółowa analiza trajektorii prędkości z za-pisów przejazdów autobusu szynowego SA 108-004 zarejestrowanych na EKP wykazuje, że w wielu przypadkach dochodziło do przekroczenia dopusz-czalnych wartości opóźnień dla hamowania służbo-wego, a w kilku miejscach wykraczały one nawet powyżej wartości dopuszczalnej dla hamowania awa-ryjnego.

7


Lp. Nr pociągu Data

Czas po-czątkowy

tp [hh:mm:ss]

Prędkość początkowa

vp [km/h]

Droga początkowa

sp [km]

Czas końcowy

tk [hh:mm:ss]

Prędkość końcowa

vk [km/h]

Droga końcowa

sk [km]

Opóźnienie hamowania służbowego

[m/s2]

Maszy-nista

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1. 85722 06.01.06 10:44:59 76 12,171 10:45:26 3 12,452 -0,75 A

2. 85722 06.01.06 11:10:40 43 41,647 11:10:55 4 41,731 -0,72 A

3. 85722 08.01.06 10:37:41 75 3,232 10:38:10 0 3,508 -0,72 B

4. 85722 08.01.06 10:44:19 95 12,031 10:44:49 3 12,434 -0,85 B

5. 85728 09.01.06 20:36:14 97 12,115 20:36:40 6 12,435 -0,97 C

6. 85728 09.01.06 21:17:52 84 65,056 21:18:13 4 65,277 -1,06 C

7. 85722 12.01.06 11:09:34 58 41,574 11:09:56 2 41,743 -0,71 D

8. 85722 12.01.06 11:30:37 47 65,205 11:30:54 2 65,297 -0,74 D

9. 58721 13.01.06 06:26:15 56 82,924 06:26:35 0 83,054 -0,78 D

10. 85722 13.01.06 10:49:20 62 18,030 10:49:45 4 18,228 -0,64 D

11. 58721 14.01.06 05:53:30 85 12,653 05:54:06 0 13,036 -0,66 E / F 1)

12. 58721 14.01.06 06:14:44 63 36,379 06:15:02 2 36,530 -0,94 E / F 1)

13. 85728 15.01.06 21:14:05 85 65,028 21:14:32 3 65,328 -0,84 C

14. 85728 15.01.06 21:23:41 87 76,031 21:24:10 3 76,349 -0,80 C

15. 58721 16.01.06 06:21:15 78 73,756 06:21:52 0 74,104 -0,59 G

16. 58721 16.01.06 06:28:01 76 82,670 06:28:40 0 83,029 -0,54 G

17. 58723 18.01.06 13:11:08 97 65,672 13:11:43 3 66,197 -0,75 B

18. 58723 18.01.06 13:22:19 76 80,545 13:22:54 0 80,921 -0,60 B

19. 85722 19.01.06 10:44:37 91 12,095 10:45:06 0 12,459 -0,87 F

20. 85722 19.01.06 11:40:00 76 76,003 11:40:31 0 76,314 -0,68 F

Opóźnienia hamowania wyznaczone na podstawie odczytów z EKP Tabela 1

1) niekompletne dane otrzymane od przewoźnika nie pozwalają na jednoznaczne określenie kierującego pojazdem

5.3. Drużyny trakcyjne

Poznańskie Zakłady Naprawcze Taboru Kole-jowego S.A. przeszkoliły ogółem 157 maszynistów, uprawionych do prowadzenia autobusów szynowych typu 213M i 215M. Kurs trwał 16 godzin i obejmo-wał zarówno zagadnienia teoretyczne z budowy, ob-sługi i eksploatacji, jak również jazdę na szlaku pod okiem doświadczonych maszynistów ZNTK. Z rejonu Krzyża i Chojnic (rejon pracy autobusu szynowego SA 108-004) wyszkolono ogółem 38 maszynistów.

Zakład Taboru PKP Cargo S.A. w Szczecinie dostarczył imienne zestawienie obsad drużyn trakcyj-nych, które w okresie 11.2005 ÷ 01.2006 wykonywały pracę na autobusie SA 108-004. Spis zawiera 18 na-zwisk, spośród których zaledwie 9 osób było uczest-nikami szkolenia i otrzymało certyfikaty z ZNTK Poznań S.A.

Z Zakładu Taboru PKP Cargo S.A. w Gdyni otrzymano zestawienie maszynistów prowadzących wszystkie pojazdy serii SA 108 w okresie 01.11.2005

do 21.01.2006 r. Spośród 24 maszynistów, 23 osoby były uczestnikami szkolenia i otrzymało certyfikaty z ZNTK Poznań S.A.

6. Badania materiałowe kół wybranego zestawu kołowego

Koła wszystkich zestawów kołowych są monoblokowe i powinny być wg dokumentacji technicznej wykonane ze stali R7T przez hutę BONATRANS a.s. w Bohuminie (Czechy). Do badań szczegółowych wybrano najbardziej zużyte podczas oględzin wieńce kół zestawu kołowego nr 3 (tocznego) pojazdu. Zakres badań był uwarunkowany krótkim oczekiwanym czasem do ustalenia przyczyn przedwczesnego zużycia oraz niewielkim funduszem na opłacenie bardziej szczegółowych badań.

Na obydwu kołach wyznaczono po dwa, naprzeciwległe wycinki, które zostały oznaczone jak na rys. 12.

8


Rys. 12. Wycinki nr 1 i 2 do badań koła prawego (większe zużycie)

Analogiczne wycinki wyznaczono na przeciw-ległym kole zestawu nr 3. Wybrane fragmenty kół zostały wycięte przez ZNTK Poznań S.A. zgodnie z zaznaczonymi wcześniej zarysami, a następnie prze-kazane do badań.

6.1. Analiza chemiczna

Karta UIC 812-3 [2] określa maksymalne za-wartości pierwiastków dla poszczególnych gatunków stali, jak również rodzaj i sposób obróbki cieplnej. Zgodnie z tym, dla stali R7T wieniec koła powinien być w całości zahartowany i wysoko odpuszczony, czyli ulepszony cieplnie – natomiast materiał powi-nien mieć skład chemiczny wg tabeli 2.

Numer próbki

C %

Mn %

Si %

P %

S %

Cr %

Ni %

Mo %

Cu %

Al %

Śrem 0,450 0,704 0,300 0,017 0,009 0,186 0,022 0,006 0,058 0.040 Z. Góra 0,479 0,709 0,280 0,021 0,012 0,190 0,025 0,006 0,059 0.032

Skład chemiczny (zawartość max. w %) dla wyrobu Numer wytopu C Si Mn P S Cr Cu Mo Ni V Cr+Mo+Ni 10169 0,49 0,32 0,70 0,012 0,009 0,17 0,11 0,01 0,05 0,00 0,23 10227 0,48 0,28 0,70 0,016 0,013 0,21 0,06 0,01 0,03 0,00 0,25 26778 b.d.* b.d.* b.d.* b.d.* b.d.* b.d.* b.d.* b.d.* b.d.* b.d.* b.d.*

Skład chemiczny (zawartość max. w %) dla wyrobu Gatunek Sali C Si Mn P S Cr Cu Mo Ni V Cr+Mo+Ni R6T 0,48 0,40 0,75 0,035 0,035 0,30 0,30 0,08 0,30 0,05 0,50 R7T 0,52 0,40 0,80 0,035 0,035 0,30 0,30 0,08 0,30 0,05 0,50 R8T 0,56 0,40 0,80 0,035 0,035 0,30 0,30 0,08 0,30 0,05 0,50

* producent nie dostarczył kopii atestu dla wytopu nr 26778, dlatego brak danych dla tego wytopu.

Wyniki badań składu chemicznego dla wybranych wycinków kół Tabela 4

Skład chemiczny wytopów kół autobusu SA 108-004 Tabela 3

Skład chemiczny stali stosowanych na koła [2] Tabela 2

Wartości te odnoszą się do analizy wyrobu. Dla analizy wytopu wartości maksymalne należy zmniej-szyć o dopuszczalne odchyłki, również zawarte w karcie UIC 812-3. Koła autobusu SA 108-004 pocho-dzą z trzech różnych wytopów (10169, 10227 i 26778), których skład chemiczny przedstawiono w tabeli 3.

Z porównania powyższych wartości z granicz-nymi, zawartymi w karcie UIC 812-3 wynika, że procentowa zawartość żadnego z pierwiastków nie przekracza dopuszczalnej zawartości, a często jest od niej znacząco niższa.

Wykonano zatem badania składu chemicznego metodami spektrometrycznymi w dwóch niezależ-nych laboratoriach – Odlewni Żeliwa „Śrem” S.A. oraz MAROTTI w Zielonej Górze. Skład chemiczny zbadanych próbek przedstawia tabela 4.

Różnice między wartościami wynikają z zasto-sowania różnej klasy spektrometrów, jak również z faktu, że próbki do badań nie były pobrane z tego samego miejsca. Ilość węgla nie przekracza wartości maksymalnej, zawartej w karcie UIC 812-3, jest jed-nak na tyle niska, że skład stali jest bliższy składowi stali R6T (o dopuszczalnej, maksymalnej zawartości węgla 0,48%). Zbadany skład chemiczny jest zgodny z atestem przesłanym przez producenta.

9


6.2. Badania mikroskopowe

Badania mikroskopowe oraz pomiary twardości wykonano w Instytucie Obróbki Plastycznej w Po-znaniu za pomocą mikroskopu świetlnego ECLIPSE L150 (Nikon). Próbki trawiono 3 procentowym nita-lem.

Do badań dostarczono 4 fragmenty, pobrane z wieńców obydwu kół zestawu tocznego nr 3. Z do-starczonych fragmentów kół zostały pobrane próbki z miejsc charakteryzujących się największym zużyciem powierzchni. Strukturę próbek pokazano na rys. 13 i 14.

Rys. 13. Utwardzona struktura drobnoiglastego martenzytu na powierzchni tocznej

Na powierzchni tocznej koła zauważono mię-dzy innymi widoczną na rys. 13 strefę utwardzoną o strukturze drobnoiglastego martenzytu, oraz wyraźne pęknięcia w strefie i pod tą strefą.

Rys. 14. Obszar w pobliżu powierzchni tocznej (widoczna siatka ferrytu na granicach ścisłego perlitu)

Na podstawie badań stwierdzono, że wieńce kół wykonane są ze stali perlityczno-ferrytycznej do ulepszania cieplnego. W strukturze tej stali (rys. 14) występuje ferryt w postaci siatki na granicach ziaren drobnopłytkowego perlitu. W warstwie wierzchniej wieńców kół zaobserwowano obszary z nieciągłą strefą utwardzoną o różnej grubości. Pęknięcia wy-stępują: w strefie utwardzonej, w obszarach na grani-cy silnie zgniecionego materiału, oraz w warstwie przypowierzchniowej bez strefy utwardzonej.

6.3. Pomiary twardości

Pomiary twardości metodą Vickersa przy sile obciążającej 4,9 N (symbol twardości HV 0,5) wyko-nano wg normy PN-EN ISO 6507-1:1999 [11] za pomocą twardościomierza MICROMET 2104 na próbkach pobranych wzdłużnie z wieńca obydwu kół zużytego zestawu kołowego nr 3. Pomiary HV 0,5 prowadzono od powierzchni w głąb próbek, w obsza-rach ze strefą utwardzoną (rozkład I), bez strefy utwardzonej (rozkład II) oraz w środku każdej z pró-bek. Rozkłady twardości pokazano na rys. 15 i 16.

Rys. 15. Rozkłady twardości w próbce nr 9/06/2.1

Wartości twardości w środku próbki nr 9/06/2.1 wynosiły odpowiednio 238, 234 i 218 HV, a wartość średnia 230 HV.

Rys. 16. Rozkłady twardości w próbce nr 9/06/4.1

10


Wartości twardości w środku próbki nr 9/06/4.1 wynosiły odpowiednio 235, 229 i 223 HV, a wartość średnia 229 HV.

6.4. Badania wytrzymałościowe

Badania wytrzymałościowe próbek pobranych z kół autobusu szynowego SA 108-004 wykonano w Laboratorium Wytrzymałości Materiałów w Instytu-cie Mechaniki Stosowanej Politechniki Poznańskiej. Próbie rozciągania i udarności poddano próbki z oby-dwu kół zestawu kołowego nr 3, zgodnie z normą [2]. Uzyskane wyniki pomiarów (rys.17) porównano z normami: UIC 812-3 [2] oraz EN 13262:2004 (E) [3].

Rys. 17. Wyniki prób rozciągania dla trzech różnych pró-bek pobranych z wieńców koła zestawu nr 3

Udarność wyznaczono na próbkach z karbem o głębokości 5 mm, wykonując próbę udarności sposo-bem Charpy’ego wg normy [12], na młocie Char-py’ego o energii maksymalnej 300 J. Wyniki próby udarności przedstawiono w tabeli 5.

Z badań wytrzymałościowych wynika, że próbki z obu kół spełniają normy odnośnie do wy-trzymałości na rozciąganie Rm, wydłużenia procen-towego przy zerwaniu A i górnej granicy plastyczno-ści ReH. Próby udarności KCU nie wykazały odchy-łek od obowiązującej normy [2].

Symbol próbki

Szerokość próbki a [mm]

Wymiar pod kar-bem h [mm]

Praca łamania KU [J]

Udarność KCU [J/cm2]

4.1 10,01 5,05 22,6 44,7 5.1 10,00 5,09 24,5 48,1 6.1 10,01 5,05 22,6 44,7

średnio 23,2 45,8 4.2 10,01 5,04 23,5 46,6 5.2 10,00 5,02 23,5 46,8 6.2 10,00 5,02 22,6 45,0

średnio 23,2 46,1

7. Analiza przyczyn przedwczesnego zużycia kół 7.1. Przypuszczalne przyczyny materiałowe

Na podstawie wyników badań mikroskopo-wych oraz rozkładów twardości HV 0,5 w obszarach ze strefą utwardzoną i bez strefy utwardzonej stwier-dzono, że wieńce kół nie zostały ulepszone cieplnie, natomiast wykruszenia są najprawdopodobniej na-stępstwem pęknięć powstałych wskutek miejscowego nagrzania bieżni wieńca, jego plastycznego odkształ-cenia lub występowania miejscowych utwardzeń, spowodowanych przez zmiany strukturalne podczas eksploatacji.

Należy jednak przypomnieć, że koła, z których pobrano wycinki do badań były już po III przetocze-niu, a więc o średnicy kręgu tocznego bliskiej warto-ści minimalnej (770 mm). Zasadnym wydaje się więc zbadanie głębokości ulepszenia wieńca nowego koła, a więc o średnicy nominalnej kręgu tocznego (842 mm).

Karta UIC 812-3 [2], określająca warunki tech-niczne dostawy dla kół bezobręczowych, nie podaje minimalnej zawartości pierwiastków chemicznych dla poszczególnych rodzajów stali. Wg atestów kół do autobusów szynowych, zakupionych przez produ-centa pojazdu w hucie BONATRANS a.s. w Bohumi-nie (Czechy) jako kół ze stali R7T, ilości kilku pier-wiastków są często wielokrotnie niższe od maksy-malnej granicy. Mniejsza zawartość pierwiastków o nominalnych śladowych ilościach nie powinna wpły-wać znacząco na pogorszenie własności stali, nato-miast mniejsza zawartość węgla (ok. 0,48% przy maksymalnie dopuszczalnej 0,52%) zmienia twardość stali sprawiając, że ma ona własności bliższe stali R6T (o mniejszej zawartości węgla, a więc i mniej-szej twardości!). Zasadnym wydaje się utrzymanie zawartości węgla w pobliżu maksymalnej dopusz-czalnej granicy, a nawet przejście na koła ze stali R8T – które to rozwiązanie jest obecnie zalecane na kolejach brytyjskich [7].

Według kształtu uszkodzeń należy przyjąć, że większość tych uszkodzeń jest typu „spalling”. Moż-na zauważyć wyraźne podobieństwo uszkodzeń wg rys. 10 i obrazów uszkodzeń z szynobusu.

Wyniki próby udarności Tabela 5

11


7.2. Przypuszczalne przyczyny eksploatacyjne

Jedną z najważniejszych przyczyn powodują-cych przyspieszone zużycie kół pojazdów szynowych zaobserwowanego typu jest poślizg na powierzchni styku kół i szyn. Najczęściej jest on wynikiem nie-prawidłowego przebiegu procesu hamowania pojaz-du. Powstały w ten sposób poślizg powoduje miej-scowe nagrzewanie małego fragmentu powierzchni tocznej koła powyżej temperatury przemiany austeni-tycznej i wskutek szybkiego chłodzenia powstaje struktura martenzytyczna, bardziej podatna na pęk-nięcia i wykruszenia.

Szczegółowe analizy zapisów jazd z EKP (elektronicznych kości pamięci) wykazały szereg nieprawidłowości w procesie hamowania autobusu szynowego SA 108-004. Wyznaczone wartości opóź-nień hamowania są znacząco wyższe od określonych przez konstruktora. Tak intensywny przebieg procesu hamowania może prowadzić do zablokowania kół, zwłaszcza kół tocznych, co nie zostanie zapisane na kościach EKP, gdyż czujniki prędkości znajdują się na osiach napędnych.

Autobusy szynowe typu 213M i 215M (w tym badany autobus) wyposażone są w układy przeciwpo-ślizgowe systemu SAB WABCO, z czujnikami pośli-zgu umieszczonymi na każdym zestawie kołowym. Działanie systemu antypoślizgowego jest monitoro-wane i rejestrowane w pamięci układu. Istnieje moż-liwość odczytu tych danych i określenia, czy podczas eksploatacji układ był sprawny oraz czy na kołach którejkolwiek osi występowały poślizgi przekraczają-ce granicę poślizgu pełnego (makropoślizgu). Dostęp do danych (program dekodujący i analizujący) jest obecnie tylko w posiadaniu serwisu SAB WABCO, który w razie potrzeby wzywa się do odczytu. Celowe byłoby zalecenie, aby usterki układu przeciwpośli-zgowego oraz dane o pełnych poślizgach były regu-larnie odczytywane przez serwis szynobusu i weryfi-kowane pod kątem występowania nieprawidłowości. Tymczasem od początku eksploatacji autobusów szynowych typu 215M odczyty te były, na zapotrze-bowanie ZNTK Poznań S.A., wykonane tylko kilka-krotnie.

Istotny jest też fakt, że w notatkach z przeglą-dów kontrolnych w książce pokładowej brak zapisów o szczegółowym sprawdzaniu stanu powierzchni tocznych kół, nawet pomimo sygnalizowania przez maszynistów stuków i drgań. Pozwala to przypusz-czać, że stan kół nie jest na bieżąco kontrolowany. Wskutek tego pojazd może być nadal eksploatowany, a dalsza praca zestawu kołowego z pierwszymi ozna-kami nieprawidłowego zużycia powodować mogła powstawanie dalszych uszkodzeń (pęknięcia pogłę-biały się i przenikały w głąb materiału).

Autobus szynowy jest pojazdem lekkim, o ma-łym nacisku kół na szyny, wymaga odmiennego od tradycyjnej lokomotywy sposobu prowadzenia przez maszynistę. Dlatego ZNTK Poznań S.A. przeprowa-dziło szereg kursów dla maszynistów mających pro-wadzić te pojazdy. Tymczasem stwierdzono, że na-zwisk kilku maszynistów obsługujących autobus szy-nowy SA 108-004 nie ma na listach osób wyszkolo-nych przez ZNTK Poznań S.A.

Hamowanie z dużą intensywnością prowadzić może do powstawania znacznych lokalnych mikropo-ślizgów między kołem a szyną, nie będących pośli-zgami pełnymi, a więc nie powodującymi zadziałania układu przeciwpoślizgowego.

7.3. Inne możliwe przyczyny

Biorąc pod uwagę fakt, że koła wszystkich au-tobusów szynowych serii SA 108 ulegają przyspie-szonemu zużyciu, należałoby sprawdzić wężykowa-nie zestawów kołowych podczas jazdy. Autobus nie posiada klasycznych wózków dwuosiowych, a więc jego baza jest większa (rozstaw osi 9 000 mm). Jeśli w czasie jazdy występuje wężykowanie zestawów kołowych, to z uwagi na większą bazę pojazdu czę-stotliwość wężykowania będzie mniejsza, a przez to mniej odczuwalna (mogła nie być sygnalizowana przez drużynę trakcyjną). Tymczasem ciągła jazda z niewielkim nawet wężykowaniem o ustalonej ampli-tudzie zestawów kołowych może wzmagać ich zuży-cie.

8. Podsumowanie

Szczegółowej analizie składu chemicznego, struktury krystalograficznej oraz badaniom wytrzy-małościowym poddano wyłącznie koła najbardziej zużytego zestawu kół przedmiotowego autobusu szy-nowego. Analiza zapisów w książce pokładowej oraz zapisów pochodzących z elektronicznych kości pa-mięci (EKP) dotyczyła również wyłącznie jednego autobusu, a zatem wnioskowanie dotyczy tylko anali-zowanego przypadku. Na szczegółową analizę całej populacji uszkodzonych kół trzeba by przeznaczyć więcej czasu, a przede wszystkim więcej środków, które pozwoliłyby na wykonanie obszerniejszych analiz materiałowych i metalograficznych oraz anali-zy zapisów z tachografu i systemu przeciwpoślizgo-wego dla większego zbioru kół i pojazdów. Koniecz-na wydaje się też realizacja jazd obserwowanych.

W odniesieniu do przedmiotu badań można ustalić następujące przypuszczalne przyczyny nad-miernego zużycia zmęczeniowego:

- nieulepszone cieplnie wieńce kół oraz nieco za niska zawartość węgla, a tym samym za niska twardość materiału

12


- mikropoślizgi na powierzchniach styku pod-czas hamowania, szczególnie podczas wielo-krotnie powtarzanych, intensywnych hamo-waniach, powodujące lokalne przegrzania i złuszczenia materiału

- niestaranne przeglądy kontrolne, pozostawia-nie w użytkowaniu kół z rozpoczętym proce-sem złuszczania („spalling”), którego dalsza propagacja mogła powodować konieczność zbierania znacznie grubszej, niż zazwyczaj, warstwy materiału podczas reprofilacji

- brak dokładnej analizy zapisów jazd z tacho-grafu oraz jakiejkolwiek analizy z układu przeciwpoślizgowego

- prowadzenie autobusu przez maszynistów, którzy nie byli uczestnikami szkolenia doty-czącego sposobu jazdy autobusem szynowym (innego niż tradycyjną lokomotywą).

Literatura [1] Przyczyny nadmiernego, przyspieszonego zuży-

cia powierzchni tocznych kół monoblokowych w autobusie szynowym serii SA 108-004 produkcji Poznańskich Zakładów Naprawczych Taboru Kolejowego S.A. w Poznaniu. Raport wewnętrz-ny PP nr 52-967/2006, kier. tematu Jerzy Kwa-śnikowski.

[2] Karta UIC 812-3, Warunki techniczne dostawy dla kół bezobręczowych z walcowanej stali nie-stopowej dla pojazdów napędnych i wagonów, Wyd. 5 z 01.01.1984 ze zmianą z 01.01.1996. Karta anulowana 01.08.2006 i zastąpiona normą europejską EN 13262:2004.

[3] Norma europejska EN 13262:2004, Kolejnictwo. Zestawy kołowe i wózki. Koła. Wymagania dotyczące wyrobu.

[4] Piec P.: Zjawiska kontaktowe w elementach pojazdów szynowych, Kraków, wyd. ITeE Radom, 1999.

[5] Zakharov S.: Wheel/Rail Performance, in Guidelines to Best Practices for Heavy Haul Railway Operations: Wheel and Rail Interfaces Issues. International Heavy Haul Association: Virginia Beach.

[6] Stone D.H.: TTCI Leads Research to Cut Premature Wheel Scrapping. Railway Gazette International, 09/2000.

[7] Rail Safety & Standards Board (RSSB), Safety Critical Supply Chain Safety Management (SCSM). Wheelsets Procurement Test Case, Final Report by ATKINS, 2004.

[8] Vu T.: Wheel Deterioration, The University of Birmingham and Manchester Metropolitan University 2003.

[9] http://www.railway-technical.com/ train-maint. html (Railway Technical Web).

[10] http://autobusy.murowana.pl/index.php (Galeria autobusów z Wielkopolski)

[11] Norma PN-EN ISO 6507-1:1999, Metale. Pomiar twardości sposobem Vickersa. Metoda badań.

[12] Norma PN-EN 10045-2:1996, Metale. Próba udarności sposobem Charpy'ego. Metoda bada-nia.

13


dr inż. Jerzy Nowicki dr inż. Marek Sobaś Instytut Pojazdów Szynowych „ Tabor” Kryteria oceny bezpieczeństwa przed skutkami zderzeń dla pojazdów szynowych do transportu osobowego

W artykule przedstawiono kryteria bezpieczeństwa przed skutkami zderzeń dla pojazdów szyno-wych przeznaczonych do transportu osobowego, do których zalicza się: wagony osobowe, ze-społy trakcyjne kolei miejskiej (w tym pojazdy metra), do ruchu lokalnego i regionalnego, tramwaje oraz autobusy szynowe. Główny nacisk położono na bezpieczeństwo pasażerów pod-czas procesów zderzeń pojazdów szynowych i na kryteria jakie powinny być spełnione, aby za-pewnić bezpieczeństwo pasażerom podczas ewentualnych zderzeń. Praca naukowa finansowana ze środków budżetowych na naukę w latach 2005÷2007 jako pro-jekt badawczy pt. „Teoretyczne i techniczne możliwości kształtowania stref zgniotu ustrojów no-śnych pojazdów szynowych.”

1. Wstęp Kryteria oceny zderzeń, przedsięwzięcia konstrukcyj-ne oraz materiałowe, zabezpieczające strukturę pojaz-du szynowego przed skutkami zderzeń dotyczyły w dotychczasowych publikacjach projektu badawczego [4, 5 i 6] wagonów towarowych. Zwrócono jednak w nich uwagę, że kryteria stawiane pojazdom szynowym przed skutkami zderzeń zależą również od ich prze-znaczenia. Zapewnienie bezpieczeństwa w trakcie „zderzeń nadzwyczajnych” dla pojazdów szynowych przeznaczonych dla przewozów osobowych jest trud-niejsze, gdyż ich konstrukcja podczas procesu zderze-nia musi zapewnić bezpieczeństwo pasażerów i per-sonelu obsługującego, które sprowadza się do unik-nięcia jakichkolwiek obrażeń oraz wypadków śmier-telnych. Zgodnie z dotychczas obowiązującymi prze-pisami dla wagonów osobowych, przy ich konstru-owaniu należy brać pod uwagę jedynie sprężysty za-kres odkształceń przy występowaniu obciążeń sta-tycznych. Uwzględniają one również obciążenie, które wynika z sił występujących przy prędkościach nabie-gania do 10 km/h (2,77 m/s) zgodnie z kartą UIC 566 [17]. Jak wynika z dotychczasowych doświadczeń eksploatacyjnych zachowanie się konstrukcji wagonu osobowego jest zadawalające, jeśli prędkość zderzenia (nabiegania) znajduje się w przedziale 10 do 20 km/h (2,77 do 5,55 m/s)[25]. Powyżej prędkości 20 km/h występują już uszkodzenia w konstrukcji pojazdu, które mogę wywołać ciężkie obrażenia pasażerów. W związku z tym w ostatnich latach międzynarodowe organizacje kolejowe oraz normalizacyjne jak ERRI, UIC oraz CEN postanowiły podnieść rolę „pasywnego bezpieczeństwa” pojazdów osobowych do rangi obli-gatoryjnej oraz sformułowały wytyczne i kryteria dotyczące tej problematyki [17,22,23,24 i 25]. Zgod-nie z raportem ERRI B106/Rp.20 [25] w celu opra-cowania miarodajnych wytycznych oraz kryteriów oceny ustalono najpierw podstawowe definicje doty-

czące zderzeń. Stwierdzono, że zdefiniowanie zderze-nia ( wypadku) nie jest możliwe bez podania warun-ków, podczas których pojazd będzie wykazywał za-chowanie zgodne z założeniami. Niebezpieczeństwa kolizji i związane z tym zagrożenie dla pasażerów można podzielić na dwie kategorie:

2.2. Prędkość zderzenia Analiza parametru w świetle doświadczeń

eksploatacyjnych Z analizy 83 wypadków zgłoszonych przez koleje brytyjskie BR wynika, że:

w przypadku 36 zderzeń czołowych pocią-gów osobowych (bez wykolejeń) odnotowa-no 13 wypadków śmiertelnych

14

niebezpieczeństwo „ kategorii pierwszej” przy zderzeniu czołowym z „wspinaniem się” pojazdu lub bez niebezpieczeństwo „ kategorii drugiej” przy

zderzeniu i w następstwie wykolejeniu się i zdeformowaniu się składu pociągu w kształcie litery „S”.

2. Definicje i analiza podstawowych pojęć związanych ze zderzeniami

2.1. Kategorie zderzenia Zderzenie w kierunku wzdłużnym występuje najczęściej. Jak wynika z praktyki eksploatacyjnej nie można jednak całkowicie wykluczyć zderzenia w kierunku bocznym. Przewrócenia się pojazdu nie uwzględniono w artykule. Do dalszych rozważań przyjęto następujące kategorie zderzeń:

zderzenie czołowe zderzenie boczne zderzenie w kierunku pionowym.


w 10 przypadkach pojazdy zderzyły się tak, że wagony składu wjechały między siebie; energia kinetyczna w dziewięciu przypad-kach wynosiła poniżej 25 MJ, co dla pociągu o masie równej 400 t odpowiada prędkości mniejszej niż 40 km/h ( 11m/s) w przypadkach kiedy nie wystąpiło zjawisko

„wspinania się” pojazdu energia kinetyczna pojazdu wynosiła powyżej 25 MJ w przypadku zderzenia ze „wspinaniem się”

pojazdu energia kinetyczna pojazdu wynosiła 45 MJ, co odpowiada prędkości 54 km/h ( 15m/s) dla pociągu o masie 400 t 32 zderzenia doprowadziły do wykolejeń,

które spowodowały 25 wypadków śmiertel-nych najwięcej wypadków zderzeń wystąpiło przy

prędkości poniżej 40 km/h [7]. Formułując definicję prędkości zderzenia, przy której zachowane jest pasywne bezpieczeństwo wagonu osobowego, rozważano inne środki komunikacji jak np. komunikacja lotnicza czy samochodowa. Z analizy wypadków przeprowadzonych dla transpor-tu lotniczego, dla którego sporządzono tzw. diagram przeżycia ( niem. „Überlebungsdiagramm”, ang. „su-rvivale space diagramm”) wynika, że pasażerowie nie są chronieni przed skutkami zderzenia czołowego przy prędkości samolotu powyżej 54 km/h (15m/s) i maksymalnej prędkości w kierunku pionowym wyno-szącej 33 km/h (9,16 m/s) [8]. W przypadku komuni-kacji samochodowej maksymalna prędkość, która stwarza zagrożenie dla pasażerów przy zderzeniu czołowym wynosi w zależności od autora 48 do 55 km/h (13,33 do 15,27 m/s) [25]. W przypadku bocz-nego zderzenia zauważono, że niebezpieczeństwo wypadku dla podróżnego zwiększa się wyraźnie od 30 km/h (8,33 m/s) i przy prędkości 45 km/h (12,5m/s) osiąga prawdopodobieństwo równe prawie 100%. Zderzenia w transporcie lotniczym w kierunku pio-nowym występują w formie nagłego uderzenia, wy-wołującego utratę mocy napędowej. W komunikacji samochodowej (samochody osobowe, omnibusy) zderzeniom bocznym towarzyszyły przeważnie przy-padki przewrócenia pojazdu. W normie SAE J 374 [19] przedstawiono próby ze zjawiskiem wciśnięcia dachu. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że autorzy tej normy z uwagi na trudności związane z ustaleniem normatywnej prędkości zderzenia wyszli z założenia, że należy zdefiniować próbę statyczną. Z kolei w normie SAE J 996 [21] ustalono próbę spadania na dach. W przypadku komunikacji kolejowej trzeba się liczyć z tym, że wystąpi wykolejenie z ostatecznym przewróceniem się wagonu osobowego na dach. Wg innych koncepcji pojazdy szynowe w trakcie zderze-nia bocznego upadają w większości przypadków na bok ( nie przewracając się na dach) co prowadzi do bardziej prawidłowych rozwiązań. (prawdopodobnie

do uprzywilejowania konstrukcji pojazdu z nośnymi elementami rurowymi, powodując zwiększenie wy-trzymałości dachu). W wyniku analizy przypadków referencyjnych ustale-nie prędkości zderzenia ma zasadnicze znaczenie z uwagi na to, że:

ustalona prędkość zderzenia ma związek z możliwą awarią aktywnych urządzeń sygna-lizacyjnych ustalona prędkość prowadzi do technicznych

rozwiązań, których efektywność przy tej prędkości wprawdzie byłaby optymalna, jednakże nie da się rozszerzyć na inny za-kres tzn. pojazd posiadający optymalną kon-strukcję dla prędkości 50 km/h (13,88 m/s) nie musi sprawdzać się dla prędkości zde-rzenia 100 km/h (27,77 m/s) ustalona prędkość zderzenia powoduje

zmianę przepisów dotyczących wymiarowa-nia pojazdów, co może prowadzić do zwięk-szenia masy a zatem wzrostu kosztów wy-konania i eksploatacyjnych; taki przypadek może wystąpić, jeśli prędkość zderzenia zo-stanie ustalona na zbyt wysokim poziomie.

W tabeli 1 przedstawiono kilka wyników obliczeń energii przejętej podczas zderzenia czołowego dwóch niehamowanych pociągów o masie 400 t.

L.p. Prędkość podczas

zderzenia [m/s]

Energia kinetyczna

[kJ]

Energia przejęta

przez konstrukcję

[kJ]

Długość strefy

zniszczenia dla jednego pociągu [m]

1. 10 10 000 10 000 2,5 2. 45 45 000 22 500 5,6 3. 80 80 000 40 000 10

Energia przejęta w zakresie całkowicie plastycznym (w odróżnieniu od energii kinetycznej najeżdżającego pociągu i resztkowej energii obydwu pociągów po zderzeniu) prowadzi do projektowania konstrukcji ze strefami przejmowania energii, które odpowiadają zderzeniu z prędkością 34 km/h ( 9,44 m/s) i od-kształceniu stref kontrolowanego zniszczenia w za-kresie 2,5 m. Jak wynika z tabeli 1 im większa pręd-kość zderzenia, tym większy zakres odkształcenia plastycznego, ale również zwiększa się ryzyko „uno-szenia” się pojazdu. Przy większych prędkościach nie można ograniczyć ryzyka zwiększenia deformacji przedziałów dla podróżnych ze względu na poważne rozmiary odkształcenia stref kontrolowanego zgniotu. Przy rozważaniach dopuszczalnej prędkości zderzeń czołowych jako pierwszą wartość zaproponowano 54 km/h (15 m/s), w celu zrównania kryteriów przyjętych

15

Zestawienie przejętej energii podczas zderzenia dwóch pociągów osobowych o masie 400 t każdy Tabela 1


w komunikacji samochodowej. Ostatecznie zgodnie z pr EN 15227 [22] dla pojazdów szynowych kategorii I do IV jako miarodajną prędkość zderzenia przyjęto 36 km/h (10 m/s), natomiast dla pojazdów kategorii V (tramwaje) 15 km/h (4,16 m/s).

Analiza zderzenia bocznego pojazdu szynowego z masztem trakcyjnym sieci jezdnej

W wyniku przeprowadzonych analiz, za prędkość zderzenia bocznego z masztem trakcyjnym sieci jezd-nej uznano prędkość 9,4 km/h (2,6 m/s), przy której przeważa quasistatyczny efekt zderzenia. Rozpatrując uproszczony model zderzenia bocznego wagonu oso-bowego z masztem bilans energetyczny zderzenia można opisać za pomocą równania:

DVDPCPCV WWWW ++= (1)

gdzie: WCV- energia kinetyczna wagonu osobowego WCP –energia kinetyczna masztu trakcyjnej sieci

jezdnej WDP- energia plastycznej deformacji masztu trak-

cyjnego sieci jezdnej WDV- energia plastycznej deformacji wagonu

osobowego. Przy prędkości zderzenia wynoszącej 9,4 km/h ( 2,6 m/s) i masie wagonu osobowego w stanie próżnym 44 t, jego energia kinetyczna wynosi WCV=150 kJ. Wy-chodząc z założenia, że wytrzymałość masztu trakcyj-nego sieci jezdnej jest stała, to energię plastycznej deformacji obliczonej za pomocą oprogramowania ANSYS w zależności od jego odkształcenia dP wyra-ża się wzorem:

WDP=1,5·105dP-750 dla dP>0,01 m (2) W analogiczny sposób ustalono plastyczną energię deformacji wagonu wychodząc z założenia, że wiel-kość deformacji wagonu wynosi dV oraz wielkości odkształceń plastycznych dV oraz dP są w zależności proporcjonalnej wg wzoru:

P

VDPDV d

dWW ⋅= (3)

Energię kinetyczną zgromadzoną w maszcie trakcyj-nym sieci jezdnej można ustalić pod warunkiem, że:

wahania prędkości pojazdu mają liniowy przebieg prędkość zderzenia zostaje przeniesiona z

wysokości ostoi ( podwozia) wagonu na maszt sieci trakcyjnej rodzaj zniszczenia masztu trakcyjnej sieci

jezdnej zależy od wystąpienia plastyczne-go przegubu na zakotwiczeniu, ponieważ maszt poza tym przegubem jest sztywny.

Ostatecznie można przyjąć, że przy dP>0,01m obo-wiązuje zależność:

( )

+⋅−+⋅⋅+⋅=⋅

P

VVP d

ddd 1750105,1101,0105,1 555

(4) Jeśli przyjąć ze względów bezpieczeństwa dla po-dróżnych dV=0,3 m wówczas równanie (4) przyjmuje postać:

022594250105,1 25 =−⋅−⋅⋅ PP dd (5) Równanie (5) posiada jedno rozwiązanie mające sens techniczny tzn. dP=0,631 m, co odpowiada kątowi pochylenia masztu sieci trakcyjnej wynoszącemu α=22o (rys.1). Model obliczeniowy ogranicza przesu-nięcie punktu styku masztu sieci jezdnej i podwozia wagonu do d=0,7 m oraz wielkość deformacji bocznej nadwozia do max. 0,3 m ( rys.1).

Rys.1. Zderzenie wagonu osobowego z masztem sieci trakcyjnej

Rys.2. Zderzenie wagonu osobowego z elementem o masie m w postaci wahadła

Kolejnym przypadkiem, który należy rozważyć, jest uderzenie boczne z przeszkodą w postaci wahadła ( rys.2).

16


Zderzenie z wagonem osobowym wywołuje masa w postaci wahadła odchylnego od pionu pod kątem α i przemieszczająca się z pozycji 1 do położenia 2. Boczna prędkość zderzenia z wagonem osobowym w pozycji 2 wynosi:

( )αcos12 −⋅= gRv (6) gdzie:

g- przyspieszenie ziemskie [9,81 m/s2] R- promień wahadła [m].

Jeśli podstawi się prędkość zderzenia wynoszącą v=2,6 m/s (9,4 km/h), to wówczas otrzymuje się wy-sokość H1 po zderzeniu wynoszącą:

( ) mRH 345,0cos11 =−⋅= α (7) Jeśli przyjmie się, że wysokość H nie wynosi więcej niż 10 m, wówczas można wyjść z założenia, że R=7 m, co w tym przypadku daje α=18,2º. Ponieważ ener-gia kinetyczna wagonu osobowego w stanie próżnym o masie 44t przy prędkości v=2,6 m/s jest równa 0,15 MJ, aby wywołać taki sam efekt zderzenia jak w przypadku poprzednim, musiałaby masa uderzającego wahadła m odpowiadać masie wagonu osobowego, co należy zaliczyć do przypadków hipotetycznych i rzadko spotykanych w rzeczywistości .Taka próba byłaby interesująca, gdyby chciało się zbadać dyna-mikę uderzenia skierowanego w stronę manekinów, znajdujących się po przeciwnej stronie względem strony bocznej na wysokości zderzenia. Jak wynika z praktyki, zrealizowanie takiej próby mogłoby się oka-zać trudne, aby dokonać symulacji zderzenia odpo-wiadającemu w rzeczywistości deformacji plastycz-nej, pochłaniającej trzecią część energii tzn. taka pró-ba nie posiada miarodajnej, wystarczającej siły. Kolejnym zagadnieniem, które należy przeanalizo-wać, jest sformułowanie kryteriów dla bocznego zde-rzenia nie wywołującego większej deformacji niż 0,3 m, skierowanej do wnętrza pudła wagonu. Jak wynika z dotychczasowego stanu wiedzy przypadek ten wy-maga badań doświadczalnych, aby można było opra-cować odpowiednie normy w tym zakresie [25]. Jako próby kwalifikacyjne dla pojazdów gwarantują-cych „pasywne bezpieczeństwo” przed skutkami zde-rzeń zaproponowano, aby próby zderzenia realizować jako próby zderzenia czołowego, w formie zderzenia pociągu jadącego z prędkością 54 km/h (15m/s) na stojący pociąg w stanie niezahamowanym. Kryteria odbiorcze odpowiedniego pojazdu zależą od kryte-riów biomechanicznych i od kryteriów zachowania konstrukcji. Kryteria biomechaniczne zostały sformu-łowane w zależności od wyników pomiarów wykona-nych na manekinach, symulujących pasażerów. W tym przypadku należy zwrócić uwagę na paradoksal-ną sytuację bezpieczeństwa w komunikacji samocho-dowej w stosunku do bezpieczeństwa w pojazdach szynowych. Dzięki rozległym staraniom, dotyczącym bezpieczeństwa pasażerów przy zderzeniu czołowym i bocznym, udało się w przemyśle samochodowym

wyprodukowanie bezpiecznych samochodów, pomi-mo że pomiary dokonane na manekinach wykazały, iż przyspieszenia przekraczają wartości 100g (981 m/s2). Jednocześnie w wypadkach kolejowych zdarzały się ciężkie obrażenia pasażerów, pomimo że obliczone opóźnienia wykazywały wartości mniejsze niż 10g (98,1 m/s2). Stąd też wynikła potrzeba opracowania takich metod obliczeń, które gwarantują brak obrażeń pasażerów znajdujących się w przedziałach dla po-dróżnych w przypadku ewentualnego zderzenia po-jazdu. Urządzenia wyposażenia wewnętrznego pojaz-du muszą być tak ukształtowane, aby obrażenia pasa-żera przy powtórnym uderzeniu o urządzenie z jego przedziału były w dopuszczalnych granicach.

2.3. Biomechanika i jej podstawowe pojęcia

Biomechanika jest nauką zachowania się ciała ludz-kiego w przypadku działania na niego różnych obcią-żeń. Biomechanika zderzenia jest częścią składową biomechaniki, która zajmuje się reakcją ciała ludzkie-go na siły i przyspieszenia, wynikające ze zderzenia. Ten zakres w ogólnym przypadku można podzielić na trzy dziedziny:

-reakcje mechaniczne -mechanizm obrażeń -poziom tolerancji.

W związku z tym zwrócono uwagę w amerykańskich przepisach na to, że poziom tolerancji amplitudy sy-gnału przedstawia określony stopień obrażeń, podczas gdy przy specyfikacji dotyczącej tolerancji chodzi o ustaloną dowolną odporność na zderzenia. Koncepcja bezpiecznego wyposażenia odpowiada stopniowi umiarkowanego lub małego zranienia. Mechaniczne zachowanie ciała ludzkiego i innych żywych istot można tak dokładnie uzasadnić, jak innych konstruk-cji, jeśli zastosuje się pomiary przyspieszenia, pręd-kości, przemieszczeń oraz deformacji , a wyniki pomiarów powiąże się z siłami powodującymi te pro-cesy. Za pomocą jednej ze zmiennych wielkości, które charakteryzują mechaniczną reakcję, można dokonać próby oszacowania prawdopodobnej wielkości ewen-tualnych obrażeń, wskutek czego można ustalić związek pomiędzy występującymi zmiennymi wielkościami fizycznymi oraz stopniem obrażeń pasażerów. Ze względu na wiele organów, z których składa się ciało człowieka i możliwych rodzajów ob-ciążeń, nie można ustalić żadnego ogólnego kryterium dla stanu pasażera po zderzeniu. Przy wielu obraże-niach każde z nich posiada swoją własną ważkość i stosowanie metody superpozycji przez dodawanie stopni ciężkości nie stwarza żadnego obrazu ogólnego stanu poszkodowanych. W przypadku wielu obrażeń każde z nich posiada swój własny stopień ciężkości.

17

W celu oceny obrażeń z wypadków ulicznych wyko-rzystuje się tabelę obrażeń, wyrażonych w stopniach AIS (ang. „Abbreviate Injury Scale”). Odpowiednie stopnie ( kategorie) AIS są przedstawione w tabeli 2.


Zestawienie stopni ( kategorii) obrażeń AIS [25] Tabela 2

L.p. Nr kodu AIS

Opis kategorii obrażenia

1 1 małe 2 2 przeciętne 3 3 poważne 4 4 ciężkie 5 5 krytyczne ( szanse przeżycia

niepewne) 6 6 maksymalne (praktycznie

przypadek śmiertelny) 7 9 nieznane

Porównując obrażenia przy wypadkach ulicznych w skali AIS należy pamiętać, że np. obrażenie wg kodu 4 nie ma takiego samego znaczenia jak dwa obrażenia wg kodu 2. W komunikacji samochodowej, gdzie wypadki wy-stępują znacznie częściej, można sporządzić odpo-wiednie statystyki, aby określić najgroźniejsze części pojazdu dla pasażera, jednak ich wyników nie można porównać z wypadkami w pojazdach szynowych ani ekstrapolować ze względu na różne wyposażenie sa-mochodów ciężarowych i pociągów.

Klasyfikacja sił powodujących urazy głowy i szyi pasażera

W wyniku przeprowadzonych prac studialnych, doty-czących mechanizmów powodujących obrażenia gło-

- siły przylegania (niem. Berührungskräfte): siły podczas zderzeń pojazdów szynowych zależne od przyspieszenia; pojawiają się wtedy, gdy oparta głowa podczas zderzenia pasażera uderza o przedmiot i wskutek tego podnosi się lub jest wprawiona w ruch; wskutek działania tych sił

Siła przylegania wywołująca złamanie [N] L.p. Rodzaj uderzanej po-wierzchni/ uderzenia

W artość średnia Przedział wartości

Liczba próbek

Sztywne ( nietłumione) uderzenia Kość czołowa 1. Powierzchnia płaska 6360 3910÷11790 12 2. Powierzchnia płaska 6400 5420÷7870 6 3. Powierzchnia wzdłużna

cylindryczna:

a ∅ 50 mm w kierunku poprzecznym

5600 4220÷7340 7

b ∅ 50 mm sagitalna 7120 4180÷8900 5 c

∅ 15,8 mm w kierunku poprzecznym

5470 3110÷7700 5

d

Kula o średnicy ∅ 406 mm

5250 3690÷6810 5

Siły przylegania powodujące urazy czaszki pasażera podczas zderzenia pojazdów [25] Tabela 3

wy oraz szyi pasażerów pojazdów szynowych, przyję-to jako zasadnicze dwa rodzaje sił występujących podczas zderzenia pojazdów szynowych:

18

powstają np. pęknięcia czaszki, stłuczenia i naj-częściej krwiaki, ale nie ma żadnych rozległych i rozproszonych uszkodzeń mózgu

- siły bezwładności (niem. Beharrungskräfte): si-ły występują w przypadku gwałtownego przy-spieszenia lub opóźnienia głowy, wskutek czego niekonieczny jest styk z przedmiotem, aby wywo-łać obrażenia; ważna jest identyfikacja rodzaju przyspieszenia, ponieważ wstrząsy mózgu mogą powstać tylko podczas przyspieszenia działające-go na głowę i skierowanego pod kątem, natomiast liniowe przyspieszenia mogą spowodować lokal-ne urazy jak np. stłuczenia karku oraz krwiaki na głowie i otaczającej go skórze.

Siły powodujące urazy czaszki pasażera przy uderze-niach sztywnych ( nietłumionych) oraz tłumionych są przedstawione w tabeli 3. Są to wyniki badań labora-toryjnych na małej liczbie próbek, przeprowadzone dla celów informacyjnych. Jak wynika z tabeli 3 przy sztywnym, nietłumionym uderzeniu na kość czołową średnia siła wywołująca uraz znajduje się na poziomie 6 kN, przy czym powierzchnie uderzenia poniżej 5 cm2 mogą w tym przypadku wywołać uszkodzenie czaszki już poniżej tej wartości. Znaczną rolę w tym przypadku pełni wykładzina tłumiąca, która znacznie podnosi średnią wartość powodującą uraz tej części głowy ( o przynajmniej 22%). Uderzenia skierowane w bok głowy pasażera (kość ciemieniowa/ kość skroniowa) są bardziej dotkliwe w skutkach, zwłaszcza z przedmiotami o małej średnicy, gdzie średnia siła wynosi najwyżej 4 kN. W przypadku płaskich powierzchni boczna strona głowy ( kość skroniowa) wykazuje się podobną odpornością na uderzenia jak kość czołowa. Wyniki badań przedstawione w tabeli 3 stanowią wytyczne do projektowania urządzeń wewnętrznych w pojeździe samochodowym oraz w pojeździe szynowym, biorąc pod uwagę kryterium „bezpieczeństwa pasywnego” pasażera przed skutkami zderzeń.


4. Płaska powierzchnia o małym polu:

a Średnica ∅ 29 mm 5030 3770÷7120 5 b Średnica ∅ 29 mm 6180 4360÷8850 5 c Średnica ∅ 29 mm 5830 4140÷9880 7 d Średnica ∅ 15,5 mm 7610 4090÷9790 5

e Średnica ∅ 10,9 mm 4580 2090÷8900 5 5. Wypukła powierzchnia

o małym polu wynika-jącym ze średnicy ∅ 17 mm

4450

2760÷8100

6

Kość ciemieniowa/ kość skroniowa 6. Płaska powierzchnia 5070 3430÷7830 13 7. Płaska powierzchnia 8500 4670÷14590 7 8. Płaska powierzchnia o

małym polu:

a Średnica ∅ 29 mm 3760 2450÷5920 7 b Średnica ∅ 29 mm 3120 1340÷5920 8 c Średnica ∅ 15,5 mm 5740 2220÷9790 10

d Średnica ∅ 10,9 mm 3470 620÷6670 10 9. Wypukła powierzchnia


3410 1780÷4890 7

Kość potyliczna 10. Wypukła powierzchnia


6410

5120÷9560

5

Uderzenia tłumione Kość czołowa 11. Powierzchnia pokryta

wykładziną o własno-ściach tłumiących:

a Powierzchnia płaska

11 260

5340÷15100

7

b Powierzchnia płaska o małym polu odp. średnicy Ø 25 mm

7340

4890÷8720

6

c.d. Tabeli 3

3. Kryteria biomecha-niczne przed skut-kami zderzeń

3.1.Kryteria dotyczące uszkodzenia mózgu i obrażeń

Do oceny stłuczeń gło-wy, jako skutku działań czysto liniowych przyspieszeń, zaproponowano najpierw krzywą tolerancji, przed-stawioną na rys.3 [20]. Rys.3. Krzywa przyspieszeń liniowych działających na głowę pasażera

19


Analizując krzywą przedstawioną na rys.3 można stwierdzić, że uraz głowy jest zależny od wielkości przyspieszenia działającego w kierunku przód-tył, wywołanego uderzeniem w kość czołową i mierzone-go w rejonie kości potylicznej (sięgającego nawet wielkości 600 g (5886 m/s2)) oraz czasu jego działa-nia wyrażonego w milisekundach ( max. 12 ms). Krzywa ta jest znana jako Wayne State University Tolerance Curve ( w skrócie WSTC) [20] i była przez długi czas stosowana do oceny niebezpieczeństwa powstania urazów głowy, pomimo rozlicznych bra-ków, do których zalicza się:

stosowanie różnych metod empirycznych podczas badań, służących do ustalenia danych tzn. przy dużych przyspieszeniach badań dokonywano na zwierzętach, na-tomiast przy małych przyspieszeniach krzywa powstała w wyniku badań na ochotnikach, przy czym ich głowa była unieruchomiona. powstały wątpliwości, jak wielkie przy-

spieszenie może działać na głowę pasaże-ra w przeciągu dłuższego czasu; w wyni-ku przeprowadzonej korekty asymptota krzywej WSTC została zwiększona z 42g (412 m/s2) na 80g (784.8 m/s2).

Kolejnym kryterium, które zostało wprowadzone w amerykańskiej normie jest tzw. Head Injury Criterion ( HIC), które wyraża zależność wg [1]:

( ) ( ) ( ) 100015.2

1212

2

1

<

−−= ∫

t

t

dttatt

ttHIC (8)

gdzie: t1 i t2- odpowiednio czas rozpoczęcia i końca

przedziału czasowego wyrażony w se-kundach, w stosunku do którego odnosi się wskaźnik HIC

a- przyspieszenie, wyrażone jako krotność

przyspieszenia ziemskiego g, działające na punkt ciężkości głowy pasażera ( wg

rys.3).

Wskaźnik HIC jest stosowany do wszystkich biome-chanicznych kryteriów oceny a mianowicie:

określenia tolerancji dla ludzkiego ciała lub przeprowadzenia badań wypadków ze zwło-kami ludzkimi zastosowania manekinów do symulacji wy-

padków na poślizg z dużym opóźnieniem ha-mowania, przeprowadzenia badań z obiektami materialnymi wyposażonymi w materiały o własnościach tłumiących względnie spraw-dzenie wszystkich systemów, które zwiększa-ją pasywne bezpieczeństwo pojazdu szyno-wego

numerycznego określenia biomechanicznego kryterium na podstawie liniowego przys-pieszenia, działającego na środek ciężkości głowy.

Ponieważ wskaźnik HIC wywodzi się z kontrower-syjnej krzywej WSTC, nie można było udzielić mu powszechnej akceptacji do uniwersalnego zastosowa-nia. Jednym z powodów było nieuwzględnienie przy-spieszenia obrotowego, którego występowanie obo-wiązuje dla większości kryteriów. Pomimo, że oby-dwa rodzaje przyspieszeń nie powodują tych samych rodzajów obrażeń, wszystkie ich mechanizmy można było sprowadzić do wartości liniowego przyspiesze-nia. Wahania wartości wskaźnika HIC sprowadzają się nie tylko do różnic pomiędzy przypadkami indy-widualnymi, ale również do rodzaju i sposobu, w których odbywają się wypadki, co obowiązuje zwłasz-cza przy doświadczeniach z manekinami. Oprócz tego zwrócono uwagę na to, że pomiędzy wartościami wskaźnika HIC i skali AIS nie występuje zamienność, co było kolejnym argumentem przeciwko jego zastosowaniu. Kontrowersje wzbudziło zastosowanie kryterium (progu) bezpieczeństwa na poziomie HIC=1000 lub HIC=1500. Zwrócono uwagę na to, że przy zastosowaniu HIC=1000 jest zagwarantowana ochrona głowy pasażera przy sztywnych uderzeniach o krótkotrwałym działaniu, podczas gdy próg o wartości 1500 stanowi dobrą ochronę głowy przy bezpośrednim czołowym lub bocznym kontakcie jak również przy rekonstrukcjach wypadków pasażerów z zapiętymi pasami. Amerykańska norma SAE J885 [20] zaleca próg o wartości 1000, który wykorzystuje wielu badaczy. Trudno nie zgodzić się ze stwierdze-niem, że o ile nie ma bardziej zadawalającego kryte-rium o uniwersalnym znaczeniu, wskaźnik HIC może być zastosowany jako podstawa do wzajemnych po-równań rozwiązań. Reasumując, za pomocą wskaźni-ka HIC można ocenić, czy występuje niebezpieczeń-stwo powstania obrażeń czy nie, ale nie dostarcza on stopniowanego oszacowania tego niebezpieczeństwa, co było powodem poszukiwania następnych, dosko-nalszych kryteriów. Inne kryteria wynikały z przyjęcia modelu w kształcie masy jako bryły sztywnej, elementów sprężystych oraz tłumiących. Do innych kryteriów zalicza się:

Wskaźnik Tolerancji JTI ( ang. „ J- Toler-ances Index”) Przerobiony Model Mózgu RBM ( ang. „Re-

vised Brain Model”) Wskaźnik Rzeczywistego Odkształcenia EDI

( ang. „Effective Displacement Index” ) Wskaźnik Przeciętnego Odkształcenia MSC

(ang. „Mean Strain Criterion”).

20


Ostatnie kryterium jest jedynym, które nie ma żadne-go powiązania z krzywą WSTC. Kryterium przecięt-nego odkształcenia MSC jest jedynym liniowym kry-terium, które powinno być brane pod uwagę przy analizach wypadków, ponieważ powstało jako wynik rozlicznych badań przeprowadzonych na głowach pasażerów. Rozwój kryteriów nie został zahamowany wskutek postępu dalszych badań w tym zakresie. Przykładem tego jest opracowanie przez zespół badawczy R.L. Stalnakera kryterium dla powstania urazów głowy, które polega na przepływie energii (ang. „Translatio-nal Energy Criterion”-TEC) [10].Za pomocą „metody energetycznej” można przewidzieć powstanie zarów-no stłuczeń jak również pęknięć czaszki. Jak wynika z [25], obecny stan wiedzy w tym zakresie nie pozwala na jednoznaczne stwierdzenie, które kryterium należy stosować oraz które ma charakter uniwersalny. Porównując wszystkie kryteria nasuwają się następu-jące spostrzeżenia:

kryterium wg wskaźnika HIC jest jedynym, które jest wynikiem rozlicznych badań i za pomocą którego można ustalić granice jego zastosowania w celu ustalenia wymagań dla głowy przy

bocznym uderzeniu można zastosować kryte-ria HIC, MSC i TEC przy czołowym uderze-niu.

Zespół badawczy Stalnakera zaproponował próg dla przyspieszenia wynoszącego 20g ( 196.2 m/s2) w cza-sie działania wynoszącym 20 milisekund [10]. Po szeregu badaniach eksperymentalnych Huelke i Mel-win doszli do wniosku, że ciężkie obrażenia występu-ją przy prędkości zderzenia wynoszącej 33 km/h (9,2 m/s) [2]. W wyniku badań za pomocą miękkiego ude-rzenia i występujących przy tym krwotoków na bocz-nej powierzchni głowy osiągnięto wartości HIC od 1300 do 5200 przy wartości przeciętej wynoszącej 2900 HIC. Przy wszystkich wymienionych kryteriach, przede wszystkim z modelami skierowanymi w jedną stronę, przyspieszenie obrotowe pozostaje nie-uwzględnione, pomimo przyjęcia założenia, że może ono wywoływać zranienia bez kontaktu z jakąkolwiek powierzchnią. Również zastosowane przyspieszenie liniowe może być zakwestionowane, ponieważ ogra-nicza się ono do środka masy głowy, natomiast w rzeczywistości kierunki uderzenia nie są centryczne i wywołują obrót głowy, co jest związane z występo-waniem przyspieszenia obrotowego. Można więc przyjąć założenie, że modele przedstawiają tylko część uwzględnionych mechanizmów powstawania obrażeń [1].

3.2. Kryteria dotyczące uszkodzeń kości twarzy i szyi pasażera

Do najważniejszych kości twarzy należą kości policz-kowe i szczęki. Kości te mogą być obciążone oddziel-nie lub razem. Z przeprowadzonych badań wynika, że szkielet twarzy stawia bardzo duży opór, jeśli uderza on na miękką powierzchnię. Przy prędkościach głowy wynoszących od 14,4 km/h (4 m/s) do 64,8 km/h (18 m/s) nie stwierdzono ani jednego pęknięcia,przy czym wartości przyspieszeń znajdowały się poniżej 60g (588.6 m/s2). W tabeli 4 podano dane dotyczące wy-trzymałości kości twarzy pasażera.

Siła uderzenia w [N] L.p. Rodzaj kości

Sposób uderzenia wartość

średnia zakres siły

Wielkość próby

losowej

1. Kość

policz-kowa

a, b

1717

614÷3470

19

2. Kość policz-kowa

a, c

1665

925÷2850

10


d

1259

845÷1665

5


e

2297

1600÷3360

7

5. Kość jarzmowa

c 1535 925÷2110 17

6. Szczęka górna

c 1148 623÷1980 13

7. Szczęka dolna

b f 778÷934 f

8. Żuchwa b f 1558÷1780g f 9. Żuchwa b f 1290÷1445g f

10. Żuchwa c 3100 890÷4110 9 11. Żuchwa h 1918 818÷3405 9

Wytrzymałość kości twarzy pasażera ustalona na drodze eksperymentalnej [25]

Tabela 4

a- uderzenie kości szczękowej z bliskiej odległości b- sztywne, płaskie ciało o średnicy Ø 29 mm z wykła-

dziną gąbkową o grubości 5 mm c- jak w b, przy innej wykładzinie o grubości wyno-

szącej 5 mm d- odbojnik o średnicy Ø 29 mm z warstwą tłumiącą e- odbojnik o średnicy Ø 65 mm z warstwą tłumiącą f- bliżej nieopisany g- dolny zakres sił, przy którym nastąpi pęknięcie h- sztywny, płaski odbojnik o wymiarach 25×100 mm

z wykładziną o grubości 5 mm

21


Analizując bezpośrednie uderzenia na szyję pasażera i zakres siły, jaki jest ona w stanie przenieść okazuje się, że przednia część szyi jest tak miękka, iż po przy-jęciu uderzenia droga powietrza do płuc może być łatwo zablokowana. W wyniku przeprowadzonych prób doświadczalnych okazało się, że występują spo-radyczne zjawiska pęknięć tarczycy przy działaniu sił w przedziale 890 do 1100 N i krtani 770 do 1000 N [2]. Przy oddzielnie wykonanych próbach na chrząst-kach obydwu organów ustalono średnią siłę powodu-jącą pęknięcia na poziomie 180 N dla chrząstki tar-czycy oraz 250 N dla krtani. Dla obydwu chrząstek, które przy 50% zgnieceniu były obciążone za pomocą urządzenia udarowego o średnicy Ø 38 mm ( pole 11 cm2), zarejestrowano siłę wynoszącą 490 N. Wpraw-dzie ustalona siła nie była daleka od pełnego ściśnię-cia krtani, ale otrzymano wyniki, które odbiegały znacznie od wyników innych doświadczeń. Próby przeprowadzone z urządzeniem udarowym o po-wierzchni 6,5 cm2 i siłą 400 do 450 N prowadziły do rzadkich pęknięć ww. części ciała.

3.3. Kryteria dotyczące klatki piersiowej i brzucha

Pomiary przeprowadza się, przyjmując jako kryterium wciśnięcie klatki piersiowej wyrażone w mm lub wy-rażone w procentach stłuczenia, biorąc za bazę gru-bość klatki piersiowej przed przeprowadzeniem ba-dań. Najczęstszym „kryterium Huelkego” przyjmo-wanym do analiz jest wielkość wciśnięcia wynosząca maksymalnie 44 mm, aby uniknąć złamania żeber. Natomiast przy wciśnięciu wynoszącym 64 do 76 mm należy liczyć się z poważnymi obrażeniami zakwali-fikowanymi jako 3-ciego stopnia w skali AIS [2]. Innym kryterium wystąpienia wewnętrznych obrażeń przyjętym przez Verriesta i Chapona jak również Via-no i Lau jest stosunek wciśnięcia do początkowej grubości klatki piersiowej wynoszący maksimum 0,4 [3, 11,12,13,14 i 15]. Doświadczenia przeprowadzone z ochotnikami pokazały, że wciśnięcie klatki o 20 % jest niegroźne i jest całkowicie odwracalne, natomiast podczas badań na zwłokach ludzkich przy 40 % wci-śnięciu stwierdzono bardzo liczne złamania żeber klatki piersiowej. W następstwie tego zaproponowano górną granicę wciśnięcia klatki piersiowej wynoszącą 35%. (ang. „maximal chest compression”). Podczas uderzenia czołowego w klatkę piersiową, zamiast głębokości wciśnięcia można mierzyć też przyspieszenie w rejonie kręgosłupa. Jako kryterium zaleca się maksymalne przyspieszenie wynoszące 60g (588,6 m/s2) w czasie 3 ms. Powyższe kryterium można skonfrontować z innymi danymi literaturowy-mi, wg których w przypadku akrobaty skaczącego z wysokości 17,4 m na materac przyspieszenie działają-ce na kręgosłup wynosi 46 g (451 m/s2), natomiast kiedy upada on na brzuch, zmierzono na mostku przy-spieszenie wynoszące 380 g ( 3727 m/s2) i na kręgo-słupie 68 g ( 667 m/s2). Przy badaniu serii uderzeń na

klatkę piersiową wykryto, że maksymalne przyspie-szenie kręgosłupa na wysokości klatki piersiowej jest gorszym kryterium rozstrzygającym o ewentualnym występowaniu obrażeń i powinno ono być zastąpione przez maksymalne wciśnięcie klatki piersiowej.

3.4. Ocena kryteriów biomechanicznych

Kryteria biomechaniczne dla klatki piersiowej spro-wadzają się do:

kryterium VC ( ang. „Viscous Criterion”) opracowane na bazie energii pochłoniętej przez klatkę piersiową, uwzględnia prędkość jej deformacji; wychodzi się tutaj z założenia, że przy prędkości odkształcenia mniejszej niż 3 m/s ( 10,8 km/h) można zastosować kryte-rium maksymalnego wciśnięcia. Ze względu na wiskotyczność klatki piersiowej prędkość odkształcenia ma duży wpływ na zakres wci-śnięcia i tym samym na niebezpieczeństwo zranienia miękkich tkanek ciała. Kryterium VC można wyrazić za pomocą wzoru:

DyyVC ⋅= & (9)

gdzie:

yV &= i DyC = (10)

oraz: D-grubość klatki piersiowej przed zderzeniem

y- chwilowe odkształcenie (wciśnięcie) klatki piersiowej

y& -chwilowa prędkość deformacji klatki piersiowej.

kryterium TTI ( ang. „Thoraric Trauma In-dex”) opracowane na statystycznych bada-niach 49 wypadków śmiertelnych; definiuje się je za pomocą wzoru:

( )

eee

e MSRATTI ⋅+⋅

+=75

5,04,1 (11)

gdzie: Ae-wiek (rocznik) pasażera e- wskaźnik równoważny dla ofiar śmiertel-

nych i manekinów Me-masa pasażera [kg] Re- maksymalne efektywne przyspieszenie

żebra [ g] Se- maksymalne boczne przyspieszenie krę-

gosłupa [g].

Kryterium VC jest przeznaczone głównie do analizy wystąpienia ewentualnych obrażeń, wynikających z czołowego uderzenia w klatkę piersiową pasażera. Obydwa kryteria VC i TTI są stosowane do analiz skutków wypadków wynikających z bocznych ude-rzeń.

22


Kryteria biomechaniczne można stosować tylko do określonego zakresu ludzkiego ciała i w ogólnym przypadku tylko dla określonego rodzaju obrażeń. Ofiara wypadku cierpi jednak zwykle z powodu zróż-nicowanych obrażeń doznanych podczas wypadku, które działając jednocześnie mogą się jeszcze bardziej pogłębiać. Nie można stosować tylko jednego kryte-rium dla jednej części ciała. O wiele bardziej należy się troszczyć o całkowitą ochronę pasażera. Na przy-kładzie transportu samochodowego okazuje się, że wartości wskaźnika HIC można zmniejszyć, jeśli przyjmie się, że pasażer posiada zapięty pas w rejonie podbrzusza. W tym przypadku jednak bardziej obcią-żone są kości uda. W przypadku komunikacji kolejo-wej należy uwzględnić inne rozwiązania niż w komu-nikacji samochodowej, ponieważ pasażerowie nie posiadają pasów bezpieczeństwa. W tym przypadku nie trzeba uwzględniać sił wywieranych na podbrzu-sze ani też obciążeń na nogi. W rzeczywistości kine-matyka podróżnych pociągu zmusza do tego, aby uwzględniać ochronę tych części ciała, które nie są obciążone w komunikacji samochodowej. Dla celów informacyjnych kryteria biomechaniczne obowiązujące w transporcie samochodowym przed-stawiono w tabeli 5 [25].

L.p. Część ciała Kryterium bezpieczeń-stwa

Wartość

1. Głowa Wartość wskaźnika GAMBIT

1,0

2. Szyja Moment zginający 370, 0 Nm

3. Klatka pier-siowa

Nacisk wywołujący wci-śnięcie

40 mm

4. Ramiona Siła kontaktu na rękach 3,8 kN 5. Podbrzusze Przyspieszenie miednicy

(α>20o) 13,0 g

6. Podbrzusze Przyspieszenie miednicy (α≤20o)

80,0 g

7. Nogi Siła kontaktu działająca na nogi

10,0 kN

Zestawienie kryteriów biomechanicznych dla poszcze-gólnych części ciała pasażera w komunikacji samocho-dowej Tabela 5

4. Wytyczne do konstruowania pojazdów szy-nowych w komunikacji osobowej, zabezpie-czające pasażera przed obrażeniami w przypadku zderzeń

W celu sformułowania wytycznych do konstruowania pojazdów szynowych w komunikacji osobowej, które mają zagwarantować bezpieczeństwo pasażera pod-czas zderzeń, przeprowadzono obliczenia symulacyj-ne dla 24 przypadków różnych konfiguracji zderzeń [25]. W oparciu o wyniki obliczeń sformułowano

następujące wymagania wytrzymałościowe dla prędkości zderzenia 54 km/h (15 m/s):

- zderzaki powinny być przystosowane do przeniesienia siły wynoszącej 1500 kN, co odpowiada obecnym wymaganiom technicz-nym, stawianym pojazdom i zarazem umoż-liwia maksymalne zastosowanie zróżnicowa-nia sztywności poszczególnych elementów pociągu; powyżej siły 1500 kN mogą wystą-pić pęknięcia elementów mocowania zderza-ków, jednakże bez wystąpienia uszkodzeń końców pudła pojazdu

- należy zastosować wymienialne elementy pochłaniające energię z odpowiednią długo-ścią deformacji, zainstalowane za zderzaka-mi, do przeniesienia siły do 1750 kN tak, aby umożliwić zadziałanie urządzeń zapobiegają-cych uniesieniu się pojazdu; powyżej 1750 kN następuje zgniot elementów pochłaniają-cych (ang. „crashelemente”)

- strefy pojazdu, w których są dopuszczalne pęknięcia ( niem. „Sollbruchbereiche”) po-winny być zaprojektowane na bezpieczne przeniesienie siły wynoszącej 2000 kN; po-wyżej tej siły następuje zgniot elementów poprzez plastyczne odkształcenie końców pudła wagonu

- strefy przedziałów dla podróżnych należy projektować tak, aby mogły przenieść siłę 4000 kN.

Ww. wymagania nie powinny powodować rozwoju pojazdów o dużej masie własnej. Ponadto stwierdzo-no, że jeśli prędkość zderzenia przekracza 30 km/h (8.33 m/s2), wówczas wzrasta niebezpieczeństwo utraty zdrowia i życia przez pasażerów co najmniej o 50% (przy stopniu AIS >3). Przy projektowaniu pudeł wagonów osobowych zaleca się, aby podczas zderze-nia został zrealizowany „ ich stopniowy zgniot”, co można uzyskać przez przejście z jednej strefy do dru-giej przy zastosowaniu współczynnika bezpieczeń-stwa wynoszącego 1,5 do 2. Jeśli przyjmie się, że wytrzymałość czołownicy ostoi wagonu jest ograni-czona do 2000 kN, to wówczas strefa dopuszczalnych pęknięć występuje w zakresie 3000 do 4000 kN, a następne przedziały dla podróżnych podlegają trwa-łym deformacjom przy działaniu sił 4500 do 6000 kN. W przypadku zderzenia pojazdów o podobnej kon-strukcji na prostym odcinku toru kolejowego:

- przy prędkościach nabiegania poniżej 14,4 km/h (4,0 m/s): ♦ przy prędkości mniejszej niż 14,4 km/h

energia zderzenia musi być pochłonięta w ramach przewidzianego skoku zde-rzaków lub sprzęgu samoczynnego

23


♦ przy prędkości mniejszej niż 7,2 km/h (2,0 m/s) maksymalne przyspieszenie wzdłużne w pudle wagonu pojazdu nie może przekroczyć 2g (19,62 m/s2)

♦ przy prędkości zawierającej się w prze-dziale 7,2 do 14,4 km/h maksymalne przyspieszenie wzdłużne w pudle wago-nu pojazdu nie może przekroczyć 3g (29,43 m/s2)

♦ poniżej prędkości 14,4 km/h żaden z pasażerów nie może doznać jakichkol-wiek obrażeń.

- przy prędkościach nabiegania większych od 14,4 km/h (4.0 m/s) i mniejszych od 28,8 km/h (8m/s):

♦ przy prędkości większej niż 14,4 km/h energia zderzenia nie jest już pochłania-na przez sprzęg

♦ przy prędkościach większych niż 14,4 km/h i mniejszych niż 28,8 km/h musi być uniemożliwione podnoszenie się po-jazdu przez zastosowanie odpowiednich urządzeń zabezpieczających pojazd przed „unoszeniem się”; funkcja oraz wydajność tych urządzeń musi być za-chowana przez cały czas zmiany wyso-kości pojazdu szynowego podczas eks-ploatacji, spowodowanej między innymi przemieszczeniami dynamicznymi

♦ przy prędkościach, które nie przekracza-ją 28,8 km/h energia zderzenia musi być pochłonięta przez urządzenie pochłanią-jąco-zderzne, które można łatwo wy-mienić; maksymalne przyspieszenie wzdłużne nie może przekroczyć 5g (49,05 m/s2)

- przy prędkościach nabiegania większych od 28,8 km/h (8 m/s) i mniejszych od 65 km/h ( 18 m/s):

♦ przy prędkości mniejszej niż 65 km/h energia zderzenia musi być przejęta łącznie przez zderzaki, elementy zde-rzno-pochłaniąjące jak również stop-niowe odkształcenie pudła wagonu; od-kształcenie pudła wagonu nie może przekroczyć 1000 mm

Przy prędkości większej od 65 km/h (18 m/s) wystę-puje katastrofa kolejowa i nie podaje się wytycznych. Podczas konstrukcji wewnętrznego wyposażenia po-jazdu należy przestrzegać następujących zasad:

- pokrycie wszystkich metalowych powierzch-ni za pomocą elastycznej wykładziny

- bardzo często stosowane ściany szklane mu-szą być poddane kontrolnym testom z uwagi na bezpieczeństwo dla pasażerów podczas zderzeń

- nie należy stosować przedmiotów o ostrych krawędziach

- w przypadku przedziałów bagażowych nale-ży stosować ścianki działowe, aby uniemoż-liwić upadek bagażu na pasażera

- wykonać szczególną kontrolę pod kątem sprawdzenia, czy składane stoliki stwarzają niebezpieczeństwo dla podbrzusza pasażera.

Ważnym elementem wyposażenia wewnętrznego jest siedzenie pasażera, które zgodnie z kartą UIC 567 [18] musi wytrzymać siłę wzdłużną wynoszącą 1500 N lub przyspieszenie 2g (19,62 m/s2) przy masie pa-sażera 75 kg. W tym przypadku wychodzi się z zało-żenia, że całą masę podróżnego przenosi oparcie sie-dzenia, co nie ma całkowitego potwierdzenia w rze-czywistości. Jak wynika z analiz doświadczalnych, na pasażera może działać składowa siła bezwładności na wysokości 2/3 oparcia, w kierunku wzdłużnym i osią-gająca maksymalną wartość 2250 N, co odpowiada maksymalnemu opóźnieniu wynoszącemu 3g (29,43 m/s2). Ww. wartość siły wynika z równania równo-wagi momentów sił względem dolnej krawędzi opar-cia siedzenia. Ten przypadek występuje wtedy, gdy miejsce siedzące jest obrócone w kierunku przeciw-nym do kierunku jazdy. Jak wynika z obecnego stanu obowiązujących dokumentów, przypadek ten nie zo-stał uwzględniony w przepisach jako obligatoryjny. Przykłady nowoczesnych konstrukcji tramwajowych wyposażonych w elementy pochłaniająco-zderzne oraz w urządzenia zabezpieczające pojazd przed „wspinaniem się” są przedstawione na rys. 4 i 5 [16].

♦ dla maszynisty musi być przewidziana bezpieczna przestrzeń, gwarantująca przeżycie.

24


Rys.4. Nowoczesne rozwiązanie konstrukcji kabiny tramwajowej z wewnętrznymi oraz zewnętrznymi „strefami deformacji” w przypadku zderzeń (zaprojektowanej przez Bombardier Transportation Portugal, producent:

Ansoldo Breda Pistola)

Rys.5. Konstrukcja kabiny tramwajowej firmy Alstom ( La Rochelle) a) widok konstrukcji przed zderzeniem

b) widok konstrukcji po zderzeniu ( kabina częściowo odkształcona, strefa drzwi niezdeformowana)

a b

25


5. Zakończenie

Kryteria oceny przy zderzeniach dla pojazdów szy-nowych komunikacji osobowej mają odmienny cha-rakter niż dla wagonów towarowych [4,5 i 6] i wyni-kają ze specyfiki, związanej z zapewnieniem bezpie-czeństwa dla pasażerów i personelu obsługującego przed obrażeniami w trakcie zderzeń. Ważną rolę pełnią tutaj kryteria biomechaniczne, za pomocą któ-rych można dokonać kwalifikacji urządzeń wewnętrz-nych, przy uwzględnieniu bezpieczeństwa podróż-nych. Przyjmuje się założenie, że teoretycznie da się oszacować, jak ciężkie w skutkach jest zderzenie i jak działa na ciało ludzkie. Rozpatrując problematykę zderzeń pojazdów szynowych bezspornym jest fakt, że najcięższym zderzeniem jest zderzenie czołowe, które można podzielić na trzy kategorie:

- czyste zderzenie czołowe - czołowe zderzenie z „unoszeniem się” pojazdu - czołowe zderzenie połączone z niestabilnością

pociągu i wykolejeniem. Pierwsza kategoria zderzeń należy do tych, które kon-struktor może najlepiej opanować. W tym przypadku chodzi o to, aby wykorzystać wszystkie możliwe stre-fy „odkształcalne” pojazdu, w celu pochłonięcia ener-gii zderzenia bez występowania odkształceń przedzia-łów dla podróżnych. Koncepcja stref pojazdu prze-znaczonych do zniszczenia umożliwia lepsze zabez-pieczenie wagonu przed skutkami zderzeń. Drugą kategorię zderzeń określa się mianem katastro-fy kolejowej i należy na ścianach czołowych pojazdu przewidzieć zabudowę urządzeń zapobiegających „unoszeniu się” wagonu. Trzecia kategoria zderzeń występuje przy wysokich prędkościach i stanowi poważną katastrofę kolejową. Jeśli pojazd ulega wykolejeniu w wyniku zderzenia, to istnieje bardzo duże prawdopodobieństwo ponow-nego zderzenia z elementem budowli stałej infrastruk-tury kolejowej np. słupem trakcyjnym ( boczne zde-rzenie pojazdu szynowego). Istotną zaletą pojazdu szynowego w stosunku do sa-mochodu jest to, że pojazd szynowy może przejąć znacznie większą energię zderzenia, wykazując od-kształcenia trwałe. Z tego powodu podróżni w samo-chodzie są zobowiązani do korzystania z pasów bez-pieczeństwa, aby zwiększyć szanse przeżycia w wy-niku zderzenia. Podróżni w pojazdach szynowych są narażeni na umiarkowane przyspieszenia, które nie powodują konieczności stosowania pasów bezpie-czeństwa.

Literatura [1] Balas M., Ramet M.: Les mécanismes des liai-

sons cérébrales par choc et les problèmes de leur évaluation. Rapport INRETS No 79 1988.

[2] Huelke D.F., Melvin J.W.: Anatomy injury fre-quency, biomechanics and human tolerance. SAE paper nr 800098, 1980.

[3] Lau I.V., Viano I.V.: The viscous criterion. Bases and applications of an injury severity in-dex for soft tissues. SAE Paper. Proceedings of the 30 th Stapp Car Crash Conference. San Diego, 1986.

[4] Nowicki J., Sobaś M.: Kryteria oceny zabezpie-czenia pojazdów szynowych przed skutkami zderzeń. Pojazdy Szynowe nr 3/2006.

[5] Nowicki J., Sobaś M.: Wymagania stawiane elementom pochłaniającym energię zderzenia w wagonach-cysternach. Pojazdy Szynowe nr 4/2006.

[6] Nowicki J., Sobaś M.: Przedsięwzięcia materia-łowe i konstrukcyjne zwiększające bezpieczeń-stwo pojazdów szynowych przed skutkami zde-rzeń. Pojazdy Szynowe nr 1/2007.

[7] Scholes A.: Railway passenger vehicle design loads and structural crashworthiness. Proc. Instn. Mech. Engrs., 1987.

[8] Soltis S.J., Olcott J.W.: The development of dynamic performance standards for general aviation aircraft seats. SAE Paper.Crash dy-namics of general aviation aircraft. 1985.

[9] Stalnaker R.L., Lin A.C., Guenther D.A.: The Application of the New Mean Strain Criterion. IRCOBI /AAAM Conf. on the Biomechanics of Impacts. Göteborg, Sweden 1985.

[10] Stalnaker R.L. Low T.C., Lin A.C.: Translation energy criteria and its correlation with head in-jury in the sub-human primate. IRCOBI Conf. on the Biomechanics of Impacts. Birmingham, United Kingdom, 1987.

[11] Verriest J., Chapon A.: Validity of thoracic injury criteria based on the number of rib fac-tures. 10 th Experimental Safety Vehicle Conf. Oxford-England 1985.

[12] Viano D.C., Lau I.V.: Role of impact velocity and chest compression in thoracic injury. Aviat. Space Enviro. Med. nr 54, 1985.

[13] Viano D.C., Lau I.V.: Thoraric impact: a vis-cous tolerance criterion. 10 th Experimental Safety Vehicle Conf. Oxford-England 1985.

[14] Viano D.C.: Limits and challenges of crash protection. Accident Anal. 1988.

[15] Wang J.T.: Analytical studies of injury criteria for the thorax. Journal of Biomechanical Engineering Nr 111, 1985.

26


[18] Karta UIC 567: Postanowienia ogólne dla wagonów osobowych. 2-gie wydanie z 11.2004.

[19] Norma SAE J374: Passenger car roof crush test procedure. Styczeń 1980.

[20] Norma SAE J885: Human tolerance to impact conditions as related to motor vehicle design. Lipiec 1986.

[21] Norma SAE J 996: Inverted vehicle drop test procedure. Styczeń 1980.

[22] pr EN 15 227: Kolejnictwo. Wymagania od-pornościowe na zderzenia nadwozi pojazdów szynowych. (Railway applications. Crashwor-thiness requirements for railway vehicle bod-ies). Kwiecień 2005.

[23] Raport ERRI B205/Rp.1 Podstawowe zasady bezpieczeństwa przed skutkami zderzeń pojazdów szynowych. Załącznik 1 do pisma B 205.97 z 5.12.1994. ( Leitende Grundsätze der Aufprallsicherheit von Eisenbahnfahrzeugen). Utrecht, listopad 1994.

27

[16] Wolter W.: Kollisionssichere Schienenfahrze-uge –Empfehlungen für Hersteller und Betreiber. ZEV Rail. Glasers Annalen Nr. 128. Tagungsband Graz 2004.

[17] Karta UIC 566: Obciążenia pudeł wagonów pasażerskich i ich części dobudowanych.3-cie wydanie z 1.01.1990 z uzupełnieniem z 1.07.1994

[24] Raport ERRI B205/Rp.1 Podstawowe zasady bez-pieczeństwa przed skutkami zderzeń pojazdów szynowych.(Leitende Grundsätze der Aufprall-sicherheit von Eisenbahnfahrzeugen). Utrecht, luty 1995.

[25] Raport ERRI B 106/Rp.20: Wytrzymałość na zde-rzenia pudła wagonu osobowego. Oddziaływa-nia zderzeń zdeterminowanych wypadkiem na wagony osobowe. Zalecenia warunków tech-nicznych dostawy. ( Stossfestigkeit des Wagen-kastens von Reisezugwagen. Auswirkungen un-fallbedingter Stösse auf Untersuchung. Vor-schläge für technische Lieferbedingungen ). Ut-recht 12/1993


1. Wstęp Silnik spalinowy, jak wszystkie urządzenia me-

chaniczne, podlega zużyciu i starzeniu. Istnieje więc konieczność oceny stanu technicznego silnika w każ-dej chwili jego życia. Typowa diagnostyka, jako na-rzędzie, oprócz oceny stanu technicznego ma także za zadanie zlokalizowanie źródła uszkodzenia.

Diagnostyka pojazdów szynowych ma stosunko-wa krótką historię. Jej dynamiczny rozwój zaczął się dopiero w połowie lat siedemdziesiątych XX wieku, kiedy zaczęła zmniejszać się (aż do zupełnego zaniku) liczba parowozów, które zostały zastąpione bardziej złożonymi lokomotywami spalinowymi i elektrycz-nymi. Nastąpił również dynamiczny rozwój technik komputerowych sterujących prowadzonymi badania-mi i pomiarami, a także oceniającymi ich wyniki.

Zaprezentowane wyniki obejmują zastosowanie wybranych metod przetwarzania sygnałów do diagno-styki silników spalinowych pojazdów szynowych. Przeprowadzone badania polegały na porównaniu sygnału wibroakustycznego uzyskanego z silników lokomotyw spalinowych przed i po naprawie rewizyj-nej (remoncie).

Pozyskane w takich warunkach sygnały wibro-akustyczne zostały następnie poddane wybranym me-todom analizy i przetwarzania sygnałów. Oprócz kla-sycznego podejścia (takiego jak np. metody Fourie-rowskie) w badaniach zastosowano nowoczesne me-tody oparte na analizie nieliniowej oraz chwilowej. Metody analizy nieliniowej bazują na teorii chaosu deterministycznego i są obecnie z powodzeniem sto-sowane do analizy sygnałów, w tym również sygna-łów wibroakustycznych, pozyskanych z silnika spali-nowego [1,3,5,9,10,13,14,15 i 19].

dr inż. Piotr Boguś Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Akademia Medyczna w Gdańsku mgr inż. Adam Sienicki mgr inż. Estera Wojciechowska Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”

Porównanie stanu silnika lokomotywy spalinowej ST44 przed i po remoncie przy użyciu sygnału wibroakustycznego

Artykuł przedstawia opis badań przeprowadzonych na silniku lokomotywy spalinowej ST44-2045 analizujących jego stan przed i po remoncie przy wykorzystaniu sygnałów wibroakustycznych. Podano metodykę i zakres przeprowadzonych pomiarów. Dokona-no opisu aparatury pomiarowej wykorzystanej do pozyskania sygnału przyspieszenia oraz zaprezentowano wybrane wyniki analizy sygnałów wibroakustycznych, obejmują-ce wykorzystanie parametrów statystycznych, widm FFT, analizę nieliniową oraz me-tody chwilowe z wykorzystaniem technik rozpoznawania obrazów. Artykuł powstał w wyniku realizacji projektu badawczego KBN nr 5 T12D 011 25 pt. „Diagnostyka OBD silników spalinowych pojazdów szynowych przy użyciu wybranych metod przetwarzania sygnałów”

Metody nieliniowe, tak samo zresztą jak metody Fourierowskie, dają całościową charakterystykę sy-gnału,jednak nie pokazują chwilowych zmian w wid-mie oraz innych właściwościach sygnału. W związku z tym przeprowadzono również badania w zakresie metod chwilowych, które były już z powodzeniem stosowane do oceny wypadania zapłonu silnika spali-nowego lokomotywy [4,6,7 i 8]. Zaproponowana me-toda polega na analizie wybranych parametrów (w tym również parametrów nieliniowych) w przesuwa-jącym się wzdłuż sygnału oknie czasowym. Ewolucja czasowa tych własności jest następnie reprezentowana w wielowymiarowej przestrzeni parametrów, gdzie wybrane stany silnika są wykrywane z wykorzysta-niem metody grupowania danych. 2. Aparatura pomiarowa

Pomiary przyspieszeń na silnikach lokomotyw przed remontem wykonano za pomocą czujników przyspieszeń serii EGCS firmy Entran Devices (rys.1) o zakresie ±5g, z których sygnał rejestrowany był za pomocą karty analogowo – cyfrowej PCL-818HD firmy ADVANTECH z częstotliwością próbkowania fHz =1004,0161 Hz /kanał.

Pomiary silników lokomotyw ST44 2045/2061 po naprawie wykonano również wymienionymi czujni-kami EGCS oraz dodatkowo nowymi czujnikami PCB PIEZOELECTRONICS model 393B04 (rys.2), dla których sygnał wzmacniany był przenośnym 3-kanałowym kondycjonerem sygnału ICP (rys.3) i dalej rejestrowany za pomocą karty analogowo – cyfrowej.

POJAZDY SZYNOWE NR 2/2007 29

Rys. 2. Czujnik przyspieszeń PCB

3. Obiekt badań – lokomotywa spalinowo-elektryczna ST44-2045

Rosnące przewozy towarowe spowodowały koniecz-ność zakupienia nowoczesnych lokomotyw spalino-wych dużej mocy. Umowa na dostawę takich lokomo-tyw została podpisana w 1965 z byłym Związkiem Radzieckim. Dostawcą lokomotyw była fabryka w Ługańsku. Początkowo zakupiono cztery lokomoty-wy, które skierowano do pracy w rejonie stacji War-szawa-Praga. Ponieważ na tamte czasy lokomotywy te okazały się bardzo dobre, złożono zamówienie na dostawę o łącznej ilości 1182 lokomotyw. Część z lokomotyw została zakupiona specjalnie do obsługi Linii Hutniczo-Siarkowej; lokomotywy te są oznaczo-ne numerami od 2001 do 2068.

Rys. 4. Lokomotywa spalinowa ST44-2045 przy stacji diagnostycznej Lokomotywa spalinowa serii ST44 (rys. 4) ma sześć zestawów

kołowych, umieszczonych na dwóch wózkach. Wszystkie zestawy kołowe są napędowe i każdy z nich jest napędzany oddzielnym elek-trycznym silnikiem trakcyjnym. Zadaniem przekładni elektrycznej jest przeniesienie momentu obrotowego od spalinowego silnika wy-sokoprężnego na zestawy kołowe lokomotywy.

Główne parametry techniczne lokomotywy podano w tabeli 1.

Główne parametry techniczne lokomotywy spalinowej ST44 (M62)

Tabela 1 L.p Nazwa parametru Oznaczenie i war-

tość parametru 1 Układ osi Co Co 2 Szerokość toru 1435 mm 3 Długość ze zderzakami 17550 mm 4 Masa lokomotywy w

stanie służbowym 116,5 t

5 Największy nacisk zestawu kołowego na szyny

190 kN

6 Prędkość maksymalna 100 km/h 7 Moc silnika spalinowe-

go 1470 kW(2000

KM) 8 Znamionowa prędkość

obrotowa silnika spali-nowego

750obr/min

9 Prędkość obrotowa biegu jałowego silnika spalinowego

400obr/min

10 Jednostkowe zużycie oleju napędowego

215g/kWh

11 Pobór mocy z silnika spalinowego przez urządzenia pomocnicze

193 kW (263 KM)

12 Zapas oleju napędowe-go

3900 l

13 Moc prądnicy głównej 1270kW 14 Moc silnika trakcyjne-

go(ciągła) 190kW

Rys. 3. Trójkanałowy kondycjoner sygnału ICP

Rys. 1. Czujnik przyspieszeń firmy Entran


Lokomotywy pracujące na linii LHS posiadają wózki na tor 1520 mm. Lokomotywy te pracują w trakcji wielokrotnej, prowadząc pociągi o masie do 6000 t. Ponadto w eksploatacji znajdowała się loko-motywa ST44-1500, która posiadała prototypowe wózki o konstrukcji bezwidłowej.

Lokomotywy serii ST44 zostały skonstruowane według określonych specyficznych założeń. Jako pa-rametry priorytetowe przyjęto prostotę budowy i ob-sługi, łatwość uruchamiania w każdych warunkach eksploatacji i dużą siłę pociągową. Lokomotywy sta-nowiły zunifikowany spalinowy pojazd trakcyjny dla kolei we wszystkich krajach byłego RWPG. Takie założenia potwierdziły się w praktyce i miały swoje zalety w okresie intensywnego ruchu towarowego na

Na PKP lokomotywy te są systematycznie wyco-fywane z eksploatacji tam, gdzie nie jest wymagane ich użycie. Z ilości 1182 lokomotyw pozostało obec-nie około 250 sztuk. W niektórych krajach jak Niemcy i Węgry lokomotywy te zostały zmodernizowane. Uzyskały nowy silnik spalinowy amerykańskiej firmy Caterpilar, sterowanie mikroprocesorowe oraz nową kabinę maszynisty. PKP nie przewidują modernizacji tych lokomotyw, poza taborem pracującym na szero-kotorowej linii LHS. Lokomotywy te cieszą się nato-miast dużym zaufaniem u prywatnych przewoźników i z chęcią są przez nich kupowane [16].

4. Pomiary przyspieszeń na silniku lokomoty-wy ST44-2045 przed i po naprawie rewi-zyjnej

4.1.Badania lokomotywy ST44-2045 przed remon-tem, październik 2005 Pomiary przyspieszeń na silniku lokomotywy

ST44-2045 przed i po naprawie rewizyjnej wykonano w stacji diagnostycznej w Zamościu. Obiektem badań był silnik spalinowy typu 14D40 nr 8849. Zgodnie z książką pokładową lokomotywy, jej przebieg przed remontem (stan na 27.10.2005) wynosił 575917 km.

Pomiary wykonywane były pod obciążeniem (na oporniku wodnym) dla odpowiednio dostosowanych mocy w wyznaczonych punktach pomiarowych. W trakcie badań wykonano pomiary w 7 punktach roz-mieszczonych wg rys. 5. PKP. Lokomotywa ST44 okazała

się niezastąpioną w ciężkich wa-runkach zimowych. Brak jakich-kolwiek zabezpieczeń ze strony prądnicy głównej i silników trak-cyjnych spowodował, że lokomo-tywy te bez problemów radziły sobie z najcięższymi pociągami poruszającymi się po sieci PKP.

Niestety tego rodzaju konstrukcja ma również poważne wady, które w obecnych warunkach właściwie dyskwalifikują te pojazdy. Do wad lokomotywy ST44 należą:

• prymitywny dwusuwowy silnik spalinowy, zaadaptowany bez większych zmian z lekkich jednostek morskich i nie odbiegające od innych lokomotyw deklarowane zużycie paliwa, które w praktyce okazało się znacznie większe przy niewielkich obciążeniach lokomotywy

• niewielki w odniesieniu do zużycia zbiornik paliwa, co w odczuwalny sposób zmniejsza zasięg lokomotywy (był to poważny problem w pierwszych latach eksploatacji na LHS)

• znaczna emisja toksycznych spalin i duża emisja hałasu

• uszkodzenia uszczelnień układu chłodzenia silnika spalinowego

• mało elastyczne zawieszenie, powodujące podwyższone zużycie torów podczas jazdy.

Rys. 5. Rozmieszczenie punktów pomiarowych

Czujniki mocowano na korpusie silnika w miej-scach odpowiadających łożyskowaniu wału korbowe-go silnika (rys.6a). Każdy punkt pomiarowy rejestro-wał przyspieszenia w dwóch kierunkach: pionowym oraz poziomym poprzecznym (rys.6b). Dla każdego wyznaczonego punktu wykonano dwie serie pomia-rowe.

Ze względu na dysponowanie ograniczoną liczbą czujników pomiarowych jednorazowo wykonywano pomiary w trzech punktach pomiarowych. Oznacza to, iż na każdej lokomotywie wykonano 3 serie pomiarów powtarzając je 2-krotnie. Wartości mocy i prędkości obrotowych odpowiadające nastawom wziętym do analizy przedstawiono w tabelach 2, 3 i 4.

Rys.6a

30


Rys. 6. Miejsca łożyskowania wału korbowego (6a) oraz czujniki umiejscowione w punkcie pomiarowym (6b)

Rys.6b

Próba 1 Próba 2

Nastawa

Moc [kW]

Prędkość obrotowa wału kor-bowego

[obr/min]

Nastawa

Moc [kW]


[obr/min]

2 244 409 2 234 409 15 903 701 15 909 703

Nastawy (moc i prędkość obrotowa) dla lokomotywy ST44-2045 przed remontem (punkty 1,2,3 próba 1 i 2)

Tabela 2

Próba 1 Próba 2

Nastawa

Moc [kW]

Prędkość obrotowa

wału korbowego [obr/min]

Nastawa

Moc [kW]



2 344 406 2 309 412 15 1174 735 15 993 750


Tabela 3


Tabela 4 Próba 1 Próba 2

Nastawa

Moc [kW]



Nastawa

Moc [kW]



2 251 415 2 260 409 15 983 752 15 1030 755

4.2. Badania lokomotywy ST44 po remoncie Na przełomie roku 2005/2006 lokomotywa ST44-

2045 (rys. 4) przeszła naprawę rewizyjną o zakresie prac, obejmującym przegląd podzespołów i zespołów połączony z częściowym ich demontażem z pojazdu trakcyjnego oraz naprawę lub wymianę elementów zużytych bądź uszkodzonych, zgodnie z [11]. Prze-bieg lokomotywy po naprawie (stan na 31.03.2006) wynosił 131 km.

Obiektem badań był ten sam silnik spalinowy ty-pu 14D40 nr 8849 (ST44-2045) po remoncie. Pomiary wykonywane były pod obciążeniem (na oporniku wodnym) dla odpowiednio dostosowanych mocy w wyznaczonych punktach pomiarowych.

W trakcie badań wykonano pomiary w 6 punktach (rys. 7 i 8). Czujniki mocowano na korpusie silnika w miejscach odpowiadających łożyskowaniu wału kor-bowego silnika. Każdy punkt pomiarowy rejestrował przyspieszenia w dwóch kierunkach: pionowym (czujniki Entran) oraz poziomym poprzecznym (czuj-niki PCB). Dla każdego wyznaczonego punktu wyko-nano dwie serie pomiarowe. Wartości mocy i prędko-ści obrotowych, odpowiadające nastawom wziętym do analizy, przedstawiono w tabeli 5

Rys. 7. Rozmieszczenie punktów pomiarowych

Rys. 8. Czujniki zamontowane w punktach pomia-rowych 1, 2, 3, 4, 5 i 6

31


Nastawy (moc i prędkość obrotowa) dla lokomotywy ST44 - 2045 po remoncie (punkty 1, 2, 3, 4, 5 i 6)

Tabela 5

Próba 1 Próba 2

Nastawa

Moc [kW]


[obr/min]

Nastawa

Moc [kW]


[obr/min]

2 270 412÷438 2 250÷270 412÷438 15 1230 745÷759 15 1201÷1263 745÷759

Podane w tabeli 5 zakresy prędkości obrotowych oraz mocy wynikają z tego, że na stanowisku badaw-czym silnik był sterowany sterownikiem lokomotywy, który wykorzystuje charakterystykę UIC optymalnego sterowania mocą silnika w funkcji jego obrotów PUIC = f(nwału). Obroty wału od ÷ do [obr/min] odpowiadają zapisowi mocy od ÷ do [kW], bo wynikają z wykresu UIC a układ sterowania silnika nie potrafi zrealizo-wać ustalonych stałych obrotów. Naprawa obejmowała między innymi: − oczyszczenie kadłuba i głowicy silnika, dokonanie

próby szczelności kanałów oraz przestrzeni wod-nych, sprawdzenie bloku cylindrowego, tulei cy-lindrowych i prowadnic popychaczy zaworów

− sprawdzenie korbowodu, tłoków, sworzni i pier-ścieni tłokowych, łożysk i śrub

− sprawdzenie tłumika, koła zamachowego, wałów rozrządu i łożysk, kół zębatych, popychaczy za-worów i pomp wtryskowych

− skorygowanie linii wału korbowego − oczyszczenie i naprawę tłumika spalin, kolekto-

rów ssących, wydechowych oraz kompensatorów − oczyszczenie i sprawdzenie turbosprężarki, doła-

dowarki i chłodnicy powietrza doładowania − dokonanie prób silnika spalinowego na stanowi-

sku w hamowni.

5. Zastosowane metody analizy sygnałów Sygnały wibroakustyczne uzyskane z silnika spa-

linowego zostały poddane następującym metodom analizy sygnałów: − analiza widma FFT [17 i 18] − obliczenie globalnych parametrów statystycznych

takich jak wartość średnia, mediana i średni błąd kwadratowy [15,17 i 18]

− analiza nieliniowa [1 i 9] − analiza krótkoczasowa [17 i 18].

Analiza nieliniowa jest metodą bazującą na teorii chaosu deterministycznego. W metodzie tej zakłada się, że dany jest pewien, poddany próbkowaniu, sy-gnał czasowy x(t). Zasadniczą jej ideą jest założenie, że przestrzeń w której należy oglądać dynamiczną

strukturę sygnału nie jest jednowymiarową przestrze-nią możliwych wartości x(t), ale że ewolucja dyna-miczna zachodzi w przestrzeni wektorów w(t) wyż-szego wymiaru [1,3,5 i 9]. Przestrzeń tę odtwarza się poprzez tzw. zanurzenie szeregu czasowego na bazie wybranego opóźnienia czasowego (ang. time-delay embedding). W praktyce dąży się do odtworzenia przestrzeni, która jest formalnie równoważna orygi-nalnej przestrzeni fazowej układu. W tym celu używa się współrzędnych utworzonych z obserwowanych zmiennych oraz ich opóźnień. Wybiera się okres cza-su τ, po czym oblicza wartości sygnału po czasie τ, czyli bierze się pod uwagę kolejne wielkości

xi = x(ti), xi+1 = x(ti + τ), xi+2 = x(ti + 2τ), ….. (1)

Dla odtworzenia ewolucji w n-wymiarowej przestrze-ni stanu konstruuje się odpowiednie n-wymiarowe wektory w utworzone z kolejno wybieranych n-elementowych ciągów

w1 = (x1, x2, ..... , xn), w2 = (x2, x3, ..... , xn+1), w3 = (x3, x4, ..... , xn+2), (2) : wi = (xi, xi+1, ……, xi+n-1) :

Są to tzw. wektory opóźnienia czasowego. Kolejne wektory w1, w2, w3, ..... wyznaczają ewolucję w n-wymiarowej przestrzeni stanu. Charakterystyczne opóźnienie czasowe τ znajduje się jako pierwsze miej-sce zerowe funkcji autokorelacji sygnału albo jako pierwsze minimum uśrednionej informacji wzajemnej (ang. average mutual information). Mając dane τ można oszacować właściwy wymiar przestrzeni fazo-wej d, w której odtwarza się dynamika systemu. Sto-suje się wówczas metodę najbliższych fałszywych sąsiadów (ang. nearest neighbour method). Gdy dane jest τ i d można odtworzyć dynamikę systemu i doko-nać analizy jakościowej zachowania się układu w przestrzeni fazowej. Można również obliczyć wartości szeregu nieliniowych parametrów takich jak np. wy-kładniki Lapunowa lub wymiary fraktalne. Parametry te mogą stać się podstawą do diagnostyki badanych systemów dynamicznych, w najprostszym przypadku poprzez ich porównanie dla zachowań prawidłowych i nieprawidłowych.

Zastosowana analiza krótkoczasowa bazuje na ob-liczeniu wybranych parametrów w oknie przesuwają-cym się w czasie wzdłuż sygnału, a następnie na ob-serwacji położenia i ewolucji dynamicznej wektorów stanu w wielowymiarowej przestrzeni parametrów [4,6,7 i 8]. Ogólny schemat chwilowej analizy sygna-łów jest następujący: 1. wybór wielkości okna czasowego,

32


2. w przesuwającym się oknie czasowym oblicza się wybrane parametry (np. prążki FFT, parametry statystyczne itp.),

3. dla danego położenia okna wartości parametrów reprezentują punkt w wielowymiarowej przestrze-ni parametrów (tyle wymiarów przestrzeni ile pa-rametrów),

4. jeśli rozważyć okno przesuwające się w czasie wzdłuż sygnału, to wartości parametrów dla ko-lejnych położeń reprezentują kolejne punkty w przestrzeni parametrów,

5. dla danego skończonego sygnału w wyniku prze-sunięcia okna wzdłuż całego sygnału otrzymuje się zbiór punktów w wielowymiarowej przestrzeni parametrów,

6. dla porównania różnych sygnałów dokonuje się grupowania danych w przestrzeni parametrów i porównuje się środki uzyskanych grup. Grupowanie danych jest jedną z podstawowych

technik rozpoznawania obrazów i polega na podziale zbioru danych na grupy elementów najbardziej do siebie podobnych. Zazwyczaj podczas grupowania zakłada się z góry określoną liczbę grup i próbuje się podzielić zbiór danych na tę założoną liczbę grup. Algorytm grupowania danych należy do tzw. „metod nauczania bez nadzoru”, bowiem automatycznie prze-prowadza grupowanie zbioru danych na grupy ele-mentów najbardziej do siebie podobnych. W pracy zastosowano klasyczny algorytm grupowania po c średnich (ang. c-means algorithm of clustering) [2 i 12].

6. Rezultaty badawcze Analizę zarejestrowanych sygnałów zrealizowano

z wykorzystaniem oprogramowania NDT (Nonlinear Dynamics Toolbox) oraz z programu MATLAB. W MATLABIE wykorzystano zarówno gotowy toolbox, realizujący analizę nieliniową TSTOOL jak i własne oprogramowanie ASC do analizy nieliniowej. Pro-gram ASC (Analiza Szeregów Czasowych) został napisany przez autorów.

Widma sygnałów uzyskanych z silników przed i po remoncie różnią się w sposób zasadniczy. Rys. 9 pokazuje dwa przykładowe widma amplitudowe FFT dla odpowiednich sygnałów – jednostki na osi częstotliwości f są unormowane.

Rys. 9. Widma amplitudowe dla sygnałów pozyskanych: A- przed remontem (pomiar 1, nastawa 15, punkt pomiarowy 6, pion) i B- po remoncie (pomiar 1, nastawa 2, punkt po-

miarowy 5, poziom)

Analiza widma pokazuje, że dla wszystkich widm sygnałów uzyskanych przed remontem dominowała bardzo duża wartość składowej stałej (rys. 9A) – jest ona widoczna na rysunku jako prążek dla wartości 0 Hz. Dla sygnałów po remoncie składowa ta ulegała praktycznie eliminacji (rys. 9B). Wynik ten pokazuje, że klasyczne metody analizy widmowej mogą się okazać w dalszym ciągu decydujące w zakresie dia-gnostyki awaryjnej silnika.

Obliczono globalne parametry statystyczne takie jak średnia, mediana i odchylenie standardowe. Wy-niki analizy tych parametrów są przedstawione w tabelach 6÷10. Są tam parametry obliczone dla wszystkich sygnałów, dla sygnałów zarejestrowanych w kierunku pionowym i poziomym poprzecznym oraz dla nastawy 2 i 15 (tabele 2÷5).

Globalne parametry statystyczne dla wszystkich sygnałów uzyskanych dla lokomotywy ST44 - 2045

Tabela 6 Średnia Mediana Odchylenie

standardowe Przed remontem 0.265 ±

0.075 0.209 ± 0.069

1.857 ± 0.651

Po remoncie 0.036 ± 0.091

0.083 ± 0.259

7.939 ± 5.786

Różnica (po – przed)

-0.229 -0.126 6.082

33

m p

m p A

B


Średnia Mediana Odchylenie standardowe

Przed remontem – pion

0.306 ± 0.079

0.250 ± 0.076

1.757 ± 0.636

Po remoncie – pion

0.111 ± 0.062

0.290 ± 0.209

3.275 ± 1.473


-0.195 0.040 1.518

Globalne parametry statystyczne dla sygnałów zareje-strowanych w kierunku pionowym uzyskanych dla lo-

komotywy ST44 - 2045 Tabela 7

Średnia Mediana Odchylenie standar-

dowe Przed remontem – poziom

0.225 ± 0.039

0.168 ± 0.015

1.957 ± 0.649

Po remoncie – poziom

-0.039 ± 0.036

-0.125 ± 0.063

12.602 ± 4.613


-0.264 -0.293 10.645

Średnia Mediana Odchylenie standardowe

Przed remontem – nast. 2

0.231 ± 0.078

0.223 ± 0.092

1.220 ± 0.088

Po remoncie – nast. 2

0.030 ± 0.058

0.003 ± 0.092

4.896 ± 3.095


-0.201 -0.220 3.676

Średnia Mediana Odchylenie standardo-

we Przed – nast. 15 0.300 ±

0052 0.195 ± 0.023

2.494 ± 0.168

Po – nast. 15 0.042 ± 0.114

0.163 ±0.335

10.981 ± 6.234


-0.258 -0.032 8.487

Globalne parametry statystyczne dla sygnałów zarejestrowanych w kierunku poziomym poprzecznym

uzyskanych dla lokomotywy ST44 - 2045

Globalne parametry statystyczne dla sygnałów zarejestrowanych dla nastawy 2 uzyskanych dla

lokomotywy ST44 - 2045

Globalne parametry statystyczne dla sygnałów zareje-strowanych dla nastawy 15 uzyskanych dla lokomotywy

ST44 - 2045

Tabela 8

Tabela 9

Tabela 10

Podczas analizy nieliniowej do obliczeń czasu opóźnienia τ wykorzystano zarówno funkcję autoko-relacji (jako opóźnienie τ bierze się pierwsze przejście przez zero) oraz uśrednioną informację wzajemną

(jako opóźnienie τ bierze się pierwsze minimum lo-kalne). Większość obliczonych opóźnień czasowych τ przyjmuje wartość 1, chociaż zdarzały się przypadki, gdy τ = 2, 3, 4. Wartość wymiaru przestrzeni fazowej została obliczona z wykorzystaniem zasady najbliż-szych fałszywych sąsiadów i oszacowana jako d = 9. Wyniki analizy globalnego parametru nieliniowego – maksymalnego wykładnika Lapunowa – są zaprezen-towane w tabeli 11.

Wartości maksymalnych wykładników Lapunowa przed i po remoncie obliczone dla d=9 sygnałów

zarejestrowanych dla lokomotywy ST44 - 2045 Tabela 11

Przed remontem

Po remoncie


Wszystkie sygnały

0.334 ± 0.237

0.379 ± 0.183

0.045

Sygnały zarejestro-wane w kierunku pionowym

0.310 ± 0.270

0.452 ± 0.236

0.142

Sygnały zarejestro-wane w kierunku poziomym

0.358 ± 0.195

0.582 ± 0.476

0.224

Sygnały zarejestro-wane dla nastawy 2

0.513 ± 0.219

0.263 ± 0.047

-0.250

Sygnały zarejestro-wane dla nastawy 15

0.155 ± 0.014

0.494 ± 0.195

0.339

W ramach analizy chwilowej wzięto pod uwagę następujące parametry: prążki widmowe FFT 1, 2, 3, 4 i 5, średnią, momenty rzędu 2, 3, 4 i 5 oraz medianę. Jako szerokość okna przyjęto okres odpowiadający okresowi obrotowemu wału korbowego dla danej nastawy. Analiza chwilowa dla każdego sygnału najpierw wyznaczyła odpowiednią przestrzeń parametrów, a następnie obliczała środek grupy punktów przestrzeni parametrów z wykorzystaniem techniki grupowania danych (algorytm grupowania po c średnich). Ostateczne rezultaty analizy chwilowej przedstawiono w tabeli 12. Duże wartości odchyleń standardowych wynikają ze znacznych różnic pomiędzy środkami w badanych grupach. Różnice te i odpowiednie odchylenia standardowe będą znacznie mniejsze, jeśli rozważyć osobno sygnały zarejestrowane w kierunku pionowym i poziomym poprzecznym albo dla odrębnych nastaw. Dla tych przypadków jednak zbyt mała liczność próby (zbyt mała ilość sygnałów wziętych do analizy) nie pozwala na wiarygodne stosowanie obliczeń statystycznych. Ponadto warto zwrócić uwagę, że część parametrów w tabeli może przyjmować wartości zarówno dodatnie jak i ujemne.

34


Uśrednione położenia środków grup w przestrzeni parametrów dla sygnałów przed i po remoncie zarejestrowanych dla lokomotywy ST44 - 2045

Tabela 12

7. Wnioski końcowe Przeprowadzone badania pokazały możliwość wy-

raźnego odróżnienia stanu silnika przed remontem i po remoncie, co ma duże znaczenie diagnostyczne, gdyż pozwala wybrać te parametry diagnostyczne, przy pomocy których będzie można odróżnić zużyty (odpowiadający zagrożeniu awarią) stan silnika od stanu poprawnego.

Badania pokazały możliwość potraktowania stałej składowej (o zerowej częstotliwości) jako parametru określającego stan silnika lokomotywy spalinowej. Zwiększenie się tej składowej (szczególnie gdy stała składowa stanie się składową dominującą) wskazuje na zużycie silnika i stan bliski awarii.

Badania w zakresie globalnych parametrów staty-stycznych nie przyniosły zadawalających wyników, tym nie mniej, w większości przypadków wartości średnie i mediany są mniejsze dla sygnałów po re-moncie, natomiast odchylenie standardowe jest zaw-sze większe dla sygnałów po remoncie.

Uzyskane wyniki wskazują również na możliwość zastosowania nieliniowych parametrów (maksymal-nego wykładnika Lapunowa) do wykrywania i odróż-niania stanu zużycia silnika lokomotywy spalinowej. Maksymalne wykładniki Lapunowa w większości przypadków maja wyższą wartość dla przypadku po remoncie, czyli dla silnika w lepszym stanie technicz-nym.

Metody analizy nieliniowej są nowym narzędziem przetwarzania sygnałów. Przedstawione wyniki wraz z innymi badaniami [3,5 i 9] wskazują na przydatność metody nieliniowej analizy sygnałów do diagnostyki silnika wysokoprężnego na bazie sygnału wibroaku-stycznego. Dalsze badania w tym zakresie dają w perspektywie możliwość zastosowania tych metod w przyszłych systemach diagnostyki pokładowej, zain-stalowanych na lokomotywie spalinowej.

Uzyskane rezultaty wskazują również na przydat-ność chwilowej analizy sygnałów do diagnostyki sil-ników wysokoprężnych na bazie sygnału wibroaku-

stycznego. Analiza tych wyników pokazująca znaczą-ce różnice pomiędzy środkami grup dla sygnałów przed i po remoncie, może się okazać istotnym kryte-rium dla odróżnienia stanów awaryjnych silnika. Bio-rąc pod uwagę wielką złożoność i różnorodność moż-liwych schematów pomiarowych należy jednak wy-raźnie podkreślić, że dotychczasowe eksperymenty w zakresie widm chwilowych nie są ostateczne i wyma-gają dalszych badań [4,6,7 i 8]. Przyszłe eksperymen-ty w zakresie analizy chwilowej powinny wziąć pod uwagę większą ilość sygnałów, objąć większy zakres parametrów, uwzględnić większy zakres wymiarów rozważanej przestrzeni parametrów oraz zastosowanie bardziej nowoczesnych i efektywnych algorytmów grupowania danych, jak np. algorytm rozmyty lub posybilistyczny.

Zaproponowane metody analizy sygnałów nadają się do przyszłego zastosowania w systemach diagno-styki pokładowej zainstalowanych na lokomotywie spalinowej. Prowadzą one do stosunkowo prostych metod obliczeniowych, łatwych do zaimplementowa-nia na dowolnym komputerze, a w tym również na procesorze sygnałowym.

Literatura [1] H. D. L. Abarbanel: Analysis of Observed Cha-

otic Data, Springer, 1996. [2] J. C. Bezdek: Pattern Recognition with Fuzzy

Objective Function Algorithms, Plenum Press, 1987, second edition.

[3] P. Boguś, J. Merkisz, R. Grzeszczyk, S. Mazurek: Nonlinear Analysis of Combustion Engine Vibroacoustic Signals for Misfire Detec-tion. SAE Technical Paper Series 2003-01-0354.

[4] P. Boguś, K. Lewandowska: Short-Time Signal Analysis Using Pattern Recognition Methods. Lecture Notes in Artificial Intelligence: Artifi-cial Intelligence and Soft Computing, 3070, 2004.

35

1

FFT 1

2

FFT 2

3

FFT 3

4

FFT 4

5

FFT 5

6

Średnia

7

Moment 2

8

Moment 3

9

Moment 4

10

Moment 5

11

Mediana

Przed 16.935 ±

18.382

997.864 ±

2600.468

9.363 ±

4.748

8.586 ±

6.011

8.588 ±

4.338

4.661 ±

3.590

0.785 ±

0.625

3.384 ±

2.942

4.906 ±

3.415

64.951 ±

62.526

110.019 ±

130.854 Po 47.723

± 37.066

57.754 ±

52.375

69.990 ±

38.228

46.956 ±

36.960

33.805 ±

28.274

0.057 ± 0.071

96.062 ±

116.930

11.666 ±

30.636

71495.839 ±

113367.699

6189.212 ± 38696.018

0.145 ±

0.209 Różnica

(po – przed)

30.788 -940.11 60,627 38.100 25.217 -4.604 95.277 8.282 71940.933 6124.261 -109.874


[5] P. Boguś, J. Merkisz: Diagnostyka pokładowa silników wysokoprężnych z wykorzystaniem nie-liniowych metod analizy sygnałów. Pojazdy Szynowe, 1/2004.

[6] P. Boguś, R. Grzeszczyk, J. Merkisz: Diagno-styka pokładowa silników wysokoprężnych z wykorzystaniem chwilowej analizy sygnałów. Pojazdy Szynowe, 1/2004.

[7] P. Boguś, J. Merkisz: Wykrywanie zjawiska wypadania zapłonu w silniku o zapłonie samo-czynnym w oparciu o grupowanie danych w krótkoczasowej analizie sygnałów wibroaku-stycznych. Silniki Spalinowe, 4, 2005.

[8] P. Boguś, J. Merkisz: Short Time Analysis of Combustion Engine Vibroacoustic Signals with Using Pattern Recognition Techniques. SAE Technical Paper Series 2005-01-2529.

[9] P. Boguś, J. Merkisz: Misfire Detection of Lo-comotive Diesel Engine by Nonlinear Anlaysis. Mechanical Systems and Signal Processing, 19, 2005.

[10] C. S. Daw, M. B. Kennel, C. E. A. Finney, F. T. Connolly: Observing and Modeling Nonlinear dynamics in an Internal Combustion Engine. Physical Review E, 57, 1998.

[12] R. Duda, P. Hart: Pattern Classification and Scene Analysis, New York, Wiley Interscience 1973.

[13] A. P. Foakes, D. G. Pollard: Investigation of a Chaotic Mechanism for Cycle-to-cycle Varia-tions. Combustion Science and Technology, 90, 1993.

[14] J. Jerrelind, A. Stensson: Nonlinear Dynamics of Parts in Engineering Systems. Chaos, Soli-tons and Fractals, 11, 2000.

[15] T. Kucharski: System pomiaru drgań mecha-nicznych, Warszawa, WNT 2002.

[16] Materiały internetowe. [17] S. K. Mitra, J. R. Kaiser: Handbook for Digital

Signal Processing, Wiley 1993. [18] J. Szabutin: Podstawy teorii sygnałów, War-

szawa, WKiŁ 2003. [19] W. Wang, J. Chen, X. K. Wu, Z. T. Wu: The

Application of Some Non-linear Methods in Ro-tating Machinery Fault Diagnosis, Mechanical Systems and Signal Processing, 15, 2001.

[11] Decyzja NR 36/2000 Naczelnego Dyrektora Kolejowych Przewozów Towarowych CARGO z dnia 5 czerwca 2000 r. w sprawie utrzymania technicznego pojazdów trakcyjnych.

36

POJAZDY SZYNOWE NR 2/2007 37

inż. Roch Tarczewski Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”

System jakości stosowany w IPS „TABOR” i kompetencje techniczne gwarancją utrzymania wiarygodności współpracy z klientami

W artykule przedstawiono zakres i tematykę prac Instytutu oraz scharakteryzowano klientów i ich oczekiwania. Omówiono występujące problemy i wymagania w aspek-cie jakości prac badawczo-rozwojowych. Przedstawiono strukturę zintegrowanego systemu jakości obejmującego kompleksowo działalność Instytutu i pozwalającą reali-zować Politykę Jakości Instytutu między innymi w zakresie oczekiwań i zadowolenia klienta.

1. Wstęp Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” w Poznaniu jest jednostką badawczo – rozwojową o ponad sześć-dziesięcioletniej tradycji w branży pojazdów szyno-wych. Kontynuuje dorobek powstałego w roku 1945 Biura Konstrukcyjnego, przekształconego w roku 1973 w Ośrodek Badawczo – Rozwojowy, wzboga-cony od roku 1977 o bazę badawczą. W roku 2000 Ośrodek uzyskał status Instytutu działającego na podstawie ustawy o JBR. Przeważająca ilość pojazdów szynowych w kraju, zarówno kolejowych jak i tramwajowych a także na bocznicach zakładów przemysłowych stanowi doro-bek intelektualny i techniczno- naukowy Instytutu. Dorobek ten dotyczy też znacznej ilości taboru wy-produkowanego przez przemysł krajowy na eksport. Aktualnie Instytut „TABOR” rozwija nowe rozwią-zania w transporcie kombinowanym w zakresie no-woczesnych technologii transportu oraz w moderni-zacji eksploatowanego dotychczas taboru. Złożoność zagadnień technicznych oraz wymagania klientów determinowane mechanizmami rynkowymi wymagają od wykonawcy prac badawczo-rozwojowych wiedzy, kompetencji i doświadczenia oraz szybkości działania. Jest to wymaganie trudne, zważając na specyfikę prac koncepcyjnych, wymaga-jącą spokojnych i wyważonych analiz. Dla realizacji tych wymagań wdrożono w Instytucie system jakości preferujący uporządkowane, zaplanowane i systema-tyczne działania. W artykule podano zasadnicze ele-menty tego systemu.

2.System zarządzania jakością w IPS „TABOR” 2.1 Zakres i tematyka prac Zakres działania Instytutu obejmuje całokształt za-gadnień dotyczących pojazdów szynowych, łącznie z transportem szynowo–drogowym. Dotyczy przewoź-ników kolejowych, przemysłowych i tramwajowych oraz metra.

Tematyka obejmuje: prace projektowe, konstrukcyjne, rozwojowe i badawcze oraz produkcję nowych roz-wiązań podzespołów mających zastosowanie w po-jazdach modernizowanych, montaż wyspecjalizowa-nych podzespołów prototypowych oraz obsługę ser-wisową w ramach nadzoru autorskiego, wdrożenie i techniczne dopracowywanie rozwiązań a w szczegól-ności:

1. Projektowanie lokomotyw, wagonów osobo-wych, towarowych, specjalnych, zespołów trak-cyjnych, autobusów szynowych, tramwajów, metra i pojazdów szynowo- drogowych.

2. Projektowanie rozwiązań modernizacyjnych ak-tualnie eksploatowanych pojazdów szynowych w zakresie koncepcji, dokumentacji i nowych podzespołów.

3. Projektowanie nowych podzespołów wyposaże-nia pojazdów szynowych zgodnie z aktualnymi trendami i wymaganiami.

4. Rozwój rozwiązań i systemów pojazdów szyno-wo-drogowych do transportu masowego- trans-port kombinowany, bimodalny.

5. Rozwój rozwiązań i systemów pojazdów szyno-wo- drogowych o przeznaczeniu ratunkowym i przeglądowo- konserwacyjnym.

6. Rozwiązywanie bieżących problemów występu-jących w pojazdach szynowych z uwzględnie-niem wymagań dotyczących wysokich prędkości oraz bezpieczeństwa i komfortu podróżowania w tym: diagnozowanie, ekspertyzy, obliczenia, analizy, opinie i oceny związane z eksploatacją, awariami i technologią napraw.

7. Produkcja jednostkowa i małoseryjna nowo-opracowanych nietypowych podzespołów wypo-sażenia pojazdów szynowych.

8. Instalowanie prototypowych podzespołów w modernizowanych pojazdach szynowych.


9. Serwisowanie wyprodukowanych podzespołów prototypowych zainstalowanych w pojazdach szynowych na terenie użytkownika jak i wła-snym wraz z nadzorem dokumentacyjnym i me-rytorycznym.

10. Badania pojazdów szynowych głównie w zakre-sie bezpieczeństwa oraz zagadnień rozwojo-wych, przez akredytowane laboratorium posia-dające uznanie Kolei Niemieckich (Anerken-nung Eisenbahn-Bundesamt). Akredytacja kra-jowa PCA wg normy PN-EN ISO/IEC 17025 [2].

11. Certyfikacja wyrobów w zakresie pojazdów szynowych oraz elementów ich wyposażenia w oparciu o wyniki badań i analiz wykonywanych przez niezależnych specjalistów, nie będących autorami certyfikowanych wyrobów. Akredyta-cja krajowa wg normy PN-EN 45011 [3].

Instytut współpracuje z krajowymi i zagranicznymi producentami i użytkownikami pojazdów szynowych wykonując na ich zamówienie opracowania dokumen-tacyjne, badania dostarczanych obiektów oraz eksper-tyzy i oceny mające zastosowanie w procesach certy-fikacji wyrobów.

2.2 Podstawy polityki jakości Klientami Instytutu „TABOR” są producenci i użytkownicy pojazdów szynowych, zainteresowani rozwiązywaniem problemów występujących w procesach projektowania, rozwoju, produkcji, instalacji i serwisowania. Celem naczelnym polityki Instytutu jest zaspokaja-nie oczekiwań naszych Klientów oraz utrzymywanie i rozwijanie naszego wizerunku jako użytecznej i wia-rygodnej jednostki badawczo- rozwojowej, działającej w systemie jakości wg normy PN-EN ISO 9001 [1]. Dla realizacji wymienionej tematyki Instytut angażu-je niezbędny potencjał intelektualny, organizację i bazę materialną:

a. Kadrę naukową i inżynierską posiadającą kom-petencje merytoryczne oraz odpowiednie do-świadczenie,

b. Kadrę technologiczno- wykonawczą z kompe-tencjami w dziedzinie produkcji elementów oraz ich instalowania i serwisowania,

c. Strukturę organizacyjną, wyodrębniającą ko-mórki specjalistyczne oraz zapewniającą współpracę w rozwiązywaniu problemów inter-dyscyplinarnych, niezależność i obiektywizm poszczególnym specjalistom w aspekcie badań i certyfikacji wyrobów,

d. Stanowiska projektowania komputerowego z niezbędnym oprogramowaniem kompatybilnym w stosunku do krajowych i zagranicznych part-nerów w branży pojazdów szynowych,

e. Bazy danych normalizacyjnych, katalogowych i literaturowych, niezbędne do projektowania oraz prac rozwojowych,

f. Wyposażenie do przetwarzania i archiwizowa-nia danych elektronicznych, emitowania doku-mentacji, wykonywania obliczeń, symulacji i analiz, w oparciu o stosowne oprogramowania,

g. Laboratorium badawcze odpowiednio wyposa-żone i ukierunkowane na badania pojazdów szynowych i ich wyposażenia,

h. Ośrodek certyfikacji wyrobów dokonujący ocen pojazdów szynowych i elementów ich wyposa-żenia na użytek certyfikacji obowiązkowej i do-browolnej, wymaganej przez krajowe jednost-ki kontrolujące oraz producentów i użytkowni-ków. Dyrekcja Instytutu zapewnia bezstronność działań poszczególnym segmentom systemu jakości poprzez autonomię organizacyjną i niezależność ocen ekspertów, chroniąc ich od nacisków finansowych i działań komercyjnych. Dokumenty Systemu Jakości są znane perso-nelowi na poszczególnych stanowiskach pracy i podlegają okresowym przeglądom i aktualiza-cji, a działanie systemu jest na bieżąco anali-zowane, uzupełniane i doskonalone. Dyrektor Instytutu zapewnia niezbędne warun-ki organizacyjne i materialne dla płynnego funkcjonowania systemu jakości, mając na uwadze przede wszystkim zadowolenie Klientów i wiarygodność Instytutu.

2.3 System jakości w pracach rozwojowych wg [1] (Certyfikat TÜV) Podstawą działania systemu jest polityka jakości pro-wadzona przez Dyrekcję Instytutu. Obejmuje projek-towanie, rozwój i doradztwo w dziedzinie pojazdów szynowych oraz produkcję, instalowanie i serwisowa-nie zespołów w pojazdach szynowych. System oparty jest na podejściu procesowym, uwzględniającym specyfikę organizacyjną i profil działania firmy. Każdy proces jest opisany w procedu-rze, która określa parametry wejścia i wyjścia oraz punkty krytyczne wraz z kryteriami ich oceny. Wa-runkiem postępowania procesu jest zrealizowanie każdego etapu, uzyskanie pozytywnej oceny czyli osiągnięcie zakładanego celu i wymaganych parame-trów. Podstawowym procesem jest pełny cykl projektowa-nia i rozwoju wyrobu, zawierający elementy koncep-cji, założeń, analiz, obliczeń, konstruowania, weryfi-kacji, walidacji wraz z badaniami konstruktorskimi, odbiorczymi i dopuszczeniem do eksploatacji. Proces podlega dokumentowaniu w karcie projektu w ukła-dzie podziału na etapy i zadania. Każdy etap i zadanie jest zdefiniowane poprzez dane wejściowe, zakres prac, formę dokumentacji, termin, prowadzącego,

38


weryfikatora i zatwierdzającego, który zezwala na realizację kolejnego kroku. Pozwala to na ciągłe mo-nitorowanie przebiegu procesu i podejmowanie decy-zji o dalszym awansowaniu prac, pod warunkiem poprawnego przebiegu etapu poprzedniego. Ze względów technologiczno-organizacyjnych wyod-rębniono proces produkcyjny dla wyrobów prototy-powych oraz ich serwisowania. Przewiduje on reali-zację wyrobu w oparciu o umowę, technologię i eta-pową kontrolę. Wyrób jest odbierany na zgodność z dokumentacją i badany w oparciu o specyfikację ba-dań. Czynności procesowe podlegają zapisowi. Proce-sy podstawowe są wspomagane procesami pomocni-czymi, np. zakupami materiałów i usług, nadzorowa-niem wyposażenia technologicznego, kontaktami z klientem, szkoleniem personelu itp. Procesy są ze sobą synchronizowane i doskonalone w oparciu o bieżące zapisy i analizę niezgodności, co jest podstawą do działań korygujących. Całość działań nakierowana jest na zadowolenie klienta, zgodnie z polityką jakości i deklaracją kierownictwa Instytutu. Cele zapisane w polityce i deklaracji podlegają sprawdzeniu podczas auditów. System opiera się na czytelności zamierzeń i działań, które muszą być do-kumentowane.

2.4 System Jakości w Laboratorium wg [2] (Akredytacja PCA) System został zaprojektowany w Instytucie i obejmuje swymi procedurami niezbędne działania w laborato-rium, zmierzające do zaspokojenia oczekiwań klien-tów. System jakości jest zgodny z wymaganiami nor-my PN-EN ISO/IEC 17025:2005[2]. Całość działań wynika z polityki jakości laboratorium zapisanej w księdze jakości. Polityką jakości Instytutu jest kontynuacja i rozwija-nie czterdziestoletnich doświadczeń w badaniach po-jazdów szynowych i ich zespołów, utrzymanie kompe-tencji oraz zaspokajanie potrzeb pomiarowo – ba-dawczych projektantów, producentów i użytkowników taboru szynowego z kraju i zagranicy , stosowanie aktualnie wymaganych metod badawczych, minimali-zacja kosztów i terminów, prezentowanie miarodaj-nych i wiarygodnych wyników badań, niezbędnych dla rozwoju konstrukcji oraz certyfikowania badanych wyrobów. Do realizacji polityki Laboratorium Badań Pojazdów Szynowych dysponuje następującymi środkami:

- Odpowiednio dobrany i kompetentny personel, który jest na bieżąco szkolony

- Wyposażenie badawczo-pomiarowe będące pod stałym nadzorem (wzorcowanie, sprawdzanie, przeglądy)

- Pomieszczenia badawcze są wydzielone i zapew-niają zachowanie odpowiednich warunków oto-czenia niezbędnych podczas badań

- Pracownią pomiarową dla bieżącej obsługi me-trologicznej podstawowego wyposażenia badaw-czo-pomiarowego

- Wyposażeniem badawczo-pomiarowym, które jest na bieżąco uzupełniane i modernizowane.

- Metodami badawczymi, które są na bieżąco aktualizowane i modernizowane.

- Procedurą umożliwiającą walidację nietypo-wych metod badawczych.

Ponadto Laboratorium: - Stosuje wewnętrzne kontrole jakości badań

oraz posiada procedurę nadzoru badań, nie spełniających wymagań

- W miarę możliwości bierze udział w międzyla-boratoryjnych badaniach porównawczych dla bieżącej kontroli kompetencji

- Współpracuje z krajowymi i zagranicznymi ośrodkami branżowymi oraz na bieżąco śledzi i wdraża zmiany w normach i innych przepisach dotyczących badań

- Chroni interesy Klienta w zakresie dostępu do rozwiązań konstrukcyjnych i wyników badań przed dostępem konkurencji i osób niepowoła-nych oraz współpracuje z klientem na każdym etapie realizacji badań

- Zachowuje bezstronność w badaniach poprzez oddzielenie organizacyjne struktur badawczych od pozostałych komórek Instytutu

- Zaopatruje się w przyrządy pomiarowe, urzą-dzenia, usługi i materiały pomocnicze u kwali-fikowanych dostawców.

- Bieżąco doskonali i rozwija swój system zarzą-dzania.

Za Politykę Jakości w Laboratorium odpowiada Dyrektor a za realizację Polityki Kierownik Labo-ratorium. Personel Laboratorium zna i rozumie politykę jako-ści , a dokumenty jakości są mu dostępne i znane oraz stosowane w praktyce. Laboratorium działa bezstronnie i niezależnie a wynagrodzenie personelu nie zależy bezpośrednio od liczby badań, ani nie jest w żaden sposób zwią-zane z ich wynikami.

2.5. Certyfikacja wyrobów wg [3] Certyfikacja wyrobów jest procesem polegającym na porównaniu wyników badań wykonanych przez nieza-leżne i kompetentne laboratorium, z wyspecyfikowa-nymi wymaganiami technicznymi dotyczącymi dane-go wyrobu. Efektem końcowym certyfikacji jest for-malne potwierdzenie zgodności wyrobu z wymaga-niami zwane certyfikatem wyrobu, a w branży pojaz-dów szynowych tymczasowo świadectwem dopusz-czenia. Certyfikacja dotyczy głównie bezpieczeństwa, interoperacyjności, niezawodności, ergonomii i jako-ści pojazdów szynowych. Certyfikacja może być

39


obowiązkowa lub dobrowolna, ale zawsze wymaga dokonania oceny przez wykwalifikowany i kompe-tentny personel w oparciu o aktualne dokumenty nor-matywne, techniczne i prawne oraz dyrektywy unijne. Warunki takie spełnia Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”, co znajduje potwierdzenie w działalności statutowej oraz w codziennej praktyce poprzez umieszczenie Instytutu na liście laboratoriów upo-ważnionych przez Ministra Infrastruktury do wyko-nywania badań pojazdów szynowych. Działalność certyfikacyjna wyrobów branży polega na formalnym spełnieniu wymagań normy PN-EN 45011 [3], co w ogólnym zarysie sprowadza się do:

1) Wyznaczenia osoby odpowiedzialnej za ob-szar certyfikacji.

2) Wytypowania specjalistów kompetentnych w poszczególnych specjalnościach.

3) Ustanowienia i udokumentowania stosownych procedur postępowania.

4) Wdrożenia przyjętego systemu jakości. 5) Złożenia wniosku i poddania się auditowi

Polskiego Centrum Akredytacji (PCA) celem uzyskania certyfikatu potwierdzającego kom-petencje w zakresie certyfikacji wyrobów w branży pojazdów szynowych.

6) Wiarygodnego działania wg przyjętego sys-temu jakości celem bieżącego utrzymania po-siadanego certyfikatu, który podlega corocz-nemu auditowi kontrolnemu.

3. Oczekiwania klientów Sektor gospodarki obejmujący transport szynowy i jego otoczenie przechodzi aktualnie głębokie prze-kształcenia, wynikające ze zmian struktury gospodar-czej i rozszerzenia Unii Europejskiej. Gospodarka rynkowa i konkurencja powodują, że wzrasta zapo-trzebowanie na przewozy specjalizowane, szybkie, o zautomatyzowanym załadunku i rozładunku, ekolo-giczne, energooszczędne, bezpieczne, wysokowydaj-ne i niezawodne. Ze względu na przemieszczanie ładunków i pasażerów na obszarach wielu przewoźni-ków, istotne znaczenie ma zagadnienie interoperacyj-ności pojazdów i ich podzespołów oraz infrastruktury, podniesione przez Unię Europejską do rangi dyrekty-wy [4i5]. Powyższe uwarunkowania stymulują nowe rozwiązania konstrukcyjne, technologiczne, materia-łowe i organizacyjne. Duże znaczenie ma szybkość reagowania producentów środków transportu szyno-wego na wyzwania rynku przewozowego. W tej sytuacji oczekiwania producentów i użytkowni-ków można scharakteryzować następująco:

1) Krótkie terminy realizacji zamówionych usług.

2) Niska cena usług. 3) Posiadanie przez wykonawcę usług certy-

fikatów wiarygodności i kompetencji.

4) Zdolność wykonawcy usług do ponosze-nia odpowiedzialności prawnej i finanso-wej za ewentualne błędy i ich konse-kwencje, co sprowadza się do posiadania stosownego ubezpieczenia.

5) Wariantowość rozwiązań umożliwiająca elastyczne modelowanie ofert dla odbior-ców wyrobu.

6) Możliwość korygowania założeń i wyma-gań w trakcie projektowania.

7) Otwartość projektu na zmiany poddo-stawców zespołów i części.

8) Elastyczność projektu w zakresie zmian materiałów i technologii.

9) Wyczerpująca informacja dotycząca wy-magań stawianych wyrobom przez róż-nych odbiorców.

10) Opracowanie programów prób i badań na zlecenie klienta.

11) Uzgodnienia programów badań z jednost-kami certyfikującymi wyroby.

12) Minimalizacja czasu przygotowania do badań.

13) Nieobciążanie zleceniodawcy świadcze-niami materialnymi i organizacyjnymi.

14) Kompleksowa realizacja badań. 15) Bieżące informowanie zleceniodawcy o

przebiegu badań i ich wynikach. 16) Umożliwienie wprowadzania zmian w

obiekcie w przypadku nie spełniania wy-magań.

17) Powtarzanie badań po wprowadzeniu zmian.

18) Możliwie szybkie przedstawienie raportu (sprawozdania ) z badań.

19) W przypadku wyników negatywnych, przedstawienie analizy przyczyn i zale-ceń.

20) Dokonywanie kompleksowych ocen wy-robów, będących podstawą certyfikacji.

21) Merytoryczna promocja wyrobów wobec użytkowników.

4. Problemy występujące w trakcie realizacji tema-tów Współpraca Instytutu „TABOR” z klientami dotyczy szerokiego spektrum zagadnień oraz różnych klien-tów: małych firm powstałych w wyniku restruktury-zacji i prywatyzacji, nie posiadających dużego kapita-łu ani zaplecza merytorycznego, oraz znaczących firm zagranicznych, szukających tanich usług w krajach nowego obszaru unijnego. W trakcie realizacji zlecanych tematów dają się wy-różnić następujące problemy:

40


1) Zazwyczaj klient wymaga bardzo krótkiego terminu realizacji, usiłując zyskać na czasie i jak najszybciej wejść na rynek. W przypadku wystąpienia zwłoki w procesie produkcji proto-typu, celem dotrzymania terminu realizacji ca-łości, usiłuje się skracać terminy badań.

2) Cena proponowana przez klienta różni się czę-sto istotnie od oferty wykonawcy.

3) Coraz trudniej przekonywać klienta o wiary-godności i kompetencjach w oparciu o minio-ne osiągnięcia i tradycję. Posiadanie certyfika-tów jakości dla realizacji procesów badaw-czo- rozwojowych staje się niezbędne.

4) Ubezpieczenie chroni wykonawcę przed konse-kwencjami uszkodzenia lub zniszczenia obiektu w trakcie badań oraz błędnymi wynikami po-miarów, a co za tym idzie, błędnymi wnioskami i decyzjami. Taka praktyka wynika z uregulo-wań unijnych, dotyczących odpowiedzialności firm za wyroby i usługi. Kwota rocznej składki z tego tytułu bywa znaczna i w przypadku du-żych i cennych obiektów lub kontraktów może sięgać rzędu kilkudziesięciu tysięcy euro. Wymaga to od wykonawcy spełnienia wymo-gów ubezpieczenia swej działalności.

5) Wariantowość rozwiązań projektowych zwięk-sza istotnie pracochłonność tematu. Nie stano-wi problemu, jeżeli jest zapisana w umowie , odpowiednio zaplanowana i skalkulowana. W przeciwnym razie wymaga niekiedy głębokich zmian w procesie projektowania i korekty w umowie, na co nie zawsze klient się zgadza.

6) Korygowanie założeń przez klienta w trakcie projektowania może wynikać ze zmieniającej się koniunktury na rynku, bądź nie dość wni-kliwie przemyślanych koncepcji i braku zdecy-dowania. Jest to zjawisko znacznie zakłócające realizację tematu i wymaga bezwzględnie ko-rekty ceny i terminu.

7) Otwartość projektu na zmiany dostawców pod-zespołów i części znacznie rozszerza zakres analiz, wersji rysunków i obliczeń. Nie jest to problemem, jeżeli zostało przewidziane na eta-pie sporządzania umowy.

8) Elastyczność projektu w zakresie zmian mate-riałów i technologii.

9) Wyczerpująca informacja dotycząca wymagań stawianych wyrobom przez różnych odbiorców. Instytut nie będąc tu stroną a tylko usługodaw-cą, może na zlecenie klienta opracować projek-ty dokumentów w zakresie, który odbiorca po-winien zaopiniować i zatwierdzić.

10) Praktyka wskazuje, że program badań winien być opracowywany przez twórcę projektu, gdyż zna on najlepiej mocne i słabe strony swoich rozwiązań, założenia i wymagania oraz działa-nie obiektu, mającego być przedmiotem badań,

co jest bardzo pomocne przy formułowaniu programu badań. Instytut opracowuje programy badań dla własnych projektów, natomiast na zamówienie klienta wykonuje opracowania programów w oparciu o niezbędną do tego do-kumentację, udostępnioną przez klienta.

11) Uzgodnienia programów badań z jednostkami certyfikującymi wyroby winien dokonywać au-tor programu jako najbardziej kompetentny w sprawach merytorycznych.

12) Minimalizacja czasu przygotowania do badań wynika bezpośrednio ze skracania terminów i minimalizacji kosztów. Jednocześnie należy mieć świadomość, że badania są procesem zło-żonym, wymagającym działań przemyślanych i angażującym obiekt oraz infrastrukturę znacz-nej wartości. Ryzyko pomyłki, niedotrzymania warunków badań, uszkodzenia obiektu lub apa-ratury jest potencjalnie duże i może pociągać za sobą znaczne skutki finansowe. Warto zatem dobrze przygotować się do badań zarówno me-rytorycznie jak organizacyjnie. Bardzo pomoc-nym jest w takim przypadku system jakości w laboratorium, uwzględniający w swych proce-durach niezbędną ostrożność i postępowanie.

13) Nieobciążanie zleceniodawcy świadczeniami materialnymi i organizacyjnymi jest możliwe do spełnienia przez Instytut, jeżeli zostanie to zapisane w umowie, a klient zechce za to za-płacić.

14) Kompleksowa realizacja badań jest wymaga-niem komfortowym dla klienta, natomiast znacznie trudniejszym dla Instytutu „TABOR”, ponieważ nie wszystkie instytutowe laboratoria są w stanie wykonać tak szeroki zakres badań i nie posiadają aparatury specjalistycznej, by wykonywać rzadkie unikatowe badania, cho-ciaż by ze względów ekonomicznych. W takich szczególnych przypadkach Instytut może po-dzlecić wybrane badania jednostce wyspecjali-zowanej, bądź klient zleci te badania bezpo-średnio.

15) Bieżące informowanie zleceniodawcy o prze-biegu badań i wynikach należy do dobrych praktyk laboratoryjnych, potwierdza wiarygod-ność laboratorium i jest w Instytucie stosowane w zakresie uzgodnionym z klientem.

16) Instytut informuje klienta o przebiegu badań i umożliwia wprowadzanie zmian w obiekcie w przypadku, gdy nie spełnia on wymagań. Zmian dokonuje serwis klienta korzystając często z doradztwa technicznego odpowiednich specja-listów Instytutu oraz z pomocy techniczno-warsztatowej. Wydłuża to termin zakończenia badań i stanowi podstawę aneksowania umowy. Nie wszyscy klienci to akceptują.

41


17) Powtarzanie badań po wprowadzeniu zmian. Dobra praktyka laboratoryjna wymaga udoku-mentowania postępowania co do wprowadzo-nych zmian oraz wyników przed i po zmianach. Klienci niechętnie i nie zawsze to akceptują.

18) Niezwłoczne przedstawienie raportu z badań jest często wymuszane celem uzyskania pod-stawy rozliczeń finansowych, bądź przedłoże-nia jak najszybciej dokumentów niezbędnych dla uzyskania świadectwa dopuszczenia.

19) W przypadku wyników negatywnych, na zlece-nie klienta Instytut przedstawia analizę przy-czyn i formułuje zalecenia dla naprawy lub ulepszenia obiektu badań. Praktyki takie są chętnie oczekiwane przez klientów i są dopusz-czane przez wymagania akredytacyjne i dobrą praktykę laboratoryjną.

20) Dokonywanie ocen zbiorczych wyrobów, będą-cych podstawą do ich certyfikacji. Jest to kom-pleksowa analiza całości dokumentacji, obli-czeń i wyników badań pod kątem spełniania wymagań umowy, norm, kart UIC i innych do-kumentów odniesienia, będących podstawą cer-tyfikacji wyrobu. Jest to zatem uczestnictwo w procesie certyfikacji, przy czym pozytywna ocena końcowa nie może być tu formalnie wią-żąca bez posiadania akredytacji, autoryzacji i notyfikacji.

21) Merytoryczna promocja wyrobów wobec użyt-kowników wymaga głębokiej znajomości za-gadnień transportu szynowego oraz konstrukcji pojazdów dla różnych specyficznych warunków i wymagań przewoźników. Zdarza się, że klient –producent nie dysponuje odpowiednią kadrą i wówczas czekuje pomocy merytorycznej od wyspecjalizowanej instytucji. Sprowadza się to do opracowania koncepcji, ofert technicznych, analiz i uzasadnień, oraz udziału w naradach i konferencjach a na etapie gotowego wyrobu przygotowania merytorycznych ocen dla jedno-stek certyfikujących wyrób.

5. Dalsze kierunki działań doskonalących jakość prac Realizacja tematów badawczo-rozwojowych jako usług wysokokwalifikowanych o dużym wkładzie intelektualnym w świetle wolnorynkowych oczekiwa-niach klientów stawia przed Instytutem „TABOR” wysokie wymagania merytoryczne i organizacyjne. Praktyka wskazuje, że oczekiwania klientów oraz działania Instytutu nie zawsze są zbieżne a współpra-ca wymaga często pokonania wielu trudności. Należy mieć świadomość, że dobra współpraca mieścić się będzie na płaszczyźnie realistycznie wynegocjowa-nych precyzyjnych zapisów w umowach dwustron-nych. Dla Instytutu znaczy to konieczność objęcia

obszaru swych działań systemem jakości, czyli nadzo-rowanym, planowanym działaniem zgodnie z proce-durami opartymi o aktualne wymagania techniczne i prawne obowiązujące także klientów, jednostki kon-trolujące i certyfikujące na obszarze unijnym. Sprawi to, że partnerzy powinni stosować wspólną terminolo-gię, a postępowanie będzie jasne, jednoznaczne i obiektywne. Takie warunki stwarza System Zapew-nienia Jakości (SZJ) opisany w normie [1]. Może on dotyczyć praktycznie każdej organizacji realizującej szeroko rozumiane wytwarzanie i usługi. Dla firm emitujących zanieczyszczenia środowiska stosuje się dodatkowo normę [6] a dla objęcia spraw bezpieczeństwa i higieny pracy normę [7]. Propono-wane rozszerzenie jest aktualnie coraz częściej stoso-wane i dobrze postrzegane przez klientów. Rozsze-rzenie SZJ o wyżej wymienione aspekty należałoby jednak rozważyć, biorąc pod uwagę wielkość zagro-żeń środowiska i zagrożenia w pracy oraz koszty tego rozszerzenia. Wiele jednostek badawczo- rozwojo-wych posiada już zintegrowane systemy zapewnienia jakości, co podnosi ich wiarygodność oraz porządkuje i ułatwia pracę. Jest to zatem konieczny element orga-nizacji również dla Instytutu „TABOR”. Odrębnym zagadnieniem w Instytucie jest prowadze-nie badań. Zadania te realizuje laboratorium, posia-dające akredytację potwierdzającą jego kompetencje techniczne oraz przestrzeganie systemu jakości opisa-nego w normie [2]. Laboratorium posiada niezbędną dokumentację (księgę jakości, procedury, instrukcje) oraz uporządkowany zbiór aparatury pomiarowej. Od roku 1999 laboratorium posiada uznanie kolei niemieckich (Eisenbahn- Bundesamt) w zakresie ba-dań pojazdów szynowych, przedłużone w roku 2005 na kolejne 3 lata. W roku 2006 uzyskało akredytację Polskiego Centrum Akredytacji. Obszar badań jest najbardziej formalnie przygotowanym do pracy w ramach systemu jakości i wymaga znacznego wysiłku dla utrzymania i doskonalenia organizacji, kompeten-cji i biegłości. Kolejnym obszarem w pracach Instytutu jest działalność na rzecz certyfikacji wyrobów branży kolejowej [8]. Instytut posiada specjalistów o wysokich kwalifikacjach i doświadczeniu w dziedzinie projektowania i rozwoju pojazdów szynowych i pojazdów do transportu szynowo- drogowego. Poza podstawową działalnością wykonują oni na zlecenia klientów analizy, obliczenia, opinie i oceny dotyczące bezpieczeństwa, interoperacyjności, nie-zawodności, ergonomii i jakości pojazdów szyno-wych. Opracowania te są podstawą do wystawiania świadectw dopuszczenia przez Urząd Transportu Kolejowego, który opiera się w swoich decyzjach na opracowaniach wiarygodnych ekspertów a także na raportach z badań wykonywanych przez akredytowa-ne laboratoria i uznane przez ten Urząd jednostki.

42


Opisana wyżej działalność w zakresie merytorycznym wyczerpuje definicję certyfikacji obowiązkowej wy-robów a świadectwo wydawane przez UTK jest formą dopuszczenia pojazdu do eksploatacji na terytorium kraju. Istnieje także znaczny obszar certyfikacji do-browolnej, dotyczącej wyrobów przeznaczonych dla odbiorców prywatnych oraz dla celów poznawczych, kontrolnych i marketingowych, niezbędnej producen-tom przed wprowadzeniem produktu na rynek. Ten obszar certyfikacji może być wykonywany w IPS przez akredytowany i notyfikowany Ośrodek Certy-fikacji Wyrobów. Kadra naukowo-techniczna i potencjał intelektualny Instytutu pozwala rozważać perspektywicznie utwo-rzenie wyodrębnionej, bezstronnej grupy ekspertów jako Jednostki Kontrolującej, działającej w oparciu o ustawy [8i9] oraz normę [10].

6. Model zintegrowanego systemu jakości dla In-stytutu „TABOR” W zakresie działania Instytutu można rozróżnić trzy obszary, funkcjonujące wg odrębnych dokumentów odniesienia, które są jednak spójne i kompatybilne, gdyż u ich podstaw leży zasada działań zaplanowa-nych, wykonywanych przez kompetentny personel, spełniających zasadę powtarzalności i odtwarzalności z udokumentowaniem poszczególnych kroków. Model taki umożliwi realizację oczekiwań klientów w szerokim zakresie, stworzy warunki rozwoju intelek-tualnego personelu, przystosowując Instytut do aktu-alnej sytuacji w branży, z optymalnym wykorzysta-niem posiadanej kadry. Model proponowanego zinte-growanego systemu jakości przedstawiono na rys.1.

Badania

KJL + Procedury

PN-EN ISO 17025:2005 Akredytacja Autoryzacja Notyfikacja

Certyfikacja Wyrobów

KJC + Procedury

PN-EN 45011:2000

Akredytacja Autoryzacja Notyfikacja

Projektowanie Rozwój

Doradztwo Produkcja

Instalowanie Serwis

KJ + Procedury PN-EN ISO 9001:2001

Certyfikacja

Rys.1 Model zintegrowanego systemu jakości

Autoryzacja –zakwalifikowanie przez ministra lub kierownika urzędu centralnego właści-wego ze względu na przedmiot oceny zgodności, zgłaszającej się jednostki lub laboratorium do procesu notyfika-cji. W przypadku IPS „TABOR” doty-czy to Laboratorium oraz Ośrodka Certyfikacji Wyrobów i autoryzacja jest udzielana przez Prezesa Urzędu Transportu Kolejowego na podstawie Ustaw [8i9].

Notyfikacja –zgłoszenie do Komisji Europejskiej i

państwom członkowskim UE autory-zowanych jednostek certyfikujących i kontrolujących oraz autoryzowanych laboratoriów, właściwych do wykony-wania czynności określonych w proce-durach oceny zgodności. W przypadku IPS „TABOR” dotyczy to Laborato-rium oraz Ośrodka Certyfikacji Wy-robów i notyfikacja jest zgłaszana do Komisji Europejskiej oraz do państw UE przez ministra właściwego do spraw gospodarki.

7. Podsumowanie i wnioski Napływ technologii, materiałów i usług zagranicz-nych o dużej konkurencyjności zmusza krajowe jed-nostki badawczo-rozwojowe do ciągłego doskonale-nia usług i obniżania kosztów. Sprzyja temu praca w systemach jakości, powodując uporządkowanie pro-cedur, czynności, optymalizację działań oraz minima-lizację błędów i maksymalizację zadowolenia klien-tów.

Należy zatem utrzymy-wać i doskonalić posia-dane już uznania, akredytacje i certyfikacje oraz zdobywać nowe, kierując się oczekiwa-niami firm współpracu-jących. Taka polityka ja-kości winna obejmować cały obszar działań, od projektowania, poprzez rozwój, doradztwo, pro-dukcję jednostkowych wyspecjalizowanych nowości, badania labora-toryjne i eksploatacyjne, do ekspertyz, ocen i cer-tyfikacji wyrobów.

43


Celem utrzymania należnej Instytutowi „TABOR” pozycji w branży pojazdów szynowych w wymiarze krajowym i unijnym niezbędnym standardem byłoby:

1. Dalsze realizowanie zadań statutowych w sys-temie jakości ISO 9001 [1] w zakresie projek-towania, rozwoju, doradztwa, produkcji, insta-lowania i serwisu oraz bieżące unowocześnianie metod i narzędzi pracy.

2. Dalsze realizowanie badań w laboratorium, w systemie jakości akredytowanym wg EN 17025 [2] i autoryzacji krajowej oraz notyfikacji unij-nej jak również bieżące unowocześnianie metod i aparatury pomiarowej.

3. Utrzymywanie i przedłużanie uznania kolei niemieckich na badania pojazdów szynowych.

4. Ocena, opiniowanie i certyfikowanie wyrobów branży pojazdów szynowych w systemie jakości wg EN 45011 [3] i autoryzacji krajowej oraz notyfikacji unijnej.

5. Pozyskiwanie w miarę potrzeb certyfikatów, uznań i uprawnień innych kompetentnych in-stytucji zagranicznych w branży.

[1] Norma PN-EN ISO 9001: 2001 „Systemy zarzą-dzania jakością. Wymagania.”

[2] Norma PN-EN ISO/IEC 17025 :2005 „Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących”.

[3] Norma PN-EN 45011: 2000 „Wymagania ogól-ne dotyczące jednostek prowadzących systemy certyfikacji wyrobów”.

[4] Dyrektywa 2001/16/EC z 19. 03.2001 „W spra-wie interoperacyjności transeuropejskiego sys-temu kolei konwencjonalnych”. (Dz. Urz. WE L 110, z 20.04. 2001 r.)

[5] Dyrektywa 96/48/WE z 23. 07. 1996 „W sprawie interoperacyjności transeuropejskiego systemu kolei dużych prędkości”. (Dz. Urz. WE L235, z 17. 09. 1996 r.)

[6] Norma PN-EN ISO 14001:2005 „Systemy za-rządzania środowiskowego. Wymagania i wy-tyczne stosowania.”

[7] Norma PN-EN-18001:2004 „Systemy zarzą-dzania bezpieczeństwem i higieną pracy. Wyma-gania.”

[8] Ustawa z dnia 30 sierpnia 2002 r. o systemie oceny zgodności. (Dz. U. Nr 166, poz.1360)

[9] Ustawa z dnia 20 kwietnia 2004 r. o zmianie ustawy o transporcie kolejowym. (Dz. U. Nr 86, poz. 789)

[10] PN-EN ISO/IEC 17020:2005 „Ogólne kryteria działania różnych rodzajów jednostek kontrolu-jących”.

Literatura

44


1. Wstęp

Nowoczesne pojazdy szynowe wyposażane są w podzespoły na coraz wyższym poziomie technicz-nym, sterowane w technice mikroprocesorowej. Rów-nież IPS „TABOR” ma swój wkład w tej dziedzinie, projektując i wdrażając następujące systemy sterowa-nia:

1. sterowanie układem ogrzewania pociągu na zmodernizowanej lokomotywie spalinowej SP42 (SU42 serii 500),

2. sterowanie i diagnostyka układu pneumatycz-nego na zmodernizowanej lokomotywie elek-trycznej ET22,

3. sterowanie i diagnostyka układu pneumatycz-nego oraz układ przeciwpoślizgowy na zmo-dernizowanej lokomotywie spalinowej ST44,

4. sterowanie globalną współpracą (w ramach całej jednostki) hamulca ED z hamulcem EP na ezt 15WE i 16WE,

5. sterowanie nagrzewnicą tramwajową. Wymienione systemy sterowania oparte są na sterow-nikach programowalnych, zwanych również sterow-nikami mikroprocesorowymi lub sterownikami PLC (ang. Programmable Logic Controllers). W projek-tach wykorzystano sterowniki firm: Siemens AG (Niemcy), PEP Modular Computers – obecnie Kon-tron (USA) i Selectron Systems AG (Szwajcaria).

Podczas uruchamiania systemów sterowania w pojazdach szynowych konieczne jest zbadanie po-prawności przyjętych algorytmów sterowania oraz działania oprogramowania zaimplementowanego w sterownikach na podstawie tych algorytmów.

Ocenę poprawności algorytmów i oprogra-mowania umożliwia analiza sygnałów sterujących, generowanych przez sterownik na podstawie dopro-wadzonych do niego sygnałów wejściowych. W tym celu sterownik mikroprocesorowy przesyła co 100 ms do komputera serwisowego ramkę danych diagno-stycznych.

Do przesyłania danych wybrano interfejs (sprzęg, łącze) szeregowy RS 232 (ang. Recommen-ded Standard) z uwagi na to, że port szeregowy jest

W przypadku sterowników jest on wykorzystywany do ich programowania, ale umożliwia również transmisję danych podczas normalnej pracy sterow-nika.

RS 232C jest wersją interfejsu szeregowego wprowadzoną w 1969 roku i oficjalnie podniesioną do rangi standardu w roku 1986. RS 232C jest po-wszechnie stosowanym i akceptowanym standardem dla szeregowej (bit po bicie) wymiany danych cyfro-wych pomiędzy urządzeniem DTE (ang. Data Termi-nal Equipment) – obecnie utożsamianym z kompute-rem, a DCE (ang. Data Communication Equipment) – obecnie utożsamianym z urządzeniem zewnętrznym (pierwotnie z modemem). Definiuje on w sposób jed-noznaczny parametry elektryczne, mechaniczne i logiczne łącza szeregowego [1].

Pod pojęciem komputera serwisowego rozu-miany jest komputer przenośny wyposażony w port szeregowy z zainstalowanym oprogramowaniem na-rzędziowym do programowania sterowników (Sie-mens: Step7, PEP Modular Computers: ISaGRAF, Selectron: CAP1131).

Dane diagnostyczne przesyłane przez sterow-nik są odbierane, prezentowane i gromadzone na twardym dysku komputera za pośrednictwem progra-mu „DIAGNOSTYKA”. Dla każdego uruchamianego systemu sterowania tworzona jest dedykowana do współpracy z nim kolejna wersja programu „DIA-GNOSTYKA”. Poszczególne wersje różnią się od siebie obsługiwaną ramką danych (ilością i rodzajem przesyłanych danych), wysyłaną przez sterownik PLC.

Archiwizacja danych diagnostycznych polega na zapisywaniu kolejnych ramek przesyłanych przez sterownik jako kolejnych wierszy pliku tekstowego. W wyniku analizy wykresów stworzonych na podsta-wie tych plików można dokładnie prześledzić działa-nie sterowanego układu, a tym samym wychwycić ewentualne błędy przyjętych algorytmów sterowania, błędy oprogramowania sterownika, ale także niewła-ściwe działanie samego układu.

mgr inż. Marcin Haba Instytut Pojazdów Szynowych „Tabor”

Programy wspomagające uruchamianie mikroprocesorowych systemów sterowania w pojazdach szynowych

W artykule opisano programy „DIAGNOSTYKA” oraz „WYKRESY” wykorzystywane przy wdrażaniu mikroprocesorowych systemów sterowania w pojazdach szynowych. Pierwszy z nich służy do akwizycji danych diagnostycznych z systemu sterowania natomiast drugi do prezentacji tych danych w formie wy-kresów, które można zachować w postaci plików graficznych. Artykuł powstał w wyniku prac wykonanych m.in. w ramach projektu badawczego nr 4T12D05430 pt.”Zastosowanie satelitarnego systemu akwizycji danych do poligonowych badań spalinowych pojazdów szynowych” dofinansowanego przez Ministersto Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

standardowym wyposażeniem zarówno komputerów (oznaczany jako „COM”), jak też sterowników PLC.

45


Program „WYKRESY” służy do tworzenia przebiegów czasowych wybranych danych diagno-stycznych na podstawie plików tekstowych genero-wanych przez program „DIAGNOSTYKA” oraz do zachowania otrzymanych wykresów w postaci plików graficznych. Program „WYKRESY” jest uniwersalny, tzn. obsługuje wszystkie pliki tworzone przez pro-gram „DIAGNOSTYKA” niezależnie od jego wersji, a co za tym idzie, niezależnie od rozmiaru zapisanych w nich ramek danych.

2. Sterowniki programowalne

Sterowniki programowalne (PLC) są kompu-terami przemysłowymi, które pod kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego [2]:

- zbierają pomiary za pomocą modułów wej-ściowych z cyfrowych i analogowych czujni-ków oraz urządzeń pomiarowych

- korzystając z uzyskanych danych o sterowa-nym procesie lub maszynie, wykonują pro-gramy użytkownika, zawierające zakodowane algorytmy sterowania i przetwarzania danych

- generują sygnały sterujące odpowiednie do wyników obliczeń tych programów i przeka-zują je przez moduły wyjściowe do elemen-tów i urządzeń wykonawczych

a ponadto dają możliwość: - transmitowania danych za pomocą modułów i

łączy komunikacyjnych - realizacji funkcji diagnostyki programowej i

sprzętowej.

Rys. 1. Schemat ideowy sterownika programowalnego PLC [2]

Podstawowymi elementami sterownika są [2]: 1. moduły wejściowe, za pomocą których są

wprowadzane do sterownika sygnały z czuj-ników, zadajników oraz urządzeń pomiaro-wych w obiekcie – sygnały te stanowią wej-ścia sterownika,

2. jednostka centralna, która na podstawie prze-chowywanego w pamięci programu oraz od-czytanych wejść sterownika oblicza wartości sterowań i zapisuje je do pamięci wyjść (w sterownikach moduł jednostki centralnej CPU (ang. Central Processing Unit) oznacza nie tylko mikroprocesor, lecz także pamięć pro-gramu użytkownika oraz pamięć danych),

3. moduły wyjściowe, które przekazują obliczo-ne sygnały sterujące do elementów i urządzeń wykonawczych – sygnały te stanowią wyjścia sterownika.

Głównym zadaniem sterownika jest genero-wanie sygnałów sterujących w odpowiedzi na zmiany sygnałów wejściowych, zgodnie z przyjętym algoryt-mem sterowania lub regulacji. Reakcja ta zależy od wyników operacji arytmetyczno-logicznych wykona-nych dla aktualnych wartości wejść sterownika, jego zmiennych wewnętrznych oraz od zaprogramowanych warunków czasowych. Może ona także zależeć od operacji wykonanych na danych transmitowanych w sieciach łączących wiele elementów pomiarowych, sterowników, regulatorów czy komputerów [2].

Schemat ideowy sterownika PLC przedstawiono na rysunku 1

46


Sterownik pracuje w tzw. czasie rzeczywi-stym (ang. Real Time). Oznacza to, że reakcja sterow-nika w postaci obliczonego sterowania w odpowiedzi na zmianę wejść musi wystąpić w określonym czasie, akceptowalnym z punktu widzenia wymagań stawia-nych temu sterowaniu. Uzyskuje się to na drodze cy-klicznego odczytu stanu sygnałów wejściowych, wy-konywaniu programu użytkownika i aktualizacji sy-gnałów wyjściowych [2]. Sterownik pracuje w cyklu programowym (ang. Pro-gram Sweep), w którym:

• w fazie aktualizacji stanu wejść następuje przepisanie wartości wejść z modułów wej-ściowych do odpowiadających im obszarów w pamięci danych sterownika (na rys. 1 ozna-czonych jako „%In”, gdzie n jest numerem wejścia)

• w fazie wykonania programu realizowany jest jeden przebieg programu użytkownika – ko-lejne instrukcje programu przekazywane są z pamięci programu do mikroprocesora, który je dekoduje, wykonuje odpowiednie działania i zapisuje wynik obliczeń w pamięci danych

• w fazie aktualizacji wyjść następuje przepisa-nie obliczonych wartości wyjść (na rys. 1 oznaczonych jako „%Qn”, gdzie n jest nume-rem wyjścia) z odpowiedniego obszaru da-nych do modułów wyjściowych, które gene-rują sygnały sterujące.

3. Realizacja połączenia pomiędzy sterownikiem mikroprocesorowym a komputerem serwi-sowym za pośrednictwem interfejsu RS232

3.1. Realizacja połączenia od strony sprzętowej Sterownik mikroprocesorowy łączy się z

komputerem serwisowym (rys. 2) za pośrednictwem przewodu 3-żyłowego, zakończonego od strony kom-putera wtyczką złącza DB-9 z wyprowadzeniami żeń-skimi (gdyż komputer wyposażony jest w gniazdo złącza DB-9 z wyprowadzeniami męskimi) a od stro-ny sterownika 3-polową listwą zaciskową, przy wyko-rzystaniu jedynie trzech linii interfejsu RS232:

− RxD, RXD (ang. Received Data): dane od-bierane

− TxD, TXD (ang. Transmitted Data): dane wysyłane

− GND (ang. Ground), COM (ang. Common): masa sygnałowa.

W publikacji oznaczono RxD, TxD, GND jako wyprowadzenia portu szeregowego w komputerze serwisowym, natomiast RXD, TXD, COM jako wyprowadzenia w sterowniku PLC.

Komputer serwisowy wtyczka złącza DB-9

(wyprowadzenia żeńskie) Sterownik PLC

3-polowa listwa zaciskowa

RXD (1)

TXD (2)

COM (3)

RxD (1)

TxD (2)

GND (3)

gniazdo złącza DB-9

(wyprowadzenia męskie)

przewód 3-żyłowy

Rys. 2. Schemat połączenia sterownika mikroprocesorowego i komputera serwisowego za pośrednictwem interfejsu RS232

3.2. Realizacja połączenia od strony programowej

Aby nawiązać transmisję pomiędzy sterowni-kiem PLC a komputerem serwisowym należy:

- ustalić strukturę przesyłanej ramki danych diagnostycznych oraz parametry transmisji

- oprogramować sterownik pod kątem nadawa-nia danych diagnostycznych po łączu szere-gowym

- wyposażyć komputer serwisowy w program „DIAGNOSTYKA” obsługujący jego port szeregowy, który realizuje zadania odbioru, wizualizacji i archiwizacji danych diagno-stycznych.

3.2.1. Struktura ramki danych diagnostycznych Dane diagnostyczne, zawierają następujące informa-cje:

- stan wejściowych sygnałów cyfrowych - wartości wejściowych sygnałów analogowych

i częstotliwościowych - dane wymieniane z innymi sterownikami (np.

ze sterownikiem głównym pojazdu) - wartości niektórych zmiennych obliczanych

przez program sterownika w celu odpowied-niego wysterowania wyjść

- stan wyjściowych sygnałów sterujących. Sterownik w każdym cyklu programowym (co

100 ms) konwertuje powyższe dane diagnostyczne do postaci znaków typu CHAR. Dane te są kodowane wg kodu ASCII z wykorzystaniem następującego klucza:

• 8 BIN → 1 znak CHAR (np. stan 8 wejść lub wyjść cyfrowych)

• 1 DEC → 1 lub 2 znaki CHAR (w zależności od zakresu wartości i wymaganej precyzji, np. pomiar ciśnienia z zakresu od 0 kPa do 1000 kPa z rozdzielczością 1 kPa).

Ramka danych diagnostycznych wysyłana przez sterownik jest więc ciągiem n znaków typu CHAR (rys. 3) o długości zależnej od ilości i od ro-dzaju przesyłanych danych. Dlatego też dla każdego projektu powstaje kolejna wersja programu „DIA-GNOSTYKA”, który dekoduje odebraną ramkę na wartości konkretnych danych diagnostycznych.

47


Licznik

znak 1

LF

znak n

’D’

znak (n-1)

’N’

znak (n-2)

’E’

znak (n-3)

DANE

znak 2

DANE

znak (n-4)

Struktura ramki danych diagnostycznych jest następująca: • znak 1 – zmienna Licznik, której wartość zmienia się w zakresie od 1 do 100 –

kontrola poprawności transmisji • znak 2 .. znak (n-4) – zakodowane dane diagnostyczne • znak (n-3) – wartość stała ’E’ (znak ASCII: #69) – kontrola poprawności transmisji • znak (n-2) – wartość stała ’N’ (znak ASCII: #78) – kontrola poprawności transmisji • znak (n-1) – wartość stała ’D’ (znak ASCII: #68) – kontrola poprawności transmisji • znak (n) – wartość stała LF (znak ASCII: #10) – kontrola poprawności transmisji.

3.2.2. Parametry transmisji

Aby nawiązać komunikację pomiędzy sterownikiem a komputerem serwisowym należy odpowiednio skon-figurować ich porty szeregowe, poprzez ustalenie:

- prędkości transmisji - sposobu kontroli parzystości (wykorzystania

bitu parzystości), dostępne opcje: (0) NO PARITY – brak kontroli parzystości, (1) ODD PARITY – kontrola nieparzystości – ilość jedynek w polu danych uzupełniana jest za pośrednictwem bitu parzystości do liczby nieparzystej, (2) EVEN PARITY – kontrola parzystości – ilość jedynek w polu danych uzupełniana jest za pośrednictwem bitu pa-rzystości do liczby parzystej

- ilości bitów danych, dostępne opcje: 8 (od-powiada 1 Bajtowi danych), 7, 6, 5

- ilości bitów stopu, dostępne opcje: 1, 2 - protokołu transmisji, dostępne opcje: (0)

NONE – bez protokołu, (1) XON/XOFF – ak-tywny protokół programowy XON/XOFF (możliwy tylko dla transmisji realizowanej w trybie FULL DUPLEX), (2) RTS/CTS – ak-tywny protokół sprzętowy RTS/CTS FLOW CONTROL (możliwy tylko dla transmisji re-alizowanej z wykorzystaniem linii sterujących RTS i CTS interfejsu RS232).

Przyjęto następujące parametry transmisji pomiędzy sterownikiem a komputerem serwisowym:

- prędkość transmisji: 38 400 bitów / s - kontrola parzystości: NO PARITY - protokół transmisji: NONE - ramka pojedynczego znaku (rys. 4) składa się

z 11 bitów: 1 bit startu (START), 8 bitów da-nych (D1 .. D8) reprezentujących przesyłany znak CHAR, 1 bit parzystości, 1 bit stopu.

START

bit 1

STOP

bit 11

PARITY

bit 10

D1

bit 2

D2

bit 3

D3

bit 4

D4

bit 5

D5

bit 6

D6

bit 7

D7

bit 8

D8

bit 9

4. Obsługa i działanie programu „DIAGNO-STYKA”

Program „DIAGNOSTYKA” został zaimple-mentowany w środowisku Borland Delphi 7. Okno główne programu pokazano na rysunku 5. Jego obsłu-ga jest intuicyjna a zastosowane zabezpieczenia uniemożliwiają wykonanie przez program lub użyt-kownika czynności nieprawidłowych.

Rys. 5. Okno główne programu „DIAGNOSTYKA” podczas gromadzenia danych ze sterownika nagrzewnicy

tramwajowej Rys. 4. Struktura ramki pojedynczego znaku

Rys. 3. Struktura ramki danych diagnostycznych

48


Zadania realizowane przez program „DIAGNOSTY-KA”:

1. obsługa portu RS232 komputera serwisowe-go:

a. konfiguracja portu szeregowego: 1. wybór portu (Port): od

COM 1 do COM 12, 2. wybór prędkości transmisji

(Baudrate) [bitów / s]: 38400, 19200, 9600, 4800, 2400, 1200, 600, 300,

3. wybór ilości bitów danych (Data bits): 8, 7,

4. wybór rodzaju kontroli pa-rzystości (Parity): NONE, ODD, EVEN,

5. wybór ilości bitów stopu (Stop bits): 1, 2,

6. wybór protokołu transmisji (Protocol): NONE, XON/XOFF,

b. inicjacja portu zgodnie z wybraną konfiguracją,

c. możliwość zmiany konfiguracji portu w trakcie działania programu,

d. zamknięcie portu podczas zamykania programu.

2. odbiór ramki danych diagnostycznych z portu szeregowego komputera i jej dekodowanie z ciągu znaków CHAR na wartości poszczegól-nych danych diagnostycznych,

3. wizualizacja danych diagnostycznych odbie-ranych ze sterownika,

4. archiwizacja danych diagnostycznych odbie-ranych ze sterownika:

a. zapis odebranych danych diagno-stycznych do pliku tekstowego o for-macie nazwy gwarantującym jego jednoznaczną identyfikację (punkt 4.2),

b. wstawianie do powyższego pliku znacznika postaci ‘9999999’ zamiast indeksu odebranych ramek (punkt 4.8) w celu oznaczenia danych wy-magających dokładniejszej analizy.

4.1. Konfiguracja portu

Po uruchomieniu programu należy skonfigu-rować wybrany port szeregowy wybierając odpo-wiednie opcje za pomocą list wyboru. Próba otwarcia portu następuje po naciśnięciu przycisku „Open”. W przypadku, gdy komputer nie posiada portu o wybra-nej nazwie lub gdy wybrany port jest już używany przez inny program, pojawia się odpowiedni komuni-kat informujący o tym fakcie.

Po poprawnej konfiguracji portu przycisk „Open” oraz listy wyboru opcji konfiguracyjnych

portu stają się nieaktywne, przyciski „Close” i „START” stają się aktywne, a w polu poniżej przyci-sków „Open” i „Close” pojawiają się parametry kon-figuracyjne otwartego portu.

4.2. Uruchomienie odczytu danych diagnostycz-nych

Aby uruchomić odczyt danych z portu szere-gowego należy nacisnąć przycisk „START”. Folde-rem domyślnym, w którym tworzony jest plik teksto-wy generowany przez program, jest folder, w którym znajduje się plik wykonywalny programu Diagnosty-ka.exe.

Nazwa wynikowego pliku tekstowego składa się z przedrostka identyfikującego pojazd lub sterow-nik oraz daty i czasu pobieranych z systemu operacyj-nego komputera w chwili tworzenia pliku. Przyjęty format nazwy pliku gwarantuje jego jednoznaczną identyfikację oraz to, że żaden plik z danymi nie zo-stanie omyłkowo nadpisany. W przypadku sterownika wdrożonego na lokomotywie ST44 przyjęto następu-jący format nazwy pliku: „NumerLokomotywy NumerKabiny Data Czas .dia”, gdzie:

Data: YYr_MM_DD (Y – rok, M – miesiąc, D – dzień), Czas: hh_mm_ss (h – godzina, m – minuta, s – sekunda),

np.: „3001 kab2 05r_08_26 08_29_48.dia”.

Po utworzeniu pliku wynikowego program zaczyna odczytywać dane z linii RxD wybranego portu szeregowego, przycisk „START” staje się nie-aktywny, przycisk „MARKER” staje się aktywny.

4.3. Status linii RxD

W dolnej części okna programu wyświetlana jest informacja o stanie linii RxD (odbiór danych). Możliwe są cztery przypadki:

1. na linii RxD nie ma żadnych danych do ode-brania lub skonfigurowano niewłaściwy port,

2. nie odebrano jeszcze całej ramki danych, 3. odebrano odpowiednią ilość znaków, ale ciąg

ten nie jest zakończony sekwencją: ’E’, ’N’, ’D’, LF,

4. poprawnie odebrano całą ramkę danych.

4.4. Wizualizacja i archiwizacja danych diagno-stycznych

W przypadku poprawnego odebrania całej ramki danych program przeprowadza operację jej dekodowania z ciągu znaków CHAR na wartości po-szczególnych danych diagnostycznych. Dane te są wyświetlane w kolejnych wierszach tabeli oraz zapi-sywane do wynikowego pliku tekstowego. Podgląd kolejnych wierszy tabeli umożliwia pasek przewijania umieszczony po prawej stronie tabeli z danymi dia-gnostycznymi.

49


Rys. 6. Fragment pliku tekstowego wygenerowanego przez program „DIAGNOSTYKA” podczas gromadzenia danych

ze sterownika nagrzewnicy tramwajowej

4.5. Wstawianie znacznika

Istnieje możliwość wstawienia do pliku wyni-kowego, za pomocą przycisku „MARKER”, znaczni-ka postaci '9999999' zamiast indeksu odebranych ramek w celu oznaczenia danych wymagających do-kładniejszej analizy.

4.6. Zmiana konfiguracji portu W trakcie działania programu istnieje możli-

wość zmiany konfiguracji portu. W tym celu należy zamknąć otwarty port przyciskiem „Close” a następ-nie dokonać ponownej konfiguracji wybranego portu.

4.7. Zakończenie działania programu W celu zakończenia działania programu nale-

ży w pierwszej kolejności zamknąć otwarty port przy-ciskiem „Close” a następnie zamknąć okno programu.

4.8. Struktura pliku tekstowego generowanego przez program „DIAGNOSTYKA”

Na rysunku 6 zamieszczono przykładowo fragment wynikowego pliku tekstowego wygenerowanego przez program „DIAGNOSTYKA” podczas urucha-miania systemu sterowania nagrzewnicą tramwajową. Fragment ten zawiera dwie ramki danych odebrane ze sterownika. Plik tekstowy generowany przez program „DIAGNO-STYKA” zawiera następujące informacje:

• wiersze 1 do 8: sygnatura pliku • wiersz 11: identyfikator pojazdu lub sterow-

nika

• wiersz 13: data utworzenia pliku • wiersz 14: czas utworzenia pliku • wiersz 16: opis danych diagnostycznych

zapisanych w poszczególnych kolumnach • wiersze od 17:

o kolumna 1: indeks prób odebrania ramek o kolumna 2: indeks odebranych ramek o kolumny następne: dane diagnostyczne.

5. Obsługa i działanie programu „WYKRESY”

Program „WYKRESY” został zaimplemen-towany w środowisku Borland Delphi 7. Jego obsługa jest intuicyjna a zastosowane zabezpieczenia unie-możliwiają wykonanie przez program lub użytkowni-ka czynności nieprawidłowych.

Podstawowym zadaniem realizowanym przez program „WYKRESY” jest generowanie przebiegów czasowych danych diagnostycznych zapisanych w plikach tekstowych uzyskanych w wyniku działania programu „DIAGNOSTYKA”. Program „WYKRE-SY” pozwala na stworzenie do 20 przebiegów danych diagnostycznych (serii) na jednym wykresie. Umoż-liwia zmianę atrybutów narysowanego wykresu, ta-kich jak: kolor, grubość oraz rodzaj linii poszczegól-nych serii, widoczność danej serii oraz minimum, maksimum i podziałkę obu osi. Otrzymany wykres można zapisać do pliku formatu WMF (ang. Windows Metafile) lub EMF (ang. Enhanced Metafile). Okno główne programu składa się z części, w której prezentowany jest wykres oraz z części, w któ-rej zgromadzone są: przycisk „Otwórz plik (*.dia)”, elementy umożliwiające konfigurację otrzymanego wykresu oraz sekcja zapisu otrzymanego wykresu jako pliku graficznego (rys. 7).

50


Rys. 7. Część sterująca okna głównego programu „WYKRESY”

5.1. Otwarcie pliku wejściowe-go

Aby rozpocząć działanie programu należy nacisnąć przycisk „Otwórz plik (*.dia)” i wskazać w wyświetlonym oknie otwarcia pliku plik wejściowy, z którego mają być tworzone przebiegi da-nych diagnostycznych. Może zo-stać wybrany jedynie plik z rozsze-rzeniem „dia”.

5.2. Wybór danych diagnostycznych

Po poprawnym otwarciu pliku wejściowego pojawia się okno wyboru danych diagnostycznych, których przebiegi mają być narysowane na wykresie. Okno „Wybór zmiennych” składa się z listy danych (pobranej z pliku wejścio-wego) oraz przycisków „Akceptuj” i „Anuluj”. Można wybrać do 20 pozycji. Do „przewijania” listy danych służy pasek umieszczony po prawej stronie okna „Wybór zmiennych”. Nad przyciskami „Akceptuj” i „Anuluj” wyświetlana jest informacja o liczbie danych jaką jeszcze można wybrać. Natomiast w oknie głównym programu przycisk „Otwórz plik (*.dia)” staje się nieaktywny, a stają się widoczne elementy umożliwiające zmianę atrybutów narysowanego wykresu oraz elementy umożliwiające zapis narysowanego wykresu do pliku. Jeżeli program nie zostanie zamknięty, to przy wyborze kolejnego pliku do analizy pamiętane są pozycje zaznaczone w oknie „Wybór zmiennych”.

5.3. Konfiguracja „Offsetu” i „Mnożnika” serii

Po wybraniu do 20 danych w oknie „Wybór zmiennych” i naciśnięciu przycisku „Akceptuj” w jego miejsce pojawia się okno wyboru „Offsetu” (liczba naturalna z zakresu od 0 do 100, wartość domyślna: 0) i „Mnożnika” (liczba naturalna z zakresu od 1 do 100, wartość domyślna: 1) dla poszczególnych serii.

Wprowadzenie „Offsetu” i „Mnożnika” umożliwia „rozsunięcie” po-szczególnych serii na wykresie, co ma istotne znaczenie przy analizie przebie-gów binarnych.

5.4. Tworzenie wykresu

Po naciśnięciu przycisku „Akceptuj” w oknie konfiguracji „Offsetu” i „Mnożnika” dla poszczególnych serii, program rozpoczyna tworzenie wykresu. Narysowanie punktu danej serii przebiega następująco:

- jako współrzędna X punktu wykresu przyjmowana jest wartość próby odebrania ramek

- z pliku wejściowego pobierana jest wartość danej diagnostycznej sto-warzyszonej z daną serią

- wartość ta mnożona jest przez „Mnożnik” danej serii - po dodaniu do wyniku powyższej operacji wartości „Offsetu” danej se-

rii otrzymywana jest współrzędna Y punktu wykresu, czyli: współrzędna Y punktu wykresu = (wartość z pliku * „Mnożnik”) +

„Offset” Na dole okna głównego umieszczono pasek postępu tworzenia wykresu. Po zakończeniu przetwarzania przez program pliku wejściowego pole wykresu jest odświeżane.

Rys. 8. Przykładowy wykres otrzymany przy użyciu programu „WYKRESY”

[s]

[km /h]

v1

v2

v3

51


Na rysunku 8 przedstawiono wykres stworzo-ny w oparciu o plik uzyskany podczas jazdy zmoder-nizowaną lokomotywą ST44. Jako przykład wybrano przebiegi prędkości osi pierwszego wózka lokomoty-wy (v1 , v2 i v3 ).

5.5. Konfiguracja narysowanego wykresu

Poniżej przycisku „Otwórz plik (*.dia)” umieszczono elementy służące do konfiguracji po-szczególnych serii oraz osi wykresu (rys. 7). Można zmienić następujące parametry poszczegól-nych serii:

- ustalić czy dana seria ma być widoczna czy też niewidoczna na wykresie

- zmienić grubość linii (zakres: od 1 do 3, domyśl-nie: 2)

- zmienić rodzaj linii (jedynie, gdy grubość linii równa jest 1)

- zmienić kolor linii. Można również:

- ustalić (po wyłączeniu opcji „Auto”) minimum, maksimum i podziałkę osi wykresu

- powiększyć wybrany obszar wykresu: za pomocą lewego klawisza myszy należy zaznaczyć wybrany fragment od lewego górnego do prawego dolnego narożnika

- „przesunąć” wykres za pomocą prawego klawisza myszy.

Powrót do pierwotnego wyglądu wykresu następuje po zaznaczeniu dowolnego obszaru wykresu od pra-wego dolnego do lewego górnego narożnika. Po naciśnięciu dowolnego klawisza myszy na wybranej serii wyświetlane jest okno zawierające następujące informacje na temat „klikniętego” punktu:

6. Podsumowanie i wnioski

Programy „DIAGNOSTYKA” i „WYKRE-SY” znacznie ułatwiły i przyspieszyły proces wdraża-nia mikroprocesorowych systemów sterowania na pojazdach szynowych. Dzięki nim możliwe było wszechstronne prześledzenie i optymalizacja działania systemu sterowania jak też sterowanego układu. Ana-liza taka pozwala wykryć niewłaściwe działanie ukła-du, będącego przedmiotem sterowania jak też ewentu-alne błędy przyjętych algorytmów i oprogramowania.

Programy te (po niewielkich modyfikacjach kodu źródłowego programu „DIAGNOSTYKA”) można zastosować do wizualizacji i archiwizacji da-nych diagnostycznych przesyłanych za pośrednic-twem interfejsu RS232 z dowolnego sterownika PLC wyposażonego w port szeregowy, przystosowany do transmisji danych podczas normalnej pracy sterowni-ka.

Literatura [1] Daniluk A.: RS 232C. Praktyczne programowa-

nie. Od Pascala i C++ do Delphi i Buildera. Wydawnictwo Helion, 2001.

[2] Kasprzyk J.: Programowanie sterowników prze-mysłowych. WNT, Warszawa 2006.

- współrzędna X - współrzędna Y - wartość (oryginalna, pobrana z pliku

wejściowego) - „Offset” i „Mnożnik” serii.

52

Analiza przyczyn przyspieszonego zużycia powierzchni ... · uszkodzenia powierzchni tocznej,...

Documents

Transcript of Analiza przyczyn przyspieszonego zużycia powierzchni ... · uszkodzenia powierzchni tocznej,...