Bosch Rexroth - Hydrauliczne układy napędowe w pojazdach kolejowych

W 2007 roku firma Bosch Rexroth Sp. z o. o. zacieśniła współpracę z Zakładem Pojazdów Szynowych w Stargardzie Szczecińskim, którego tradycje sięgają połowy dziewiętnastego wieku. Współpraca ta trwa do dnia dzisiejszego i z czasem przyjmuje nowe formy. Obecnie dotyczy ona nie tylko dostaw elementów i zespołów do produkowanych w Stargardzie pojazdów szynowych, ale również współpracy przy opracowaniu nowych projektów. Związane jest to z udostępnianiem kompletnych rozwiązań, układów z zakresu napędów hydrostatycznych – najnowszych technologii światowego koncernu Bosch Rexroth AG.

O zastosowaniu napędu hydrostatycznego w pojazdach szynowych zadecydowały jego najważniejsze zalety tj.:
• zwartość konstrukcji (mała masa napędu na jednostkę przekazywanej) energii: 0,3 - 0,5 kg/kW a szczególnych przypadkach do 0, 1 kg/kW);
• duża podatność na sterowanie, a w tym:
- możliwość płynnego sterowania prędkością ruchów roboczych,
- możliwość sterowania w sposób bezuderzeniowy i precyzyjny, w każdej fazie ruchu i przy każdym obciążeniu;
• możliwość przenoszenia momentu obrotowego w obu kierunkach;
• możliwość hydrostatycznego hamowania;
• możliwość dowolnego tzn., zgodnie z ograniczeniami wymiarowymi pojazdu, rozmieszczenia elementów i zespołów w przestrzeni, którą dysponuje konstruktor.

Napęd hydrostatyczny wykorzystany został w układzie jezdnym pojazdu, a także, jako napęd urządzeń pomocniczych, w tym sprężarek, prądnic, wentylatorów chłodnic itp. Napęd hydrostatyczny wykorzystywany jest również w mechanizmach roboczych pojazdów do robót torowych, mechanizmach aktywnego wychylania nadwozia wagonu pasażerskiego, mechanizmach amortyzacji wagonów. Należy podkreślić, że najbardziej zaawansowane technicznie rozwiązania są stosowane w układach napędu jazdy.

Układ przeniesienia napędu jest to mechanizm lub zespół mechanizmów, przenoszących energię mechaniczną w przypadku maszyn roboczych i pojazdów od silnika głównego do:
- osprzętu roboczego – tzw. mechanizm roboczy,
- kół jezdnych pojazdu (drogowego, szynowego) – układ jezdny,
w sposób kontrolowany przez kierowcę - operatora i zapewniający optymalne wykorzystanie energii (mocy silnika) w różnych warunkach pracy czy ruchu.

W układach napędu jazdy często stosowane są układy hydrokinetyczne wykorzystujące przekładnie hydrokinetyczne wraz przekładniami mechanicznymi sterowanymi hydraulicznie. Zastosowanie przekładni hydrokinetycznych wynika z ich cechy polegającej na braku sztywnego połączenia silnika głównego z układem jazdy. Pozwala to na znaczne nawet przeciążanie przekładni, bez niebezpieczeństwa przeciążenia samego silnika.

Przekładnia hydrokinetyczna była stosowana m.in. w tzw. "Lux -Torpedach" - spalinowych wagonach motorowych kursujących w taborze kolejowym PKP w latach 1933 – 1939.

Wadami przekładni hydrokinetycznej są przede wszystkim niska sprawność oraz brak możliwości przenoszenia momentu obrotowego w obu kierunkach bez zastosowania tzw. mechanicznej przekładni nawrotnej.

Stosowanie przekładni hydrostatycznych było ograniczone ze względu na tzw. sztywność układu, wynikającą z określonej ściśliwości (modułu sprężystości) czynnika roboczego i związanych z nią niepożądanych skutków dynamicznych.

Z chwilą opracowania, dzięki wprowadzeniu nowych technologii sterowania i regulacji, dowolnie programowanego sterowania w układzie hydrostatycznym, przekładnie hydrostatyczne pozbawione zostały niepożądanej sztywności. Z uwagi na wyższą niż w przypadku przekładni hydrokinetycznych sprawność i pozostałe wyżej wymienione cechy przekładnie hydrostatyczne znalazły szerokie zastosowanie w napędach jazdy maszyn roboczych oraz pojazdów, w tym i szynowych.

Przekładnia hydrostatyczna składa się z jednej lub więcej par pomp wyporowych i silników hydrostatycznych. Najczęściej są to pompy i silniki wielotłokowe.

Niezależnie od układów jazdy przekładnie hydrostatyczne wykorzystywane są m. in. do napędów wentylatorów chłodnic płynów silnikowych pozwalających uzyskać warunki pracy silników, w których spełnione są aktualne wymagania norm dotyczących emisji spalin.

Poniżej przedstawiono przykłady pojazdów szynowych będących rezultatem współpracy inżynierów ZPS i Bosch Rexroth Sp. z o. o.

Drezyny holownicze DH-800 i DH-900

Jednym z pierwszych pojazdów szynowych produkowanych przez Zakład Pojazdów Szynowych w Stargardzie Szczecińskim, w którym zastosowano rozwiązania marki Rexroth były ciężkie drezyny holownicze:
- jednokabinowe, dwuosiowe drezyny DH-800,
- dwukabinowe, czteroosiowe pojazdy DH-900.

Ciężar drezyny holowniczej DH-800 wynosi ok. 360 kN, a wymagana szybkość jazdy do 100 km/h.
Hydrostatyczny napęd jazdy drezyny holowniczej DH-800, składa się z dwóch przekładni hydrostatycznych. W skład każdej z nich wchodzi pompa A4CSG355EP i dwa silniki hydrauliczne A6VM500EP.
Sterowanie jazdą odbywa się poprzez elektroniczny sterownik RC6, który zbiera informacje o aktualnych parametrach pracy silnika hydraulicznego, pomp i silnika spalinowego oraz steruje odpowiednimi nastawami wydajności pomp i chłonności silników. Potrzebne do wysterowania silnika spalinowego, pomp i silników hydraulicznych dane, czytane są przez sterownik poprzez magistralę typu CAN.
Sterowniki elektroniczne RC2 wykorzystane są również do sterowania prędkością obrotową wału silników hydraulicznych napędu wentylatorów chłodnic.

Bardzo podobne rozwiązanie układu napędu jazdy zastosowano w drezynie holowniczej DH-900.
W odróżnieniu od poprzedniego pojazdu, drezyna holownicza DH-900 ma dwie kabiny i dwa wózki dwuosiowe. Ciężar drezyny wynosi ok. 600 kN, a zainstalowana moc ok. 650 kW.
Hydrostatyczny napęd jazdy oparty jest o podobne jednostki hydrauliczne jak w drezynie DH800, które stanowią w DH900 jedną przekładnię hydrostatyczną. W skład przekładni wchodzą dwie pompy typu A4CSG355EP i cztery silniki hydrauliczne typu A6VM500EP.
Drezyna może poruszać się z szybkością do 100 km/h. W przypadku holowania może pokonać wzniesienia do 40 promili. Podczas wolnych podjazdów roboczych oraz podczas pracy żurawia sterowanie może odbywać się z wykorzystaniem oddzielnego przenośnego pulpitu. Dodatkowym wyposażeniem są wyświetlacze DI2, poprzez które operator informowany jest o podstawowych parametrach pracy silnika spalinowego i układu hydraulicznego. Gniazda diagnostyczne umożliwiają przy użyciu programu diagnostycznego BODEM sprawdzenie wartości nastawianych parametrów. Zainstalowany oprogramowanie firmowe BODAS umożliwia programowanie i zmiany poszczególnych parametrów jazdy maszyny (np. dynamiki).
W drezynach DH-800 i DH-900 występują jeszcze inne układy hydrauliczne do sterowania różnymi funkcjami pomocniczymi. Są to następujące układy:
- napęd silników klimatyzatorów,
- napęd żurawia,
- napęd podnoszenia i opuszczania burt,
- zasilanie dodatkowych narzędzi.
W napędzie hydraulicznym żurawia wykorzystano zasadę dławienia aktywnego („load sensing”) tzn., napęd zasilany przy pomocy pompy (typu A4VSO) ze sterownikiem wydajności (DFR) wraz z wielosekcyjnym proporcjonalnym rozdzielaczem hydraulicznym typu M4-12. Oznacza to, że bieżąca nastawa sekcji rozdzielacza M4-12 praktycznie decyduje o wydajności pompy A4VSO.
Oczyszczarka tłucznia OT-84
W ZPS Stargard zbudowano pojazd szynowy o najbardziej rozbudowanym hydrostatycznym układzie napędowym w skali kraju, oczyszczarkę tłucznia OT-84. Projektując napęd maszyny wykorzystano najnowsze technologie, elementy i zespoły koncernu Bosch Rexroth AG.
Dane techniczne maszyny przedstawiają się następująco:
- ciężar maszyny ok.110 kN,
- układ jezdny 6 osi, w tym 4 napędzane,
- moc zainstalowana 650kW,
- maksymalna szybkość jazdy w trybie transportowym - 80 km / h,
- maksymalna szybkość jazdy w trybie roboczym – 2 km / h.

W układzie napędu jazdy oczyszczarki zastosowano przekładnię hydrostatyczną pracującą w tzw. układzie zamkniętym. Przekładnia zbudowana jest z dwóch pomp wielotłokowych o sterowanej wydajności typu A4VG (wielkości 180 cm3/ obr) i czterech silników hydraulicznych o sterowanej chłonności typu A6VM (wielkości 160 cm3/ obr).
Dla zapewnienia wymaganych przez użytkownika szybkości jazdy maszyny w dwóch trybach tj., transportowym i roboczym do sterowania przekładnią dobrano sterowniki typu RC36, RC8 i RCE oraz zespół czujników pomiarowych. Zbieranie danych z czujników i wysyłanie sygnałów sterujących do elementów wykonawczych odbywa się poprzez magistralę CAN.

Do napędu łańcucha wybierakowego tłucznia, zaprojektowano przekładnię hydrostatyczną, w której zastosowano pompę dwustrumieniową o zmiennej wydajności A4VG wielkości 180+125 cm3 / obr z silnikiem hydraulicznym zmiennej chłonności A6VM wielkości 250 cm3 / obr.
Napęd hydrostatyczny znalazł również zastosowanie m. in.
- w napędzie wibracyjnego przesiewacza tłucznia,
- w napędzie przenośników transportowych tłucznia i odsiewek,
- w napędzie klimatyzatorów.
Sterowanie poszczególnymi ruchami i nastawami oczyszczarki wykorzystuje magistralę CAN.