-
Cservenák Ákos TDK kutatómunka
1/19.oldal
MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR
TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZAT
Járműajtók pneumatikus mozgatásának modellezése
Cservenák Ákos Neptun: G9UNON
II. éves mechatronikai mérnöki szakos hallgató
Konzulensek:
Dr. Szabó Tamás Nagy Lajos egyetemi docens tanársegéd
Robert Bosch Mechatronikai Tanszék
Miskolc, 2011
-
Cservenák Ákos TDK kutatómunka
2/19.oldal
Tartalomjegyzék:
1.
Bevezetés....................................................................................................................
3
2.
Ajtóvezérlés................................................................................................................
4
2.1 Pneumatikus ajtóvezérlési megoldások ismertetése
........................................4
2.2 MÁV-nál alkalmazott vasúti kocsi ajtók mozgatásának leírása
.................... 11
3. Laboratóriumi
modellezés........................................................................................
15
4. Összefoglaló
.............................................................................................................
19
5.
Irodalomjegyzék.......................................................................................................
19
-
Cservenák Ákos TDK kutatómunka
3/19.oldal
1. Bevezetés
A pneumatikus rendszereket széles körben alkalmazzák mind a
műszaki és mind a
hétköznapi életben. A pneumatika alkalmazása megkönnyíti a
nehéz, monoton fizikai
munka elvégzését, csökkenti az emberi erőszükségletet és
lehetővé teszi az
automatizálást.
Célunk az üzemi megoldások egyikének laboratóriumi megvalósítása
és vizsgálata.
A MÁV-nál a személyközlekedésben használt vasúti kocsik külső-
és belső ajtajait
régebben csak mechanikusan lehetett nyitni-zárni. Az utóbbi két
évtizedben terjedtek
el a pneumatikával működtetett ajtó mechanizmusok. Az ajtók
nyitását elektro-
pneumatikus, illetve fotocellás rendszerek teszik
kényelmesebbé.
A nyílászárók mozgatására pl. az [1], [2] szakirodalmak számos
megoldást
ismertetnek. Ezek között van tisztán pneu-mechanikus,
elektro-pneumatikus és
mindkettőt alkalmazó vegyes üzemeltetésű.
A dolgozat 2.1 fejezete az fenti irodalmakban közzétett
rendszerekből két megoldást
vizsgál és mutat be. Az egyik megoldás pneu-mechanikus, a másik
pedig elektro-
pneumatikus rendszer.
A 2.2 fejezetben a MÁV-nál jelenleg üzemben lévő személyszállító
kocsik belső
ajtóinak elektro-pneumatikus vezérlését vizsgáljuk.
A dolgozat 3. fejezete a 2.1 fejezetbeli elektro-pneumatikus
megoldás laboratóriumi
modellezésével és megvalósításával foglalkozik. A rendszer
összeállítását és
vizsgálatát a Robert Bosch Mechatronikai Tanszék Bosch-Rexroth
laboratóriumi
eszközeivel végeztük el.
A 4. fejezet az eredmények összefoglalását tartalmazza.
-
Cservenák Ákos TDK kutatómunka
4/19.oldal
2. Ajtóvezérlés
Az ajtóvezérlés fejezetben az egy- és kétszárnyú vasúti belső
ajtók egy pneu-
mechanikus illetve egy elektro-pneumatikus működtetését mutatunk
be az [1] irodalom
alapján.
Ezután a MÁV-nál jelenleg is üzemben lévő személyszállító kocsik
belső ajtóinak
elektro-pneumatikus vezérlését vizsgáljuk.
2.1 Pneumatikus ajtóvezérlési megoldások ismertetése
Az ajtók mozgatásánál három megoldás lehetséges:
• Pneu-mechanikus kivitelek, ahol a pneumatikus útváltókat
mechanikusan
működtetjük.
• Elektro-pneumatikus vezérlésű megoldások, ahol az útváltó
szelepeket
elektromágnesek működtetik.
• Vegyes rendszerek, amelyeknél pneu-mechanikus és
elektro-pneumatikus
megoldásokat egyaránt alkalmaznak.
A vasúti kocsi ajtók mozgatásához hasonló megoldások fordulnak
elő pl. raktárak be-
és kijárati ajtóinál, ipari, vegyipari berendezések
védőablakainak és védőajtóinak, vagy
gyártósorok be- és kieresztő nyílászáróinak mozgatásánál. A
különbségek elsősorban a
méretekben, tömegekben, mozgatási irányokban (vízszintes,
függőleges) és a
környezeti feltételekben mutatkozhatnak meg.
A 2.1 ábrán vízszintesen mozgatott kétszárnyú tolóajtó
pneu-mechanikus vezérlése
látható, amely a következő elemekből áll:
• 2 db kétoldali működési, löketvégi csillapítású, egymással
párhuzamosan
kapcsolt munkahenger (1)
• 4 db fojtó-visszacsapó szelep (2),
• 1 db 4/2-es, mindkét oldalon pneumatikus vezérlésű, bistabil
útváltó szelep (3),
• 3 db kettős visszacsapó (VAGY) szelep (4),
• 1 db késleltető rendszer, ami áll egy 3/2-es rugós
visszatérítésű, pneumatikus
vezérlésű, monostabil útváltó szelepből és egy fojtó-visszacsapó
szelepből (5),
-
Cservenák Ákos TDK kutatómunka
5/19.oldal
• 2 db 3/2-es, pneumatikusan elővezérelt, rugós visszatérítésű,
monostabil útváltó
szelep (6),
• 2 db 3/2-es, pneumatikusan elővezérelt, mechanikusan
reteszelhető, rugós
visszatérítésű, monostabil útváltó szelep (7),
• 1 db 3/2-es, kétoldali mechanikusan működtetett, bistabil
útváltó szelep (8),
• 1 db levegő-előkészítő egység illetve a táplevegő (9).
A 2.2 ábra szerinti rendszer működése:
Az ajtók alaphelyzetben zárva vannak. Ekkor a levegő útja
9-8-3-2 pneumatikus
elemeken át jut a sűrített levegő a 1 munkahengerek dugattyúrúd
oldali (–) részébe. Ha
a 6, vagy 7 útváltók közül az egyiket átváltjuk (a 4 szelepeknek
köszönhetően elegendő
az vagy a 6, vagy a 7 útváltót átváltani), akkor a 3 szelep 14
oldaláról átvált a másik
állásba, így az 1 munkahengerek kifutnak a (+) pozícióba, ekkor
nyílik ki az ajtó.
Miközben a munkahengerek kifutnak, az 5 egységben lévő fojtó
szelepen a levegő
keresztüláramlik, és megfelelő nyomást elérve az 5 egységben
lévő útváltó szelep 12
oldalán (a megfelelő idő elteltével), a rendszerben lévő 3/2-es
szelep átvált. Ekkor a 3
útváltó a 12 oldalról átvált az alaphelyzetbe, és így a 2
szelepeken keresztül a levegő a
munkahengerek (–) részébe jut, azok visszafutnak alaphelyzetbe,
és az ajtók
bezáródnak.
Az ajtó automatikus nyitás/zárás idejének és sebességének
beállítása a 2 fojtó-
visszacsapó szelepekkel történik.
A [3] alapján megrajzoltuk az 1 munkahenger és a 3 útváltó
ütemdiagramját (2.1 ábra).
2.1 ábra
Ütemdiagram a 2.2 ábrán lévő kapcsoláshoz
-
Cse
rven
ák Á
kos
T
DK
kut
atóm
unka
6/19
.old
al
2.2
ábra
Két
szár
nyú
toló
ajtó
t műk
ödte
tő p
neu-
mec
hani
kus
vezé
rlés
-
Cservenák Ákos TDK kutatómunka
7/19.oldal
A 2.4 ábrán vázolt egyajtós elektro-pneumatikus rendszer elemei
az alábbiak:
• 1 db kétoldali működésű, löketvégi csillapítású munkahenger
(1),
• 1 db kettős visszacsapó (VAGY) szelep (2),
• 1 db fojtó-visszacsapó szelep (3),
• 3 db 3/2-es, elektromos vezérlésű, rugós visszatérésű,
monostabil útváltó (4.1,
4.2, 4.3),
• 1 db elektromos vezérlés fotocellás, vagy padlókapcsolós
működtetéssel (5),
• 1 db elektromos vezérlésű időtag az ajtó késleltetett
zárásához (6),
• 1 db fojtószelep (7),
• 1 db hangtompítós ürítő szelep (8),
• 1 db 3/2-es, mechanikusan reteszelhető, bistabil útváltó
szelep (9),
• 1 db levegő-előkészítő egység illetve a táplevegő (10).
A 2.4 ábra szerinti rendszer működése:
Az ajtó alaphelyzetben zárva van. Az 5 padlókapcsolós, vagy
fotócellás elektromos
vezérlés aktiválásakor a 4.3 útváltó szelep átvált, és a levegő
a 10-9-4-3 elemeken
keresztül az 1 munkahenger jobboldali (+) részébe jut, kifut a
munkahenger, és az ajtó
kinyílik. Ekkor az 1 munkahenger dugattyúrúd oldaláról (–) a
levegő a 2-7-8 úton
távozik. Amint az 1 munkahenger teljesen kifutott, az ezt
érzékelő egység jelet küld az
időtagnak, és ott elindul a visszaszámlálás. Amint letelt az ott
beállított idő, akkor a
4.2 útváltó szelep működésbe lép, és így a levegő 10-9-4.2-2
elemeken keresztül az 1
munkahenger dugattyúrúd oldalára (–) jut, a henger visszamegy az
alaphelyzetébe, és
az ajtó bezáródik. A zárás sebessége lassabb, mint a nyitás
sebessége, ugyanis a 3
fojtást erősebbre állítják. Ezzel is az utas védelmét
szolgálják.
Az ajtó automatikus zárás idejének és sebességének beállítása a
3 fojtó-visszacsapó
szeleppel történik.
Az 1 munkahenger, a 4.2 és 4.3 útváltó szelepek ütemdiagramja a
2.3 ábrán látható
-
Cservenák Ákos TDK kutatómunka
8/19.oldal
2.3 ábra
Ütemdiagram a 2.4 ábrán lévő kapcsoláshoz
Amennyiben nincs áram, akkor az előbbi eset nem állhat fenn. Az
5 vezérléstől, áram
hiányában, a 4.3 szelep nem tud átváltani, így az ajtó zárva
marad. Ekkor kézzel lehet
az ajtót kinyitni. Ha elkezdjük az ajtót kézzel kinyitni, akkor
az 1 munkahenger (+)
oldalába a 8-4.3-3 elemeken át juthat be a sűrített levegő. A
munkahenger (–) oldaláról
a levegő a 2-7-8 elemeken át távozhat. Mivel ilyenkor a
munkahenger két része között
kapcsolat van, ezért a levegő a munkahenger (–) oldaláról a
2-7-4.3-3 elemeken át is
eljuthat a munkahenger (+) oldalára. Ezzel tudjuk biztosítani
vész esetén az ajtó
kinyitását.
-
Cse
rven
ák Á
kos
T
DK
kut
atóm
unka
9/19
.old
al
Felg
yors
ulá
s-
késle
lteté
s
Zárá
sN
yitás
Padló
kapcsoló
s
vagy
Foto
ce
llás N
yitás
Időta
g
Zárá
s
1 2 3 5
4.3 9
4.1
7
6 4.2
810
Ajtó
+
-
2.4
ábra
Egy
szár
nyú
toló
ajtó
műk
ödte
tése
ele
ktro
-pne
umat
ikus
vez
érlé
ssel
.
-
Cservenák Ákos TDK kutatómunka
10/19.oldal
A 2.2 és 2.4 ábra szerinti kapcsolási tervek helyiségek
tolóajtóihoz készültek, közülük
vagylagosan választható a tisztán pneu-mechanikus, vagy a
elektro-pneumatikus
vezérlésű megoldás. Mindkét változat rendelkezik a nyitás után
késleltetési idővel,
amelynek letelte után az automatikus zárás folyamata elindul.
Mindkét esetben
választható a nyitás és a zárás kézi távműködtetése, vagy a
zárás időtagos működtetése.
Ha a berendezés elhelyezéséhez oldalirányban kevés a hely, a
munkahengerek
közvetlenül az ajtó fölött is elhelyezhetők. A dugattyúrúd,
amelynek átmérője
rendszerint kisebb, mint az ajtó vastagsági mérete, nyitáskor az
ajtóval együtt mozog.
Megoldható a munkahenger függőleges elhelyezése az ajtó mellett,
az ajtókereten is,
amikor az ajtó vízszintes mozgatását pl. a 90 fokos iránytörést
biztosító görgő-
kötélrendszer közbeiktatásával oldjuk meg.
A biztonsági előírások (vészkijárat biztosítása pl. a kocsi
elhagyásához, vagy
tűzveszélynél) az ajtó kézi kinyitásának lehetőségét is
megkívánják, ami akkor
szükséges, ha áram, vagy levegő kimaradás történik. A nyitást
ellensúly segítheti.
Hálózati kimaradásnál a belső ajtó nyitása nagyon egyszerűen
megtörténhet kézi
beavatkozás nélkül is. Megoldás lehet például az, ha az ajtót
pneumatika zárja és egy
ellensúly nyitja, amikor gondoskodni kell a levegő
eltávozásáról.
A munkahengerek lökethossza az ajtók elmozdulási úthosszához,
azaz a nyílás
szélességéhez igazodik. Ez érvényes lehet lengőajtónál, amikor a
henger lökethosszát a
forgásponthoz viszonyított henger elhelyezés határozza meg. Az
egyszárnyú ajtók
nyílásszélességei pneumatikus munkahengerrel való közvetlen
működtetésnél 2000
mm-ig terjedhetnek. Ennek oka egyrészt a konstrukciós kialakítás
nehézségeiben,
másik a gazdaságossági (költség) kérdésekben található. A 2000
mm-nél nagyobb
méretű elmozdulásokat a hengerrel működtetett mechanikai
szerkezetekkel célszerű
megoldani.
A 2.4 ábra szerinti megoldásban az ajtó kézi zárásakor a henger
a 2 visszacsapó
szelepen és a 7 fojtáson keresztül levegőt szívhat be. Nyitáskor
az 1 henger
jobboldaláról a levegő a beállítható 3 fojtáson és 4 nyitott
útváltó szelepen eltávozhat.
A bemutatott ajtóvezérlések jól használhatók a vasúti járművek
nyílászáróinak
mozgatására is. A következőkben ezek laboratóriumi
modellezésével foglalkozunk.
-
Cservenák Ákos TDK kutatómunka
11/19.oldal
2.2 MÁV-nál alkalmazott vasúti kocsi ajtók mozgatásának
leírása
A MÁV-nál egy Intercity szerelvényeken kétféle belső ajtó
működését vizsgáltuk:
• szakaszajtó, amely a kocsi előterétől választja el az
utas-részt, illetve
• átjáró ajtó, ami az egyes kocsik közötti átjárást
biztosítja.
A két ajtótípus mozgatása között az alábbi eltérések
mutatkoznak:
• a szakaszajtónál egy munkahenger mozgat egy darab egyszárnyú
ajtót,
• az átjáró ajtónál egy munkahenger kétszárnyú ajtót mozgat egy
közvetítő lánc
és lánckerekek segítségével, ezt a megoldást a 2.3 ábra
mutatja
2.3 ábra
A kétszárnyú tolóajtó nyitásának szemléltetése
-
Cservenák Ákos TDK kutatómunka
12/19.oldal
2.4 ábra
Az egyszárnyú tolóajtó és a homlokajtó kapcsolószekrényben
található pneumatikus
kapcsolási rajza
A 2.4 ábra fényképén lévő kapcsolási rajzon látható, hogy a
kétféle ajtó mozgatását
vezérlő pneumatikus körben eltérés mutatkozik az ajtó(k)
nyitásánál:
• egyszárnyú tolóajtónál a 12 fojtó-visszacsapó szelep a 11
vésznyitó 3/2-es
útváltó szelep és a 6 5/3 útváltó szelep között helyezkedik
el,
• homlok tolóajtónál az 12-vel azonos funkciójú 17
fojtó-visszacsapó szelep a 18
henger és a 16 vésznyitó 3/2-es szelep között van. Ez a megoldás
az elterjedt és
a javasolt.
A 2.5 ábrán látható az egyszárnyú belső szakaszajtó mechanizmusa
kifutott állapotban,
azaz amikor az ajtó nyitva van. Az ábra jobboldalán a működtető
henger és az ajtót
vezető rúd, baloldalán henger és kitolt dugattyúrúd a
működtetett szerkezettel, amely
az alsó rúdon gördülően megvezetett.
-
Cservenák Ákos TDK kutatómunka
13/19.oldal
2.5 ábra
A belső szakaszajtó mechanizmusának részletei.
A 2.6 ábrán a szakaszajtó jobb oldali részének kinagyított képe
látható visszahúzott
állapotban, azaz amikor az ajtó zárva van.
Itt látható:
• a munkahenger jobb oldala, a hengerház forgó felfogatása és a
hengerbe befutó
pneumatikus vezetékek (kék színnel),
• az ajtót mozgató mechanizmus jobb oldali vége, és a
végálláskapcsoló
• alul jobbra a piros húzókar egy elektro-pneumatikus elven
működő vészkar
2.6 ábra
A szakaszajtó jobb oldali részének kinagyított képe
Munkahenger Ide fut be a kék vezeték
Végálláskapcsoló
Vészkar
Ajtót mozgató mechanizmus
-
Cservenák Ákos TDK kutatómunka
14/19.oldal
A 2.7 ábrán megfigyelhető a homlokajtót működtető mechanizmus,
és a munkahenger
végére csatlakoztatott egységhez kapcsolt lánc, amellyel az ajtó
két szárnya nyitható-
csukható. Ez a lánc nyitja, illetve csukja az ajtó két
szárnyát.
2.7 ábra
A homlokajtó mechanizmusa
Lánc
Munkahenger
Lánc
-
Cservenák Ákos TDK kutatómunka
15/19.oldal
3. Laboratóriumi modellezés
A Robert Bosch Mechatronikai Tanszék Bosch-Rexroth laboratóriumi
eszközeivel a
3.1 ábrán látható pneumatikus és villamos kapcsolást állítottuk
össze. Az elektro-
pneumatikus vezérlés kapcsolásának laboratóriumi fényképe a 3.3
ábrán látható.
A pneumatikus kapcsolás a következő elemekből áll:
• 1 db kétoldali működésű, reed relével (B1) ellátott
munkahenger (Z1),
• 1 db fojtó-visszacsapó szelep (SV1),
• 1 db 5/2-es rugós visszatérítésű, egyik oldalon elektromos
működésű (Y1),
monostabil útváltó szelep, ami az egyik kimeneti csatlakozó
lezárásával 3/2-es
szelepként funkcionál (F2),
• 1 db 5/2-es mindkét oldalon pneumatikus vezérlésű, bistabil
útváltó szelep (F1),
• 1 db torló-fúvókás érzékelő (S1),
• 1 db 3/2-es mechanikusan működtetett, bistabil útváltó szelep
(E1),
• 1 db levegő-előkészítő egység (LEE).
A villamos kapcsolás a következő elemeket tartalmazza:
• 1 db reed relé (B1),
• 1 db időtag (K1)
• 1 db relé (Y1).
A 3.1 ábrán látható kapcsolás hasonlít a 2.4 ábrán látható
kapcsolásra. Az eltérések a
következőkben rejlenek:
• a fotocellás nyitás helyett itt egy torló-fúvókás érzékelő
segítségével valósítjuk
meg a folyamat elindítását;
• a 2 db 3/2-es szelep helyett 2 db 5/2-es szelepet alkalmazunk,
mégpedig úgy,
hogy az egyik a munkahenger ki- és befutását vezérli, a másik
pedig az előző
szelep egyik oldali pneumatikus vezérlését;
• a laboratóriumi kapcsolásban felgyorsulás-késleltetés nincs,
így a kettős
visszacsapó szelepre sincs szükség.
-
Cse
rven
ák Á
kos
T
DK
kut
atóm
unka
16/1
9.ol
dal
Y1
K1
Y1
K1
B1
SV
1
F1
S1
E1
+24
V
0V
14
12
42
B1 -
+Z1
mu
nkah
eng
er
F2
Vill
am
os k
ap
cso
lás
LE
E
1.á
g2.á
g
1
3.1
ábra
A la
bora
tóri
umba
n ös
szeá
llít
ott k
apcs
olás
-
Cservenák Ákos TDK kutatómunka
17/19.oldal
A 3.1 ábra szerinti rendszer működése:
Az ajtó alapesetben zárva van. Ekkor a levegő az LEE-E1-F1
útváltó szelepen át jut a
Z1 munkahenger dugattyúrúd oldali (–) részébe. Ha az S1
torló-fúvókás érzékelőnél a
fúvókából kiáramló levegőnek útját állja valami, jelen esetben
egy munkahenger,
akkor a rendszerben szereplő S1 útváltó szelep átvált, az F1
szelep 12 oldalról átvált a
másik állásba, a levegő a LEE-E1-F1-SV1 elemeken át jut a Z1
munkahenger (+)
oldalára, így a Z1 munkahenger kifut. Amint a munkahenger
kifutott, az ezt érzékelő
egység (B1) áramköre záródik, így a villamos kapcsolás 1. ága is
záródik. A K1 időtag
így áram alá kerül, és elkezdi a beállított idő szerinti
visszaszámlálást. Amint az idő
letelt, a 2. ágon levő K1 záródik, és így az Y1 is záródik. Az
Y1 gerjesztésre az F2
útváltó szelep átvált, az F1 útváltó 14 oldala nyomás alá kerül
és átvált, így a levegő a
LEE-E1-F1 elemeken át jut a Z1 munkahenger (–) kamrájába, és a
Z1 munkahenger
visszafut alaphelyzetébe. A munkahenger (+) oldaláról a SV1
fojtó-visszacsapón
keresztül távozik a levegő, ami lassítja a visszafutási
sebességet.
A munkahenger automatikus kifutás/visszafutás idejének és
sebességének beállítása az
SV1 fojtó-visszacsapó szeleppel történik.
Az 1 munkahenger és a F1, F2 útváltó szelepek ütemdiagramja a
3.2 ábrán látható
3.2 ábra
Ütemdiagram a 3.1 ábrán lévő kapcsoláshoz
-
Cse
rven
ák Á
kos
T
DK
kut
atóm
unka
18/1
9.ol
dal
3.3
ábra
A la
bora
tóri
umba
n ös
szeá
llít
ott k
apcs
olás
fén
ykép
e
S1
SV
1
Z1
K1
B1
E1
LE
E
Y1
F2
F1
-
Cservenák Ákos TDK kutatómunka
19/19.oldal
4. Összefoglaló:
A TDK dolgozatban a szakirodalom alapján áttekintettük a vasúti
személykocsik
pneumatikus/elektro-pneumatikus működtetésű belső ajtóinak
működtetési
megoldásait. A Magyar Állami Vasutaknál (MÁV-nál) használt két
megoldást
részletesebben is megvizsgáltunk és elemeztünk. Az egyik
elektro-pneumatikus
kapcsolást a Miskolci Egyetem Robert Bosch Mechatronikai
Tanszékének hidraulika-
pneumatika laboratóriumában kisebb módosítással megépítettük és
modelleztük.
5. Irodalomjegyzék:
[1] Deppert-Stoll: Pneumatika a gyakorlatban
[2] Bosch Rexroth Group: A pneumatika alapjai
[3] Szaladnya S.- Telek, P.: A pneumatikus automatizálás
eszközei, a tervezés
módszerei, Budapest, 2009