Railway drive systems

Lösningar för drivsystem

Drivsystem för järnvägsapplikationer, som växlar och traktionsmotorer, måste ha hög effektkapacitet, lågt underhållsbehov och uppfylla gällande miljöregler. Dessutom ska de vara mycket tillförlitliga och kostnadseffektiva. Kraven på dessa applikationer är mycket strängare än i många andra branscher. Det beror bland annat på järnvägsfordonens höga vikt, liksom kravet på långa serviceintervall. Därför efterfrågar branschen specifika lager och lagerenheter, inbyggda sensorer, tillämpning av tillståndsövervakning och komplettering med tjänster.

Sammandrag

Drivsystem för järnvägar har till uppgift att överföra vridmomentet från traktionsmotorn eller förbränningsmotorn – vilken vanligtvis arbetar vid höga varvtal – till det drivande hjulparet via en-, två- eller flerstegs­växlar. SKF har utvecklat en rad nya lösningar för att öka tillförlitligheten, förlänga underhållsintervallen och förbättra kostnadseffektiviteten. Nyligen publicerade SKF en teknisk handbok om drivsystem, som täcker lager, lagerenheter, sensorer, tillståndsövervakning och tjänster.

Relaterade länkar

SKF Railway Technical Handbook

Försäljning och råd

Gottfried Kuře, Gottfried.Kure@skf.com

Drivsystem för järnvägar har till uppgift att överföra vrid­momentet från traktionsmotorn eller förbränningsmotorn – vilken vanligtvis arbetar vid höga varvtal – till det drivande hjulparet via en-, två- eller flerstegsväxlar.

SKF är en av järnvägs­industrins ledande globala leverantörer och erbjuder många kundlösningar. Dessa har utvecklats genom att SKF under åren har samlat omfattande och djup kunskap om järnvägstillämpningar. Företaget har tagit fram ett unikt utbud av produkter och lösningar för driv­system, som uppfyller de stränga kraven inom järnvägsindustrin. Bland lösningarna kan nämnas lager, tätningar, smörjmedel och smörjsystem, meka­tronik och tjänster.

Historiska applikationer
Lägre underhållskostnader, krav på minskat utrymme och ökad tillförlitlighet har alltid varit viktiga drivkrafter bakom nya lagerlösningar för växlar och traktionsmotorer.

Mycket tidiga konstruktioner var utrustade med oljesmorda glid­lager. Dessa lager krävde daglig kontroll av oljenivån och oljepåfyllning vid behov. År 1918 hävdade SKF att underhållskostnaderna för spårvagnar skulle kunna minskas med mellan 25 och 70 procent genom att övergå till sfäriska kullager i stället för glidlager (fig 1).

Hastighet
Med tiden har hastigheten på järnvägar ökat för både person- och godstransport. Fordonshastig­heten och den givna hjuldiametern är avgörande för varvtalet hos växelns utgående axel och dess lager. En multipel av detta varvtal, som definieras av växelns utväxling, är växelns ingående varvtal och traktionsmotorns varvtal. Produkten av två faktorer, traktionsmotorns varvtal (n) och lagrets medelhål­diameter (dm) är en viktig parameter för val av lagerstorlek, hållarkonstruktion och rullsats, liksom av smörjmedel och dess
viskositet.

Värdet n x dm ökar inte bara med fordonshastigheten, utan även på grund av traktionsmotorers högre varvtal som är följden av minskade motorstorlekar. Vidare är höga varvtal en förutsättning för traktionsmotorer med hög effekt. En specifik konstruktionsfaktor måste dock tas särskild hänsyn till, nämligen avståndet mellan de två hjulen, det vill säga spårvidden. Det är den som begränsar den totala horisontella längden hos aggregatet bestående av traktionsmotor och växel.

Effekt
Om vi ser på den historiska utvecklingen av konstruktioner för traktionsmotorer kan vi notera att effekterna har ökat stegvis. Ta som exempel ett typiskt tyskt 4-axligt ellok med fyra traktionsmotorer. Ett sådant lok har i dag nästan tio gånger högre motoreffekt än de första konstruktionerna (fig 2). Motoreffektens förhållande till fordonshastigheten har direkt inflytande på belastningen av växelns ingående axel. Modern drivsystemkonstruktion är inriktad på att minska lagerbelastningar och tillämpa oljesmörjning i största möjliga utsträckning.

Underhållsintervall
En viktig trend, som verkar hålla i sig, är den mot längre underhållsintervall. En fördel med växelströmsbaserad framdrivningsteknik för elfordon är det lägre underhålls­behovet, som naturligtvis ger längre underhållsintervall.

Lager i traktionsmotorer förväntas arbeta halva sin livslängd, i cirka 15 år, utan att underhåll ska behövas. Fettsmorda traktionsmotorlager har en del inneboende begränsningar som hindrar dem att nå så långt. Dock kan vissa nya konstruktioner, beräkningsmodeller och testresultat vara basen för att stegvis uppnå detta mål. SKFs nya vägledning för optimerad fettlivslängd kan vara ett användbart verktyg för att öka de gängse underhållsintervallen (fig 3).

Möjligheter att dimensionera ner
För en given traktionsmotoreffekt möjliggör alltså ökat motorvarvtal lägre vridmoment på både motoraxeln och växelns ingående axel. Detta minskar lagerbelastningarna och gör det möjligt att välja mindre lager. Dessutom har lager­dimensioner över lag minskat under åren, till följd av ökande bärförmåga (fig 4). Utvecklingen leder sammantaget till avsevärt lägre lagerfriktion och högre verkningsgrad.

Inkörning
Ett annat exempel på tekniska framsteg är utvecklingen av koniska rullager i förhållande till lägre drifttemperaturer under inkörning. Under inkörningsperioden arbetar ett arrangemang baserat på konventionella koniska rullager med betydande friktion, vilket resulterar i slitage. Detta visar sig i form av en temperaturtopp.

En lagring med SKFs nya koniska rullager arbetar med väsentligt lägre friktion, friktionsvärme och slitage, förutsatt att lagren är korrekt monterade och smorda.

INSOCOAT och hybridlager
Kraven på lager i traktionsmotorer har skärpts kraftigt i och med att frekvensomriktare har börjat ingå i traktionssystemen. Passage av elektrisk ström genom rullningslager kan snabbt orsaka lagerskador (fig 6). INSOCOAT och hybridlager minskar kraftigt risken för att skadliga elektriska strömmar tar vägen genom lagret.

I likströmsapplikationer fungerar lagret INSOCOAT som en normal (rent ohmsk) resistor. Ett skikt av aluminiumoxid fungerar som isolator. Skiktets ohmska resistans, R, är en viktig parameter. Genombrottsspänningen för ett standardskikt anges till 1 000 V DC, och resistansen överstiger 50 MΩ, vilket ger lagret utmärkta isolerande egenskaper.

Hybridlager förbättrar den elektriska isoleringen ytterligare, särskilt för moderna drivsystem med högfrekventa frekvensomriktare, eftersom de har rullkroppar av kiselnitrid (fig 7). Dessa lager har väldigt goda elektriskt isolerande egenskaper, även vid mycket höga frekvenser.

Underhållsintervallen kan ökas med nya optimerade riktlinjer för fettlivslängd. Avgörande parametrar är:

  • optimerat lagerutförande, särskilt sett till rullkropparnas antal och storlek
  • ytterligare förbättrad hållarkonstruktion
  • labyrinttätningar som skyddar lagerarrangemanget mot föroreningar
  • specifik fettyp och fettmängd

Lagerenheter för traktionsmotorer
SKFs lagerenhet för traktionsmotorer (TMBU) har en kompakt och utrymmessnål konstruktion och erbjuder en underhållsfri lösning som förlänger smörjintervallet. Den totala motorlängden kan minskas. Alternativt kan järnlängden i rotor och stator hos en motor med givna mått ökas för att ge högre uteffekt. Produkten kombinerar flera funktioner i en och samma enhet, som fettreservoar, tätning och styrning. Den integrerade flänsen underlättar montering.

TMBU är i praktiken en försmord lagring med skyddsplåtar, konstruerad för flänsmontering på motorhuset (fig 8). Ett specialfett har valts för att ge utökad fettlivslängd även vid höga drifttemperaturer. Lagerenheten har slitagefria icke-frikterande labyrinttätningar. Lagerenheten finns även i hybridutförande med keramiska rullkroppar som förebygger strömskador, och med sensorer för att övervaka driftförhållandena. Tillvalsfunktioner för lagerenheten är elektrisk isolering och övervakning av driftdata som temperatur, varvtal och absolut position för styrning av framdrivningssystem.

Sensorer
Konceptet med lagerenheter utrustade med sensorer (fig 9) erbjuder flera möjligheter till mätning och detektering: absolut position för styrning av traktionsmotorer, detektering av rotationsriktning, hastighetsmätning för bromsstyrning och temperaturmätning för att övervaka driftförhållandena.

I de flesta fall är sensorerna integrerade i tätningssystemet i lagerenhetens ytterring. Denna konstruktion ger flera möjligheter att spara utrymme och minska antalet komponenter.

Tillståndsövervakning
Tillståndsövervakning är en mogen teknik som gör det möjligt att förbättra säkerhet och tillförlitlighet, liksom att tänja på underhållsintervallet. Med system för tillståndsövervakning (fig 10) och avancerade algoritmer för databehandling kan begynnande skador upptäckas. Detta ger gott om tid för reparationer innan några allvarliga mekaniska skador eller haverier inträffar.

Rekonditionering
Rekonditionering av lager kan ge totalt sett betydligt lägre koldioxidutsläpp, jämfört med att tillverka ett nytt lager. Rekonditionering kräver i vissa fall bara 3 procent av den energi som måste sättas in för att tillverka ett nytt lager. Genom att förlänga brukbarhetstiden för lager (fig 11) ges komponenterna längre livslängd och skrotas senare. Därmed behöver inte lika mycket natur­resurser användas. SKFs specialister kan bedöma om ett lager kan rekonditioneras eller inte.

Rekonditionering av lager är en viktig bidragande faktor för att optimera livscykelkostnaden. Metoden erbjuder:

  • betydande kostnadsminskning jämfört med nytt lager
  • längre brukbarhetstid
  • högre tillgänglighet, och därmed minskat behov av förrådshållning
  • grundorsaksanalys och utredning av korrigerande åtgärder
  • möjlighet till förbättrade prestanda genom uppgradering i samband med rekonditionering
  • återkoppling till kunden för förbättrad drift- och underhållsteknik
  • minskad miljöbelastning genom minskad avfallsmängd, minskad förbrukning av råmaterial och lägre energiförbrukning

Publikationer
SKF publicerade nyligen en teknisk handbok om drivsystem för järnvägsapplikationer. Boken fokuserar på traktionsmotor- och växellager, sensorer, tillståndsövervakning och tjänster. Den behandlar också rekommendationer för att maximera brukbarhetstid samt fastställa bästa monteringssätt, underhållsteknik och tillståndsövervakning.

INSOCOAT och SKF Explorer är registrerade varumärken som tillhör SKF-koncernen.

 

Relaterat innehåll