Gigászi erők a síneken (bővebb verzió)

 “Jó érzés, hogy nem a fióknak kutatunk” – Knorr-Bremse-ösztöndíjasok kutatási projektjei. Blogbejegyzésünkben bővebb rálátást kaphattok Egyetemünk, Karunk ösztöndíjas hallgatóira, adjunktusaira. Emellett egy animációt is láthattok az egyik kutatásból.

A vasúti fékrendszer egy átlagos háztartás több napi áramfogyasztásának megfelelő mozgási energiát alakít át hővé, miközben a szerelvényt lassítja. Eközben a kerék és a fékrendszer elemei komoly igénybevételnek vannak kitéve, tehát pontosan kell tudni, hogy mi az a terhelés, amit még károsodás nélkül elviselnek az alkatrészek. Biztonságkritikus berendezésekről lévén szó, a fékalkatrészeknek szigorú minőségi szabványoknak kell megfelelniük, az esetleges hibákat okos és prediktív diagnosztikai módszerekkel igyekeznek már előzetesen kiszűrni a szakemberek. Ilyen és ezekhez hasonló témák foglalkoztatják a BME azon hallgatóit és adjunktusait, akik elnyerték a Knorr-Bremse Budapest kutatói ösztöndíját.


Knorr-Bremse ösztöndíjasok balról jobbra: Erdődi István, Gróza Márton, Hegedűs Ferenc, Szabó Gyula, Zwierczyk Péter.


Tavaly a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem öt hallgatója és adjunktusa nyert ösztöndíjat a Knorr-Bremse Rail Systems Budapesttől kutatási projektjeik megvalósítására. Idén mindannyian folytathatják a megkezdett munkát, miközben – a bíráló bizottság márciusi döntése értelmében – újabb hallgató foghat bele a kutatásába a Knorr-Bremse vasúti fékrendszer fejlesztő- és gyártó központjában, hogy feltérképezze a termékek karbonlábnyomát.

A tavalyi ösztöndíjasokat, Erdődi Istvánt, Gróza Mártont, Hegedűs Ferencet, Szabó Gyulát és Zwierczyk Pétert eddigi eredményeikről, tapasztalataikról kérdeztük, hiszen ma már mindannyian több impakt-faktoros cikk publikálásán vannak túl. Ezen túl, több ösztöndíjasnak is volt már lehetősége kutatási eredményeit hazai és nemzetközi konferenciákon bemutatni.

Hogy mi az, ami összeköti az ösztöndíjasok kutatási témáit? Az, hogy gyakorlatias problémákra keresnek válaszokat, amelyeket az iparban lehet felhasználni a jobb termékminőség, hatékonyság vagy költségcsökkentés érdekében.

Feladványból szabvány

Apróságnak tűnhet a kérdés, hogy vajon milyen mértékben szükséges a vasúti fékrendszerekben használatos gumitömlőket meghajlítani a fizikai terheléses tesztek során. Ám ez befolyásolja az anyagfelhasználást, a gyártási folyamatokat – ezeknek pedig pénzben és időben is mérhető következményei vannak egy iparvállalat számára. Szabó Gyulának – aki szelepmembránok és szöveterősítéses légszállító tömlők fejlesztésével foglalkozik a Knorr-Bremse Budapestnél – már két idegennyelvű cikke is megjelent ebben a témában, a jövőben pedig egy ipari szabvány megváltoztatása fűződhet a nevéhez. Ehhez azonban, a szigorú közlekedésbiztonsági elvásárok miatt, nagyon precízen kell bizonyítania, hogy az említett hajlítási szög híven tükrözi azt a terhelést, amelynek a tömlők a használat legszélsőségesebb körülményei között ki vannak téve. Márpedig a gumitömlőnek -55 és +80 Celsius fok közötti hőmérsékleti tartományban, rázkódva, változó nyomáskörülmények között kell helytállnia.

Fárasztó tesztek

Gróza Márton épp Olaszországba készül, hogy egy konferencián számoljon be kutatási témájának – felületi hibák hatása a gömbgrafitos vasöntvények kifáradási élettartamára – eredményeiről. Az elmúlt évben Yves Nadot professzor, Franciaország legrangosabb mechanikai és aeromechanikai felsőoktatási intézménye, az ISAE-ENSMA anyagfizikai tanszékének igazgatóhelyettese segített neki a téma kidolgozásában, amellyel Márton a doktori címet is megszerezheti. Ő is több impakt-faktoros cikket tudhat már magáénak a szakterületen, az egyiket épp a közelmúltban fogadta be az International Journal of Fatigue, a legrangosabb, anyagkifáradással foglalkozó nemzetközi szakfolyóirat. Tavaly hibátlan – vagyis elhanyagolható felületi hibákkal rendelkező – próbatesteken modellezte az anyagkifáradást, idén a hibásokon a sor, hogy később már termékeken tudja visszaigazolni a korábbi mérési eredményeket. Mivel a fárasztó tesztek nagy ciklusúak, több mint egy millió ciklust kell kibírnia az alkatrészeknek, a kutatás felettébb időigényes. A végén viszont egy olyan módszert kap kézhez a Knorr-Bremse, amellyel meglehetősen nagy pontossággal megbecsülhető lesz az alkatrészek élettartama. A PhD kutatás célja egy olyan szoftvereszköz kifejlesztése, amely a számitások alapján segíti a beérkezett öntvények közötti minőségbiztosítási válogatást. Vagyis a Knorr-Bremse mérnökei tudni fogják, hova helyezzenek fokozott hangsúlyt a tesztek és az ellenőrzések során, ez pedig a termékfejlesztés számára is értékes visszajelzésekkel szolgál majd.

Fékerőfitogtatás

A vasúti fékek rendkívül komplex rendszerek, ám nem csupán ebben különböznek közúti forgalomban használt társaiktól. Abban is, hogy nagyon sokfélék: változnak a vonat típusa, gyártója, a felhasználás helye és a folytonosan változó elvárások szerint. Például csökkenteni kell a méretüket annak következtében, hogy az utastér és az alacsony padló egyre több helyet vesz el a fékberendezésektől.

Noha elméletileg sok helyen hibásodhatna meg egy ilyen hallatlanul bonyolult, biztonságkritikus eszköz, erre a gyakorlatban alig van példa, hála a szigorú minőségi előírásoknak, továbbá a sokrétű és átfogó vizsgálatoknak, teszteknek, amelyeknek alávetik őket. A fékrendszerek fejlesztése, gyártása, és tesztelése időigényes folyamat. Ezt rövidítheti le a grafikus processzorral (GPU) gyorsított numerikus szimuláció, amelyet Hegedűs Ferenc adjunktus alkotott meg. Ő a pneumatikus szabályozókat – csővezetékeket, fojtásokat, pneumatikus tartályokat – vizsgálta, amelyek a fékerőt közvetítő sűrített levegő áramoltatásában vesznek részt. A sűrített levegő feltöltése és ürítése közben a szerkezetben megfigyelhető rendellenes nyomásesések helyét és okát nagyon nehéz azonosítani, ám Ferenc diagnosztikai módszerével jó eséllyel, a teljes rendszer átfésülése nélkül szűrhető ki a rosszul működő alkatrész.

Az elmúlt évben sikerült néhány kulcsfontosságú tesztesettel összehasonlítani a számítási eredményeket a numerikus számítások elvégzésére kifejlesztett MATLAB környezetben. A szimulációk nagyon jó egyezést mutattak a méréssel, tehát a választott modell és a numerikus algoritmusok jól használhatónak bizonyultak. Ezekre a tapasztalatokra alapozva Ferenc a procedurális, az objektumorientált és a generikus programozást, valamint az adatabsztrakciót egyaránt támogató C++ környezetben fogja megalkotni a végleges szoftvert a következő félévben, hogy a futási sebesség elfogadható legyen.

Máma már nem rezeg tovább…

Szintén a pneumatikus szabályozók, a rugóterhelésű visszacsapó szelepek foglalkoztatják Erdődi Istvánt. Ezek ugyanis gyakran rezegnek, egészen pontosan, bizonyos üzemeltetési körülmények nagyfrekvenciás lengésekre késztetik őket, ami zajjal, intenzív kopással és megnövekedett áramlási veszteségekkel jár. Egyelőre nincs tudományos alaposságú válasz arra a kérdésre, mi okozza pontosan ezt a rezgést. István nemcsak magukra a szelepekre koncentrál, hanem azok teljes környezetére, hiszen előfordulhat, hogy a szelepek rezgése a tömlők hosszával van összefüggésben. Ezért olyan prediktív modellt, egy numerikus megoldót dolgozott ki, amely nem csupán egy bizonyos alkatrészre és egy bizonyos környezetben alkalmazható: a megfelelő feltételek megadásával bármilyen helyzetben segít a konstruktőröknek olyan szelepeket tervezni, amelyek nagy valószínűséggel nem fognak rezegni. Az elméleti módszer – amelyről István már két cikket adott közre – valós környezetben történő hosszas tesztelése azt az eredményt hozta, hogy a stabil működés ellenőrzése már a gyártás előtt, a tervezési szakaszban elvégezhető.

Nem árt tudni, árt-e az ABS

Egy-egy vasúti fékezés során messze nagyobb erők feszülnek egymásnak, mint amikor egy autót lassítunk le a közúton. Egyetlen vasúti kerékre nagyságrendileg 60-100 kilonewtonnyi erő nehezedik a jármű típusától függően egy átlagos fékezés során, vagyis egy hat szerelvényből álló, 120 km/óra sebességgel közlekedő, körülbelül 250 tonnás vonat fékezése során egy zsebkendőnyi felületen – a kerék és a sín találkozásánál – hozzávetőleg 139 MJ mozgási energia alakul át hővé. Ez nagyságrendileg megfelel egy négyfős háztartás három napi áramfogyasztásának.

Zwierczyk Péter adjunktust az a kérdés foglalkoztatja, hogy hogyan kell a blokkolásgátló rendszert úgy vezérelni, hogy az ne okozzon a vasúti kerékben felületi sérüléseket, amelyek az élettartam csökkenéséhez vezetnek. Eddig kifinomult, 3D-s, végeselemes modelleket alkalmazott a kérdés megválaszolásához, a jövőben azonban ezeket leegyszerűsíti kétdimenziós modellekre, amelyek segítségével, a különböző eredmények, gyorsabban előállíthatók. Eddig tiszta és hibátlan kereket feltételezett a vizsgálti modell, mostantól azonban már repedések és a gyakorlatban előforduló szennyeződések is megjelennek a szimulációkban. Péter további méréseket végez, szimulációkat hajt végre nagyobb sebesség mellett és a valóshoz jobban közelítő fékezési görbe alkalmazásával. A kutatás eredményei alapján a jövőben olyan szabályozási rendszert tudnak majd alkalmazni, ami biztosan nem idéz elő a szokásosnál nagyobb igénybevételt a kerekeken még extrém körülmények között sem, miközben az alapszabály a régi marad: ha gyorsan meg kell állni, nem számít a kerekek életartama, csak a minél rövidebb fékút.

Miközben készül egy cikk, Péter júliusban New Yorkba megy, hogy bemutassa tudományos eredményeit és megossza a tapasztalatait a szakmai közvéleménnyel.

Mi a legértékesebb a Knorr-Bremse ösztöndíjban?

„A szakmai támogatás” – vágja rá gondolkodás nélkül Szabó Gyula. „Az, hogy a Knorr-Bremse infrastruktúrát, mérési hátteret biztosít a kutatásokhoz”. Ezt emeli ki Gróza Márton is, aki hozzáteszi: „az anyagtechnológiát, külföldi professzor támogatása mellett, máshol nem is tudnám ilyen mélységben tanulmányozni”. Ehhez hozzátartozik az is, hogy dr. Felhős Dávid, a Knorr-Bremse Budapest műszaki számítások és szimulációk részlegének osztályvezetője támogatására az ösztöndíjasok folyamatosan támaszkodhatnak publikációik során is.

„Jó érzés, hogy nem a fióknak dolgozunk, hogy az iparban alkalmazható új eljárások, módszerek létrejöttéhez járulhatunk hozzá” – véli Erdődi István. Hozzáteszi, az ösztöndíjjal elnyerhető anyagi támogatás is jól jön a kutatni vágyó pályakezdők, kezdő kutatók számára. „Ez más, mint az egyetemen kutatni: kötöttebb, de hatékonyabb. Itt több olyan szakember is van, akik egy adott szakterületen dolgoznak, és a megfelelő infrastruktúra is rendelkezésre áll a mérésekhez.”

Ezt a gondolatot fűzi tovább Hegedűs Ferenc is, aki szerint egy vállalatnál kutatni más attitűdöt kíván meg: „Időnként a saját kíváncsiságát is kordában kell tartania az embernek, nem mélyedhet el a tárgyhoz csak lazán kapcsolódó területekben, mert haladnia kell a projektnek. Adott időn belül, kézzelfogható eredményeket felmutatni – velem megkedveltették ezt a megközelítést.”

 

A Knorr-Bremse Rail Systems Budapest minden év elején meghirdeti az ösztöndíjpályázatát.

 

 

Hozzászólás