Projektowanie i badania elementów konstrukcyjnych pojazdów szynowych oparte na oryginalnym instrumentarium badawczym

Ewaluowany podmiot

Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w BydgoszczyWydział Inżynierii Mechanicznej

Dyscyplina naukowa: Inżynieria mechaniczna

Wkład działalności naukowej

Problematyka badawcza realizowana na Wydziale Inżynierii Mechanicznej (WIM) związana jest z trzema podstawowymi etapami „życia” każdego wytworu tj.: konstruowania, wytwarzania, oraz eksploatacji. Dla każdego z wymienionych etapów na WIM realizowane są odpowiednie badania teoretyczne i eksperymentalne. Laboratoria Wydziału Inżynierii pełnią obecnie funkcję laboratoriów środowiskowych dla przedsiębiorstw regionu Pomorza i Kujaw, którzy nie posiadają działów badań i rozwoju.

Jedną ze specjalności naukowej pracowników WIM rozwijanej od prawie 70 lat jest projektowanie obiektów technicznych ze względu na przeciwdziałanie zmęczeniowemu pękaniu. Tą problematyką zajmuje się około 20 osób (w tym 10 z tytułem profesora lub dra habilitowanego. Potwierdzeniem kompetencji pracowników jest posiadany przez Laboratorium Badań Materiałów Konstrukcji od roku 2001 certyfikat akredytacji Polskiego Centrum Akredytacji (PCA) na prowadzone badania (AB-372). Wzrastające potrzeby badawcze firmy PESA Bydgoszcz, jak również lokalizacja WIM w jej sąsiedztwie spowodowały, że Laboratoria WIM stały się centrum naukowo-badawczym dla branży kolejowej regionu oraz kraju. Podstawą oferty badawczej WIM są zarówno analizy teoretyczne, metody obliczeń trwałości zmęczeniowej, badania symulacyjne jak również badania eksperymentalne kompletnych struktur stosowanych w pojazdach szynowych.

Nowe metody obliczeń trwałości zmęczeniowej elementów konstrukcyjnych

Obliczenia trwałości zmęczeniowej elementów konstrukcyjnych i analizy teoretyczne  związane są z problematyką sumowania uszkodzeń zmęczeniowych. Pracownicy wydziału współpracując z firmą PESA pracują nad doskonaleniem obecnie wykorzystywanych metod przewidywania trwałości zmęczeniowej elementów konstrukcyjnych. Na wydziale zostało opracowanych kilka nowych metod sumowania uszkodzeń zmęczeniowych dedykowanych obliczeniom elementów konstrukcyjnym pojazdów szynowych [ 1, 2,3]

Opracowywanie i weryfikacja nowych, materiałów konstrukcyjnych (materiały wielowarstwowe).

Podczas prac testowane są między innymi możliwości zastąpienia w pojazdach szynowych tradycyjnych elementów spawanych ze stali, elementami odlewanymi np. ze stopu aluminium lub materiałów warstwowych na bazie tytanu i aluminium zgrzewanych wybuchowo. Nowe materiały oprócz mniejszego ciężaru charakteryzuje również większa odporność na korozję [ 1, 2, 3].

Badania doświadczalne obiektów produkowanych przez firmę PESA 

Bardzo poważne skutki społeczne, ekonomiczne, ekologiczne pęknięć zmęczeniowych odpowiedzialnych obiektów technicznych typu pojazd szynowy powodują, że podczas ich projektowania nie może być pomijany problem doświadczalnej weryfikacji (badań). Podczas współpracy z firmą PESA przyjęto, że podstawą projektowania złożonych obiektów w tym spawanych w nowym podejściu jest realizacja iteracyjnego procesu, w którym badania doświadczalne prowadzone są równolegle z analizami teoretycznymi z wykorzystaniem danych materiałowych uzyskanych podczas badań eksperymentalnych. Do realizacji badań doświadczalnych wykorzystuje się innowacyjne na skalę krajową i europejską stanowiska badawcze dedykowane badaniom węzłów jak również kompletnych struktur spawanych. WIM intensywnie rozwija i poszerza swój potencjał badawczy. Tylko w latach 2017 – 2020 pozyskał na rozbudowę istniejącej infrastruktury badawczej prawie 20 mln zł. Nowa aparatura jest dedykowana przede wszystkim przedsiębiorstwom, których gotowe produkty wymagają prowadzenia badań zmęczeniowych i wytrzymałościowych w skali 1:1. Przykładem jest budowa innowacyjnej hamowni układów hamulcowych stosowanych w pojazdach szynowych. Najważniejsi pracownicy podmiotu, którzy uczestniczyli w działalności naukowej

1.   prof. dr hab. inż. Stanisław Mroziński  

2.   prof. dr hab. inż. Dariusz Boroński

3.   dr hab. inż. Adam Lipski, prof. UTP

4. mgr inż. Michał Piotrowski

5. dr inż. Maciej Kotyk

Referencje do publikacji

  1. Mroziński S., Energy-based method of fatigue damage cumulation. International Journal of Fatigue, 121, 2019, pp.73–83. www.elsevier.com/locate/ijfatigue, DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2018.12.008
  2. Mroziński S., The influence of loading program on the course of fatigue damage cumulation. Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 49, 1, 2011, pp. 83-95.
  3. Golański G., Mroziński S., Low cycle fatigue and cyclic softening behaviour of martensitic cast steel. Engineering Failure Analysis, EFA 2086, November 2013, pp. 692-702. Adres url: http://www.journals.elsevier.com/engineering-failure-analysis
  4. Boroński, Local mechanical properties of explosively welded AA2519-AA1050-Ti6Al4V layered material, Weld. World. 64 (2020) 2083–2099. doi:10.1007/s40194-020-00984-2.
  5. Lipski A., Piotrowski M., Mroziński S., Weight reduction of the train by applying a new construction and testing process of the train car bogie, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C-Journal of Mechanical Engineering Science, 2018, 232, 8, 1481-1492, DOI: 10.1177/0954406217744813

Charakterystyka wpływu społecznego

Współpraca z Wydziałem Inżynierii Mechanicznej pozwoliła firmie PESA Bydgoszcz (producent pojazdów szynowych) uzyskać szereg mierzalnych efektów, z których najważniejsze to:

Wzrost zatrudnienia 

W wyniku realizacji prac naukowych na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Firma PESA i jej poddostawcy dysponują rozwiązaniami nowocześniejszymi i bardziej konkurencyjnymi. Skutkiem tego jest poprawa, jakości produktów dostarczanych przez poddostawców firmy, których liczbę w przypadku firmy PESA szacuje się na około 250. Większa konkurencyjność spowodowała również wzrost produkcji, co było związane ze zwiększeniem zatrudnienia w przedsiębiorstwie.

Poprawa konkurencyjności

W wyniku działalności naukowej firma PESA Bydgoszcz dysponuje rozwiązaniami, dzięki którym lekkie pojazdy szynowe posiadają np. 100% tzw. płaskiej podłogi, odległej o około 350 mm od powierzchni główki szyny. Nowe produkty pozwoliły firmie uczestniczyć w przetargach, w których wymagana była niska i płaska podłoga. Uzyskane wyniki badań ze względu na ich znaczenie utylitarne mogą zostać szeroko zastosowane w gospodarce. Opracowana w ramach projektu [INNOTECH] i zweryfikowana w pracy [Praca doktorska] metoda projektowania złożonych struktur spawanych może być zastosowana w przypadku innych złożonych obiektów narażonych na występowanie pęknięć zmęczeniowych (pociągi, maszyny robocze, elementy samolotów itp.).

Poprawa jakości i bezpieczeństwa

Zastosowanie wyników prac naukowych prowadzonych na wydziale pozwala w znaczny sposób ograniczyć możliwość powstania uszkodzeń w trakcie eksploatacji oraz znacznie obniżyć koszty  badań walidacyjnych (weryfikacyjnych) gotowych obiektów. Szacuje się, że oszczędności będą mogły sięgać nawet 40% kosztu badań prowadzonych według aktualnie stosowanych procedur. Wyniki prac badawczych uzyskanych w ramach współpracy firmy PESA Bydgoszcz SA i Wydziału pozwoliły na osiągnięcie korzyści praktycznych w kilku obszarach związanych z projektowaniem, wytwarzaniem i eksploatacją produkowanych obiektów technicznych, z których najważniejsze to:

-wzrost niezawodności i niższy koszt eksploatacji obiektów technicznych,

-możliwość projektowania obiektów technicznych  na określoną trwałość,

-możliwość zdefiniowania obszarów prawdopodobnych uszkodzeń,

-ograniczenie do niezbędnego minimum kosztownych badań doświadczalnych przez integrację procedur badań numerycznych, symulacyjnych i stosowanie metod badań hybrydowych,

-dostarczenie narzędzi do bieżącej diagnostyki stanu obiektu.

Większa ekologiczność produktów

Produkcja szybkich oraz nowoczesnych, a jednocześnie bardzo bezpiecznych tramwajów czy pociągów przyczynia się do zmiany przez społeczeństwo środka transportu indywidualnego, jakim jest zatruwający środowisko samochód, na środek komunikacji masowej jakim jest tramwaj, szynobus czy pociąg. Poza tym stale rosnące ceny paliw powodują, że społeczeństwo oczekuje alternatywy dla drogiego transportu samochodowego. Kierunki działalności naukowej Wydziału są zgodne z zasadami horyzontalnymi Unii Europejskiej wymienionymi w rozporządzeniu 1303/2013. Połączenie wielu pożądanych cech i zalet w jednym materiale – np. aluminium czy kompozyt sprawia, że konstrukcje i elementy z niego wykonane charakteryzują się właściwościami mającymi bezpośredni pozytywny wpływ na środowisko naturalne. 

Obniżenie masy pojazdu szynowego 

Mała gęstość przy jednocześnie wysokiej wytrzymałości nowych materiałów, (stopy aluminium, materiały warstwowe, kompozyty) umożliwiają uzyskiwanie lżejszych pojazdów szynowych w stosunku do pojazdów wykonywanych ze stali. Przyjmując trzykrotnie niższą gęstość aluminium w porównaniu do gęstości stali oraz wytrzymałość obliczeniową aluminium na poziomie 185 MPa można powiedzieć, że przynajmniej niektóre zespoły pojazdu szynowego będą około 45% lżejsze w stosunku do analogicznych konstrukcji stalowych. Powodować to będzie istotnie zmniejszenie zużycia energii, co ma bezpośredni wpływ na redukcję zanieczyszczeń środowiska.

Odporność korozyjna pojazdów szynowych

Pojazd szynowy jest narażony na oddziaływanie środowiska przez około 30 lat. W tym czasie tlen zawarty w powietrzu atmosferycznym reaguje z klasycznym materiałem, jakim jest stal. W przypadku aluminium, kompozytów, materiałów warstwowych problem ten praktycznie nie występuje. Odporność korozyjna tych materiałów pozwala na wykonywanie niektórych elementów pojazdów szynowych bez konieczności dodatkowych zabezpieczeń, co również ma niebagatelne znaczenie dla środowiska naturalnego. Brak konieczności stosowania zabiegów takich jak np. cynkowanie ogniowe, które stosowane jest często w przypadku zabezpieczenia antykorozyjnego elementów wykonywanych ze stali, redukuje negatywny wpływ na środowisko i jest kolejną zaletą badań naukowych prowadzonych na Wydziale Inżynierii Mechanicznej. 

Recykling zastosowanych materiałów

Oprócz odporności korozyjnej i wysokiej trwałości stopu aluminium, kolejną jego właściwością, która w znacznym stopniu pozwala na traktowanie go, jako materiału ekologicznego, jest możliwość pełnego odzysku materiału ze zużytych produktów. Można stwierdzić, że całe istniejące zasoby aluminium mogą być poddane recyklingowi i stanowić materiał do ponownego wykorzystania. Aluminium traktowane jest więc jako materiał o nieskończonej „żywotności”.

Ochrona zdrowia pracowników 

Podczas wykonywania klasycznych struktur spawanych (ze stali) przez spawanie w osłonie gazów dochodzi do niekorzystnego oddziaływania powstających gazów na zdrowie ludzkie, a w szczególności na układ oddechowy. W odniesieniu do łączenia stopów aluminium np. opracowana unikalna metoda zgrzewania tarciowego określana jako FSW czy zgrzewania wybuchowego pozwala skutecznie zredukować tego typu niebezpieczeństwo, z uwagi na brak konieczności stosowania w tej technologii elektrod topliwych i gazów. Tym samym przy produkcji konstrukcji aluminiowych istnieje możliwość stosowania rozwiązań ekologicznych przyjaznych dla człowieka i środowiska.

Obniżenie hałasu w konstrukcji pojazdu szynowego

Nowe materiały takie jak kompozyty, materiały warstwowe czy stopy aluminium, posiadają zdecydowanie większą zdolność od stali do tłumienia hałasu. Zastosowanie tych materiałów spowoduje obniżenie hałasu, który powstaje podczas przejazdu tramwajów czy pociągów szczególnie po zużytym torze szczególnie w bliskim sąsiedztwie osiedli mieszkaniowych.

Popularyzacja innowacji w rozwoju województwa

Podstawą rozwoju przedsiębiorstw województwa kujawsko-pomorskiego są innowacyjne produkty lub technologie produkcji. Wydział Inżynierii Mechanicznej w swoich działaniach popularyzuje wśród przedsiębiorców jak również społeczeństwa regionu możliwości pozyskiwania środków na rzecz badań z różnych agend. Informuje również społeczeństwo o swojej współpracy z przedsiębiorcami w obszarze działań innowacyjnych [Audycja]

Dowód wpływu społecznego

  1. Sykutera D., Kościuszko A., „Zastosowania tworzyw polimerowych i kompozytowych w transporcie kolejowym” Raport kolejowy 01_2020, str.  100-103.
  2. „UTP w Bydgoszczy widzi przyszłość w transporcie szynowym”, Raport kolejowy 06_2019, str. 30-33.
  3. Lipski A., Zmęczeniowe pękanie konstrukcji pojazdów szynowych, problem badawczy, techniczny, ekonomiczny, Raport tramwajowy, wydanie V.
  4. Wywiad telewizyjny (Rozmowa dnia) na temat współpracy z przedsiębiorstwami i innymi uczelniami (S. Mroziński) https://www.youtube.com/watch?v=xcv_2Qb5CaY
  5. Wywiad telewizyjny (Wspólny mianownik) na temat współpracy z przedsiębiorstwami i innymi uczelniami Mroziński S. https://bydgoszcz.tvp.pl/44587882/wspolny-mianownik-27092019
  6. Wywiad telewizyjny prezesa PESY Krzysztofa Zdziarskiego na temat kierunków rozwoju firmy PESA https://www.isbnews.tv/zdziarski-pesa-plany-na-najblizsze-lata-to-rozwoj-nowych-technologii/
  7. Reportaż z wmurowania kamienia węgielnego pod hamownię Format TVB, UM, artykuły w gazetach. (Dział promocji UTP)
  8. Reportaż z otwarcia laboratoriów zrealizowanych w ramach kontraktu (Będzie na koniec roku 2021) Dział promocji UTP
  9. Projekt badawczy finansowany przez NCBR w ramach Programu „INNOTECH” - ścieżka programowa IN-TECH (umowa nr INNOTECH-K3/IN3/32/227826/NCBR/14) „Wózek tramwajowy z niesztywną przegubową ramą zabudowany  pod tramwajem niskopodłogowym” (lata 2014-2017). Kierownik projektu. (Kwota projektu 1 360 000 zł).
  10. Projekt NR RPKP.01.01.00-04-001/17 pt. „Laboratoria nauk technicznych i ścisłych dedykowane rozwojowi potencjału badawczego w zakresie innowacyjnych rozwiązań i technologii o kluczowym znaczeniu dla gospodarki               województwa kujawsko-pomorskiego” - kontrakt terytorialny dla województwa kujawsko – pomorskiego. Kierownik projektu (lata 2018-2021). (Kwota projektu 44 681 942,87 zł).
  11. Wyróżnienie Marszałka Województwa Kujawsko-Pomorskiego za rok 2014 w kategorii „Nauka, badania i postęp techniczny”.
  12. Prace doktorskie: Radosław Skocki, Michał Piotrowski

Uzasadnienie interdyscyplinarności działalności naukowej o przełomowym znaczeniu dla rozwoju nauki

Jak wspomniano w punkcie dotyczącym wkładu działalności naukowej, jedną ze specjalności rozwijanych na Wydziale jest projektowanie ze względu na przeciwdziałanie zmęczeniowemu pękaniu obiektów technicznych. Historia badań zmęczeniowych prowadzonych na Wydziale Inżynierii Mechanicznej liczy już 50 lat. Została zapoczątkowana w latach siedemdziesiątych przez Pana Profesora Józefa Szalę. Zagadnienie niezawodności i trwałości zmęczeniowej jest w wielu przypadkach podstawowym kryterium uwzględnianym w wymaganiach technicznych stawianych nowym konstrukcjom. Znaczenia nabierają w tym kontekście poprawnie sformułowane i doświadczalnie zweryfikowane metodyki badań oraz modele obliczeniowe szacowania wytrzymałości i trwałości zmęczeniowej materiałów, elementów i konstrukcji oraz wiedza dotycząca dokładności uzyskiwanych oszacowań. Z tego też względu problem trwałości zmęczeniowej elementów konstrukcji jest zagadnieniem interdyscyplinarnym – łączy w sobie wiele dziedzin i dyscyplin naukowych: od mechaniki, fizyki i matematyki oraz inżynierii materiałowej, poprzez technologię produkcji i systemy eksploatacji, po (w wariancie najogólniejszym) filozofię, ekonomię i politykę. Nawet przy rozpatrywaniu go tylko w kategoriach mechanicznych i wytrzymałościowych jest problemem złożonym, gdyż wymaga także w prostych, standardowych wypadkach analizowania wielu zagadnień obejmujących między innymi: wyznaczanie szeroko rozumianych charakterystyk materiałowych i geometrycznych elementu, ocenę rzeczywistego widma obciążeń, szacowanie trwałości na bazie modeli obliczeniowych z elementami mechaniki pękania oraz weryfikację doświadczalną uzyskanych wyników. Należy podkreślić, że złożone problemy trwałości zmęczeniowej w projektowaniu, produkcji i eksploatacji konstrukcji technicznych są analizowane i coraz częściej rozwiązywane przy wsparciu metod numerycznych z elementami skończonymi dostosowanymi do potrzeb mechaniki pękania i granicznych równań całkowych, inżynierii materiałowej. Potwierdzeniem interdyscyplinarności działalności naukowej prowadzonej na WIM mogą być:

a) prace naukowe powstałe z udziałem autorów reprezentujących inne dyscypliny (np. inżynieria materiałowa, inżynieria biomedyczna), z innych ośrodków badawczych,
b) artykuły naukowe o bardzo dobrych wskaźnikach bibliometrycznych oraz ich cytowania.

Drukuj