Prof. dr hab. inż. Tadeusz Uhl Katedra Robotyki i Mechatroniki Akademia Górniczo – Hutnicza Al. Mickiewicza 30
30-059 Kraków
Kraków 26.03 .2018
Opinia o pracy doktorskiej pt. “ Analiza Właściwości biegowych wózków lekkich pojazdów szynowych na przykładzie wózków z niezależnie obracającymi się kołami” autorstwa Magdalena Sowińska.
1. Zagadnienie naukowe rozważone w rozprawie
W pracy doktorskiej autorka podjęła bardzo ważny z punktu widzenia praktycznego i teoretycznego problem analizy ruchu złożonego systemu wózka lekkiego pojazdu szynowego z niezależnie obracającymi się kołami. W pracy zawarty jest też, dobrze dobrany i szczegółowo przeanalizowany przegląd literatury dotyczącej zagadnień rozważanych w pracy.
Autorka opisała zjawiska kinematyczne i dynamiczne występujące w czasie ruchu wózka
lekkiego pojazdu szynowego po torach. Zjawiska te autorka przeanalizowała dla trzech
wybranych konstrukcji wózka i dla różnych scenariuszy ruchu. Zastosowała również nowy
dotąd nie stosowany w praktyce modelowania i symulacji aparat matematyczny, który w
konsekwencji dał możliwość uproszenia opisu dynamiki i kinematyki analizowanych
układów. Dla rozważań analitycznych Doktorantka przedstawił przyjęte uproszczenia i
założenia, które pozwoliły na analizę tych bardzo złożonych zjawisk poprzez zastosowanie
dostępnego aparatu matematycznego. Praca ma charakter z jednej strony badań
porównawczych, zachowania różnych konstrukcji w różnych warunkach obciążeń, z drugiej
charakter analityczny związany z rozwojem narzędzi symulacji złożonych silnie nieliniowych
układów mechanicznych. Do rozwiązania zagadnień modelowania zastosowała formalizm
Boltzmanna – Hamela, w pracy przedstawiła numeryczne rozwiązania sformułowanych
równań ruchu. Uzyskane wyniki symulacji dla trzech podstawowych konstrukcji porównano i na tej podstawie wyciągnięto wnioski, które stanowią wytyczne dla konstruktorów układów biegowych lekkich pojazdów szynowych. W końcowym fragmencie pracy Autorka przedstawiła znane koncepcje aktywnego sterowania wózka z niezależnie obracającymi się kołami w wersji FIW i IRW, a poprzez symulacje tych układów wskazała rozwiązanie najbardziej efektywne. Praca ma charakter badań stosowanych a jej tematyka wpisuje się w obszar dyscypliny Transport. Praca stanowi dobrze zdefiniowane zadanie badawcze, polegające na wykazaniu jakie różnice występują w zachowaniu kinematycznym i dynamicznym wózka lekkiego pojazdu szynowego dla jego różnych schematów kinematycznych. Tak postawione zadanie badawcze Autorka rozwiązała w ramach prezentowanej pracy.
2. Cel pracy i teza naukowa
W rozdziale 1.3 zatytułowanym Cel, zakres i teza pracy Autorka definiuje cel pracy jako (str.
18) opracowanie modelu fizycznego i matematycznego wózka niekonwencjonalnego z w pełni niezależnymi kołami, analiza porównawcza własności biegowych takiego wózka oraz propozycja rozwiązania konstrukcyjnego takiego układu. W pracy dodatkowo Autorka definiuje cztery cele cząstkowe uściślając w ten sposób kierunki badań reprezentowane w pracy, w szczególności podając, że jednym z celów jest również analiza wpływu sterowania aktywnego na dynamikę wózka z niezależnie obracającymi się kołami. Poprzez realizację celu pracy Autorka stara się udowodnić, że po pierwsze możliwe jest skonstruowanie wózka z niezależnie obracającymi się kołami, który spełnia wymagania stawiane układom biegowym dedykowanym dla lekkich pojazdów szynowych, po drugie, że zastosowanie proponowanego formalizmu do formułowania równań ruchu jest skuteczne i upraszcza aparat matematyczny konieczny do analizy kinematyki i dynamiki analizowanego obiektu.
Autorka sformułowała w sposób jawny tezę pracy, która brzmi następująco; „Zastosowanie równań Boltzmanna – Hamela pozwala na opis ruchu pojazdu szynowego z niekonwencjonalnymi zestawami kołowymi w nieinercjalnym układzie odniesienia, uwzględniając istniejące w nim więzy nieholonomiczne.
Cała treść pracy jest podporządkowana jest realizacji celu oraz udowodnienie postawionej
tezy, choć dowód ten jest wykonany tylko poprzez rozwiązanie przykładów w postaci analizy
kinematyki i dynamiki wybranych konstrukcji wózków. Brak jest moim zdaniem badań
porównawczych poprzez sformułowanie równań ruchu z wykorzystaniem np. notacji
Newtona – Eulera lub innych i porównanie ich złożoności oraz koniecznych nakładów obliczeniowych do ich rozwiązania.
3. Ważność i aktualność zagadnienia naukowego rozpatrywanego w pracy
Praca dotyczy istotnego, z punktu widzenia szeroko pojętej problematyki projektowania układów biegowy lekkich pojazdów szynowych. Jak wynika z literatury oraz moich doświadczeń w tym zakresie, jest to zagadnienie istotne dla rozwoju metod projektowania współczesnych pojazdów szynowych, a przede wszystkim pokazuje, że wózki takie mogą być stosowane z powodzeniem, ponieważ wpływ ich konstrukcji na zwiększone zużycie kół można minimalizować poprzez odpowiednie zabiegi konstrukcyjne pokazane w pracy.
Bardzo istotne, z punktu widzenia aktualności zagadnienia naukowego , jest wprowadzenie elementów analitycznych i numerycznych, co uwiarygadnia stosowanie wybranych przez Autorki metod do analizy bardzo złożonych zagadnień dynamiki i kinematyki złożonych nieliniowych, nieholonomicznych układów konstrukcyjnych wózków lekkich pojazdów szynowych. Poprzez bardzo precyzyjne opisanie założeń i ograniczeń stosowalności zaproponowanego podejścia czytający ma bardzo jasny i przejrzysty obraz złożoności rozwiązywanych zagadnień. Wśród założeń brak jest, według mnie istotnego elementu to znaczy uwzględnienia konstrukcji koła z wkładką sprężystą, która z pewnością wpływa znacznie na dynamikę układu, szczególnie w zakresie wyższych częstości (które występują, jak wynika z analizy rezultatów symulacji wózków o niezależnie obracających się kołach np.
str. 83 rys. 4.33), a element ten nie został przedyskutowany w pracy.
4. Naukowość i oryginalność pracy
Zaproponowana przez Autorkę metodologia badawcza zawiera wszystkie elementy procesu badawczego. Jest w niej proces analitycznych rozważań w zakresie dowodu stosowalności metod modelowania i symulacji zjawisk kinematycznych i dynamicznych towarzyszących ruchowi wózka lekkiego pojazdu szynowego, proces studiów porównawczych różnych analizy zastosowanych do układów konstrukcyjnych dla różnych scenariuszy ruchu oraz proces wnioskowania w celu opracowania wytycznych dla konstruktorów tego typu układów.
Z punktu widzenia naukowości prace można ocenić jako próbę zastosowania narzędzi
modelowania i symulacji do rozwiązania zagadnienia projektowania układów biegowych
lekkich pojazdów szynowych z nowoczesnych narzędzi modelowania i symulacji. Tematyka
rozwoju konstrukcji wózków lekkich pojazdów szynowych zarówno pasywnych, jak i
aktywnych (sterowanych) jest tematyką stosunkowo młodą i bardzo intensywnie rozwijaną ze względu na jej szerokie praktyczne zastosowania.
Pokazane przez Autorkę w pracy wyniki są oryginalne. Spis literatury jest wyczerpujący i zwiera aktualne pozycje ściśle powiązane z tematyką pracy.
Podsumowując merytoryczną ocenę naukowości i aktualności tematyki rozprawy doktorskiej uważam, że ;
- Opracowanie modeli fizycznych i matematycznych trzech podstawowych konstrukcji wózków dla lekkich pojazdów szynowych oraz opracowanie procedur do ich symulacji,
- Przeprowadzenie badań kinematyki i dynamiki różnych konstrukcyjnie odmian wózków dla różnych scenariuszy toru i ruchu,
- Zaproponowanie rozwiązań aktywnych układów sterowania właściwościami trakcyjnymi wózka,
stanowią oryginalne elementy zadania naukowego mogącego być podstawą do nadania stopnia naukowego doktora nauk technicznych w dziedzinie Transport.
5. Mocne i słabe strony pracy
Mocne strony pracy:
- Bardzo obszerny i kompletny przegląd literatury zagadnień poruszanych w pracy, - Sformułowanie i efektywne zastosowanie nowej metody modelowania dynamiki
układów biegowych wózków lekkich pojazdów szynowych w nieinercjalnym układzie odniesienia uwzgledniający nieholonomiczne więzy,
- Wyczerpujący przegląd i analiza konstrukcji wózków dedykowanych do lekkich pojazdów szynowych,
- Sformułowanie złożonego modelu koła dla wózka typu FIW
- Przeprowadzenie analizy wielu wariantów konstrukcyjnych i wielu scenariuszy ruchu wózków lekkich pojazdów szynowych
- Studia porównawcze dla trzech wybranych konstrukcji w zakresie wybranych własności biegowych
- Udowodnienie możliwości poprawy własności biegowych wózków z niezależnie
obracającymi się kołami klasy IRW i FIW poprzez zastosowanie układów sterowania w
oparciu o sterowanie klasy PID
- Sformułowanie wytycznych dla konstruktorów układów biegowych lekkich pojazdów szynowych,
- Sformułowanie ciekawego i w pełni uzasadnionego programu dalszych badań.
Słabe strony pracy:
- Nie uwzględnienie w analizie założeń i konstrukcji kół w wkładkami sprężystymi, - Opis konstrukcji znanych wózków dedykowanych dla lekkich pojazdów szynowych jest
bardzo pobieżny, w szczególności brak jest opisu napędów stosowanych w wózkach napędnych oraz sposobu mocowania napędu, co może mieć istotny wpływ na wyniki symulacji (może być inna masa nie-usprężynowana w zależności od rozwiązania konstrukcyjnego)
- Na stronie 17 Autorka podaje że wypełniła lukę w istniejących opisach dynamiki innowacyjnych pojazdów szynowych, z pokazanej analizy literatury nie wynika jaką lukę Autorka wypełniła (analiza cytowanej literatury jest w moim odczuciu zbyt mało krytyczna),
- Autorka nie podaje (przynajmniej ja nie zauważyłem w treści pracy) jaką metodę numeryczną stosuje do rozwiązywania sformułowanych równań modeli (symulacji), wybór metody może mieć wpływ na uzyskane wyniki,
- Nie wyjaśniano w pracy czym różnią się zawieszenia drugiego i pierwszego stopnia dla obu rozwiązań niekonwencjonalnych konstrukcji wózków.
- Nie wyjaśniano jak wyznaczono wektor sił obciążających dla niekonwencjonalnych konstrukcji dla analiz statycznych,
- Nie wyjaśniono skąd pochodzą przyjęte do symulacji parametry konstrukcyjne wózka, dla jednego przypadku podano, że są to parametry wózka tramwaju JAZZ PESA, a dla pozostałych?
- Nie przeanalizowano jak powstające w wózkach typu IRW wysokoczęstotliwościowe oscylacje (brak analizy dlaczego one powstają) mogą wpłynąć na własności eksploatacyjne pojazdów (hałas i drgania) i jak temu zapobiegać,
- Nie wyjaśniono dlaczego wózek typu FIW i konwencjonalny zachowują się podobnie w zakresie zmienności sił poprzecznych (rys. 4.31 i 4.32)
- na stronie 91 Autorka proponuje pewne rozwiązania konstrukcyjne eliminujące drgania
poprzeczne wózka typu FIR, brak analizy wpływu tych zmian na inne parametry
biegowe może doprowadzić do wyeliminowania drgań jednak może pogorszyć
stabilność lub zwiększyć siły poprzeczne, co będzie niekorzystne z punkty widzenia konstrukcji pojazdu,
- na stronie 101 Autorka proponuje rozwiązanie realizacji sterownia zestawu poprzez umieszczenie silników w piaście koła, takie rozwiązanie może mieć bardzo niekorzystany wpływ na własności elektryczne silnika, np. zmienną szczelinę pomiędzy rotorem a statorem, która ma znaczący wpływ na jego własności,
- na stronie 104 Autorka podaje, że dla silnie nieliniowego układu stosuje świadomie sterowanie liniowe, nie podaje w jakim zakresie (odchyleniu od nominalnego punktu pracy) takie sterowanie będzie skuteczne
- Autorka podaje również wniosek, że zastosowanie sterowania PID jest dla tego typów układu najlepsze (str. 112), z moich doświadczeń z podobnych zastosowań wynika, że sterowanie PD lepiej spełnia wymagania, ponieważ stała czasowa jest krótsza i układ reaguje szybciej na zmiany (zresztą takie wnioski co do zastosowanego sterowania podaje Autorka na str. 117) i będzie poprawnie działał przy większych prędkościach.
Aplikacyjność wyników pracy
Autorka w sposób jasny i precyzyjny pokazał możliwość zastosowania symulacji do projektowania układów biegowych z niekonwencjonalnymi wózkami dedykowanymi dla lekkich pojazdów szynowych. Z punktu widzenia praktycznego istotne są wnioski wskazujące na rozwiązania konstrukcyjne poprawiające własności biegowe takich układów.
Praca ma duże znaczenie praktyczne i otwiera nowe możliwości dla konstrukcji wózków lekkich pojazdów szynowych.
6. Wniosek końcowy
Praca doktorska przedstawiona przez Magdalena Sowińska, jej zawartość i forma wskazują na jego wysoką wiedzę merytoryczna w zakresie analizy zjawisk towarzyszących ruchowi wózka z niezależnie obracającymi się kołami. Ponadto, sposób realizacji pracy wskazuje na umiejętność posługiwania się narzędziami pracy współczesnego badacza oraz umiejętność formułowania zadań badawczych i ich skutecznego rozwiązywania. Wszystkie wymienione wyżej zagadnienia rozważane w pracy można zaliczyć do dyscypliny naukowej Transport.
Tadeusz Uhl 8.4.2018 16:23
Sformatowano: Wcięcie: Z lewej: 0,75 cm
