Technische Universiteit Delft
Faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen Transporttechnologie
M.M. Valster Transportwerktuigen op de rails
Literatuuropdracht/scriptie, Rapport 99.3.TT.5249, Sectie Transporttechniek en Logistieke Techniek.
Transportwerktuigen zijn gemaakt om lasten te verplaatsen. De werktuigen zijn ontworpen om dit zo snel en efficiënt mogelijk te doen. Er zijn verschillende mogelijkheden om een werktuig zelf verplaatsbaar te maken. Een van die mogelijkheden is om het werktuig te voorzien van een wiel-rail-configuratie. Een transportwerktuig moet betrouwbaar zijn en er worden eisen gesteld aan onder andere de levensduur. Het is belangrijk dat er voldoende aandacht wordt besteed aan de wielen en de rail die gebruikt worden. Op het eerste gezicht is het maar een klein onderdeel van het geheel, maar de kwaliteit van de railbaan is mede bepalend voor het functioneren van het gehele werktuig. Bij het niet functioneren van de wielen of de railbaan zijn er dure en tijdrovende reparaties nodig om het werktuig operationeel te krijgen. Daarom is bij het ontwerp belangrijk dat de constructie van de wielen en de railbaan de nodige aandacht krijgen.
Deze scriptie is geschreven om een overzicht te geven van een aantal werktuigen die voorzien zijn van een wiel-rail-configuratie. Achtereenvolgens komen de trein, de bovenloopkraan, de gantrykraan en de loopkat aan bod. De soorten rail en de bevestiging hiervan op de ondergrond worden behandeld. Tevens wordt dieper ingegaan op de verschijnselen die optreden tussen het wiel en de rail.
Het is van groot belang dat er geen schade optreedt aan de wielen of de rail. Bij schade aan de rail kan men denken aan een gebroken railsteun, loskomen van de ondergrond of breuken in de railkop. Railbevestiging is zeer belangrijk en moet goed en zorgvuldig ontworpen worden. Het gebruik maken van bouten, lassen of kikkers zijn mogelijkheden om de rail te bevestigen op een stalen of een betonnen ondergrond. Tussen de rail en de ondergrond kan een elastische laag aangebracht worden om de krachten gelijkmatiger te verdelen en oneffenheden tussen de rail en de ondergrond weg te nemen.
Een wiel rolt in de praktijk nooit zuiver over de rail. Het wielstel gaat een sinusloop vertonen:
Sinusloop of vetergang
De sinusloop, of vetergang, is een verschijnsel dat optreedt als de loopvlakken conisch zijn. Het wielstel gaat een sinusvormige baan beschrijven. De golflengte is afhankelijk van de spoorbreedte, de coniciteit en de straal van de wielen. Ook treden er verschijnselen op zoals kruip en slip. Deze verschijnselen ontstaan omdat er vervormingen optreden bij het wiel en de rail.
Bij het rollen van het wiel over de rail zal er slijtage optreden door normaalkrachten. Deze normaalkrachten zorgen ervoor dat er vermoeiing optreedt aan het oppervlak van de railkop. Door de spanningswisselingen ontstaan er kleine putjes en scheurtjes. Om er voor te zorgen dat de rail de beoogde levensduur haalt, moet de normaalkracht laag zijn.
Het is zaak om deze slijtage te minimaliseren door wiel en rail goed op elkaar af te stemmen. Dit afstemmen op elkaar is mogelijk als de spanningen in het ellipsvormige contactvlak bekend zijn. Met de theorie van Hertz zijn deze spanningen te berekenen. Het contactvlak tussen het wiel en de rail kan verschillende vormen hebben. Een van deze vormen is een ellipsoïde:
De afmetingen van deze ellips zijn te berekenen en zijn afhankelijk van de kromming, elasticiteitsmodulus, Poisson-constante en de normaalkracht die op het wiel staat. Als de afmetingen van de ellips bekend zijn is kan de maximaal optredende spanning berekend worden. Bij het opstellen van deze formules zijn er een aantal aannamen gedaan. Het lichaam moet ideaal elastisch en isotroop zijn, de afmetingen van het contactvlak moeten relatief klein zijn en er treden geen relatieve bewegingen op. De kop van de rail wordt gezien als een halfruimte. Onderzoek heeft uitgewezen dat dit mag, omdat de theoretische en experimentele waarden weinig van elkaar verschillen.
Als de maximale spanningen bekend zijn kan er een rail gekozen worden met dusdanige eigenschappen dat de gewenste levensduur gehaald kan worden. De maximale spanningen die optreden kunnen verminderd worden door gebruik te maken van bogiestellen.
Bogiestel met 5 wielen
De normaalkracht die door één wiel wordt geleid wordt minder en daardoor zijn de spanningen die optreden in de kop van de rail lager.
Niet aIleen de spanningen ten gevolge van de normaalkrachten van het wiel zijn van belang om de eigenschappen van de rail te bepalen, ook de krachten die ontstaan in de horizontale richting zijn van belang. Situaties waarbij deze krachten ontstaan zijn schranken, traagheidskrachten en schuine reeptrek. Het schranken van een kraan is het gevolg van verschillen in de aandrijving van de verschillende wielen. Als het linkerwiel en het rechterwiel niet synchroon lopen zal de kraan niet meer parallel aan de rijrichting gaan bewegen, maar er zal een hoek ontstaan, de zogenaamde schrankhoek.
De traagheidskrachten zijn het gevolg van de aandrijving van de kraan. Het versnellen of vertragen van de kraan gebeurt door middel van motoren. Deze motoren zijn vaak voorzien van vertragingskasten en kunnen op verschillende manieren aan de wielen bevestigd zijn. Er wordt onderscheid gemaakt tussen de solo-aandrijving en de centrale aandrijving. Bij een solo-aandrijving drijft de motor maar een wiel aan. Bij de centrale aandrijving drijft een motor meer dan één wiel aan.
Centrale aandrijving
De wielen worden gekoppeld aan de motor door middel van assen. Om er voor te zorgen dat beide wielen isochroon lopen mag de as niet te veel torderen. Om het torderen te beperken, zonder gebruik te maken van dikke assen, worden er vaak buizen gebruikt. Deze buizen hebben een hogere torsiestijfheid, dan een as met het zelfde gewicht.
Rapporten studenten Transporttechniek en Logistieke Techniek
