Prof. dr hab. Inż. Włodzimierz Gąsowski Milanówek, 12.03.2018 r.
Instytut Pojazdów Szynowych TABOR-Poznań
R E C E N Z J A
Rozprawy doktorskiej mgr. inż. Magdaleny Sowińskiej
pt. „Analiza właściwości biegowych wózków lekkich pojazdów szynowych na przykładzie wózków z niezależnie obracającymi się kołami”
Podstawa opracowania: pismo Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu z dnia 12.02.2018 r., nr DR-63/536/02/2018, do którego dołączono egzemplarz rozprawy.
1.OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA ROZPRAWY
Metody projektowania pojazdów szynowych i ich zespołów w okresie ostatnich kilkunastu lat uległy radykalnym zmianom. Jest to spowodowane gwałtownym rozwojem technologii informacyjnej i wzrostem mocy obliczeniowej dostępnych komputerów.
Obecnie-po ustaleniu ogólnych wymagań jakie powinien spełniać projektowany obiekt- z reguły przeprowadza się badania analityczne na modelach symulacyjnych. A więc wówczas, kiedy rzeczywiste obiekty jeszcze nie istnieją. Umożliwia to analizę właściwości potencjalnych obiektów. Stwarza to możliwości projektowania pojazdów lub ich zespołów, np. wózków, o z góry założonych parametrach.
Logiczną konsekwencją tego jest otwieranie możliwości prognozowania ich właściwości dynamicznych, wytrzymałościowych i innych.
Badania symulacyjne stanowią powszechnie stosowaną metodę oceny własności dynamicznych związanych z bezpieczeństwem i komfortem jazdy.
Współczesny stan narzędzi wspomagających projektowanie spowodował, iż możliwym się stało podejmowanie takich zadań jak opracowanie koncepcji niekonwencjonalnego wózka tramwajowego z całkowicie niezależnymi kołami.
W recenzowanej pracy Doktorantka podjęła się analizy właściwości biegowych lekkich pojazdów szynowych, głównie tramwajów, z takimi wózkami.
Szynowy transport powinien jak najmniej zakłócać strukturę miasta. Ten warunek spełniają tramwaje z całkowicie niskopodłogową, nieprzerywaną powierzchnią z innowacyjnymi
wózkami. W takim przypadku nie ma konieczności budowania podwyższonego peronu, celem zapewnienia wygodnego i szybkiego wsiadania do pojazdu. Zwiększa się również bezpieczeństwo ruchu samochodowego.
Praca o tej tematyce odpowiada zapotrzebowaniu społecznemu na nowoczesne środki transportu publicznego. Wynika to z dwóch głównych przyczyn: - -coraz większe zatłoczenie miast-typowymi przykładami mogą być Warszawa i Poznań- dla których rozwiązaniem może być taki transport.
-szybko starzejące się społeczeństwo potrzebujące, przystosowanego do wieku i wynikającego stąd pogorszenia sprawności, transportu publicznego.
W świetle powyższego przyjęcie przez Doktorantkę obiektu badań i sposobu realizacji postawionego zadania uważam za przemyślany i trafny wybór.
Rozprawa ma 133 strony tekstu zawierającego 6 rozdziałów i streszczenie w języku polskim i angielskim oraz bibliografię liczącą 93 pozycje.
Rozdział pierwszy obejmuje wstęp, obszerną i wnikliwą analizę literatury, uzasadnienie podjęcia tematu oraz cel, zakres i tezę pracy.
Głównym celem pracy jest opracowanie modelu fizycznego i matematycznego wózka z całkowicie niezależnymi kołami, analiza porównawcza jego właściwości biegowych i propozycja rozwiązania konstrukcyjnego takiego układu.
Zakres badań obejmuje modelowanie, eksperymenty symulacyjne statyczne i dynamiczne oraz analizę wyników przegubowego, wieloczłonowego lekkiego pojazdu szynowego.
Zakres i cel pracy są zgodne z następującą tezą pracy:
Zastosowanie równań Boltzmanna-Hamela pozwala na opis ruchu pojazdu szynowego z niekonwencjonalnymi zestawami kołowymi w nieinercjalnym układzie odniesienia, uwzględniając istniejące w nim więzy nieholonomiczne.
Teza ta wynika z faktu, iż modele matematyczne konstrukcji niekonwencjonalnych pojazdów wymagają zastosowania aparatu nie uwzględnianego w dotychczasowej literaturze i istniejących pakietach do obliczania ich dynamiki.
W rozdziale drugim przedstawiono teoretyczne podstawy budowy modelu matematycznego układu, którym jest tramwaj z w pełni niezależnymi kołami. Stanowi on całkiem nową konstrukcję, nie istniejącą jako obiekt rzeczywisty. Powoduje to, że można go badać poprzez jego model matematyczny. Model ten zawiera:
-nieinercyjne układy współrzędnych,
-model matematyczny swobodnego koła toczącego się po szynie.
W oparciu o szczegółową analizę różnych modeli pojazdów ustalono podstawowe założenia do budowy modelu matematycznego.
W rozdziale trzecim przedstawiono koncepcję konstrukcji wózków tramwaju z niezależnymi kołami obejmującą:
-schemat konstrukcji tramwaju z wózkami klasycznymi,
-schemat konstrukcji tramwaju z wózkami wyposażonymi w zestawy o niezależnie obracających się kołach,
-schemat konstrukcji wózków tramwaju z niezależnymi kołami, - obliczenia wytrzymałościowe
- schemat konstrukcji tramwaju z wózkami z niezależnymi kołami.
Schematy tych konstrukcji zamodelowano bryłowo w sposób umożliwiający zbudowanie modeli fizycznych układów i określenia ich parametrów, niezbędnych do dalszych badań.
Przeprowadzono obliczenia wytrzymałościowe statyczne i zmęczeniowe ramy wózka z całkowicie niezależnie obracającymi się kołami.
Najobszerniejszy rozdział czwarty stanowią eksperymenty symulacyjne. Przedstawiono w nim:
-model fizyczny tramwaju,
-dobór różnych profili kół i szyn oraz parametry kontaktu między nimi, -scenariusze badań symulacyjnych
-wyniki badań symulacyjnych ruchu po torach o różnych kształtach, -przykłady wyników symulacji dla różnych profili układu koło-szyna, -wnioski z badań symulacyjnych.
Badania te wykazały wiele istotnych właściwości odmiennych typów wózków poruszających się po torach w zakresie dynamiki i bezpieczeństwa. Ujawniono w nich charakterystyczny wpływ kształtu profili kół na brak ich samocentrowania.
W rozdziale piątym zaprezentowano dobór strategii sterowania zestawami niekonwencjonalnymi. Ujęto w nim:
-przegląd strategii sterowania,
-wybór strategii sterowania dla zestawów niekonwencjonalnych, -model matematyczny wózków z zestawami niekonwencjonalnymi.
Wykazano, iż sterowanie jest niezbędne dla układu z niezależnymi kołami oraz że największe efekty sterowania występują dla niskich prędkości. Przy większych prędkościach układ sterowania okazał się na łukach toru niewrażliwy na zmianę momentu sterującego.
Rozdział szósty zawiera podsumowanie i wnioski.
Odniesiono się w nim do oceny realizacji celów cząstkowych i celu podstawowego.
Wymieniono również tematykę ewentualnych dalszych badań.
2. OCENA ROZPRAWY
Rozprawa jest oryginalna. Poziom naukowy i forma jej przedstawienia są właściwe dla tego rodzaju dysertacji.
Doktorantka właściwie zidentyfikowała i ujawniła problem badawczy, wynikający z potrzeby rozwoju transportu miejskiego, który by w najmniejszy sposób zmieniał krajobraz miasta.
Jednym z głównych czynników rozwoju jest stosowanie lekkich pojazdów szynowych typu tramwaj, zapewniających wysoki komfort jazdy.
Badania innowacyjnych konstrukcji, ich dynamiki i wytrzymałości a także bezpieczeństwa i komfortu jazdy, podjęte w rozprawie wpisują się w te tendencje.
Praca została poprzedzona wieloma wcześniejszymi badaniami ze znaczącym udziałem Doktorantki.
W rozprawie wykazano, że – przy stosowaniu wózków tramwaju z niezależnie obracającymi się kołami - istnieje możliwość zapewnienia wygodniej przestrzeni dla pasażerów i dogodniejszego wejścia do pojazdu.
Wyjawiono także gorsze cechy zarówno kinematyczne jak i dynamiczne wózków z niezależnie obracającymi się kołami w porównaniu z wózkami z klasycznymi zestawami kołowymi.
Wskazano na konieczność stosowania układu sterującego w wózkach napędnych, który umożliwia przekazanie momentu korygującego ruch, co zapewnia właściwe prowadzenie wózka w przypadku niekorzystnych manewrów dla jego dynamiki.
Są to cenne osiągnięcia wnoszące dodatkowe informacje, przyczyniające się do rozwoju nowoczesnych pojazdów szynowych.
Doktorantka przyjęła metodę sterowania sprowadzającą się do użycia regulatora proporcjonalno całkującego – różniczkującego, który zapewnia utrzymanie wartości wyjściowej na określonym poziomie. Jest to spore uproszczenie. Sterowanie jest obszernym i skomplikowanym zagadnieniem. Nie stanowi ono zasadniczego celu rozprawy, dlatego przyjęcie uproszczonej metody na potrzeby tej dysertacji uważam za zasadne.
Dokładnie przeprowadzone studium literatury źródłowej w zakresie konstrukcji i sterowania wskazuje - z czego Doktorantka zdaje sobie sprawę – że, badania sterowania w pełnym zakresie mogą stanowić temat oddzielnej rozprawy.
Uważa Ona również, że i inne zagadnienia, które wyłoniły się w trakcie realizacji dysertacji wymagają dalszych prac. Są to problemy, oprócz wymienionego sterowania, takie jak:
- analiza wpływu geometrii i parametrów zawieszenia na zjawiska braku samocentrowania, - doboru odpowiedniego profilu kół redukującego brak samocenrtowania i związanego z tym zużycia kół i szyn
- dokładnego wyjaśnienia zjawiska shimmi dla pojazdów szynowych z niekonwencjonalnymi wózkami.
W pracy wykazano pewne możliwości doskonalenia ważnych niekonwencjonalnych zespołów tramwajów, jakimi są wózki z niezależnie obracającymi się kołami.
Sądzę, że warto spróbować pójść dalej – jest to propozycja poza rozprawą – i spróbować zastosować przedstawione sposoby postępowania, po odpowiednich modyfikacjach, w procesach badania całych lekkich pojazdów szynowych. Może to być zalążek algorytmu projektowania takich pojazdów.
I również z tego powodu praca jest bardzo cenna.
W tekście dysertacji występują fragmenty, które wymagają doprecyzowania, np.:
- str.36 - „Na rys. 3.2. przedstawiono schemat konstrukcji wózka klasycznego tocznego”.
Jest to jeden z wielu schematów.
- str.42- „Na rys. 3.3. pokazano charakterystyczne dla wózków klasycznych wzniosy podłogi występujące w bliskości układu jezdnego”.
Na tym rysunku trudno się dopatrzyć wzniosów podłogi, której nie pokazano.
- str.62 – „model jest symetryczny względem środkowej linii toru w pozycji centralnej”
W rzeczywistych pojazdach, w członach z kabiną maszynisty, nie ma pełnej symetrii względem środkowej linii toru.
Te oraz inne drobne potknięcia redakcyjne nie umniejszają merytorycznej wartości pracy, którą wysoko oceniam.
3. PODSUMOWANIE
Nie ulega wątpliwości, że cel pracy został osiągnięty a teza potwierdzona.
Uważam, że rozprawę doktorską mgr. inż. Magdaleny Sowińskiej charakteryzuje celowo dobrana i ważna tematyka, właściwy układ i przejrzyste przedstawienie.
Uzyskane wyniki w rozprawie pt.” Analiza właściwości biegowych wózków lekkich pojazdów szynowych na przykładzie wózków z niezależnie obracającymi się kołami” stanowią twórczy wkład Autorki w zakresie niekonwencjonalnych środków transportu miejskiego, który czyni zadość współczesnym wymaganiom.
Stwierdzam, ze rozprawa całkowicie spełnia warunki stawiane dysertacjom doktorskim w dyscyplinie „ Budowa i eksploatacja maszyn”, w rozumieniu Ustawy z dnia 14 marca 2003 roku, z późniejszymi zmianami, „O stopniach i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki”.
Może ona stanowić podstawę do dopuszczenia jej do publicznej obrony i nadania mgr. inż.
Magdalenie Sowińskiej stopnia naukowego doktora nauk technicznych.
