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:
Ellipsvormig contactvlak
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
Gewijzigd: 2006.04.29;
logistics@3mE.tudelft.nl
, TU Delft
/ 3mE
/ TT
/ LT.