Bachelor's Thesis

Design of a module to measure the coefficient of friction on the side of the rail

Final Thesis 14.78 MB Appendix 560.83 kB

Author of thesis: Dominik Rokl

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Martin Valena, Ph.D.

Reviewer: Ing. Šimon Skurka, Ph.D.

Abstract:

The bachelor's thesis concerns the design of a track tribometer exchange module to measure the friction factor on the running edge of the rail. The work is a follow-up to an existing track tribometer developed at the University of Technology in Brno, which is limited to measurements on the top of the rail. Emphasis is placed on the design of a mechanism that will allow the inference of normal force independently of the ravitation principle of loading, while ensuring a stable positioning of the measuring module against the profile of the colliery. The research section deals with the description of the basic principles of friction, adhesion, and slip in wheel-rail contact, the differences between contact on the top and side of the rail, and selected methods for measuring the friction factor. Subsequently, conceptual variants of the pressurization mechanism, the tilting systém, and the sensing of the normal force are processed in the work. The resulting design uses a compression spring, a guided nut, an adjustment screw driven by a step motor, a box frame, a tipping cradle, and a strain-gauge force sensor. The designed module allows tilting from 0° to 70° and has been verified through control calculations for selected design nodes. The output of the work is the design of the exchange module, complete with technical calculations, drawing documentation, and 3D visualization.

Keywords:

Track tribometer, adhesion factor, measuring module, wheel-rail contact

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval výsledky své bakalářské práce a zodpověděl otázky oponenta. 1) Ustavení kontaktu na pojížděné hraně (kolmost normálové síly k povrchu) je v návrhu řešeno pouze vizuální kontrolou (s. 73). Vzhledem k malému poloměru zaoblení hrany se i drobná nepřesnost v poloze projeví úhlovou odchylkou směru normály. Jakým způsobem by to mohlo ovlivnit měření součinitele tření? Považujete stále vizuální ustavení pro tento účel za dostatečně přesné a opakovatelné? Dala by se podle Vás kontrola, případně přímo zajištění kolmosti a orientace kola vůči kolejnici, řešit konstrukčně? - zodpovězeno 2) V rešerši opakovaně uvádíte, že se úhel kontaktu okolku pohybuje mezi 65° a 70°. Pro svůj modul jste však zvolil rozmezí mezi 0° a 70° stupni s krokem 10°, což znamená, že pouze jedna z nastavitelných hodnot spadá do tohoto intervalu. Neuvažoval jste o zjemnění kroku u horní hranice intervalu tak, aby bylo možné nastavit více reprezentativních hodnot? Jakou konstrukční úpravu by to vyžadovalo? - zodpovězeno 3) Dokázal byste odhadnout celkovou hmotnost tribometru s novým modulem? Vidíte nějaký prostor pro odlehčení modulu? - zodpovězeno Doc.Nečas - Co to je celá trakční křivka? Jak ji definujete? - částečně zodpovězeno Dělal jste ekonomickou rozvahu? - zodpovězeno Ing.Košťál - Kde působí normálová sila? Nemůže být rozpor mezi meřením v kontaktu a tenzometrem? Jaké můžete očekávat pasivní odpory? - částečně zodpovězeno Ing.Škaroupka - Proč na konci říkáte, že vedení LZ40 nevyhovuje?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

doc. Ing. David Nečas, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Michal Kubík, Ph.D. (místopředseda)
Ing. David Škaroupka, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Valena, Ph.D. (člen)
Ing. David Košťál, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Martin Valena, Ph.D.

Bakalářská práce se zabývá návrhem modulu Traťového tribometru pro měření na pojížděné hraně kolejnice. Rešeršní část je obsáhlá a dobře strukturovaná. Začíná obecně kontaktem kola a kolejnice. Plynule přechází přes laboratorní měřící metody tření k těm použitelným na reálné trati a končí u traťových tribometrů. Vše je nakonec pěkně zanalyzováno a jsou specifikovány požadavky na modul. Student vytvořil a detailně popsat koncepční varianty hlavních uzlů, které jsou naklápěcí mechanismus, způsob zatěžování a odčítání kontaktní síly. Na konci kapitoly zdůvodňuje volbu nejlepšího konceptu. Samotné konstrukční řešení je taktéž dobře popsané a jsou řešeny i konstrukční detaily. Student provedl kontrolu zatěžujícího šroubu a trojice lineárních vedení. Z pohledu konstrukce bych jen vytknul vyšší váhu modulu, hlavně vzhledem k tomu, že se jedná o přenosné zařízení. Samotný test práce je na velmi dobré úrovni a dobře se čte. Stejně je tomu i u výkresové dokumentace. Student byl v průběhu řešení práce samostatný, iniciativní a spolehlivý. Z pohledu vedoucího jsem s prací spokojen a práci doporučuji k obhajobě s hodnocením A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Šimon Skurka, Ph.D.

Bakalářská práce se věnuje návrhu výměnného modulu pro traťový tribometr, který by umožnil měření tření na pojížděné hraně kolejnice. Jde o rozšíření stávajícího tribometru, jehož funkce je dnes omezena pouze na temeno kolejnice. Modul tak významně rozšiřuje jeho využitelnost o možnost studia mazání okolků.

Práce je přehledně strukturovaná, na odpovídající grafické úrovni a obsahuje jen malé množství pravopisných a estetických chyb, které ale její úroveň nijak nesnižují. Rešerše pokrývá základní tribologické vztahy v kontaktu kola a kolejnice, metody měření tření i existující "konkurenční" řešení. Zde bych se přimlouval, aby se více prostoru věnovalo právě traťovým tribometrům na úkor měřicích vlaků a pin-on-disc tribometrů, jejichž naprosto odlišná koncepce při návrhu nového modulu nijak nepomáhá.

Text místy trpí na doslovné překlady z angličtiny (např. "třetí těleso" – lépe "třecí vrstva"), které v češtině zní podivně. Dále se objevuje mírná nekonzistence v terminologii (např. na s. 16 text uvádí "oblast prokluzu", zatímco obrázek 3 uvádí "oblast skluzu" apod.). Na s. 20 je navíc chybně definován součinitel tření jako poměr normálové ku třecí síle. Jde však o ojedinělou chybu a na ostatních místech práce je definice v pořádku. Za nepřesnost ve vymezení základních pojmů považuji i rozdělení "modifikátorů tření" na s. 19. Rozdělení na základě různých úrovní tření je v podstatě správné, ale matoucí, protože pouze produkty aplikované za účelem udržování střední úrovně tření (0,2 až 0,4) se označují jako modifikátory tření. Zbylé dvě kategorie popisují maziva a pískování (ostatně i obrázek 5 správně rozlišuje mezi "lubricants", "top of rail products" a "traction enhancers"). Tyto "problémy" však považuji spíše za drobnosti, které v rámci celé práce zanikají.

V sekci Zhodnocení poznatků z rešeršní části (kap. 3.1) bych opět ocenil větší zaměření na traťové tribometry a hlavně na to, co z rešerše vyplývá jako východisko pro koncepty v kap. 4. Místo toho se text vrací k definici součinitele tření a k přehledu konfigurací, které s návrhem nesouvisí (např. twin-disc). Druhá část (kap. 3.2) je už napsaná lépe. Rešerše ukázala, že relevantní podmínky na boku kolejnice jsou: kontaktní tlaky až 2,7 GPa (s. 18) a úhel kontaktu okolku 65° až 70° (s. 16). Pro konstrukční řešení byl ale zvolen tlak 1 GPa a rozsah naklápění 0° až 70° (s. 32). Netvrdím, že jsou parametry zvoleny nesprávně, ale chybí mi rozvaha, jak se k nim došlo, kterou bych v sekci Analýza problému čekal.

V konceptech jsou rozpracovány hlavní konstrukční uzly a postup je evoluční: jsou vidět jednotlivé iterace, kdy každá následující varianta řeší nedostatky předchozí a její případné slabiny jsou opět řešeny v dalších generacích. To je zpracováno poměrně dobře. Jako možné vylepšení bych uvítal rozhodovací matici, kde by jednotlivá kritéria měla přiřazenu váhu, jednotlivé koncepty by získávaly bodové ohodnocení a vítězná varianta by byla vybrána na základě nejvyššího skóre. Vítězné koncepty jsou sice odůvodněné i bez toho, ale matice by celý výběr udělala průkaznějším a transparentnějším.

Konstrukční řešení je zpracováno na dobré úrovni a jednotlivé celky na sebe logicky navazují. Jediné, co bych doporučil, je doplnit/nahradit použité 3D ilustrace schématy. 3D ilustrace sice vypadají dobře, ale občas je v nich obtížné se zorientovat, kde přesně se daný prvek nachází, a nesou méně informací než kótovaný řez či schéma. Na druhou stranu, tyto informace je možné vyčíst z přiložené výkresové dokumentace, takže se o zásadní nedostatek nejedná.

Pozitivně hodnotím kontrolní výpočty, do kterých student zjevně vložil značné úsilí. Pokrývají klíčové uzly (uložení a pevnost polohovacího šroubu, kluzná pouzdra, lineární vedení, volbu motoru i klopné momenty), jsou vedeny konzervativně a doloženy průběhy výsledných vnitřních účinků i silovými schématy. Objevují se v nich jen drobné chyby: obvodová síla řemene (rov. 46, s. 71) by měla vyjít 78,5 N, nikoli uvedených 86,36 N; v rov. 38 (s. 67) je u bezpečnosti v místě G dosazena mez kluzu oceli E295 (295 MPa) místo C45 (305 MPa), z níž je šroub vyroben, a značení i průměry kluzných pouzder A a B si v textu kap. 5.5.1 odporují s tabulkou 3 a s navazujícími výpočty (s. 56 až 58). Vzhledem k velkým bezpečnostním rezervám však jde o drobnosti, které neohrožují funkčnost navržených uzlů.

Co mi v kapitole chybí, je naznačení, jak by se navržený modul zakomponoval do konstrukce stávajícího tribometru. Rozměry i hmotnost (cca 10,6 kg) jsou řešeny pro samotný modul, ale zařízení bude vždy používáno jako celek, tedy s rámem a elektronikou stávajícího tribometru. Rád bych proto měl představu, zda je sestava v terénu skutečně tak mobilní a snadno obsluhovatelná jednou osobou, jak student uvádí, protože po napojení na tribometr bude výsledná hmotnost vyšší.

Přiložená výkresová dokumentace je celkově na dobré úrovni. Lze jí vytknout drobné chyby: na výkrese 2-BP-01/16 jsou na téže ploše předepsány rovinnost i rovnoběžnost, které jsou zde spíše duplicitní, neboť toleranční pole rovnoběžnosti vůči základně zároveň omezuje i tvar (rovinnost) plochy; výkresy sestav by mohly obsahovat celkové rozměry; některé základny nejsou tolerovány (např. výkres 2-BP-02/12) a značky drsností neuvádějí, za jakých podmínek je Ra vyhodnocováno.

Nechci, aby přes výše uvedené připomínky/návrhy na zlepšení zapadlo, že výsledné řešení je na velmi dobré úrovni. Student odvedl velké množství práce, při návrhu zohlednil různá konstrukční uspořádání a finální verzi podložil inženýrskými výpočty. Výstupem je částečná výkresová dokumentace, která může posloužit jako solidní základ pro další vývoj. Proto hodnotím práci známkou A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Ustavení kontaktu na pojížděné hraně (kolmost normálové síly k povrchu) je v návrhu řešeno pouze vizuální kontrolou (s. 73). Vzhledem k malému poloměru zaoblení hrany se i drobná nepřesnost v poloze projeví úhlovou odchylkou směru normály. Jakým způsobem by to mohlo ovlivnit měření součinitele tření? Považujete stále vizuální ustavení pro tento účel za dostatečně přesné a opakovatelné? Dala by se podle Vás kontrola, případně přímo zajištění kolmosti a orientace kola vůči kolejnici, řešit konstrukčně?
  2. V rešerši opakovaně uvádíte, že se úhel kontaktu okolku pohybuje mezi 65° a 70°. Pro svůj modul jste však zvolil rozmezí mezi 0° a 70° stupni s krokem 10°, což znamená, že pouze jedna z nastavitelných hodnot spadá do tohoto intervalu. Neuvažoval jste o zjemnění kroku u horní hranice intervalu tak, aby bylo možné nastavit více reprezentativních hodnot? Jakou konstrukční úpravu by to vyžadovalo?
  3. Dokázal byste odhadnout celkovou hmotnost tribometru s novým modulem? Vidíte nějaký prostor pro odlehčení modulu?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová