Master's Thesis

Development of a lubrication unit for advanced rolling stock

Final Thesis 4 MB Appendix 242.05 kB

Author of thesis: Bc. Jakub Kolínek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Martin Valena, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Michal Hajžman, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with the development of an airless lubrication unit designed primarily for wheel flange lubrication of tram vehicles. Trams generally do not have a central compressed air distribution system, and installing a compressor solely for lubrication purposes is structurally disadvantageous in the limited space of the bogie. The airless concept, which doses lubricant electromechanically directly in the lubrication head, eliminates this dependency.
The development of the unit proceeded in three phases, the first two of which involved experimental testing on functional prototypes. The first prototype (Gfunk1) verified the basic dosing principle and enabled determination of the operational working window as a function of lubricant temperature and nozzle geometry. The second prototype (Gfunk2) extended the functionality by incorporating a solenoid flow splitter, which allows independent switching between the left and right nozzle for application to the inner and outer side of the wheel flange. Experimental measurements demonstrated repeatable dosing in the range of 5 to 50 mm³ with a minimum interval of 0.15 s between applications, establishing the prerequisites for integration with intelligent control systems. In parallel, two methods of nozzle clogging detection were tested on both prototypes. Detection of piston stroke via an inductive sensor was evaluated as suitable for real-world deployment; the pressure-based method confirmed the physical principle, however the diaphragm sensors tested were not suited for operation in a railway vehicle bogie.
The outcome of the design phase is a virtual model of the lubrication head Gfunk3, developed as a detailed 3D CAD model. The design is modular, features a heating system ensuring stable lubricant operating temperature, and incorporates integrated inductive feedback. The unit is ready for production upon confirmation of the mounting dimensions for a specific vehicle and allows future connection to intelligent on-board vehicle control systems.

Keywords:

lubrication unit, wheel flange lubrication, on-board lubrication, airless system, feedback control.

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své závěrečné práce a zodpověděl následující otázky oponenta: Otázka č. 1: Umožňuje navržený koncept Gfunk3 měnit objem jednotlivé dávky dynamicky za jízdy pomocí elektronického řízení, nebo je tato změna možná pouze staticky, mechanickým zásahem na hlavě? Pokud platí druhá varianta, jak byste mechanismus upravil, aby byl systém schopen měnit objem dávky plně elektronicky a kontinuálně? - ZODPOVĚZENO; Otázka č. 2: Experimentální ověření funkčních vzorků Gfunk1 a Gfunk2 probíhalo na statickém testovacím zařízení. Vzhledem k tomu, že u airless jednotky chybí nosný proud stlačeného vzduchu, který by paprsek stabilizoval, jakým způsobem byste v návrhu zohlednil vliv aerodynamického odporu obtékajícího vzduchu při provozních rychlostech (např. kolem 50 km/h)? - ZODPOVĚZENO; Otázka č. 3: Vzhledem k extrémnímu dynamickému namáhání na podvozku vozidla podle normy ČSN EN 61373-2, které uzly či komponenty Vašeho finálního konstrukčního návrhu Gfunk3 hodnotíte jako nejvíce kritické z hlediska únavy materiálu nebo vibrací, a jaké konkrétní kroky budou muset následovat pro jejich úspěšnou certifikaci do reálného provozu? - ZODPOVĚZENO; doc. Koutný: Nezáleží dávkování na rychlosti pohybu vozidla? Počítal jste s tím při návrhu? - ZODPOVĚZENO; prof. Hutař: Jak to pozná, kdy to má mazat? - ZODPOVĚZENO; doc. Mazůrek: Chytá v případě tramvají okolek kola axiální síly při průjezdu obloukem? - ZODPOVĚZENO; doc. Mazůrek: Skutečně se maže vnitřní i vnější strana kola? - ZODPOVĚZENO; doc. Mazůrek: Když jste posuzoval koncepce, jeden se vyznačoval značnou jednoduchostí. Popište ho prosím podrobněji. - ZODPOVĚZENO; doc. Mazůrek: V rešerši takový koncept oporu měl? - ZODPOVĚZENO; prof. Hartl: Jaký je tam prostor pro řízení (snížení) množství dávkovaného maziva z hlediska ekologie? - ČÁSTEČNĚ ZODPOVĚZENO; doc. Koutný: Co byste na zařízení upravil z pohledu sériové/hromadné výroby? - ZODPOVĚZENO;

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering Design (N-KSI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Michal Hajžman, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Čermák, Ph.D., MBA (člen)

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

Cílem diplomové práce byl vývoj palubní jednotky pro mazání okolků kolejového soukolí. V rešeršní části diplomant nejprve rozdělil mazací jednotky podle jejich umístění, určení a principu aplikace. Následně se stručně věnoval typům látek aplikovaných do kontaktu kola a kolejnice. Dále popsal komerčně dostupná zařízení, vybrané patenty a neopomněl zmínit ani problematiku zpětné vazby a řízení mazání. Na základě získaných poznatků úspěšně identifikoval klíčové vlastnosti, které musí navrhovaná jednotka splňovat, aby zaplnila mezeru na trhu, případně předčila konkurenční řešení.

V rámci práce byly vytvořeny tři koncepční varianty, z nichž dvě hodnotím velmi kladně. Třetí varianta postrádá hlubší opodstatnění, a to zejména kvůli vysoké frekvenci nezbytných servisních úkonů, což však autor v textu sám správně uvádí. Pro realizaci byl vybrán koncept se solenoidem. Vzhledem k dynamické povaze aplikace se student vydal cestou experimentálního vývoje – vytipoval vhodné komponenty, které následně testoval za různých provozních podmínek. Samotná metodika testování je popsána srozumitelně a na dobré úrovni. Výhradu mám pouze k ověřování velikosti a opakovatelnosti dávky, které bylo prováděno na základě hmotnosti. Tyto parametry byly stanoveny jako průměr z 50 nebo 100 dávek, což může zastřít skutečnou variabilitu, jež by mohla být ve skutečnosti vyšší (nicméně na základě vizuální kontroly byly dávky téměř identické). Prezentované výsledky jsou detailně popsány, byť některé závěry působí poněkud unáhleně.

Celkem byly vytvořeny tři funkční vzorky. První sloužil k ověření samotného principu a ke stanovení provozních parametrů, na druhém byl testován dělič proudu a jeho vliv na kvalitu nástřiku. Poslední vzorek, který je tvarově a rozměrově optimalizovaný, zůstal pouze ve formě 3D modelu, neboť nebyly k dispozici specifikace od konkrétního zákazníka. Tato skutečnost však nijak nesnižuje kvalitu dosažených výstupů.

Student se také zabýval zpětnou vazbou, jež má poskytovat informace o úspěšném provedení nástřiku. Otestoval několik tlakových senzorů a rovněž detekci posunutí dávkovacího pístu pomocí indukčního snímače. Při ověřování dvou mezních stavů – průchozí a zcela ucpané trysky – konstatoval, že obě metody jsou schopny tyto stavy spolehlivě detekovat. Z pohledu vedoucího práce si myslím, že v této oblasti mohl student odvést hlubší analýzu a pokusit se o detekci širšího spektra stavů, případně o komplexnější hodnocení průběhu aplikace.

Samotný dokument diplomové práce má odpovídající rozsah i formu. Oceňuji, že student vhodně pracuje s odkazy na obrázky a kapitoly obsahující klíčové informace (např. hodnoticí parametry nástřiků), což čtenáři výrazně usnadňuje orientaci v textu. Co se týče přístupu k řešení, student docházel na konzultace pravidelně, byť v počáteční fázi byla frekvence schůzek nižší. Tomu odpovídalo i pomalejší tempo vývoje v úvodu práce. V druhé polovině a v samotném závěru však student prokazatelně zvýšil své úsilí a odvedl velký kus práce.

I přes výše uvedené připomínky doporučuji diplomovou práci k obhajobě a navrhuji celkové hodnocení B.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: B

Předložená diplomová práce je motivována potřebou snížit opotřebení a hluk tramvají a metra pomocí vývoje nové bezvzduchové mazací jednotky, protože tradiční pneumatické systémy jsou u kolejových vozidel bez centrálního rozvodu stlačeného vzduchu nepoužitelné. V úvodní rešerši autor přehledně definoval metodiku vyhledávání literatury i patentů a systematicky mapoval potřeby zákazníků i provozní stavy vozidel. Analýza komerčních řešení odhalila limity současné praxe v podobě závislosti na stlačeném vzduchu a absence zpětné vazby o výstupu maziva. V patentové rešerši student kriticky hodnotil konstrukční principy mazacích hlav včetně pokročilých konceptů přísuvných trysek omezujících aerodynamické síly. Hodnocení senzoriky ukázalo, že stávající systémy sice využívaly GPS či gyroskopy pro polohování trati, ale nedokázaly spolehlivě diagnostikovat úbytek mikrodávek maziva. V závěrečné syntéze pak autor logicky zdůvodnil vývoj bezvzduchové jednotky s definovanými funkčními parametry.

Koncepční řešení autor založil na systematicky sestaveném stromu funkčních, konstrukčních a provozních cílů, přičemž důsledně respektoval zadaná technická omezení. V rámci variantního návrhu student porovnával koncepce jednotky s čerpadlem a pístem, variantu s vyměnitelnou tlakovou lahví a systém se solenoidovým stlačovačem, k čemuž správně využil exaktní metodické nástroje v podobě multikriteriálních rozhodovacích matic. V navazujícím předběžném návrhu pak precizně analyzoval okrajové podmínky a požadované provozní parametry s přímou vazbou na platné technické standardy a normy, což vytvořilo spolehlivý inženýrský základ pro následnou detailní konstrukční fázi.

V následující kapitole se autor úspěšně věnoval konstrukčnímu návrhu a realizaci dvou typů funkčních vzorků, které se lišily koncepcí a typem použitých trysek pro bezvzduchovou aplikaci maziva. Student detailně rozpracoval mechanické uspořádání obou variant, přičemž se soustředil na specifické geometrické parametry trysek a jejich vliv na výslednou kvalitu a geometrii nástřiku. Tento systematický inženýrský přístup a paralelní vývoj dvou odlišných modifikací umožnil porovnat jejich dávkovací schopnosti v závislosti na viskozitě média a vytvořil základ pro navazující experimentální testování, v němž autor spolehlivě ověřil stabilitu dávkování a kvalitu nástřiku v širokém rozsahu provozních teplot. Získaná data z těchto zkoušek následně poskytla exaktní podklady, které vedly k finálnímu konstrukčnímu návrhu bezvzduché mazací jednotky. V navazující šesté kapitole pak autor tento výsledný funkční vzorek detailně popsal a podrobil technické diskusi, v níž prokázal splnění všech předem definovaných funkcí, provozních omezení i úspěšnou integraci prvků teplotního managementu a diagnostiky.

I přes vysokou inženýrskou úroveň práce se autor nevyhnul některým zjednodušením, která spatřuji především v zanedbání konduktivního odvodu tepla do upevňovacího držáku v rámci termální analýzy, v limitujícím mechanickém nastavování objemu dávky oproti plně elektronickému řízení a v absenci rázové a vibrační analýzy finálního návrhu, jež by potvrdila jeho odolnost ve specifickém a náročném drážním prostředí. Asi největší výtka směřuje ke zjednodušenému experimentálnímu testování schopnosti nanášení maziva. To probíhalo ve statické konfiguraci, přičemž podrobnější a realističtější posouzení by si vyžádalo zohlednění vlivu aerodynamických sil (proudícího vzduchu) při pohybu vozidla, relativního pohybu mezi tryskou a okolkem i dynamických rázů při samotné aplikaci.

Po prostudování práce lze konstatovat, že stanovených cílů bylo dosaženo. Předložená diplomová práce splňuje všechny požadavky kladené na kvalifikační práce tohoto typu. Její koncepce, členění kapitol a jejich návaznost jsou logické. Po formální i grafické stránce je práce na velmi dobré úrovni. Výsledný funkční vzorek tvoří solidní základ pro reálnou moderní mazací jednotku pro drážní vozidla bez centrálního rozvodu stlačeného vzduchu.
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 A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Experimentální ověření funkčních vzorků Gfunk1 a Gfunk2 probíhalo na statickém testovacím zařízení. Vzhledem k tomu, že u airless jednotky chybí nosný proud stlačeného vzduchu, který by paprsek stabilizoval, jakým způsobem byste v návrhu zohlednil vliv aerodynamického odporu obtékajícího vzduchu při provozních rychlostech (např. kolem 50 km/h)?
  2. Umožňuje navržený koncept Gfunk3 měnit objem jednotlivé dávky dynamicky za jízdy pomocí elektronického řízení, nebo je tato změna možná pouze staticky, mechanickým zásahem na hlavě? Pokud platí druhá varianta, jak byste mechanismus upravil, aby byl systém schopen měnit objem dávky plně elektronicky a kontinuálně?
  3. Vzhledem k extrémnímu dynamickému namáhání na podvozku vozidla podle normy ČSN EN 61373-2, které uzly či komponenty Vašeho finálního konstrukčního návrhu Gfunk3 hodnotíte jako nejvíce kritické z hlediska únavy materiálu nebo vibrací, a jaké konkrétní kroky budou muset následovat pro jejich úspěšnou certifikaci do reálného provozu?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová