Omówienie bezpieczeństwa biernego i czynnego wraz z przedstawieniem i omówieniem wymagań

Bezpieczeństwo bierne zdefiniowano w normie przytoczonej w TSI [3] w następujący sposób:

Są to systemy zmniejszające skutki wypadku jeżeli one wystąpią.

Celami bezpieczeństwa biernego według [3] są:

• ograniczanie opóźnienia hamowania,

• zachowanie przestrzeni przeżycia oraz utrzymanie integralności strukturalnej obszarów pasażerskich,

• zmniejszenie ryzyka najechania,

• zmniejszenie ryzyka wykolejenia,

• ograniczanie skutków zderzenia z przeszkodą na torze.

W związku z tymi oczekiwaniami konstrukcje pojazdów szynowych muszą spełniać wymogi norm przytoczonych w TSI, oraz spełniać wymagania.

Celem spełnienia wymogów konstrukcje pojazdów są wykonywane z odpowiednich materiałów np.: stali S355J2G3 (18G2A) oraz stopów aluminium [4], które są odporniejsze na korozję i przez co powoli szerzej stosowane mimo wyższych cen.

Obecnie pojazdy wyposaża się w absorbery, które pochłaniają energię zderzenia i dzięki czemu obniżane są koszty napraw powypadkowych. Zazwyczaj stosuje się absorbery elastomerowe odkształcane nieodwracalnie pod wpływem dużej energii. Systemy te są wspomagane amortyzatorami hydrauliczno-gazowymi zwłaszcza w zakresie sił 250-400 kN [27].

Bezpieczeństwo aktywne w normie PN-EN 15227:2008+A1:2010 [4] zdefiniowano jako systemy i wskaźniki biorące udział w zapobieganiu zdarzenia kolejowego. Zatem system ma na celu zapobiec zdarzeniu poprzez np.: zahamowanie pociągu.

Na bezpieczeństwo czynne wpływają w istotnym stopniu następujące elementy:

• wózek kolejowy,

• układ hamulcowy,

• systemy automatyki (SHP, CA i ETCS).

Pierwszym analizowanym elementem jest wózek kolejowy. Jest on zbudowany z następujących elementów [6]:

• rama wózka,

• zestawu kołowego,

Rysunek 2. Przykładowa konstrukcja pudła. Opracowanie własne.

• układu usprężynowienia pierwszego i drugiego stopnia (drugi stopień niesprężynowania nie jest elementem obowiązkowym – na przykład wózek 1XTa [7]),

• maźnic,

• zestawów kołowych.

W referacie ze względu na ograniczoną objętość zostaną omówiona szczegółowo rama wózka, ponieważ od niej zależy bezpośrednio bezpieczeństwo pojazdu.

Z punktu widzenia bezpieczeństwa najbardziej istotnym elementem wózka wpływającym na bezpieczeństwo jest rama wózka, ponieważ decyduje ten element o bezpieczeństwie jazdy i niezawodności pojazdu szynowego.

W piśmiennictwie krajowym są znane przypadki pękania ram ramy wózka typu 37AN, 37ANa i 24 MN produkcji PESY Bydogoszcz [8]. Stwierdzono w alercie bezpieczeństwa opublikowanym przez Urząd Transportu Kolejowego w dniu 19 lutego 2016 r przez Agenzia Nazionale per la Sicurezza delle Ferrovie ((Krajową Władzę Bezpieczeństwa Włoch) pęknięcia ram wózka, ponieważ wykryto w zewnętrznej części połączenia spawanego w obszarze maźnic pomocą metod nieniszczących (metoda magnetoproszkowa).

Producent został powiadomiony o konieczności wykonania analiz oraz wdrożono środki w postaci wycofania pojazdów wykorzystujących te wózki do czasu usunięcia nieprawidłowości oraz zawieszenie dopuszczeń pojazdów [9].

Tego typu sytuacjom należy zapobiegać poprzez analizę modalną polegającą na otrzymaniu wyników w postaci częstotliwości drgań własnych oraz sprawdzenie za pomocą wymodelowanego ramy wózka jakie częstotliwości rezonansowe powodujące zniszczenie konstrukcji poprzez spękanie jakie częstotliwości drgań będą się zmieniać [10].

Kolejnym problemem jest technologia wykonywania wózków – są one wykonywane zazwyczaj poprzez spawanie (na polskiej sieci kolejowej zdarzają się pojazdy kolejowe mające odlewane ramy wózków – chociażby Class 66 produkcji EMD). Przez co mogą występować niezgodności spawalnicze w postaci pustek (od nic zaczyna się propagacja pęknięć) [11], jednakże norma PN-EN ISO 5178 wskazuje na dopuszczalne wymiary wad i niezgodności spawalniczych. Dla pojazdów szynowych stosuje się jakość B (będąca najostrzejszą w tej normie). Jeszcze obowiązującymi normami dla wózków kolejowych są PN-EN 13260 i inne oraz karta UIC 515 i pokrewne do niej dot. wózków (zwłaszcza określające wytrzymałości ram wózka dla wózków tocznych UIC 515-4) zastępowane w pewnym zakresie przez normę PN-EN 13749 [12].

Rysunek 3. Przykład wózka kolejowego z wagonu towarowego (opracowanie własne)

Pękanie ram wózków zostało wykryte w tym stosunkowo wcześnie, jednakże problematyczne są zestawy kołowe [13], które nawet w skrajnym wypadku mogą doprowadzić do katastrofy.

Istotnym z punktu widzenia bezpieczeństwa czynnego w taborze istotnymi z punktu widzenia bezpieczeństwa są hamulce elektrodynamiczne, pneumatyczne i elektropneumatyczne [14] umożliwiające bezpieczne hamowanie pociągu.

Układy hamulca są zespolone – tzn. sterowane z poziomu pulpitu maszynisty i w zależności od typu pojazdu ciśnienie oddziałuje na wstawki hamulcowe bądź tarcze hamulcowe.

Ten temat ze względu na ograniczoną objętość referatu nie jest omawiany szczegółowo.

Ostatnim omawianym elementem są systemy automatyki bezpieczeństwa pociągu.

Pierwszym omawianym systemem jest SHP pracujący w połączeniu z CA (czuwakiem aktywnym).

Samoczynne Hamowanie Pociągu jest systemem stosowanym do 160 km/h [15].

Transmisja danych odbywa się punktowo tzn. następuje transmisja z elektromagnesu SHP ustawionego przed semaforem do rezonatora SHP zamontowanego na pojeździe. Nie wnosi on informacji o sygnale wyświetlanym na semaforze, jedynie informację, że on istnieje.

Maszynista po wyświetleniu na pulpicie sygnalizacji SHP/CA i następnie sygnału dźwiękowego ma obowiązek potwierdzenia czujności poprzez naciśnięcie przycisku.

Jeżeli maszynista tego nie zrobi to pociąg zaczyna samoczynnie hamować, jednakże ten system nie jest odporny na mikrosen [16] polegający na śnie trwającym sekundzie i naciśnięcie przycisku, przez co można przejechać sygnał zabraniający wjazdu na stację lub co gorsza najechać na pociąg.

Rysunek 4 Fragment pulpitu lokomotywy Newag 6Dg z radiotelefonem oraz przyciskiem kasowania SHP i CA (opracowanie własne)

Stosowany w Polsce system SHP jest systemem niezależnym od wskazań semaforów – przez co jest systemem nieodpowiadającym wymogom współczesnej kolei co wskazywała Najwyższa Izba Kontroli w swych wystąpieniach [17], jednakże jest on stosowany z powodu prostoty oraz z faktu, że prace nad sygnalizacją kabinową prowadzone w latach 80. i 90.

z powodu kryzysu panującego w PKP z powodu transformacji ustrojowej oraz zapaści finansowej lat 80. musiały zostać zarzucone [18].

Czuwak aktywny [19] sprawdza czujność maszynisty co 60 sekund poprzez sygnalizowanie poprzez światło, a następnie sygnalizację akustyczną. Maszynista naciskając przycisk na pulpicie (sprzężony z SHP) potwierdza swoją czujność.

Jeżeli maszynista nie potwierdzi swej czujności to jest wdrażane hamowanie nagłe, które jeżeli nie jest spowodowane chociażby zasłabnięciem może być podstawą do wszczęcia postępowania wyjaśniającego przyczynę.

Zagrożenia zostały opisane w akapitach dotyczących SHP. Jeżeli linia kolejowa nie jest wyposażona w elektromagnesy SHP to bezpieczeństwo jazdy zapewnia jedynie CA, co wpływa negatywnie na bezpieczeństwo ruchu kolejowego.

Dość istotnym systemem jest radio-stop działający na zasadzie odpowiedniej sekwencji dźwiękowej odbieranej przez radiotelefon i odbieranej przez inne radiotelefon oddziałującą na elektrozawory w układzie elektropneumatycznym i powoduje hamowanie nagłe pociągu oraz innych pociągów w promieniu zasięgu radiotelefonu. [20]

Wszystkie te systemy są systemami ETCS L0 (bez systemu ETCS).

ETCS [25] w taborze szynowym składa się z urządzeń pokładowych. System ten jest składnikiem Europejskiego Systemu Zarządzania Ruchem Kolejowym (ERTMS). W Polsce są używane instalacje ETCS L1 na linii kolejowej nr 4 (Centralnej Magistrali Kolejowej) produkcji Thalesa [21] oraz ECTS L2 na linii kolejowej E30 pomiędzy Bielawą Dolną a Legnicą produkcji Bombardier Transportation [22].

W ECTS L1 występują eurobalisy, które mają informacje o ograniczeniach prędkości, sygnale „Stój”. W pojeździe występuje bezpieczny komputer EVC, komputery związane ze sterowaniem oraz do komunikacji MMI, rejestrator, drogomierz oraz antenę do odbioru sygnału. Balisy odbierają sygnału przez enkodery LEU.

Wadą kluczową tego systemu, jest opieranie się też o maszynistę, który może dostać rozkaz zezwalający na przejechanie sygnału stój lub ten sygnał zignorować.

Bardzo istotnym składnikiem ETCS L2 jest GSM-R, który bazuje na standardzie GSM powstałym w 1990 roku (transmisja danych w standardzie GSM bez większych modyfikacji wynosi 9,6 kilobitów na sekundę za pomocą CSD, a po modyfikacjach HSCSD osiągającym prędkość 57,6 kilobitów na sekundę – łącza te podobnie jak w modemach stosowanych w telefonii przewodowej (dial-up) są komutowane i są zajęte przez cały czas pomiędzy stacją

bazową, a użytkownikiem – zatem może dojść do sytuacji braku możliwości połączenia się w wyniku przeciążenia stacji bazowej (co jest niepożądane) [23].

W transmisji danych w standardzie GSM-R wykorzystuje się GPRS (General Packet Radio Service), które jest pakietowym sposobem przesyłania danych [24].

5. Analiza uproszczonego modelu konstrukcji pudła wykonanego w oprogramowaniu