z. 118 Transport 2017
Jakub Młyńczak
Katedra Transportu Kolejowego, Politechnika Śląska, Wydział Transportu
PRZEGLĄD ROZWIĄZAŃ TECHNICZNYCH
UKŁADÓW STEROWANIA ROZJAZDAMI
KOLEJOWYMI
Rękopis dostarczono: lipiec 2017 r.Streszczenie: W artykule przedstawiono zasady doboru sposobu sterowania rozjazdami kolejowymi
w zależności od typu rozjazdu i parametrów drogi kolejowej. Omówiono zasady wynikające z warunków technicznych i przepisów prawa a także możliwości technicznych systemów sterowania ruchem kolejowym. W artykule skupiono się głównie na rozjazdach przystosowanych do jazd na tor zwrotny z prędkościami większymi od 60 km/h.
Słowa kluczowe: rozjazd dużych prędkości, sterowanie, warunki techniczne
1. WSTĘP
W artykule poruszono istotny problem techniczny jakim jest dobór odpowiedniego sposobu sterowania rozjazdem kolejowym. W pracy skupiono się na rozjazdach których konstrukcja umożliwia jazdę na tor zwrotny z prędkościami większymi niż 60 km/h. Przedstawione zasady doboru sposobu sterowania (ze względu na szereg warunków technicznych zostały skrócone) pokazują, że ten problem techniczny nie zawsze jest łatwy do rozwiązania, zwłaszcza, że trzeba rozważać aspekty techniczne i ekonomiczne każdego rozwiązania. Oczywiście, na początku rozważań należy przyjąć, że wszystkie rozwiązania są bezpieczne.
2. WYMAGANIA FORMALNO-PRAWNE i TECHNICZNE
2.1
WYMAGANIA
PRAWA
KRAJOWEGO
W przypadku rozwiązań technicznych stosowanych do przestawiania ruchomych elementów rozjazdów kolejowych muszą one posiadać świadectwo dopuszczenia do
eksploatacji wydane przez Prezesa UTK. Proces dopuszczania urządzeń nastawczych i kontrolnych na sieci kolejowej w Polsce reguluje Ustawa o transporcie kolejowym [3] oraz Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju (MIR) w sprawie dopuszczania do eksploatacji określonych rodzajów budowli, urządzeń i pojazdów kolejowych [1]. Zgodnie z tym rozporządzeniem świadectwo dopuszczenia do eksploatacji wydawane jest m.in. na każdy typ:
stacyjnych urządzeń sterowania ruchem kolejowym,
urządzeń do przestawiania lub kontrolowania ruchomych elementów rozjazdu kolejowego, przy czym przez urządzenia do przestawiania należy rozumieć napędy, sprzężenia i kontrolery położenia iglic.
Warunkiem dopuszczenia do eksploatacji typów urządzeń mających wpływ na poziom bezpieczeństwa ruchu kolejowego jest uzyskanie świadectwa dopuszczenia do eksploatacji typu dla pierwszego ich egzemplarza, co wynika z art. 22f ust 1 Ustawy [3].
2.2.
WYMAGANIA
TECHNICZNE
I
EKSPLOATACYJNE
DLA
ROZJAZDÓW
W warunkach polskich standardy linii kolejowych zostały określone w Standardach Technicznych [2]. Wymagania polskie w dużej mierze są oparte o wymagania obowiązujące na kolejach niemieckich [6]-[10]. Typ (standard) linii ma decydujące znaczenie przy doborze rozjazdów, jak również przy doborze urządzeń nastawczych i kontroli. Kluczowym parametrem określającym standard linii jest prędkość maksymalna. Przy określonych prędkościach można stosować odpowiednie stacyjne urządzenia SRK. W zależności od prędkości na linii stosuje się napędy rozpruwane lub nierozpruwalne.
Standardy Techniczne [2] określają: zasady doboru rozjazdów w połączeniach torów głównych ze względu na typ linii (Tom I).
Kolejnym istotnym parametrem technicznym przy wyborze rodzaju rozjazdu jest położenie rozjazdu w określonym torze (gł. zasadniczym, gł. dodatkowym lub bocznym. Rozjazdy położone w torach bocznych, eksploatowane rzadko – raz na kilka miesięcy, ze względów ekonomicznych nie powinny być wyposażone w napędy elektryczne. Dla wyposażenia rozjazdów w torach gł. zasadniczych i gł. dodatkowych decydującym czynnikiem jest prędkość. Zazwyczaj prędkość na torach gł. zasadniczym jest większa niż na torach gł. dodatkowych, więc wyposażenie rozjazdów jest zróżnicowane. Jednakże przy założeniu tej samej prędkości na torach gł. zasadniczych i dodatkowych, wyposażenie rozjazdów może być identyczne.
Rodzaj i typ rozjazdu ma decydujący wpływ na dobór urządzeń nastawczych i kontroli. Przyjęte jest, że rozjazdy typu z szyn typu 49E1 stosuje się do prędkości 120 km/h, natomiast rodzaj nawierzchni (podrozjazdnice drewniane lub betonowe) nie ma wpływu na prędkość, choć niewątpliwie ma znaczenie z punktu widzenia trwałości rozjazdu.
W zależności od konstrukcji rozjazdu (z dziobem krzyżownicy ruchomym lub z dziobem krzyżownicy stałym) oraz geometrii rozjazdu (promienia, skosu), rozjazd zostaje wyposażony w napędy i kontrolery.
2.3.
SPOSÓB
OBSŁUGI
I
STACYJNE
URZĄDZENIA
STEROWANIA
RUCHEM
KOLEJOWYM
Sposób obsługi ma nieistotne znaczenie przy doborze urządzeń nastawczych i kontroli, ponieważ sposób sterowania napędem nie wynika z jego typu, lecz z możliwości funkcjonalnych systemu stacyjnego i przyjętych przez zarządcę infrastruktury zasad jej modernizacji lub budowy (sterowanie zdalne, miejscowe lub lokalne). Sposób obsługi ma natomiast istotne znaczenie przy wyborze pomiędzy sterowaniem jednonapędowym ze sprzężeniem, a sterowaniem wielonapędowym w rozjeździe, ponieważ czynnik ten wpływa na możliwość stosunkowo sprawnego utrzymania ruchu kolejowego w przypadku usterek urządzeń. Przy nastawianiu zdalnym praktycznie niemożliwe jest przestawienie rozjazdu wielonapędowego przez obsługę posterunku ruchu, gdyż taka operacja wymaga dużo czasu, co mogłoby powodować zbyt duże przerwy w ruchu pociągów.
Warunki współpracy elektrycznych układów napędowych i ruchomych elementów rozjazdu określono w zakresie możliwości ich zastosowania w aktualnie eksploatowanych rodzajach stacyjnych urządzeń zależnościowych srk: urządzenia mechaniczne kluczowe (ręczne), urządzenia mechaniczne scentralizowane, urządzenia elektryczne suwakowe (elektromechaniczne), urządzenia elektryczne przekaźnikowe lub hybrydowe, urządzenia elektryczne komputerowe. W artykule skupiono się na urządzeniach dwóch ostatnich rodzajów.
Włączenie w układy zależnościowe informacji o położeniu rozjazdów, których ruchome elementy przestawiane są napędami elektrycznymi realizowane jest za pomocą bezpośredniego włączenie tych urządzeń w układy zależnościowe urządzeń sterowania ruchem kolejowym.
2.4.
DOBÓR
SPOSOBU
STEROWANIA
DO
ROZJAZDU
Rodzaj zastosowanego układu napędowego ruchomych elementów rozjazdu zależy od typu rozjazdu zabudowanego na danym torze posterunku ruchu oraz rodzaju urządzeń stacyjnych srk eksploatowanych na tym posterunku.
Doboru napędu zwrotnicowego w zakresie wymaganej wielkości siły nastawczej i siły trzymania oraz skoku suwaka nastawczego i suwaków kontrolnych należy dokonać na podstawie wymagań konstrukcyjnych zabudowywanego rozjazdu i zamknięcia nastawczego oraz projektowanego miejsca zabudowy napędu w rozjeździe (położenie napędu: z lewej lub prawej strony rozjazdu, lub pomiędzy tokami szyn; suwak nastawczy w położeniu krańcowym: wsunięty lub wysunięty; współpraca napędu z: I, II, III, zamknięciem zwrotnicy, I, II zamknięciem krzyżownicy).
Zabudowywany napęd powinien umożliwiać współpracę z obwodem nastawczym stacyjnego systemu srk eksploatowanego na danym obiekcie (układ cztero-, pięcio-, sześcio-, siedmioprzewodowysześcio-, itp.)sześcio-, za pomocą którego ma być sterowany oraz spełnianie przez napęd projektowanej funkcji w stacyjnym systemie srk (napęd pracujący jako pojedynczy, napęd pracujący jako sprzężony z innym napędem, napęd powiązany z kontrolerem); w tym
celu zaleca się aby okablowanie wewnętrzne napędu było wyprowadzone w sposób jednoznaczny i czytelny, np. na listwę zaciskową.
Siła trzymania napędów nierozpruwalnych współpracujących z zamknięciami suwakowymi nie powinna być mniejsza niż 25 kN. Siła trzymania napędów rozpruwanych zabudowanych w torach głównych zasadniczych dla prędkości nie większej niż 130 km/h (V ≤ 130 km/h) nie powinna być mniejsza niż 7 kN.
Dla prędkości większej niż 130 km/h (V > 130 km/h) do przestawiania zwrotnic rozjazdów leżących w torach głównych zasadniczych należy stosować napędy zwrotnicowe nierozpruwalne.
Konstrukcja napędu zwrotnicowego powinna zapewniać kontrolę rozprucia zwrotnicy i ruchomego dzioba krzyżownicy. W przeciwnym razie wraz z napędem należy zastosować kontroler położenia, którego zadaniem będzie, oprócz kontroli położenia wykrycie rozprucia.
Napędy zabudowywane w jednym rozjeździe, lub pracujące jako sprzężone w dwóch rozjazdach powinny być tego samego typu.
Do kontroli położenia zwrotnicy (ruchomego dzioba krzyżownicy) mogą służyć urządzenia kontroli położenia zabudowane w napędzie (pręty kontrolne napędu zwrotnicowego - napęd z kontrolą położenia iglic), lub odrębne urządzenie – kontroler położenia.
W kontrolery położenia iglic powinny być wyposażone zwrotnice rozjazdów o promieniu 500 m, 760 m, 1200 m i 2500 m, przejeżdżanych z prędkością większą od 80 km/h oraz rozjazdów wyposażonych w napędy niezapewniające kontroli rozprucia.
3. ROZWIĄZANIA STOSOWANE NA SIECI PLK
Układy sterowania rozjazdów dobiera się w zależności od rodzaju i ilości zamknięć nastawczych.
Stosowane są więc następujące rozwiązania (zależne od typu rozjazdu i przyjętej koncepcji sterowania):
1 napęd do przestawiania iglic, 3 kontrolery położenia iglic, 1 napęd do przestawiania dziobnicy krzyżownicy (rozwiązania ze sprzężeniami zamknięć);
2 napędy do przestawiania iglic, 1 napęd do przestawiania dziobnicy krzyżownicy; 2 napędy do przestawiania iglic, 2 napędy do przestawiania dziobnicy krzyżownicy; 3 napędy do przestawiania iglic, 2 napędy do przestawiania dziobnicy krzyżownicy; napędy zintegrowane ze zwrotnicą i krzyżownicą.
3.1.
WIELONAPĘDOWE
STEROWANIE
ROZJAZDÓW
Przy projektowaniu urządzeń na liniach przeznaczonych do ruchu pociągów z dużymi prędkościami stosuje się rozjazdy sterowane za pomocą kilku napędów zwrotnicowych tzw. zwrotnice wielonapędowe (Rys. 1 i Rys. 2). Rozwiązania takie stosuje się zwykle dla rozjazdów z ruchomymi dziobami krzyżownicy, gdzie ustawienie dzioba krzyżownicy sprzężone jest z ustawieniem iglic. Zastosowanie ruchomych dziobów krzyżownicy powoduje, że obręcz koła ma stały kontakt z boczną powierzchnią główki szyny nadającą odpowiedni kierunek jazdy.
Rys.1. Rozjazd o R=1200 rozwiązanie: trzy napędy zwrotnicowe typu EEA-5 do przestawiania iglic oraz trzy kontrolery położenia typu EFA-1 [5]
Zastosowanie nierozpruwalnych napędów zwrotnicowych o odpowiednim skoku, odpowiedniej prędkości obrotowej silnika oraz układów czasowych pozwala na przełożenie zwrotnicy w sposób równomierny i synchroniczny. W celu dodatkowego sprawdzenia i kontroli położenia zarówno iglic jak i dziobnicy krzyżownicy stosuje się kontrolery ich położenia.
W wielonapędowych systemach sterowania rozjazdami stosuje się przede wszystkim modułowe elektryczne napędy zwrotnicowe typu EEA 5, S 700 KM, EBISwitch 700 oraz odpowiednio kontrolery położenia iglic. W rozwiązaniach tych kontrolery położenia stosuje się zarówno do iglic jak i do krzyżownic z ruchomym dziobem krzyżownicy.
Liczba napędów zwrotnicowych i kontrolerów położenia zależna jest od długości i promienia rozjazdu.
Układy sterowania rozjazdów dobiera się w zależności od rodzaju i ilości zamknięć nastawczych.
Rys.2. Rozwiązanie – jeden napęd zwrotnicowy typu EEA-5 do przestawiania dziobnicy krzyżownicy z kontrolerem położenia typu EFA-1 [5]
3.2.
UKŁADY
ZE
SPRZĘŻENIAMI
ZAMKNIĘĆ
NASTAWCZYCH
Jednym ze sposobów sterowania długimi rozjazdami są systemy sprzęgania zamknięć nastawczych. Przykładem mechanicznego sprzężenia jest system „Integraded Roding” produkowany przez firmę Cogifer-Vossloh (Rys. 3). Są to rozjazdy z nierozpruwanymi zamknięciami nastawczymi i systemem kontroli położenia które należą do konstrukcji mających duże zastosowanie na francuskich kolejach dużych prędkości TGV. Zabudowane na PKP cieszą się dobrą opinią w ich eksploatacji i utrzymaniu.
Rys.3. System „Integraded Roding” [5]
System HYDROLINK (Rys. 4) jest przykładem sprzęgania zamknięć o hydraulicznym charakterze. HYDROLINK w rozjazdach z wieloma zamknięciami zastępuje układ sprzężenia mechanicznego, natomiast w rozjazdach z wieloma napędami zastępuje wszystkie napędy z wyjątkiem pierwszego napędu (zabudowanego na początku rozjazdu).
System ten wymaga tylko jednego napędu zwrotnicowego i przekazuje ruch przestawczy do pozostałych zamknięć. Jedną z podstawowych zalet HYDROLINK jest możliwość zabudowy go do istniejących rozjazdów.
Rys.4. Kaskadowe połączenie cylindra napędowego z cylindrami przestawczymi – HYDROLINK z kontrolerami położenia iglic EFA-1 [5]
W systemie HYDROLINK wykorzystywane są zamknięcia nastawcze SPHEROLOCK Zamknięcia nastawcze niezależnie od ilości połączone są ze sobą przewodami hydraulicznymi i działają w sposób kaskadowy tzn. rozpoczęcie pracy cylindra napędowego pierwszego zamknięcia spowoduje przetłaczanie oleju do cylindra przestawczego drugiego zamknięcia, po rozpoczęciu przestawiania drugiego do kolejnego itd. Zbiornik wyrównawczy ma za zadanie niedopuszczenie do zapowietrzenia układu hydraulicznego zamknięć SPHEROLOCK. Przestawianie zwrotnic w sposób równomierny i synchroniczny w systemie Hydrolink realizowane jest nie w funkcji czasu jak w systemach wielonapędowego sterowania rozjazdów, lecz w funkcji drogi. Rozpoczęcie pracy kolejnych cylindrów przestawczych opóźnione jest w czasie poprzez zróżnicowane położenie widełek przestawczych w każdym cylindrze.
3.3.
NAPĘD
ZINTEGROWANY
Z
ROZJAZDEM
Jednym z przykładów napędu zintegrowanego z rozjazdem jest HYDROSTAR wyprodukowany przez austriacką firmę VAE (Rys. 5). HYDROSTAR umożliwia sterowanie nie tylko zwrotnicą, ale również ruchomym dziobem krzyżownicy. System ten umożliwia przestawianie z jednego napędu dużej liczby punktów nastawczych z jednoczesnym ich zamykaniem w położeniach krańcowych. Jedna jednostka napędowa dla wszystkich punktów przestawiania w zsynchronizowanym ruchu powoduje ich przestawienie. Ryglowanie obydwu iglic zapewnia wysoki poziom bezpieczeństwa. System
ma budowę modułową co pozwala na szybką wymianę poszczególnych elementów. Zastosowanie nowoczesnych złączy hydraulicznych umożliwia wymianę urządzeń znajdujących się pod ciśnieniem bez konieczności spuszczania oleju.
HYDROSTAR wykonywany jest w dwóch odmianach: HYDROSTAR ZV – system napędu zwrotnicy;
HYDROSTAR HB (HERZ BEWEGLICH) = ruchomy dziób.
Rys.5.Zintegrowany system przestawiania ruchomych elementów w rozjeździeHYDROSTAR[5]
4. WNIOSKI
Zaprezentowane w artykule wymagania i przykłady rozwiązań pokazują, że kwestia sterowania rozjazdami kolejowymi nie jest sprawą technicznie i organizacyjnie prostą. Wymaga zastosowania szeregu rozwiązań kompatybilnych z rozjazdami i systemami sterowania ruchem kolejowym. Kolejnym istotnym problemem w doborze rozwiązań sterowania rozjazdami dużych prędkości jest aspekt ekonomiczny i eksploatacyjny. Z doświadczenia wiadomo, że rozwiązania z mechanicznym sprzężeniem zamknięć są rozwiązaniami tańszymi, a usuwanie usterek sprowadza się często do prostych mechanicznych czynności. Stosowanie rozwiązań technicznie zaawansowanych wymusza stosowanie rozwiniętych procedur diagnostycznych. Rozwiązaniem które jest najdroższe i najbardziej zaawansowane technicznie, czyli napęd zintegrowany z rozjazdem jest zarazem rozwiązaniem najmniej awaryjnym w porównaniu z pozostałymi (praktycznie bezobsługowym) sposobami sterowania rozjazdu. Ważnym etapem w doborze sposobu sterowania rozjazdem jest przeprowadzenie rzeczowej procedury oceny wszystkich aktualnie stosowanych rozwiązań pod kątem technicznym i ekonomicznym. Dlatego zarządca infrastruktury powinien od każdego dostawcy rozjazdu i układu sterowania żądać
dokładnej analizy LCC. Tak więc widać, że dobór odpowiedniego rozwiązania jest skomplikowaną i zależną od wielu zmiennych procedurą [5].
Bibliografia
1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 13 maja 2014 r. w sprawie dopuszczania do eksploatacji określonych rodzajów budowli, urządzeń i pojazdów kolejowych (Dz. U. z 2014 r. poz. 720); 2. Standardy Techniczne – szczegółowe warunki techniczne dla modernizacji lub budowy linii kolejowych do prędkości Vmax≤200 km/h (dla taboru konwencjonalnego) i 250 km/h (dla taboru z wychylnym pudłem). Uchwała Zarządu PKP PLK S.A. nr 263/2010 z dnia 14.06.2010;
3. Ustawa z dnia 28 marca 2003 r. o transporcie kolejowym (t.j. Dz. U. z 2015 r. poz. 1297 z późn. zm.); 4. Wytyczne techniczne budowy urządzeń sterowania ruchem kolejowym Ie-4 (WTB-E10) (Załącznik do
zarządzenia Nr 1/2014 zarządu PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. z dnia 14 stycznia 2014 r.; Biuletyn PKP Polskie Linie Kolejowe Spółka Akcyjna z dnia 7 lutego 2014 r. Nr 01 poz. 01);
5. Młyńczak J.: Eksploatacja układu napęd zwrotnicowy, monografia na prawach rękopisu (planowany druk końcem 2017 r.).
6. AB-EBV - Ausführungsbestimmungen zur Eisenbahnverordnung vom 15. Dezember 1983, (AS 1983 1924), Stand am 1. Juli 2014,
7. EisbVO 2003 - Verordnung des Bundesministers für Verkehr, Innovation und Technologie über den Bau, den Betrieb und die Organisation von Eisenbahnen (Eisenbahnverordnung 2003) von 11 April 2003, (BGBI. II Nr. 209/2003);
8. VEAB - Verordnung über elektrische Anlagen von Bahnen vom 5. Dezember 1994, (AS 1995 1024), (SR 734.42), Stand am 1. Januar 2010;
9. Leistungsverzeichnis für Weichenantriebe. DB AG. DB Systemtechnik 2003,
10. Technisches Lastenheft, Weichenantriebe. DB Netz AG, ÖBB Infrastruktur AG, Schweizerische Bundesbahnen SBB Infrastuktur, 2013.
OVERVIEW OF TECHNICAL SOLUTIONS OF THE CONTROL SYSTEMS OF RAILWAY TURNOUTS
Summary: The article presents principles of selection of method of control of railway turnouts
depending on type of turnouts and railway track parameters. The principles of the technical and legal provisions as well as the technical capabilities of the railway traffic control systems are discussed. The article focuses mainly on turnouts adapted to rides on the reverse track at speeds greater than 60 km/h.