Możliwości techniczne wprowadzenia pociagów dużej prędkości w Polsce

(1)

M IĘDZYNARODOW A K O NFEREN CJA N A U K O W O -TEC H N IC ZN A

ZESZY TY N A UK O W E POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 1999 POJAZDY S ZY N O W E N O W Y CH GENERACJI ’99 TR A N SPO R T z.35, nr kol. 1415

Marek SITARZ, Jan RA CZYŃSK I, Maciej LISOW SKI Politechnika Śląska

MOŻLIWOŚCI TECHNICZNE WPROWADZENIA POCIĄGÓW DUŻEJ PRĘDKOŚCI W POLSCE

S tre szc ze n ie . W artykule przedstaw iono przegląd konstrukcji pociągów o dużej prędkości ja zd y pod kątem w prow adzenia w przyszłości takiego taboru do eksploatacji w Polsce. U w agę skupiono szczególnie na pociągach z m echanizm em przechylnego pudla. U m ożliw iają one bow iem rozw inięcie dużych prędkości na torach krętych o m ałych prom ieniach łuków. Tym samym przy ich stosow aniu nic m a potrzeby budow ania nowych linii kolejowych o nowej geom etrii.

TECHNICAL POSSIBILITIES FOR ENTER OF HIGH SPEED TRAINS IN POLAND

S u m m a ry . In this article are describe review o f existing high speed trains, from the point o f view future introduce this rolling stock on operation in Poland.

Especially there are describes trains with tilting body m echanism . For this trains is possible ride w ith high speed in tracks with many curves with small radius.

In this way we n eedn’t built new lines with special geom etry.

1. BUDOW A LINII D U ŻY C H PRĘDKOŚCI

W ostatnich latach obserw ujem y ciągły w zrost popytu na usługi transportow e w społeczeństwie. W skali całej gospodarki następuje ciągły w zrost przew ozów osób. Jednak dotychczas przyrost ten je s t realizow any głów nie poprzez rozwój m otoryzacji indywidualnej, przy jednoczesnym spadku przew ozów środkami transportu zbiorow ego. Charakterystyczny jest zw łaszcza spadek w ostatnich latach przew ozów pasażerskich na kolei. Pow stała sytuacja, w której sieć drogow a, projektow ana dla znacznie m niejszego natężenia ruchu, jest permanentnie przeciążona, a przejazd sam ochodam i przez centra ośrodków m iejskich odbywa się z prędkościam i średnim i niejednokrotnie zbliżonym i do prędkości pieszego, natom iast PKP likw iduje część połączeń kolejowych z uwagi na brak pasażerów , a tym samym nierentowność linii.

(2)

92 M. Sitarz, J. Raczyński, M. Lisowski

W obliczu postępującego spadku udziału kolei w przewozach pasażerskich niezbędne jest podjęcie w łaściw ych działań reform atorskich polegających na systemowym ujęciu całej sieci kom unikacyjnej państw a. N ależy bow iem pam iętać, że m ożliw ie duży udział kolei w systemie transportow ym - to nie tylko w zrost dochodów PKP, a wiec pośrednio skarbu państw a, lecz także korzyści ekologiczne i społeczne.

W arunkiem tego, aby podróżny wybrał określony rodzaj środka transportow ego, je st jego konkurencyjność w zględem innych sposobów podróżow ania. Na rys. 1 przedstawiono zależność czasu podróży i odległości od rodzaju środka transportu. Z rysunku tego wynika, że transport kolejow y pociągami- dużej prędkości je st konkurencyjny w stosunku do innych środków transportu w zakresie 200 do 900 km.

T r a n s p o r t V / / H 160--- 1--- ! T ran sp o rt lo tn iczy

s a m o c h o d o w y łT '~ ' ' t T t y , v A \ \ \ \ M 2 0 0 I

_________________ 1 ! ■ ■ / / / . ' / / T / / J / / } F7J! / U ! i !! ■!' i i / f !\ t o n km /h

R y s . 1. P o r ó w n a n ie z a k r e s u o d l e g ł o ś c i d l a r ó ż n y c h r o d z a j ó w tr a n s p o r t u p a s a ż e r s k i e g o i s z y b k o ś c i p r z e w o z u , p r z y c z a s i e p o d r ó ż y 1 2 0 i 2 4 0 m in [1 7 ]

F ig . 1. L im it o f d i s t a n c e f o r d i f f e r e n t k in d o f p a s s e n g e r ’s t r a n s p o r t a n d r id e s p e e d , w h e n tr a v e l tim e is 1 2 0 a n d 2 4 0 m in

M ożna w ym ienić w iele czynników w pływ ających na ocenę przez potencjalnego pasażera poszczególnych sposobów dotarcia do celu. Do najważniejszych spośród nich należałoby zaliczyć:

• koszty ponoszone przez podróżnego, czyli ceny biletów , a w przypadku własnego sam ochodu całkow ite koszty utrzym ania — odniesione do jednostki przebytej drogi;

• czas podróży, czyli średnia prędkość pojazdu (z uw zględnieniem czasu oczekiw ań na ewentualne przesiadki);

• kom fort (rozum iany całościow o, tzn. jako kom fort fizyczny i psychiczny, zw iązany np. z prow adzeniem sam ochodu w trudnych warunkach);

• m inim alizacja koniecznych przesiadek;

• stopień utrudnień organizacyjnych — m ożliw ie prosty system opłat i rezerwacji miejsc.

(3)

Możliwości techniczne w prow adzenia pociągów . 93

Już obecnie, pom im o braku najnowocześniejszego, szybkiego taboru kolejow ego, są w Polsce szlaki transportow e, gdzie kolej wygrywa konkurencją z sam ochodem . Przykładem może być trasa K atow ice - W arszawa, na której pociągi klasy InterCity zapew niają przejazd w czasie o w iele krótszym niż sam ochodem lub autobusem . Jednak w arunkiem koniecznym dalszego rozw oju przew ozów pasażerskich na PKP je st w prow adzenie now oczesnego taboru, pozwalającego na ja z d ą z prądkościam i rządu 2 0 0 km/h i większymi.

W krajach, w których od lat funkcjonują linie obsługiw ane przez szybkie pociągi, przewoźnicy kolejow i stanow ią skuteczną konkurencją nie tylko dla transportu samochodowego, ale naw et dla lotniczego. Jeśli bow iem nawet prędkość przelotu sam olotem jest jeszcze w yższa niż pociągu, to nieporów nanie dłuższy jest czas obsługi podróżnych przed lotem. Tak w ięc czas, który pasażer musi przeznaczyć na całą podróż sam olotem , jest ju ż często dłuższy niż w przypadku podróży kolejowej.

W w arunkach polskich najpow ażniejszym i przeszkodam i w realizacji planów m oderniza

cyjnych są niew ielkie potoki pasażerskie i niskie nakłady finansowe na transport kolejowy.

Sytuacja gospodarcza ntiala i nadal ma zdecydowany wpływ na tem po wdrażania programów inw estycyjnych, na szczęście nie miała wpływu na tw orzony program kierunkowy rozwoju infrastruktury kolejow ej w Polsce. Przemiany ustrojow o-gospodarcze w Polsce i innych krajach Europy Środkow o-W schodniej w płynęły' na drastyczny spadek przewozów zarówno pasażerskich, ja k i tow arow ych w transporcie kolejowym . Restrukturyzacja sektora transportowego oraz przestaw ienie go na rynkowe zasady działalności stało się koniecznością.

Tylko tak postaw ione zagadnienie daje szansą kolejom polskim na konkurow anie z przewoźnikami innych rodzajów transportu.

W spółpracując w w ielu m iędzynarodow ych organizacjach nad w ypracow aniem jednolitej i spójnej europejskiej sieci kolejowej (rys. 2 i 3), Polska zgłosiła w spółudział w realizacji w okresie do roku 2030 [19]:

• europejskiej sieci linii kolejow ych dużych ( > 2 0 0 km/h) i średnich prędkości (160 - 200 km/h), zm odernizow aniu 3362 km linii istniejących i w ybudow aniu 1300 km nowych linii;

• europejskiej sieci kolejow ej objętej um ow ą AGC, tj. 3115 km linii kolejowych;

• europejskiej sieci kolejow ej objętej um ow ą A GTC (transport k om binow any)- 4 3 1 9 km.

W wielu przypadkach są to te same linie kolejow e, dlatego globalna długość linii kolejowych w pisana do porozum ień międzynarodow ych wynosi 5308 km. D alsze 781 km linii kolejowych oczekuje na zakończenie studiów i zgłoszenie ich do porozum ień mi ędzynarodo w ych.

W 1995 r. kierow nictw o Dyrekcji G eneralnej PKP zaakceptow ało „Program kierunkowy rozwoju linii dużych prędkości w Polsce” . Program ten został przekazany m inistrowi transportu i gospodarki m orskiej z prośbą o uw zględnienie go w „R ządow ym program ie budowy i m odernizacji linii kolejow ych w Polsce” . W 1998 r. przekazano m inistrowi TiGM program pt. „K ierunkow y program rozwoju linii kolejowych transportu kom binow anego (AGTC) w Polsce" [19],

Opracowując program y nie kierow ano się ograniczeniam i w ynikającym i z problem ów okresu przejściow ego, a aktualnym i m iędzynarodow ym i tendencjam i w tw orzeniu spójnej sieci kolejowej spełniającej potrzeby szybkich, kom fortowych i bezpiecznych przewozów pasażerskich i tow arow ych. R oboty m odernizacyjne na istniejących liniach lub budowę nowych, linii kolejow ych, o których była m owa wcześniej, zaliczono do jednego z trzech okresów — do roku 2005, okres lat 2005 - 2015 i lata 2015 - 2030 [19].

(4)

94 M. Sitarz. J. Raczyński, M. Lisowski

— — irie Ktme^ce

■ n.e p ia n t t t f w Co ? 0 0 ? ioVu - - - - J n e p m j^ m a n f:

! n e c n m a r t e n / a c p rto 7>V io<t t Hainovsr 7 RljKseM 2 Kolon a i Uoryrbeisa

i ■ 5 Ftanktuil/M

Rys. 2. Rozwój europejskiej sieci szybkich połączeń kolejow ych [6]

Fig. 2. Progress o f European high speed railway lines

Rys. 3. Polska cześć europejskiej sieci linii kolejow ych dużych (powyżej 200 km /h) i średnich prędkości (160 - 200 km /h) [ 19]

Fig. 3. Polish part o f European railway lines for high (> 200 km /h) and m iddle speed ( 1 6 0 - 2 0 0 km/h)

(5)

H oryzont 2005 — z a d a n ia p rio ry te to w e

W okresie tym zaplanow ano tylko roboty modernizacyjne na liniach o najwyższym priorytecie, o łącznej długości 1736 km i szacunkowych kosztach m odernizacji infrastruktury 3273 min ECU, są to [19]:

• Linia E 20 układu A G C i AG TC , II korytarz kreteński (I etap realizacji), Berlin - granica DB A G /PK P - Poznań - W arszaw a - Terespol - granica PKP/BC (- M ińsk - Moskwa).

Linia długości 690 km będzie przystosow ana do prędkości maksym alnej 160 km/h.

• Linia E 65 układu A G C i-A G T C , VI i VIB korytarz kreteński, G dynia - W arszaw a - CMK - K atow ice - Z ebrzydow ice (- Bratysława - Budapeszt i W iedeń). Linia długości 722 km będzie przystosow ana do prędkości 160 km/h na całej długości, z w yłączeniem odcinka od G rodziska M az. do Zaw iercia (CMK) długości 225 km, gdzie pociągi będą mogły rozw ijać prędkość do 250 km/h.

• Linia E 59 układu A G C, na odcinku W rocław - Poznań długości 164 km będzie dostosowana do prędkości 160 km/h. Linia ta wraz ze zm odernizow aną linią E 20 będzie stanowiła najszybsze połączenie W rocław ia z W arszawą, Berlinem i Szczecinem .

H oryzont 2005 - 2015 - z a d a n ia p rio ry te to w e

Na okres ten zaplanow ano zm odernizow anie wszystkich pozostałych linii w pisanych do umowy A GC, linii objętych priorytetem korytarzy kreteńsko-helsińskich i niektórych najważniejszych linii transportu kom binow anego wpisanych do um ow y AGTC. Łączna długość linii przew idzianych do m odernizacji wynosi 1900 km. Ponadto w okresie tym planuje się w ybudow anie nowych linii długości 331 km przy koszcie budow y 1859 min ECU [19].

H oryzont 2015 - 2030

Opracowane m iędzynarodow e prognozy przew idują rozwój gospodarczy krajów Europy Środkowej i W schodniej pozw alający w roku 2015 zbliżyć się krajom tego regionu do obecnego poziom u zam ożności i m obilności społeczeństw krajów Europy Zachodniej.

Przesłanka ta pozw ala w ysnuć w niosek, że obecne linie kolejow e na osi w schód - zachód i północ - południe stan ą się na tyle zapełnione, że po roku 2015 zaistnieje konieczność wybudowania całkow icie now ych linii kolejowych o param etrach pozw alających na prowadzenie ruchu pociągów z prędkością v = 300 km/h. N ow a linia, licząca 660 km na terytorium Polski, będzie przebiegała równolegle do istniejącej linii E 20 Berlin - W arszaw a -M iń sk - M oskw a [19].

Lata 2015 - 2030 stanow ią rów nież wykorzystane na zakończenie m odernizacji pozostałych linii kolejow ych układu A G TC , łącznej długości 1043 km.

R ealizacja p ro g ra m u ro z w o ju in f r a s tr u k tu r y kolejow ej

W ostatnich latach w ykonano studia pozw alające podjąć decyzje strategiczne o budow ie lub m odernizacji linii kolejow ych w Polsce [19]. S ą to m iędzy innymi:

- prognoza ruchu w głów nych kolejow ych korytarzach międzynarodowych, - plan strategiczny PK P do 2015 r.,

- wstępny program inw estycyjny dla PKP [19],

(6)

2. POCIĄGI D U ŻY C H PRĘD KO ŚCI

Pasażerskie pojazdy szynow e pow inny spełniać szereg kryteriów i wym agań dotyczących:

ekologii, eksploatacji, małej energochłonności i m ateriałochłonności.

W szczególności pojazdy te powinny [10]:

- być przyjazne dla środow iska naturalnego (brak zanieczyszczeń pow ietrza, wody i gruntu oraz brak w ibracji i hałasu);

wyróżniać się w ysokim poziom em niezawodności;

posiadać w łaściw ą trw ałość;

- posiadać odpow iednie przyspieszenie zarówno przy rozruchu, ja k i ham owaniu (przys

pieszenie ujem ne);

rozw ijać założoną przez konstruktora prędkość;

być ergonom iczne i zapew niać należyty kom fort podróżow ania (klim atyzacja) oraz bezpieczeństw o podróżnych;

wyróżniać się podatnością obsługową, tj. technologicznością przeglądów i napraw;

być przystosow ane do diagnostyki i posiadać budow ę m odułow ą;

być energooszczędne;

- być m ateriałooszczędne i niepalne;

wyróżnać się estetyką sylwetki;

odpow iadać w ym aganiom krajow ym i m iędzynarodowym w zakresie nacisku na oś, skrajni, drogi ham ow ania i innych ważnych parametrów'.

W szystkie te kryteria m uszą być, oczywiście, spełnione w pociągach dużych prędkości, które ponadto powinny:

- mieć nadw ozia dokładnie opracowane pod względem aerodynam iki (odpowiednie ukształtow anie czoła, ścian bocznych, połączeń m iędzy w agonami);

- mieć w najw yższym stopniu dopracow aną kinem atykę i dynam ikę układu biegowego, poniew aż to, co w yw ołałoby lekką w ibrację przy małej prędkości, przy wyższej mogłoby grozić naw et w ykolejeniem pociągu;

posiadać odpowuednio w zm ocniony układ hamulcowy.

Cechy charakterystyczne i podstaw ow e param etry techniczne pociągów i lokomotyw przeznaczonych dla w ysokich prędkości eksploatowanych na św iecie przedstaw iono w tab. 1 i 2. Z analizy tablic w'ynika, że nie m a uniwersalnych pojazdów , które m ogły by być stosowane np. w całej Europie.

(7)

Pociągi zespołowe i zespoły trakcyjne do dużych prędkości [17]

Tabela I

Lp. Kolej Seria Zasilanie kV Hz

Układ pociągu

Masa własna Moc Liczba silni

ków trakc.

Pręd

kość max.

[km/h]

Hamowanie clcklr. Długość calkow.

U»]

Średnica kól [mm]

Liczba miejsc

Producent cał

kowita Ul

nap.

UJ ciągła

kW

rodzaj moc tkW]

1 SNCP TGV-A 25 50 1,5

s+IOd+s 444 2x68 2x4000 2x1840

2x4 300 oporowe 2x2900 237,54 920 485 GEC-Alstom

Dc Diclrich. ANF

2 SNCP TGV-R 25 50 1,5

s+Sd+s 383 2x68 2x4400 2x1840

2x4 300 oporowe 2x2900 200,19 920 377 GEC-Alstom

Dc Dietrich. ANF

3 SNCP TGV-

2N

25 50 1,5

s+8d+s 380 2x68 2x4400 2x1840

2x4 300 200,19 920/910 545 GEC-Alstom

Dc Diclrich. ANF

4 SNCP Euruslar 25 50 3 0,75

s+18d+s 752,4 2x10 2

2x6110 2x2850 2x1700

2x6 300 oporowe 2x2900 393,72 920 794 GEC-AIstnm

Dc Diclrich. ANF

5 REN FE AVE 25 50 3

s+8d+s 393 2x68 2x4400 2x2700

2x4 300 oporowe 2x3125 200.72 920 321 GEC-AIstnm

De Dietrich. ANF

6 DB 1CEI 15 16'/, s+l2d+s 792 2x78 2x4800 2x4 280 rck(magn) 2x4000 358,00 1040/920 619 A EG . A B B . Siemens.

KM. Krupp. Thyssen- Henschcl. DUHWAG.

LU B . MAN

7 DB 1CE2 15 16'/, s+6d+st 412 78 4800 4 280 rck(magn) 2000 205.40 1040 368

8 DB ICE2.2 15 I62/j 2x(s+d+

s+d)

394 -210 8000 16 330 rck(ind) 8200 200,00 920 398

9 DB ICT 15 16'/, st+2s+d +2s+st

372 -110 4000 8 230 rek 4000 184,00 890 374

10 PS ETR

500

3 s+lId+s 598 2x68 2x4400 2x4 300 rek

oporowe

2x3840 327,60 1100/890 594 Trevi (ABÜ-T.

Ansnldo. ńreda. Fiat.

Fi rema

11 SJ X 2000 15 16'/, s+4d+sl 318 -73 3300 4 210 rck(magn) 3300 140.00 1100/880 257 AI3B

12 PS EIR

450

3 8s 365 183 5000 16 250 oporowe 76(H) 208,30 890 344 Fiat, Marc!li

13 PS EIR

■too

3 3x(2s+d) 416,5 145 6000 12 250 oporowe 5100 236,60 456 Fiat. Parizzi

14 VR S 220 25 50 2(2s+d) 302 105 4000 8 220 rck(nragn) 3800 158,90 262 Fiat. O Y. Transtech.

VR-Osakcyhtio

s - człon z napędem st - człon z kabiną sterowniczą d - człon doczepny

Możliwości technicznewprowadzeniapociągów

(8)

VO CO

P odstaw ow e param etry lokom otyw elek try czn y ch do dużych p rędkości [10]

Tabela 2

P a ra m e tr T y p K raj

B R 120 R F N

R e 4 /4 S z w a jc a ria

S 252 H isz p a n ia

E 4 0 2 W ło c h y

BB 2 6 0 0 0 F ra n c ja

E 4 1 2 (E U 4 3 ) A d tra n z P rz e z n a c z e n ie u n iw e rsa ln a u n iw e rsa ln a u n iw e rsa ln a u n iw e rs a ln a u n iw e rsa ln a u n iw e rsa ln a S y ste m z a sila n ia 15 kV

16 2A Hz

15 kV 16 2A Hz

3 kV = 25 kV; 50 H z

3 kV = 25 kV;

50 H z

3 kV = 15 kV; 16 % Hz

U kład osi B o -B o B o -B o B o -B o B o -B o B-B B o -B o

M a sa słu ż b o w a [M g] 84 81 88 82 . 9 0 82 (8 8 )

P rę d k o ść m ax [km /h] 2 1 0 2 3 0 2 2 0 2 2 0 20 0 2 2 0

M o c c ią g ła [kW ] 5 6 0 0 4 8 0 0 5 6 0 0 5 0 0 0 5 6 0 0 6 4 0 0 ( 4 5 0 0 )

S iln ik i trak c y jn e asy n ch ro n iczn e asynchroniczne asynchroniczne a sy n ch ro n iczn e asynchroniczne asy n ch ro n iczn e

S iła rozr. (m ax .) [kNJ 2 9 0 275 30 0 26 4 3 2 0 2 8 0

M o c h a m u lc a -/4 0 0 0 -/4 8 0 0 3 3 0 0 /5 6 0 0 3 8 0 0 /5 0 0 0 2 9 0 0 /- 4 0 0 0 /6 0 0 0 O b w o d y p o m o c n ic z e 3 x 4 4 0 V;

6 0 H Z

3 X 3 9 5 V;

50 H z

3 x 4 4 0 V ; 6 0 H Z

3 x 4 5 0 V;

6 0 H z

3 x 3 8 0 V ; 6 0 H z

3 x 4 4 0 V;

6 0 H z P rzełó ż, p rz e k ła d n i 4 ,1 2 3 ,6 6 7 b ra k d an y c h 3,59 2 ,2 1 2 3 ,3 0 4

D łu g o ść lo k o m o t. [m] 19,2 17,6 20,38 18,44 17,71 19,4

B a z a lo k o m o t. [m] 10,2 11,0 10,5. 10,4 9 ,6 8 4 11,4

B aza w ó z k a [m] 2,8 2,8 3,0 2 ,8 5 2 ,7 9 7 2,65

S redn. toczna kół fm] 1,25 1,1 1,25 1,25 1,25 U

M. Sitarz. J. Raczyński, M. Lisowski

(9)

3. M O ŻLIW O ŚĆ P R ĘD K O ŚC I 200 - 250 K M /H I W PRO W AD ZEN IE POCIĄ G Ó W Z PR ZEC H Y LN Y M PU D LEM

W arunkiem zapew nienia konkurencyjności przew ozów kolejow ych realizow anych przez PKP, oprócz budow y now ych linii, je st w prow adzenie w najbliższym czasie do eksploatacji szybkiego taboru kolejow ego, zdolnego rozwijać prędkości powyżej 200 km /h. W iele kolei na świecie eksploatuje taki tabor z pow odzeniem ju ż od w ielu lat.

Istotną cech ą pociągów szybkiego ruchu pasażerskiego je s t ich jednolite ukształtow anie zewnętrzne pod w zględem oporu pow ietrza. N a rysunku 4 przedstaw iono zależność oporów toczenia i aerodynam icznych w zależności od prędkości. Z analizy tego w ykresu wynika, że już od prędkości ok. 80 km /h, opór pow ietrza je s t w iększy od oporu toczenia, a przy prędkościach rzędu 300 km /h blisko 5-krotnie [9, 14]. N a w ielkość oporu pow ietrza ma wpływ ukształtow anie czoła i krańca pociągu oraz jednolitość pow ierzchni zew nętrznej — szczególnie istotne je s t elim inow anie przerw pow ierzchni m iędzy w agonam i. Dlatego też pociągi szybkiego ruchu pasażerskiego są pociągam i o stałym, pod w zględem ruchowym, składzie w agonów , takim sam ym ukształtow aniu czoła i krańca pociągu (bez względu na usytuowanie napędu) oraz specjalnie ukształtow anych’ strefach połączeń wagonów . W pociągach szybkich w spółczynnik oporu czołow ego osiągany je st na poziom ie 0,3 [17].

U kształtowanie czoła i krańca pociągu pow inno ograniczać falę w zrostu ciśnienia przy mijaniu pociągu na sąsiednim torze lub obiektów stałych. W spółczynnik w zrostu ciśnienia Cp nie pow inien być w iększy od 0,15 [17].

[XW]

R(V)

/

F(V) R (V)

/

0

F(V)

0 50 100 ISO 200 250 300 320 400

PrtdhoUVkmfft

V|kmA>|

Rys. 4. Zależność oporów ruchu od prędkości jazdy [5]

a - moc niezbędna do pokonania oporów ruchu (linia przerywana - same opory tarcia) b - zależność oporów ruchu od prędkości dla czterech różnych pociągów: RI - TGV 00!, R2 - TGV-PSE, R3 - „Corail", R4 - ICE

Fig. 4. Résistance of ride in function speed

Istnieją dw a głów ne układy pociągów szybkich:

• pociągi zespołow e — w których napęd (najczęściej na dw a, niekiedy trzy w ózki) je st um ieszczony na jednym lub obu krańcach pociągu — w członie napędnym , w którym nie ma pom ieszczeń dla pasażerów ;

• zespoły trakcyjne — w których napęd rozm ieszczony je s t w kilku w agonach dla pasażerów.

(10)

Pierwszy z tych układów ma tą zaletę, że ułatwia proces utrzym ania, a zwłaszcza przeglądów , ponadto oddziela źródła hałasu i wibracji od pom ieszczeń dla pasażerów. Jego w adą je st natom iast trudność uzyskania nacisków kół na szyny nie przekraczających wymagań A GC, to je st odpow iadających m asie 17 t [17],

Z aletą drugiego je st dow olność w rozm ieszczeniu urządzeń w pociągu, możliwość uzyskania odpow iedniej przyczepności poprzez m ożliw ość zw iększenia liczby zestawów napędnych, naw et przy znacznie ograniczonych naciskach kół ną szyny. W adą — trudność w pełnej izolacji pom ieszczeń dla pasażerów od szkodliwego oddziaływ ania urządzeń napędu (drgania, hałas, pola elektrom agnetyczne) oraz mniej dogodne warunki utrzym ania, bardziej złożony ogólny układ konstrukcji.

Pod w zględem cech użytkowych, ja k i cen w ym ienione układy pociągów są porównywalne [17].

Inne kryterium podziału pociągów szybkich stanowi zastosow anie w nich (lub brak) m echanizm u przechylania nadw ozia w lukach torowych.

Pociągi dużych prędkości bez tego m echanizm u w ym agają specjalnie przystosowanych torowisk, odznaczających się m inim alną liczbą łuków i to tylko o dużych promieniach.

Eksploatacja takiego taboru m a sens jedynie w krajach posiadających sieć specjalnych linii, na których pociągi takiego typu, ja k np. francuski TG V , włoski ETR 500 są w stanie jechać z prędkościam i rzędu 300 km/h.

W w arunkach polskich szybki tabor bez przechylnego pudła w ym agałby w cześniejszego zainw estow ania ogrom nych funduszy w budow ę nowych linii. Rów nocześnie cały proces unow ocześnienia oferty przew ozow ej PKP przeciągnąłby się w czasie o kilka lat. Dlatego ogłaszając przetarg na dostaw ę nowych pociągów, za jedno z najw ażniejszych kryteriów uznano m ożliw ość szybkiego w prow adzenia ich do efektywnej eksploatacji przy możliwie najm niejszych nakładach na infrastrukturę [18].

Pociągi z przechylnym i pudłam i w odróżnieniu od pociągów konw encjonalnych, mogą zapew nić w iększe prędkości na istniejących liniach kolejowych. A trakcyjność tego rozw iązania je s t najw iększa na obszarach gęsto zaludnionych o dużej ilości łuków oraz ze względu na ochronę środow iska naturalnego.

W ystępują także pew ne trudności zw iązane z w prow adzeniem do eksploatacji pociągów z przechylnymi pudłam i.

Po pierw sze, pom im o że pociągi te um ożliw iają zw iększenie prędkości jazd y na liniach konw encjonalnych, to w stosunku do pociągów szybkich bez przechylnych pudeł na specjalnie zbudow anych liniach osiągają prędkości niższe. Po drugie, przejazd przez łuki z prędkościam i w iększym i niż konw encjonalne pociągi obecnie eksploatow ane powoduje zw iększone oddziaływ anie na tor i w iększe zużycie szyny zewnętrznej [7].

Istnieją rów nież przeciw staw ne w ym agania m iędzy wózkiem, który m oże łatw o wpisywać się w łuk, a zatem w ózkiem podatnym i w ózkiem przeznaczonym do dużych prędkości, który pow inien być sztywny. W ózek sztywny je st mniej w rażliw y na ruch w ężykujący i w ten sposób m ożna ograniczyć zużycie zarówno koła, ja k i szyny [7],

M ożna przypuszczać, że roczne koszty utrzym ania w ózków z układem przechyłow ym będą w iększe niż w ózków konw encjonalnych.

Przed w prow adzeniem pociągu z przechylnym pudłem na daną linię należy dokonać pom iarów jego skrajni kinem atycznej, gdyż m oże się okazać, że w agony o normalnych gabarytach po w prow adzeniu przechyłu nie m ieszczą się w skrajni dynam icznej i trzeba bądź zm niejszyć gabaryty w agonów , bądź pow iększyć skrajnię linii. W iele zależy od zastosow anego układu przechyłow ego i układów tłum iących. W pociągach X -2000 i Pendolino układy tłum iące są zam ontow ane na zew nątrz ramy w ózka [7].

(11)

Możliwości techniczne w prow adzenia pociągów 1 0 1

Szybki przejazd przez łuk lub nagłe przejście z jednego łuku w drugi staw iają wysokie wymagania przed m echanizm em przechyłowym, poniew aż m usi on odpow iednio szybko i pod odpow iednim kątem przechylić wagon, a ew entualne opóźnienie w działaniu m oże mieć negatywny w pływ na k om fort pasażerów.

N iezależnie od tego, czy m am y do czynienia z taborem o przechylnym pudle, czy z taborem konw encjonalnym , w prow adzenie w iększych prędkości na istniejących liniach wymaga na ogół w ydłużenia dróg ham owania, z czym w iąże się często 'konieczność przestaw ienia sygnalizatorów przytorowych, jeśli takie istnieją.

K ażda propozycja w prow adzenia pociągu z przechylnym pudłem na istniejącą linię wymaga szczegółow ej oceny kosztu tej inwestycji, a w ynik zależeć będzie od rodzaju danej linii, rodzaju przew ozów , konkurencji ze strony innych przew oźników oraz ogólnego obciążenia przew ozow ego linii.

Ogólnie biorąc, zastosow anie pociągów z przechylnym pudłem wym aga inwestycji w zakresie infrastruktury, które są jednak w yraźnie m niejsze niż dla w prow adzenia szybkich pociągów bez tego system u i w efekcie oszczędności z tego tytułu w połączeniu z oszczędnościam i na czasie podróży pow inny pokryć zw iększone koszty zakupu i utrzym ania tego typu składów.

Z opinii w iększości obserw atorów wynika, że w przeważającej liczbie dotychczasowych zastosowań pociągi z przechylnym i pudłami są rzeczywistym krokiem naprzód [7].

W najbliższym okresie PKP zam ierzają w prow adzić do eksploatacji pociągi z przechylnym pudłem Pendolino produkcji włoskich zakładów Fiat Ferroviaria. Jest to konstrukcja sprawdzona w eksploatacji, nie w ym agająca przeróbek w instalacji elektrycznej z uw agi na taki sam system zasilania sieci trakcyjnej w Polsce i we W łoszech (3 kV prądu stałego).

Systemy zasilania sieci trakcyjnej w różnych krajach przedstaw iono na rysunku 5. Pociągi te będą eksploatow ane (i m ontow ane) także w Czechach, zostały zakupione przez Słowenię.

Rys. 5. Systemy zasilania trakcji w Europie Fig. 5. Systems of power in Europę

(12)

1 0 2 M. Sitarz, J. R aczyński, M. Lisowski

4. ZASA DA D ZIA ŁA NIA POC IĄ G U Z PRZECH YLN YM PUDŁEM

Podczas ruchu pojazdu z prędkością v po luku torowym o'prom ieniu R, ale bez przechyłki toru u na pudło w agonu, a tym sam ym na pasażera, działa przyspieszenie odśrodkow e o wartości a = v2/R . W celu zapew nienia odpowiedniego kom fortu ja zd y , ograniczenie w ielkości przyspieszenia poprzecznego uzyskuje się poprzez w prow adzenie w łuku przechyłki toru u, podnosząc szynę zew nętrzną w stosunku do sżyny w ew nętrznej. Powoduje to nachylenie toru i w agonu o. kąt a w stosunku do poziom u. W środku ciężkości na pudło działają dwie siły rów noległe do podłogi wagonu, przeciwnie do siebie skierowane, określające siłę w ypadkow ą C [ 18]:

C = F c o s a - G - s i n a

2 (D

m • = m ■ — ■ cos a - m ■v g ■ sin a

~R gdzie:

a*, - niezrów now ażone przechyłką toru przyspieszenie odśrodkowe, g - przyspieszenie ziem skie,

m - masa wagonu.

Siły te pokazane są na rysunku 6.

Dla małych w artości kątów a w artość cos a s 1, a ponadto sin a = ii/bA. W obec tego niezrów noważone przyspieszenie odśrodkow e działające na pudło (rów noległe do podłogi) wynosi [18]:

V 2 U

a = m ---g ---

9 R 2bA (

W łaśnie to w ypadkow e przyspieszenie skierow ane równolegle do podłogi je s t odczuwane przez pasażera podczas przejazdu w agonu przez łuki. Pożądane je st, aby w artość tego przyspieszenia była rów na zeru. T eoretycznie m ożna wprow adzić w łuku dla danej prędkości maksymalnej przechyłkę o takiej w artości, aby to przyspieszenie odśrodkow e zostało zrów now ażone (a q = 0). N ie stosuje się jednak takiego rozw iązania ze w zględu na fakt przejeżdżania po tych sam ych torach w olniejszych pociągów tow arowych, należy ponadto założyć m ożliw ość zatrzym ania się pociągu na łuku. W praktyce przechyłkę rów now ażącą (av = 0) w prow adza się dla prędkości pośredniej v (0<v<v,lult). Prędkość jazdy, przy której aH = 0, nosi nazw ę prędkości w yrów naw czej. Przy prędkościach w yższych od niej siła odśrodkow a je s t tylko częściow o kom pensow ana — w ystępuje tzw. niedobór przechyłki u„.

W różnych zarządach kolejow ych przyjm uje się dopuszczalne w artości nieskom pensowanych przyspieszeń odśrodkow ych w łukach w granicach 0,65 4- 1 m /s2. P rzejściow o też stosowana była wartość 1,2 m /s ', ale w ystępow ały trudności z utrzym aniem toru [18].

N ajw iększą w artość prędkości w łuku, dozw olonej ze w zględu na kom fort jazdy, można określić w zorem [18]:

IT u

— [km/h] (3)

Na liniach PKP stosuje się niedobór przechyłki 100 mm, co odpow iada przyspieszeniu a , = 0,65 m/s2 [18].

(13)

Możliwości techniczne w prow adzenia pociągów 103

Rys. 6. Siły oddziałujące na pudło wagonu w czasie jazdy przez łuk torowy [18] S - środek ciężkości; G - masa pudla wagonu (G = mg); F - siła bezwładności; a - kąt nachylenia płaszczyzny toru do poziomu; y - dodatkowy kąt nachylenia pudła w łuku od sterowanej w wagonach przechyłki ust. (kontur nachylonego pudła w postaci linii przerywanej);

2bA - rozstaw okręgów tocznych równy 1500 mm odpowiadający nominalnemu rozstawowi środków szyn 2s

Fig.l. The forces acting upon the car body when the car is going over a curve [12] S - centre of gravity; G - car body mass (G = mg); F - force of inertia; a - angle of inclination of the track plane to the level; y - additional car body tilt angle generated by the car-controlled tilt (the outline of the body tilt is drawn as a dashed line); 2bA - the wheel track of 1500mm corresponding to the nominal track gauge 2s

W w agonach z przechylnym pudłem poprzez dodatkow y przechył o kąt y w łukach torowych otrzym uje się pozorne dodatkowe przechyłki usl. Po uw zględnieniu niedoboru przechyłki, dozw oloną prędkość ja zd y w łuku określa w zór [18]:

v v T f8 (u+u") ^km/h:i (4)

Przyjmując np. 7 = 8° otrzym uje się najw iększą w artość przechyłki usl = 210 mm. W zór na maksymalną prędkość w łuku torow ym przyjm uje w tedy postać [18]:

v = i W s ' {u+u" +u^ [km/hl

⁽⁵⁾

(14)

Jeżeli założy się m aksym alne w artości dla poszczególnych przechyłek, tj. u = 100 mm, us, = 210 m m , to w zór na prędkość m aksym alną pojazdu z nachylanym pudłem w łuku torowym przyjm uje postać [18]:

v = 6 ,2 4 V /? (6 )

Sterow ane nachylenie pudła o kąt g = 8° rów now aży dodatkowe przyspieszenie odśrodkow e o wartości 1,35 m/s". Przy przyjętej na PKP niezrów noważonej wartości przyspieszenia równej 0,65 m /s2, w artość całkow itego przyspieszenia w yniesie 2,0 m /s2. N a tor kolejow y przekazuje się jed n ak przyspieszenie poprzeczne w pełnej w artości w ynikające z prędkości jazdy i prom ienia łuku.

Konieczne je st jednak zachow anie określonej rezerw y ze w zględu na kryterium deformacji toru, zależnej przede w szystkim od konstrukcji w ózka przy danej prędkości jazd y i param etrach geom etrycznych łuku. Dlatego przy określaniu maksymalnych prędkości jazdy dla wagonów z nachylanym i pudlam i pow inny być m ierzone sum aryczne siły przekazywane na przęsło toru. D opuszczalne w artości tych sił są określone kartą U IC -5 15.

W agony z pudłam i przechylnym i w łukach torowych m ogą poruszać się po tukach z prędkością o 25 -f 30% w yższą niż wagony konw encjonalne, przy zachow aniu wymaganego kom fortu podróżow ania i spełnieniu w arunku nieprzekraczania przez oddziaływanie dynam iczne na tor w kierunku poprzecznym w artości dopuszczalnych sił ze w zględu na deform acje toru [18].

5. D O TY C H C ZA SO W E D O ŚW IA D CZEN IA W EK SPLOA TA CJI POCIĄGÓ W Z PRZECH Y LN Y M PUDLEM

5.1. K o n s tru k c je w łoskie (F ia t F e rro v ia ria )

Zakłady Fiat Ferroviaria są najbardziej znanym, światow ym producentem pociągów z przechylnym pudłem , a także samych urządzeń do przechyłu [7], Prace studyjne nad zastosow aniem m echanizm u przechylnego pudła pociągu rozpoczęto w koncernie Fiata w roku 1967. Były one kontynuow ane przez pierw szą połow ę lat 70., potw ierdzając słuszność przyjętej koncepcji.

W roku 1971 zbudow ano prototypow y pociąg w ykorzystujący ten patent, składający się z jednego wagonu silnikow ego, o oznaczeniu fabrycznym Y 0160. N a przestrzeni lat 1971 4 1974 przy udziale tego pociągu przeprow adzono liczne testy spraw dzające przydatność nowej konstrukcji.

W roku 1974 w prow adzono do produkcji pociąg E T R 401, określany ja k o pierwsza generacja Pendolino. Składał się on z czterech w agonów , a regularne przew ozy na kolejach w łoskich przy je g o użyciu rozpoczęto w 1976 roku. D ośw iadczenia w yniesione z eksploatacji tej serii posłużyły do optym alizacji przyjętych rozw iązań [ 1].

Kolejnym etapem rozw oju było zaprezentow anie przez Fiata w roku 1986 pociągu serii E T R 4 5 0 (czyli drugiej generacji Pendolino), przedstaw ionego na rys. 7. R ozpoczął on regularną obsługę linii FS w m aju 1988 roku. Jest to ju ż pociąg dopracowany konstrukcyjnie i eksploatow any do dzisiaj, chociaż jego produkcji ju ż zaprzestano. W rekom endow anej przez producenta specyfikacji składa się z 9 w agonów (8 silnikow ych i 1 doczepnego). Jest zasilany

(15)

z sieci prądu stałego 3 kV. Jako cały zespół dysponuje m ocą 5 M W , ma długość 226,7 m, masę 405 t i m oże zabrać 386 pasażerów. Jego prędkość m aksym alna to 250 km/h [15].

Na rys. 8 pokazano schem at system u przechyłu pudła ETR450. W tej generacji Pendolino mechanizm ten zabierał część przestrzeni w pudle nad wózkami.

Możliwości techniczne w prow adzenia pociągów ...____________________________________ 105

Rys. 7. Pociąg ETR 450 [6]

Fig. 7. Train ETR 450

Obecnie podstaw ow ą odm ianę pociągu Pendolino stanowi seria E T R 4 6 0 , czyli Pendolino trzeciej generacji. Do eksploatacji w prow adzono j ą na jesieni roku 1995. W wyglądzie zewnętrznym uw agę zw raca klinow e, aerodynam iczne ukształtow anie kabiny m aszynisty.

W porów naniu z generacją poprzednią pociąg udoskonalono, m.in. dzięki szerokiem u zastosowaniu now ych rozw iązań z dziedziny sterow ania elektronicznego. Przekonstruow ano także m echanizm przechyłu pudła. Jego elem enty składowe przedstaw ia rysunek 9.

Ulepszeniam i w prow adzonym i w III generacji pociągów Pendolino w stosunku do poprzednich wersji są: ulokow anie całego m echanizm u przechyłow ego w w ózku, co daje więcej m iejsca w ew nątrz w agonów oraz uproszczenie połączenia pudło - w ózek, ułatw iające utrzymanie tego węzła.

Elektronicznie sterow ane boczne zaw ieszenie pudła w zespołach III generacji zapewnia utrzymanie pudła w osi w ózka i nie pozw ala na wypychanie go na zew nątrz łuku pod wpływem działającej siły odśrodkow ej. W ózki w ykonane są na prędkość m aksym alną 250 km/h i m o g ą przejeżdżać przez łnki o prom ieniu m inim alnym 250 m.

M echanizm przechyłow y Fiata m a sterow anie m ikroprocesorow e i napęd hydrauliczny.

Zastosowany układ rozm ieszczenia czujników i przetw orników do identyfikacji luków przed pociągiem pozw olił na ograniczenie liczby żyroskopów' i m ierników przyspieszenia zainstalowanych na w ózkach, pom im o zastosow ania przez producenta ze w zględów bezpieczeństwa kryterium przew ym iarow ania układu.

(16)

Rys. 8. System przechyłu pudła w ETR 450 [15]

Fig. 8. Tilting system in ETR 450

Proces sterow ania przechyłem polega na wysyłaniu w regularnych odstępach czasu danych do głównego m ikroprocesora pociągu przez m iernik przyspieszenia, żyroskopy i przeliczniki, do których to w artości dodaw ana je st aktualna prędkość pociągu i w artość bocznego, niezrów now ażonego przyspieszenia. System em przechyłki sterują bezpośrednio m ikroproce

sory w poszczególnych w agonach, które otrzym ują sygnały z m ikroprocesora głównego w zależności od m iejsca ich znajdow ania się w pociągu i przeliczają ten sygnał na w artość kąta przechyłu.

H ydrauliczny układ napędow y składa się z wysokociśnieniowej pom py i siłowników. Po uruchom ieniu serw ozaw orów następuje zadziałanie siłow ników zainstalow anych po dwa na każdą stronę w agonu - łącznie 4 pod wagonem - i pudło zostaje przechylone. Przechyl wagonu m oże nastąpić tylko w ów czas, gdy spełnione są jednocześnie w szystkie niżej wym ienione w arunki:

- nastąpi rozpoznanie łuku przed pociągiem ;

- prędkość pociągu będzie w ynosiła co najm niej 70 km/h;

- przechyłka toru osiągnie pew ną m inim alną wartość i będzie m iała tendencję do dalszego wzrastania;

- niezrów now ażone boczne przyspieszenie osiągnie pew ną w artość progową.

(17)

Możliwości techniczne w prow adzenia p o c ią g ó w ... 107

Ib o d y FRAME I

[b o g ie FRAME |

Rys. 9. Wózek pociągu ETR 460 z elementami systemu przechyłu [15]

Fig.9. The ETR460 train bogie with the tilt mechanism elements [4]

CONNECTING ROD

BODY ROTATION ACTUATOR

ACT. LAT. SUSPENSION ACTUATOR

(18)

N a rysunku 10 przedstaw iono pociąg ETR 460 Pendolino.

Rys.10. Pociag ETR 460 Pendolino [6]

Fig. 10. Train Pendolino ETR 460 produccd by Fiat Ferroviaria

5.2. K o n stru k c je n iem ieckie

Koleje niem ieckie DB rozpoczęły badania nad pociągami z przechylnym i pudłam i w połowie lat 60., kiedy to podjęto pracę Sterow anie pudłem pojazdu w zależności od luku toru.

W czasie badań w 1965 roku użyto środkowego wagonu doczepnego z zespołu trakcyjnego serii VT 24.6, natom iast 7 lat później - 12 przebudowanych wagonów serii 624. Kąt przechyłu m usiał być w tedy ograniczony do 2°52’ z powodu kształtu ścian bocznych.

Jednakże ju ż w tym sam ym roku zaprezentow ano nowy wagon przechylny serii 614 z kątem wychyłu 4°24’, dzięki zm ianom kształtu pudła [7].

W późniejszych latach technika przechyłow a, w połączeniu z pneum atycznym zawieszeniem i zm niejszoną skrajnią pojazdów , stw orzyła m ożliw ości opracowania koncepcji elektrycznego zespołu trakcyjnego serii 403. Składy te, których zbudow ano tylko trzy, były wykorzystywane początkow o ja k o pociągi InterCity, a następnie zostały skierow ane do pracy jako Lufthansa A irport Express (wg [7] eksploatowano je bez system u przechyłu).

W 1975 roku nastąpiło załam anie koniunktury gospodarczej i w strzym anie badań nad pojazdami z przechylnym pudlem . DB skoncentrow ały się na m odernizacji infrastruktury.

Była to w owym czasie decyzja słuszna, jednak w strzym ała na 10 lat rozwój tego taboru [7], Ponowne podjęcie prac nastąpiło w 1986 roku. W wyniku analiz stw ierdzono, że pociągi z przechylnymi pudłam i m o g ą przynieść znaczące korzyści, zw łaszcza w ruchu regionalnym . W tym celu postanow iono przebadać istniejący ju ż włoski pociąg Pendolino z aktywnym systemem przechyłu i hiszpański pociąg Talgo z pasywnym systemem przechyłu.

Przeprowadzone z pom yślnym wynikiem próby doprowadziły do zakupów [7]:

- 20 pociągów spalinow ych zespołów trakcyjnych serii 610 w yposażonych w system przechyłowy firm y Fiat, do obsługi połączeń Regio Express w rejonie Norym bergii;

- 4 składy w agonów Talgo, ciągnionych lokomotywami i wykorzystujących pasywny system przechyłu, dający popraw ą kom fortu jazdy w pociągach InterCityN ight, które w prow adzono na trasach Berlin - Bonn i Berlin - M onachium .

(19)

M ożliwości techniczne w prow adzenia pociągów . 109 Na tym się nie skończyło, ponieważ złożono zam ówienia na dwa now e pociągi InterCityNight do obsługi połączenia H am burg - M onachium oraz zam ów ienia na łącznie ponad 100 składów z przechylnym pudłem trzech różnych .serii. W śród nich są 43 składy pociągów ICT. Pociągi te o prędkości 230 km/h, m ożna wykorzystywać na istniejących liniach o licznych lukach, ja k i na liniach zm odernizowanych i nowych. Ponadto zam ówiono 14 spalinowych zespołów trakcyjnych przeznaczonych zasadniczo do obsługi pociągów dalekobieżnych na liniach nie zelektryfikow anych, ale zdolnych także do łączenia‘z pociągami ICT i jeżdżenia na odcinkach zelektryfikowanych z prędkościam i do 200 km /h. Do obsługi linii regionalnych z prędkościam i do 160 km/h zam ówiono w reszcie 50 spalinowych zespołów trakcyjnych V T 611 z nowo opracowanym m echanizm em przechyłow ym [7],

Pociągi z przechylnym pudłem są traktowane na kolejach niem ieckich ja k o rozw iązanie alternatywne dla kosztow nej budow y nowych linii lub modernizacji dotychczasow ych, a także jako przedłużenie tych linii na każdym z jej końców w celu zapew nienia dużych prędkości handlowych na całej trasie podróży.

5.3. R o zw iązan ia ja p o ń sk ie

Pierw sze pociągi z przechylnym nadw oziem zostały w prow adzone w Japonii w 1973 r., a obecnie je st w eksploatacji praw ie 700 wagonów z takim układem [8], N a liniach wąskotorowych Japonii pociągi te um ożliw iły skrócenie czasów jazdy, co uczyniło je bardziej konkurencyjnymi dla linii lotniczych.

Byłe Japońskie K oleje Państw ow e (JNR) były pionierami we w prow adzaniu pociągów z przechylnym nadw oziem na swojej sieci w ąskotorowej 1067 mm. Elektryczne zespoły trakcyjne serii 381, 6-w agonow e, z nadw oziem wykonanym z alum inium m iały przechyl bierny z wbudow anym i m iędzy pudło a w ózek rolkam i, a przechyl w agonów w ynosił 5“.

Zespoły te m ogły przejeżdżać przez łuki z prędkością o 15-20 km/h w iększą niż pociągi bez przechyłu. Prędkość m aksym alna zespołów 381 wynosiła 120 km/h. Jednak obecnie zespoły serii 381 m a ją ju ż ponad 20 lat, są przestarzałe i w zrosła ich awaryjność [8].

Rozpad kolei JN R w 1987 r. na sześć grup spowodował szybki rozwój pociągów z przechylnym nadw oziem . O becnie w szystkie koleje japońskie eksploatują pociągi wyposażone w ja k iś rodzaj przechyłu aktywnego. N adw ozia tych zespołów nie są ju ż wykonywane z alum inium , lecz ze stali zwykłej lub nierdzewnej. Prędkość maksym alna została podniesiona do 130 lub naw et do 160 km/h, ja k w zespołach serii 8000, które eksploatuje kolej JR Shikoku. N ow e zespoły m ają napęd elektryczny lub spalinowo- hydrauliczny i rozrząd ukrotniony.

Kolej H okkaido postanow iła skracać czas jazd y na swojej sieci. W tym celu w 1990 r.

wprowadziła elektryczny zespół trakcyjny serii 785 o prędkości m aksymalnej 130 km /h, bez przechyłu pudła na trasę Sapporo - Asahikaw a. Skrócenie czasów ja zd y doprow adziło do wzrostu liczby pasażerów o ok. 10%, co jeszcze raz potw ierdziło zasadę, że wzrostem szybkości zdobyw a się pasażerów [8]. Zachęcone tym sukcesem koleje JR H okkaido zwróciły uwagę na kolejną linię, ja k ą była niezelektryfikowana linia S apporo-H akodate, długości 319 km. Czas przejazdu pociągiem na tej trasie wynosił w ówczas 3 godziny 29 m inut, a konkurencyjne linie lotnicze urucham iały w ów czas m iędzy tymi m iastam i 8 par lotów na dobę. Aby pokonać rywala, konieczne było osiągnięcie czasu przejazdu co najwyżej 3 godziny. Po krótkiej analizie uznano, że ze w zględu na to, że linia na 1/3 swojej długości ma dużą ilość łuków i tylko w połow ie je st zelektryfikowana, a ponadto w ąskotorow a, należy zastosować spalinow e zespoły trakcyjne z przechylnym nadwoziem . Kolej H okkaido nie była w pełni usatysfakcjonow ana eksploatacją odziedziczonych po kolejach JN R zespołów trakcyjnych z pasywnym system em przechyłu, które m iały zastosow ane rolki pom iędzy

(20)

1 1 0 M. Sitarz. J. Raczyński, M. Lisow ski

pudlem a w ózkiem . W praw dzie nadw ozia tych zespołów przechylały się na łukach sam oczynnie z pow odu działanie siły odśrodkow ej, tym niemniej bezw ładność pudla i opory tarcia m echanizm u przechyłow ego opóźniały niwelowanie oddziaływ ania siły odśrodkowej na pasażerów i obniżały w ten sposób kom fort jazdy, zw łaszcza podczas w jazdu w łuk i przy w yjeździe z niego [8].

Problem ten został rozw iązany przez w prowadzenie sterow anego, pasywnego systemu przechyłki. Polega on na tym, że kom puter pokładowy pociągu zaw iera w prow adzone do pam ięci dane odnośnie do lokalizacji, prom ienia i długości każdego łuku na linii, po której jedzie pociąg. Przy zbliżaniu się do łuku kom puter oblicza położenie pociągu przyjm ując jako punkty odniesienia elektrom agnesy przytorow e urządzeń służących do zatrzym ania pociągu i ustala w łaściw y kąt przechyłu i czas jazd y z tym przechyleniem . Przechył je st sterowany cylindrami pneum atycznym i w budow anym i pom iędzy pudło pojazdu i w ózki. Zastosowany układ je st absolutnie niezaw odny, gdyż naw et jeśli ulegnie uszkodzeniu w czasie jazdy, to przechył pasyw ny i tak nastąpi w skutek działania siły odśrodkowej.

D odatkow ą trudnością dla producentów taboru je st to, że kolej JR H okkaido wymaga, aby pociągi je źd z iły niezaw odnie także w warunkach zim ow ych, przy silnych opadach śniegu i tem peraturach do -2 0 ' C. Jest to trudne do spełnienia, gdyż urządzenia przechyłu znajdują się na w ózkach i są w zasięgu śniegu unoszącego się ż torow iska w czasie jazdy. Śnieg przedostaw ał się do urządzeń i zakłócał pracę m echanizm u przechyłow ego, co powodowało, że działał on z m n iejszą dokładnością lub był w ogóle elim inow any z pracy. W pływało to na obniżenie kom fortu ja zd y , a w ostateczności prowadziło do konieczności ograniczenia prędkości pociągu. Po próbach z prototypem zespołu serii 281, który pierw otnie był 2- w agonow ym spalinow ym zespołem trakcyjnym z rolkami w m echanizm ie przechyłowym, zdecydowano się na dodanie trzeciego wagonu wyposażonego w prowadnik łożyskowy.

Uzyskano w ten sposób m niejsze tarcie niż przy poprzednim łożysku rolkow ym i możliwość dalszego zm iniaturyzow ania układu. Sterow nik układu um ieszczono ponadto w pyłoszczelnej obudowie, co zatam ow ało przedostaw anie się do niego śniegu i wilgoci. W ten sposób urządzenie przechyłu zaczęło pracować bezaw aryjnie [8].

N ow szą konstrukcją w tym zakresie są zespoły serii 281, które m ają kąt przechyłu 5 ' i m ogą przejeżdżać przez łuki o prom ieniu 600 m z prędkością 120 km /h, czyli o 30 km/h szybciej niż pociągi konw encjonalne. W prow adzenie tych zespołów na trasę Sapporo - Hakodate w 1994 r. spow odow ało skrócenie czasu jazdy o 30 m inut, do 2 godzin 59 minut, w wyniku tego w spom niane wyżej linie lotnicze m usiały zredukować liczbę lotów m iędzy tymi miastami, gdyż część podróżnych przesiadła się na pociąg [8].

Następnym celem kolei H okkaido stało się skrócenie czasu ja zd y pom iędzy Sapporo a Kushiro, na trasie długości 349 km , do 3 godzin 40 minut, czyli o 45 m inut. A by to osiągnąć konieczne było zbudow anie now ego spalinow ego zespołu trakcyjnego, oznaczonego serią 283, któryr m ógłby pracow ać w jeszcze niższych tem peraturach i przy je szc ze większych opadach śniegu niż te, które w ystępują na linii Sapporo - H akodate. Ponadto now y zespól powinien pokonyw ać je szc ze ostrzejsze łuki i jeszcze słabiej oddziaływ ać na tor, gdyż om awiana linia je st położona na niestabilnym podłożu [8].

Zespół serii 283 w szedł do eksploatacji w 1997 r. Ma on w ózki z n o w ą konstrukcją naroży i sam osterujące zestaw y kołow e, które m ają m niejsze poprzeczne oddziaływ anie na tor przy ostrych łukach. W ten sposób zespół serii 283 je st bardziej stabilny od zespołu 281, gdyż ma w porów naniu z nim o 50% m niejsze siły poprzeczne średnie, o 10 - 15% m niejszą maksym alną siłę poprzeczną i o 10 - 15% niższy w spółczynnik w ykolejenia [8].

Chociaż zespoły serii 283 są w zorow ane na serii 281, to jed n ak m ają szereg ulepszeń, a m ianow icie niżej położony środek ciężkości (1,35 m wobec 1,47 m), niżej położoną oś obrotu

(21)

M ożliwości techniczne w prow adzenia pociągów

111

pudla w czasie przechyłu (1,9 m wobec 2,3 m) i w iększy kąt przechyłu (6" zam iast 5°). W wyniku tych zm ian zespoły serii 283 m ogą przejeżdżać przez łuki o 10 km /h szybciej niż zespoły serii 281 [8],

K ontrolow any przechyl bierny wyraźnie poprawia kom fort jazd y na łukach i zachowanie się sam ego pociągu na łuku. U kład sterujący składa się z żyroskopu m ierzącego przechyłkę i przyspieszeniom ierza, który wykrywa w jazd pociągu na łuk [8].

Kolej JR H okkaido m odernizuje obecnie linię Soya w ęelu w prow adzenia nowych pociągów ekspresow ych od w iosny 2000 r. Nowe ekspresy b ęd ą oparte na zespołach serii 201, ale z ulepszonym system em -przechyłu, dostosowanym do topografii linii. O czekuje się skrócenia czasu ja z d y pom iędzy Sapporo i Nayoro, przy odległości 213 km , o 35 minut, z 2 godzin 53 m inut do 2 godzin 18 minut [8].

5.4. In n e ro z w ią z a n ia

Liczba now o opracow yw anych m echanizm ów przechyłu pudła zarów no aktywnych, jak i pasywnych, rośnie praw ie proporcjonalnie do uruchamianych w tym system ie pociągów, ponieważ nie u stają poszukiw ania przez producentów nowych, tańszych rozw iązań.

N eicontrol-E [7]

U rządzenie o nazw ie N eicontrol-E znalazło zastosow anie ja k o sterow nik m echanizm u przechyłowego w now ych spalinow ych zespołach trakcyjnych serii 611, zam ów ionych przez koleje niem ieckie (50 zespołów serii 611 do obsługi ruchu lokalnego).

U rządzenie N eicontrol-E m oże być przydatne do elektrycznie napędzanego układu przechyłowego w pociągach o prędkości do 160 km/h. M aksym alny kąt przechyłu może wynieść 8°. N ow y system w ykorzystuje rozw iązanie napędu zastosow ane w urządzeniach typu G eadrive i opracow ane niegdyś do celów w ojskowych przez firm ę Dasa, będącą filią zakładów AEG. Im pulsy pochodzące od czujników przetw arzane są elektronicznie na sygnały wykonawcze dla m echanizm u przechyłowego.

Zaletami urządzenia N eicontrol-E m ają być: niskie zużycie energii, mała masa, bezpośrednie uzyskiw anie przechyłu i niskie koszty utrzym ania.

Rys. 11. Zasada przechyłu pudla w systemie Neicontrol-E [7]

Fig. 11. Tilting system Neicontrol-E

(22)

M. Sitarz. J. Raczyński, M. Lisowski

Jak w idać na schem acie (rys. 11), urządzenie N eicontrol-E nie zajm uje m iejsca w przedziale pasażerskim , ponieważ je st całkowicie zbudow ane w w ózku i przechyla pudlo poprzez belkę poprzeczną wózka.

C ontR oll [7]

Firm a T albot — obecnie część koncernu Bom bardiera — tw ierdzi, że wynalazła nowy, prostszy sposób uzyskania przechyłu pudła poprzez zastosow anie stabilizatorów 'stateczności poprzecznej.

System T albota, zw any GontRoll, został przebadany w duńskim pociągu IC3 przy przechyle do 2,5 stopnia, a ostatnio podjęto próby z przechyłem do 6,5 stopnia na kolejach niem ieckich. U kład przechyłow y Talbota ma na każdym w ózku po dwa siłowniki hydrauliczne do przechyłu pudła, dwa siłowniki hydrauliczno-pneum atyczne boczne (kom pensatory) i jeden stabilizator stateczności poprzecznej (rys. 12).

K inem atyka układu C ontRoll polega na współdziałaniu:

- siłowników hydraulicznych pionowych, które obracają pudło w okół jego osi poziom ej, - siłowników hydrauliczno-pneum atycznych poziom ych sterow anych zaw oram i i działających jednocześnie ja k o tłum iki.

Siłowniki pionow e poruszają się jednocześnie w przeciw nych kierunkach, przechylając pojazd odpow iednio do pozycji stabilizatora stateczności poprzecznej. Zadaniem podsystemu kontrolującego przesuw boczny pudła w zględem wózka je st kom pensow anie bocznego przyspieszenia o w ysokiej, praw ic stałej wartości i zapew nienie bocznego usprężynowania pneum atycznego przeciw działającego ewentualnym uderzeniom na nierów nościach łuku, co obniża także zużycie energii przez pojazd.

Rys. 12. Stabilizatory stateczności poprzecznej pojazdu w systemie przechyłu ContRoll firmy Talbot [7]

Fig. 12. System of lateral stability ContRoll of Talbot

(23)

M ożliw ości techniczne w prow adzenia pociągów .

W spółdziałanie siłow ników przechylających i poziom ych w yznacza oś obrotu pudła, która znajduje się praw ie zaw sze w tym samym miejscu. Jej w ysokość ponad głów ką szyny musi uwzględniać przeciw staw ne sobie czynniki, jakim i są: kom fort jazdy pasażerów , profil pudła wagonu i zużycie energii. Zm iana któregoś z tych czynników, np. profilu pojazdu, zmienia położenie osi obrotu.

ICN [9]

W szw ajcarskim pociągu ICN zastosow ano rozw iązanie firm y Fiat-SIG. K onstrukcja ta została opracow ana specjalnie w odniesieniu do wym agań Szwajcarskich Kolei Związkowych dla tras o dużej częstości występowania odcinków łukowych o małym prom ieniu oraz do dużych prędkości.

Sterow ane pudłem prom ieniow e ustaw ienie zestaw u kołow ego „N aw igator” zm niejsza siły oddziaływ ania pom iędzy kołem i szyną, a tym samym pow oduje zm niejszone zużycia obu tych elem entów . Prow adzi to do m niejszych obciążeń toru, ja k rów nież do w ydłużenia okresów pom iędzy ponow nym profilowaniem kół.

Pudło w agonu w spiera się w w ózku poprzez centralny am ortyzator pow ietrzny na wahaczu i zabezpieczone je s t przed wywróceniem się stabilizatorem typu „w ank” , zastosow anym na każdym w ózku. A by zm niejszyć oddziaływ anie na pasażerów przyspieszenia w kierunku poprzecznym , a tym sam ym podwyższyć kom fort jazd y na łukach, pudlo wagonu zostało pochylone do w nętrza tuku za pom ocą elektrom echanicznych napędów układu przechyłu. Kąt pochylenia m oże dochodzić do 8 ° (rys. 13). W przypadku awarii elektronicznych układów sterowania lub napędu przechyłu, pudło wagonu ustaw ia się sam oczynnie, za przyczyną odpow iednio uform ow anej prow adnicy w ałeczkow ej, poprzez działanie siły ciężkości w bezpieczne położenie środkow e.

N apęd przenoszony je st poprzez w ał przegubowy, który łączy podw ieszony do pudła wagonu silnik z napędem osiow ym wózka. Pow stające w przypadkach awaryjnych wysokie impulsy m om entu obrotow ego silnika asynchronicznego zostają przechwytywane przez sprzęgła przeciążeniow e, i w ten sposób unika się uszkodzeń układu przenoszenia momentu obrotowego. W yw ażone i ukształtow ane w postaci kosza urządzenia zabezpieczające obejm ują przeguby krzyżow e oraz kołnierze napędow e w ten sposób, że awaria wału lub jakiegoś łączącego się z nim elementu nie pow inna w następstw ie spow odow ać żadnych

szkód.

Rys. 13. Rysunek pociągu ICN w czasie jazdy z przechyłem [9]

Fig. 13. Train ICN in ride wilh body tilt

(24)

P antograf także je st w yposażony w system przechyłu. U kład przechyłu pantografu sprzężony je st bezpośrednio z układem przechyłu wagonu poprzez tzw. "wał elektryczny".

N iezależny nadzór obydwu kątów przechyłu pow oduje, że w przypadku aw arii pantografu jest natychm iast opuszczany, a system je st wyłączany. P antograf za pom ocą mechanicznych sprężyn w prow adzany je st na pozycję środkow ą, zapew niającą popraw ną pracę. W ten sposób w ykluczane je st niebezpieczeństw o uszkodzenia przew odu jezdnego.

X-2000 [17,7]

Szw edzkie zakłady A dtranz w yprodukow ały dotychczas 43 pociągi zespołow e serii X- 2000, które są eksploatow ane w Szwecji. M ają także zam ów ienia z N orw egii, ubiegają się o zam ów ienia w Stanach Zjednoczonych i Portugalii.

M echanizm przechyłow y pociągu X-2000 (rys. 14) jest urucham iany poprzez kom puterowo sterow any pom iar przyspieszenia pierw szego wagonu. Przechył je st więc inicjow any przez siłę odśrodkow ą oddziałującą na czujnik um ieszczony na pierwszym wózku pociągu. Czujnik przekazuje sygnał do kom putera, który w zależności od aktualnej prędkości jazd y oblicza, kiedy i pod jakim kątem każde pudło w agonu ma się przechylić

Przechyl je st dokonyw any za pom ocą urządzeń hydraulicznych znajdujących się na każdym w ózku, z w yjątkiem w agonu silnikowego, który nie przechyla się. M aksym alny kąt przechyłu wynosi 6,5 stopnia, a m aksym alna prędkość przechyłu 4 stopnie/sekundę.

Pociągi z przechylnym i pudłam i w połączeniu z pewnymi pracami m odernizacyjnym i w zakresie infrastruktur}' popraw iły znacznie poziom podróżow ania koleją w Szwecji poprzez skrócenie czasów podróży, a na niektórych liniach um ożliw iły stw orzenie konkurencji z kom unikacją lotniczą. Szw edzkie koleje w skazują np., że ich udział w całości przew ozów na trasie Sztokholm - G oeteborg w zrósł z poniżej 40% przed w prow adzeniem pociągów X-2000 w 1990 roku do 53% w 1994 roku [7],

Rys. 14. System przechyłu pociągu X-2000 [7]

Fig. 14. Tllting system in train X-2000

(25)

M ożliwości techniczne w prow adzenia pociągów .

W ózek S iem ensa do zespołów tra k c y jn y c h V T 605

Siemens opracow ał w ózek z aktywnym układem przechyłu, których 160 sztuk planuje się zastosow ać w zespołach trakcyjnych typu VT 605 dla kolei DB.

System przechyłu typu SF 600 Com fort wykorzystuje napęd elektryczny. W ózek jest zbudow any na prędkość 250 km /h i dostosowany do pociągów z aktywnym przechyłem nadwozia oraz bocznego niezrów now ażonego przyśpieszenia 2 m /s2.

U rządzenie typu SF 600 składa się z 3 podstawowych elem entów : 'elektrycznie napędzanego układ przechyłu, aktywnego bocznego zaw ieszenia i sterow alnych tłum ików.

M odułowa budow a urządzenia pozw ala na tw orzenie różnych odm ian, odpow iednio do zapotrzebowania.

M echanizm przechyłu je st zam ontow any na ram ie wózka, ale jednocześnie oddzielony od jego części ruchom ej, a także od pudla poprzez odpow iednie przyłącza. Pudło oparte je st na sam oosiujących się łożyskach. M echanizm przechyłowy je st urucham iany za pom ocą siłowników elektrom echanicznych. Pudlo wagonu je st przechylane poprzez przekładnię planetarną napędzaną serw om otorem prądu przem iennego o kąt m aksim um 8°. M aksym alna prędkość przechyłu wynosi 7°/s.

Aktywne zaw ieszenie boczne pom aga kom pensow ać duże siły odśrodkow e w ystępujące podczas przechyłu. Składa się ono z dwóch sterowanych elektronicznie cylindrów pneum atycznych. Pudło je st także w yposażone w tłum iki hydrauliczne poprzeczne i pionowe.

Zespolony układ elektroniczny składa się z zespołu sensorów bezw ładnościow ych, wielofunkcyjnej szyny zbiorczej pojazdu oraz sterow nika Sibas 32 konstrukcji Siemens.

Zespoły czujników bezw ładnościow ych kontrolują ruchy zarówno pudla, jak i w ózka pojazdu.

Dane o wartości bocznego przyśpieszenia i kąta przechyłu pudla są transm itow ane szyną zbiorczą do sterow nika Sibas 32, który' z kolei wysyła odpow iednie sygnały sterujące do siłowników m echanizm u przechyłow ego, siłow ników zawieszenia bocznego i sterow alnych tłum ików. Sterow nik Sibas 32 prowadzi także ciągłą diagnostykę układu przechyłowego.

I r S w in g m echanism for Active lateral suspension

b o d y tilting Sem i-active dam pers

H U I Ą , Electrom echanical actuator for active tilting

I• AC'.All Air spring as secon d ary suspension

Rys. 15. Schemat wózka tocznego Siemensa z elektrycznym układem przechyłu [3]

Fig. 15. Configuration of the Siemens trailer with integrated tilling equipment

(26)

116 M. Sitarz, J. Raczyński. M. Lisowski

6. PRZY STO SO W A N IE TO RU K O LEJOW EGO I SIECI TRAK CYJN EJ DLA POCIĄGÓW SZYBKICH

T o r

Dobrym przykładem prac dostosowujących dotychczasowe tory kolejowe do zw iększenia prędkości jazd y m ogą być dośw iadczenia Norw eskich Kolei Państw owych N SB .[4], Analiza tych dośw iadczeń m oże być istotna dla PKP, mając na uw adze planow ane zwiększenie prędkości jazd y pociągów w Polsce na dotychczasow ej sieci torowej.

W 1993 r. przeprow adzono'w N orw egii pom yślne próby z pociągami typu X2 i VT 610.

W ykonane w czasie tych prób pom iary sił w torze wykazały, że są one w granicach dopuszczalnych. Podczas dalszych prób z pociągiem X2 (skrócona wersja pociągu X 2000) w roku 1996 r. stw ierdzono także zadow alające w spółczynniki spokojności biegu [4],

Koleje norweskie prow adzą prace nad zwiększeniem bezpieczeństw a ruchu poprzez w zm acnianie stabilności toru, a w tym poszerzanie ławy torowiska i zw iększanie warstwy podsypki, a także jej w ym ianę. Przesuw ane są semafory w celu dostosow ania odstępów blokowych do w ydłużonych dróg ham owania. O granicza się ilość przejazdów drogowych w poziom ie szyn, zarów no poprzez likw idację mniej uczęszczanych, ja k i budow anie w iaduk

tów. Na pozostaw ionych przejazdach popraw ia się w idoczność z drogi w kierunku toru.

Inne działania koncentrują się na zlikw idow aniu nieregulam ości toru w celu zm niejszenia drgań taboru oraz dostosow ania ram py przechylkow ej do prom ienia łuku, o ile nie koliduje to z krzywymi przejściow ym i.

Projektując układ geom etryczny linii kolejowej i ustalając przechyłki należy wybierać rozw iązania, które um ożliw ią uzyskiwanie największej dopuszczalnej prędkości. M ożna wy

liczyć, uw zględniając istniejące ograniczenia, że pociągi z przechylnym nadw oziem m ogą przejeżdżać przez łuki z prędkościam i do 67% wyższymi niż pociągi konw encjonalne [4], Jednak w zakresie nadającego się do przyjęcia kom fortu jazdy najlepsze wyniki uzyskuje się w zakresie prędkości o 20 - 31% w yższej niż dla pociągów konw encjonalnych i na łukach o przechyłce 150 m m , a także przy całkowitym braku przechyłki.

Sieć tra k c y jn a

W zw iązku z przewidywanym zw iększeniem prędkości jazdy na liniach kolejow ych w Polsce, badane były ograniczenia, ja k ie m ogą w ystąpić w zakresie dostawy m ocy i energii do pociągów o napędzie elektrycznym dużej m ocy przy istniejącym w yposażeniu infrastruktury kolejowej. Chodziło o to, czy będzie m ożliw a dostaw a energii do nowych lokom otyw lub zespołów trakcyjnych o m ocy rzędu 6 M W przewidzianych do kursow ania z prędkością 200 km/h, w założeniu spełnienia w arunku utrzym ania w sieci trakcyjnej napięcia nie niższego od 2S00 V.

Badania takie przeprow adzone został}' w licznych pracach studialnych w zw iązku z przygotow aniam i linii kolejow ych do w prow adzenia ruchu pociągów z w iększym i prędkoś

ciami, a więc w iększym i m ocam i pojazdów trakcyjnych [6, 7, 8],

Dla dużych prędkości ja zd y najbardziej przygotowana została na PKP linia CM K, na której ju ż w przyjętych założeniach projektowych m iały kursow ać pociągi z prędkościam i do 250 km/h. W tym okresie jed n ak brak było uregulowanych wym agań w zakresie jakości dostaw y energii do szybkich pociągów , przypuszczano więc, że wystarczającym w yposażeniem odm iennym niż dla pozostałych linii będzie zw iększenie mocy podstacji trakcyjnych i obniżenie ich w zajem nych odległości. Uzyskano przez to zw iększenie mocy liniowej do ok. 0,43 M W /km , wobec ok. 0,2 M W /km dla innych m agistralnych linii