W itold G RO LL Tadeusz W O LFRA M
O NIEKTÓRYCH CZYNNIKACH WPŁYWAJĄCYCH NA DOPUSZCZALNĄ PRĘDKOŚĆ JAZDY
POCIĄGU PASAŻERSKIEGO W ŁUKU
Streszczenie. W referacie omówiono czynniki mające w pływ na dopuszczalną pręd
kość jazd y w luku, jak: przyśpieszenie odśrodkowe działające na pasażera, przyśpie
szenie odśrodkow e w płaszczyźnie toru, szybkości zm iany tych przyśpieszeń, prędkość w zniosu koła podczas jazdy po krzywej przejściowej, oraz prędkość przechyłu nadw o
zia.
SOME FACTORS INFLUENCING ON PERMISSIBLE SPEED OF PASSENGER TRAIN IN CURVE
Sum m ary. Factors influencing perm issible speed o f passenger train in curve such as noncom pensated lateral acceleration to w hich the passenger are subjected, noncom pen
sated lateral acceleration in the track plane, jerk, vertical speed o f wheel lift and car bo
dy roll speed are described in this paper.
1. U W A G I W STĘPN E
O dopuszczalnej prędkości jazdy pociągu pasażerskiego w luku decydują dw a główne czynniki:
• siły m iędzy kołem a szyną
{Q,Y} = f ( M z , a rl, |k on str.j), (1) gdzie:
M z - m asa w odniesieniu do zestawu kół,
a rl - przyśpieszenie odśrodkow e w płaszczyźnie toru, [konstr.] - rodzaj konstrukcji części biegowej,
• w ym uszenia odziałujące na pasażera.
Pierw szy z w ym ienionych czynników został określony przez sform ułow anie granicznych wartości następujących w ielkości [ 1]:
Y/Q < 0,8 dla R > 300 m, (2)
(3)
170 kN V = 250 - 300 km/h 180 kN V = 200 - 250 km/h 190 kN V = 160 - 2 0 0 km/h 200 kN V < 160 km/h.
Drugi czynnik obejm uje w ym uszenie dynam iczne w postaci a rp— przyśpieszenia odśrod
kow ego działającego na pasażera, oraz w ym uszenie kinem atyczne związane z odchyleniem od pionu głów nej osi postaci człow ieka wskutek przechyłki toru oraz dodatkowo — w niektórych przypadkach — w skutek przechyłu nadw ozia. W ielkość tych w ym uszeń i ich przebieg w cza
sie decy d u ją o sam opoczuciu pasażera, w niekorzystnych sytuacjach pow odując pew ne zakłó
cenia funkcjonow ania jego organizm u, utratę równowagi, a nawet objawy choroby morskiej.
Skutki w ym ienionych w ym uszeń są trudne do jednoznacznego ujęcia ilościow ego, poniew aż zależą od indyw idualnych cech organizm u ludzkiego. Tym m ożna tłum aczyć stosunkowo m ałą liczbę publikacji na ten temat.
N iem niej je d n ak z dostępnych inform acji wynika, że problem może nastręczać pewnych trudności w eksploatacji pociągów z wagonam i o przechylnych nadwoziach. Z drugiej strony m a on istotne znaczenie dla m ożliw ości zw iększenia prędkości jazdy pociągów w łuku w przypadku taboru konw encjonalnego.
Zaznaczyć należy, że podczas jazdy pociągu w łuku na pasażera oddziaływ ają również drgania zw iązane z głów nym ruchem pojazdu w torze. Nakładają się one na w spom niane u- przednio w ym uszenia i w ten sposób łącznie decydują o poziom ie kom fortu jazdy.
W dalszej części referatu przedstaw ione będą zagadnienia zw iązane ze w spom nianym w y
m uszeniem dynam icznym i kinem atycznym .
2. PR Z Y ŚPIE SZE N IE O D ŚR O D K O W E O D DZIA ŁY W AJĄCE NA PA SA ŻER A
K om fort jazd y pasażerów je st złożonym odczuciem , wywieranym na pasażera przez ruchy pudła pojazdu szynowego, transm itow ane na cały organizm człow ieka poprzez podłogę, sie
dzisko i oparcie fotela.
O dczucie to m oże być klasyfikowane jako:
• odczucie średnie: bazujące na drganiach o ciągłej ekspozycji w ystępujących w dłuższym okresie czasu (przynajm niej kilka minut),
• odczucie chw ilowe: nagła zm iana średniego odczucia, w ynikająca z krótkotrw ałych im pul
sów przyspieszenia (zm iana wartości średniego przyspieszenia poprzecznego, kołysanie przy znacznej prędkości, poprzeczne szarpnięcia z m ożliwym i oscylacjam i).
O ba typy odczuć brane są pod uw agę w obliczeniach kom fortu średniego. Drugi typ odczuć je st brany pod uw agę w przypadku kom fortu chw ilowego w krzywych przejściowych i łukach.
Prace zw iązane z m etodam i określenia średniego komfortu są prowadzone w spólnie przez koleje europejskie od wielu lat [2]. N a podstaw ie tych prac przygotowano Kartę UIC 513, w której znaleźć m ożna m etody obliczeń w skaźników komfortu jazdy (N MV, N VA) na podstaw ie pom iaru odpow iednich przyspieszeń. Prace dotyczące kom fortu chw ilowego prow adzone były tylko przez koleje brytyjskie [2 , 6 ], a w ięc m ożna stwierdzić, że w chwili obecnej dośw iad
czenia w iększości kolei europejskich w metodach obliczania w skaźników kom fortu chw ilo
wego nie są w ystarczające. Określenie takiego w skaźnika ma bardzo istotne znaczenie przy
najmniej z dw u powodów:
• służyć on m oże do określenia m ożliwości zwiększenia prędkości jazdy konwencjonalnego taboru w łukach i krzyw ych przejściowych,
• pozwoli na określenie możliwości stosowania taboru z wychylnym pudłem w miejsce tabo
ru konw encjonalnego.
W roku 1997 w prowadzono normę europejską [3J dotyczącą oceny kom fortu podró
żowania. W części nieobowiązkowej tej normy określono metody oceny kom fortu jazdy w krzyw ych przejściowych. Jako ocenę procentowej ilości osób niezadowolonych przyjęto w skaźnik P e r definiow any jako:
pc |. = ( a j> - t - B j ż - C j + D 9 i: , (4) gdzie:
y — m aksym alna wielkość przyspieszenia poprzecznego pudła pojazdu uśredniana dla 1 se
kundy (z przesunięciem ' / io sekundy), w odstępie czasu pomiędzy początkiem krzywej przejściow ej i jej końcem — + 1,6 sekundy,
ÿ — m aksym alna pochodna przyspieszenia poprzecznego, pomiędzy dw om a punktami odda
lonymi od siebie o 1 sekundę,
9 — m aksym alna bezw zględna prędkość kołysania pudła, uśredniona dla 1 sekundy z przesu
nięciem 1 /|o sekundy.
Z uwagi na specyficzną m etodykę badań przyjętych do określenia w skaźnika P er (jazdy z przyspieszeniam i odśrodkowym i w płaszczyźnie toru arl— do 1.8 m /s2) w CNTK przeprow a
dzono badania kom fortu jazdy w łukach i krzyw ych przejściowych [4] mające na celu:
• w eryfikację m etody podanej w ww. normie do warunków PKP (jazdy z przyspieszeniam i odśrodkow ym i w płaszczyźnie toru an — do 1,0 m/s2).
• określenie innych param etrów wpływających na odczucie komfortu.
Przeprow adzone na PKP badania pozwoliły na stwierdzenie, że kom fort w krzywych przej
ściow ych zależy w sposób bezpośredni od dwu czynników:
• m aksym alnej w artości przyspieszenia poprzecznego,
• prędkości kołysania pudła.
Dodatkow o przeprow adzone badania wykazały, że dla linii o dużej ilości luków i krzywych przejściow ych w pływ na średni kom fort m ają również takie parametry, jak:
• prędkość kołysania pudla,
• prędkość zm iany poprzecznego przyspieszenia.
N a podstaw ie danych pom iarowych oszacowano maksym alne wartości param etrów oddzia
ływ ających na pasażera (dla taboru konwencjonalnego). N a rysunku 1 przedstaw iono ich w pływ na ocenę kom fortu podróżow ania podstaw iając do wzoru na wartość w skaźhika Pct
odpow iednie w artości przyspieszeń zarejestrowane podczas badań. Dla porównania przedsta
wiono także w ykres dla taboru z przechylnym nadwoziem. A naliza w yników pozw ala na stw ierdzenie, że prędkość zm iany przyspieszenia odśrodkowego nie ma zasadniczego wpływu na odczucia kom fortu podróżowania.
Przeprow adzone badania wykazały że dla przyspieszenia odśrodkow ego arp — do 1,2 m/s pasażerow ie nie odczuwali dyskom fortu (m aksym alna ocena wynosiła 4 w pięciostopniowej skali odczucia). P otw ierdzają to rów nież dane opracowania UIC [5],
P rzeprow adzone m etodą regresji analizy pozwoliły na wyprowadzenie formuły opisującej kom fort w krzyw ych przejściow ych według następującej zależności:
K om fort = 0,39 Ny* + 1,27 arp + 0,35 9 - 0,07. (5)
* t
przyspieszenie odśrodkowe [m/sA2]
Rys. 1 Figi
Porów nanie badań na taborze z przechylnym nadwoziem i taborze konw encjonalnym w skazuje, że dla taboru z przechylnym nadw oziem na odczucie komfortu decydujący wpływ m a prędkość obrotu pudła, natom iast dla taboru konw encjonalnego przyspieszenie odśrodko
we.
3. P R Z Y ŚP IE S ZE N IA W PŁA SZCZY ŹN IE TO RU , SZYBKOŚĆ ZM IANY PR Z Y ŚP IE S ZE Ń , PR ĘD K O ŚĆ W ZNIOSU KOŁA
D opuszczalna w artość przyśpieszenia w płaszczyźnie toru określona je st dw om a czynni
kami:
• granicznym oddziaływ aniem na tor — wg zależności ja k w rozdz. 1,
• przyspieszeniem , jakiem u m oże być poddany pasażer.
M iędzy m asą przypadającą na zestaw kół a dopuszczalnym przyspieszeniem istnieje nie
w ątpliw ie pew na w spółzależność, je st ona jednak trudna do ogólnego ustalenia, poniew aż istotnym czynnikiem w tym względzie je st konstrukcja układu biegowego pojazdu.
W przypadku pociągu kolei FS - ETR 450, który w ykazuje m asę 12,5 t przypadającą na zestaw kół, dopuszcza się następujące przyśpieszenia odśrodkow e w płaszczyźnie toru art:
1.7 m /s2 — dla R 250 - 300 m, 1.8 m /s2 — dla R 300 - 400 m, 2,0 m /s2 — dla R 400 + 500 m.
W przypadku now oczesnych lokom otyw elektrycznych, np. S B B -460, Ó B B -1044, R E N F E -S 2 5 2 , D B -101 — przy masie przypadającej na zestaw kół sięgającej 21,5 t dopusz
czalne przyśpieszenia kształtują się na poziom ie 1,5 1,6 m /s2.
Dla pojazdów z przechylnym nadwoziem spełniony je st i drugi warunek, poniew aż zgodnie z zależnością:
arp = ari - g sin y, (6)
przy rzeczyw istym kącie przechyłu nadw ozia — y = 6,5" (8" - 1,5° przechyłu przeciwnego) przyśpieszenie oddziałujące na pasażera wynosi — 0,8 m /s2.
D la pojazdów konw encjonalnych, przy założeniu że przyspieszenie, jakiem u poddany jest psażer, w ynosi 1,2 m /s2 — przyśpieszenie w płaszczyźnie toru nie m oże przekroczyć 1 m /s2, ponieważ:
arp = arl( 1 + k ) (7)
gdzie dla now oczesnych w ózków k » 0,2.
W przypadku przyjm owanych przez PKP art = 0,6 m/s2; arp nie przekroczy wartości — 0,72 m /s2.
Istotnym czynnikiem w przebiegu opisywanych zjaw isk zarówno ze względu na wielkość oddziaływ ania pojazdu na tor, ja k i sam opoczucie pasażera je st szybkość zm iany przyspie
szeń. W przypadku pojazdu z przechylnym nadw oziem zmianę przyśpieszenia działającego na pasażera określa zależność:
3 ^ = a rt_ g s i n y . (8)
Przy zazwyczaj przyjm owanych w tym przypadku wartościach a n = 0.5 - 0,6 m /s1, a ^ — nie przekracza 0,3 m /s ', którą to wartość uznaje się za dopuszczalną [5, 6 , 7],
D la pojazdu konw encjonalnego przyjm uje się, że szybkość przyrostu przyśpieszenia pow inna się zaw ierać w granicach 0,5 0,8 m /s1 [5], a tym samym wartość a rt — w grani
cach 0,4 -- 0.7 m /s1. W przypadku nowszych konstrukcji a rt przyjm uje się równe 0,6 m /s1 [5], w przypadku pojazdów z przechylnym nadwoziem , ja k i konwencjonalnych.
Trzecim czynnikiem istotnym dla oceny zjawisk jazdy pociągu w łuku je st prędkość w zniosu koła w czasie jazdy przez krzyw ą przejściową. Czynnik ten decyduje o wielkości nadwyżki dynam icznej siły pionowej między kołem a szyną, ja k rów nież w spółdecyduje o prędkości obrotu postaci pasażera. W nawiązaniu do tej ostatniej sprawy trzeba nadm ienić, że w przypadku pojazdu z przechylnym nadwoziem obrót postaci pasażera następuje o kąt ~ 16°.
Zbyt duża prędkość obrotu może wywoływać objawy choroby morskiej, zw łaszcza w przy
padku w ystępujących często przeciwłuków. W związku z tym przyjm uje się, że średnia pręd
kość obrotow a przechyłu nadw ozia nie powinna przekraczać 4 7 s [7], a prędkość wzniosu koła w ynosi 40 mm/s. W ykres na rys. 2 pokazuje na w spółzależność m iędzy parametrami:
u, a rt, a r(i, Y i czasem przejazdu przez krzyw ą p rzejściow ą— t, przy an = 1,8 m /s2. Przyjęcie u = 40 + 50 m m /s — zapew nia utrzym anie innych param etrów w dopuszczalnych granicach.
P odobną zależność dla pojazdu konwencjonalnego przedstaw ia w ykres na rys. 3. W tym przypadku w artość graniczna u wynosi 50 mm/s [5], Szybkość wzrostu przyśpieszeń ar, i arp je st w granicach wspom nianej wartości u daleka od wartości dopuszczalnych. N adm ienić na
leży, że dotychczas ta w artość w opracowaniach krajowych przyjm owana je st jako 30 ■*- 35 m m /s, a zatem znacznie poniżej wartości uw zględnianych dla now oczesnego taboru kolei Europy Zachodniej.
Param etr u m a zasadniczy w pływ na długość krzywej przejściowej lp lub ograniczenie prędkości jazd y w łuku przy zbyt krótkiej krzywej przejściowej [8],
Przykładow o m ożna przytoczyć, że:
pojazd konw encjonalny dla u = 30 m m /s lp = 6,29 ^/~R dla u = 40 m m /s
dla u = 50 m m /s lp = 3,77 -\[R gdzie: R — prom ień łuku.
pojazd z przechylnym nadw oziem lp = 8,61 - J R
lp = 6.46 a//?
A — a rti [m /s3];
C — à rp , [m /s3];
dl u arl| = 1 m /s2
B — an 2 [m /s3];
à r|)2 [m /s3];
dla a,,2 = 0,6 m /s2
t [s]; u [mm/s];
h = 150 mm
I . . .i i i- A B — i — C - - -D ---1
Rys.2 Fig.2
■o ,
ro
\ 0
\ 0*
X
. - - ' m —■ . - ' ' 0 ~
5 4.5 4 3.5 3 35 Y 2 1.5 1 0,5 0
30 40 50 60 70 80
E — à rt [m/s3];
G — à (. [m /s3];
F — Y [°/s]
u [mm/s];
Y — 7 [°/s] lub — t [s]
h = 150 mm Ym - 6,5 a rl — l ,8 m /s2
Rys.3 Fig.3
4. UW AGI K O Ń C O W E
1. N a m ożliw ą do osiągnięcia prędkość pociągu w łuku w pływa nie tylko dopuszczalne przy
spieszenie odśrodkow e w płaszczyźnie toru oraz oddziaływające na pasażera, ale również szybkość zm ian tych przyśpieszeń, prędkość obrotu nadwozia, a zw łaszcza prędkość wzniosu koła podczas ja zd y po krzywej przejściowej.
C zynniki te m o g ą m ieć znaczny wpływ na zakres modernizacji krzyw ych przejściowych, a tym sam ym na koszty m odernizacji linii.
2. Z w iększenie dopuszczalnej wartości przyśpieszenia oddziaływającego na pasażera stwarza możliw ość pow iększenia prędkości jazdy pociągu w łuku pociągu z wagonami konw encjonal
nymi, bez potrzeby zasadniczej modernizacji profilu linii w płaszczyźnie poziomej.
3. R óżnice m iędzy w artościam i wspom nianych parametrów, jakie przyjm owane są w anali
zach prow adzonych na PKP, a przyjm owanymi dla nowoczesnych pojazdów w innych zarzą
dach kolejow ych są znaczne, co wskazuje na potrzebę dodatkowych studiów, a nawet specjal
nych badań w tym zakresie.
LITERATURA
1. T esting and approval o f railway wehicles from the point o f view o f their dynam ic behavio
ur, K arta U IC 518, 1997.
2. Effects o f vibration on passengers and drivers. Application o f the ISO and CEN standards concerned, K om itet ERRI B 207, Spr. 2, 1997
3. European Prestander - Railway applications - Ride com fort for passengers - m easurem ent end evaluation, N orm a CEN, PENF 12299, 1996.
4. Groll W.: C om fort on curves and curve transitions, Praca CNTK 8602/21, 1996.
5. Die Z ulassung von zugspezifischen höheren Bogengeschwindigkeiten, Sprawozdanie UIC - C l , 1991.
6 . Bogies w ith steered or steering wheelsets. Komitet ORE B 176, Spr. 1, 1989.
7. K ottenhanh V.: N EITEC — Systeme im V ergleich, ETR nr 1/2, 1993.
8. K oc W.: G raniczne prędkości jazdy taboru z wychylnym i nadwoziam i w lukach linii kole
jow ych, Problem y Kolejnictwa, z. 124, 1997.
Recenzent: Prof.dr hab.inż. Jerzy Madej
Abstract
Factors influencing perm issible speed o f passenger train in curve such as noncom pensated lateral acceleration to w hich the passenger are subjected, noncom pensated lateral acceleration in the track plane, jerk, vertical speed o f wheel lift and car body roll speed are described in this paper.
R esults o f C N T K m easurem ents as well as relevant data for newly built rolling stock on different railw ays are presented. Correlation o f those data is shown on diagram s. Special at
tention w as given to the differences between values adopted by PK.P for the new rolling stock and those establish by other railways and resulting necessity o f special analysis that respect.
!["Liryczna twórczość poetów. Szkic psychologiczny", Julian Ochorowicz, Warszawa 1914 : [recenzja]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)