Vědeckotechnický sborník ČD. č. 42/2016 ISSN Vydavatel: Generální ředitelství Českých drah, Nábřeží L. Svobody 1222, Praha 1

Transkript

1 Vědeckotechnický sborník ČD č. 42/2016 ISSN Vydavatel: Generální ředitelství Českých drah, Nábřeží L. Svobody 1222, Praha 1

2 Petr Jasanský 1 Minerální směsi v konstrukčních vrstvách tělesa železničního spodku Klíčová slova: minerální směs, konstrukční vrstva, frakce kameniva, křivka zrnitosti Úvod Pod pojmem minerální směs je potřeba si představit materiál, který tvoří v přesném poměru namíchané dílčí frakce drceného nového přírodního kameniva, případně i recyklovaného. Tuto směs lze za relevantních podmínek použít do konstrukčních vrstev tělesa železničního spodku, kde by měla plnit požadovanou úlohu, tj. vrstvu s malou propustností za současného dosažení vyšší únosnosti. Aktuálními problémy s používáním tohoto materiálu v podmínkách Správy železniční dopravní cesty, státní organizace (dále jen SŽDC ) je jeho občasné navrhování do konstrukčních vrstev v neopodstatněných případech a při vlastní aplikaci nedůsledné dodržování technologických postupů a kázně pro zajištění požadované kvality zřizovaných konstrukčních vrstev. Vývoj zpracování problematiky minerálních směsí v dokumentech SŽDC Problematika minerálních směsí se poprvé v platných dokumentech a předpisech (dále jen DAP ) SŽDC objevila v souvislosti s novelizací Vzorových listů železničního spodku v roce 2001, konkrétně se jednalo o Vzorový list ČD Ž4 Pražcové podloží (č.j /2001-O13 s účinností od ). Tento vzorový list byl v roce 2009 novelizován, již s označením SŽDC Ž4 Pražcové podloží (č.j. S /2009-OTH s účinností od ). Zde jsou pro vybrané typy pražcového podloží uvedeny podmínky použití a příklady řešení. Novelizace vzorového listu železničního spodku Ž4 Pražcové podloží již následovala po vydání novelizovaného předpisu SŽDC S4 Železniční spodek v roce 2008 (č.j. S 263/08-OP s účinností od ), kde byla záležitost minerálních směsí podrobněji rozpracována. V předpisu SŽDC S4 je problematika minerálních směsí zpracována v Příloze 14, části B, kde byla zařazena k ostatním novým materiálům používaným pro konstrukční vrstvy tělesa železničního spodku. 1 Ing. Petr Jasanský, (1972), VŠDS v Žilině, obor Rekonstrukce a údržba dopravních staveb, SŽDC GŘ O13, systémový specialista železniční spodek. 1

3 Inspirací pro zapracování této problematiky do DAP byly pozitivní výsledky a zkušenosti jak ze zahraničí, například u Deutsche Bahn (DB), tak z ojedinělých aplikací na našich stavbách (např. modernizace 1. koridoru v úseku Lovosice Prackovice na stavbě Optimalizace trati Lovosice Ústí nad Labem, kde byly jako technický požadavek pro výrobu minerální směsi použity technické specifikace DB, konkrétně DB-AG TL Svým rozsahem je v této příloze postihnuta problematika minerálních směsí komplexně, tzn. zabývá se všemi souvisejícími požadavky, postupy a zásadami tak, aby stanovila veškeré náležitosti pro jejich praktickou aplikaci. V praxi se bohužel již projevilo, že i tak bude nutné na současný platný rozsah zpracované problematiky minerálních směsí reagovat a záležitost vhodnými způsoby na úrovni DAP posunout kvalitativně dále, aby bylo možné tyto materiály na stavbách SŽDC smysluplně používat. O tomto bude pojednáno v níže uvedené části příspěvku. Na konci této části lze vyslovit přesvědčení, že snad již bylo překonáno období, kdy minerální směs bývala ze strany výrobců i zhotovitelů zaměňována za mechanicky zpevněné kamenivo (zkratka MZK), což je produkt povahou podobný, ale určený pro jiné účely a tato skutečnost způsobovala občasná nedorozumění. A opravdu na okraj lze ještě zmínit jednu záležitost, která už je snad také minulostí. Občas se v projektových dokumentacích vyskytly případy, kdy byla konstrukční vrstva z minerální směsi navrhována jako vodorovná, což je vzhledem k povaze materiálu směsi neakceptovatelné. Vždy je potřeba na takové vrstvě realizovat příčný sklon a zajistit její odvodnění. Charakteristiky minerální směsi V podmínkách SŽDC představuje minerální směs nesoudržný materiál frakce 0/32 mm, který svojí vnitřní strukturou zajišťuje malou propustnost a je nenamrzavý až mírně namrzavý. Jím vytvořená konstrukční vrstva tělesa železničního spodku by tedy měla vykazovat malou propustnost a zároveň zaručovat dosažení vyšší únosnosti konstrukce. Co se týká složení, uvádí příloha 14B, předpisu SŽDC S4, že minerální směs sestává nejméně ze dvou frakcí použitého druhu kameniva, přírodního drceného nebo recyklovaného, ovšem s podmínkou, že recyklovaného lze obsahově do směsi použít maximálně 70 %. Neoddiskutovatelnou podmínkou rovněž je, že veškeré materiály v minerální směsi použité musí být resistentní vůči zvětrávání a mechanickému namáhání. Otázka skladby minerální směsi je definovaná hraničními křivkami zrnitosti (viz. Tabulka 1 a Obrázek 1) s podmínkou, že křivka bude mít plynulý charakter a nebude zde absence dílčí frakce, tzv. vytvoření dílčí ploché křivky. 2

4 Tabulka 1 Číselné vyjádření propadu zrn křivek zrnitosti minerální směsi Označení sít a kalibrů [mm] Propad zrn v % hmotnosti Minerální směs 0 / Poznámka * * mezní hodnota *-60* * mezní hodnoty , , ,125 7*-18 * mezní hodnota 0, * * mezní hodnota 0,02 0-3* * mezní hodnota Hodnoty propadu zrn označené * představují tzv. mezní hodnoty, to jsou takové, které na dané křivce minerální směsi musí být dodrženy vždy, ostatní hodnoty neoznačené lze chápat jako doporučující. Tabulka 1(rovněž i Obrázek 1) je převzata ze současně platného předpisu SŽDC S4, Přílohy 14B a je z ní zřejmé, že hodnoty propadu nejsou stanoveny pro všechna síta. Toto však bude při nejbližší novelizaci dotčených DAP upraveno, hodnoty budou doplněny pro všechna síta a drobných změn doznají i některé hodnoty zde uvedené. Tyto změny budou vycházet z praktických zkušeností a dosažených výsledků v praxi za uplynulé období. 3

5 Obrázek 1 Grafické vyjádření mezí zrnitosti minerální směsi Z uvedeného zrnitostního vyjádření mezních křivek vyplývá, že namíchat vyhovující směs vyžaduje stanovení receptury složení dílčích frakcí a jejich hmotnostní podíl. Stejně jako na ostatní materiály pro konstrukční vrstvy, je i pro minerální směs stanoven soubor technických požadavků (Tabulka 2), které musí být počátečními zkouškami dokladovány. Tyto zkoušky musí být provedeny na vzorcích odebraných z mísícího zařízení, které bude minerální směs pro stavby SŽDC u výrobce produkovat. Nelze tyto vlastnosti dokladovat na vzorcích vytvořených v laboratoři. Vlastnost Tabulka 2 - Technické požadavky na minerální směsi Hodnota zrnitost 0,02 mm max. 3% 0,063 mm max. 12% 0,125 mm min. 7% 2 mm % 10 mm max. 85 % číslo nestejnozrnnosti C u min. 15 nadsítné v % hmotnosti max. 15% koeficient propustnosti méně než m.s 1 při stanoveném hutnění *) cizorodé částice max. 1% otlukovost LA v % hmotnosti max. 25 % nasákavost v % hmotnosti max. 3% jemné částice max. 7% 12% Pozn.: Oprava hodnoty obsahu jemných částic přehlédnutá chyba při tisku předpisu 4

6 Použití minerálních směsí na stavbách SŽDC Za uplynulé období, od vydání novelizace předpisu SŽDC S4, doznalo navrhování a posléze zřizování konstrukčních vrstev z minerální směsi celkem nečekaný rozměr. Vše by bylo naprosto v pořádku, kdyby nedošlo k jistému posunu smyslu a filosofie aplikace těchto materiálů v tělese železničního spodku. Trochu více o této záležitosti bylo pojednáno v příspěvku na konferenci (5), proto bych se chtěl dále spíše věnovat způsobům a řešením, jak postupovat v budoucnosti. Přesto je potřeba zde znovu připomenout, že navrhovat konstrukční vrstvu z minerální směsi je nutné vždy s jasně danými důvody, což jsou požadovaná vyšší únosnost konstrukce nebo zajištění malé propustnosti, a také pokud je to rovněž ekonomicky relevantní oproti jinému možnému řešení. Je třeba mít na zřeteli, že cena tuny minerální směsi je o cca 1/3 až 1/2 dražší než štěrkodrť frakce 0/32 kv (štěrkodrť pro konstrukční vrstvy). Samostatnou kapitolou je zřizování konstrukčních vrstev z minerální směsi pomocí technologií bez snášení kolejového roštu. I s těmito postupy již máme své zkušenosti a lze je prozatím hodnotit kladně. Výhodou použití vhodné konkrétní technologie, která umožňuje například promísení a dovlhčení materiálu konstrukční vrstvy před vlastním položením, může být snížení náročnosti na dovoz a manipulaci s minerální směsí pro zachování požadované kvality. Protože jsme za uplynulé období cca 10 let získali mnoho zkušeností a informací, jak od prvovýrobců minerálních směsí, tak ze zkušeben a laboratoří pro kamenivo, ale i od zhotovitelů staveb, nabízí se několik možných postupů pro zajištění efektivního používání minerálních směsí na našich stavbách v budoucnu. Obrázek 2 Pokládka minerální směsi technologií bez snášení kolejového roštu strojem RPM 2002 na úseku Praha Běchovice - Úvaly 5

7 Zajištění kvality vyráběných a dodávaných minerálních směsí Pro zajišťování kvality dodávek drážního kameniva má SŽDC v souladu se Směrnicí č. 67 je zaveden prověřený postup, kdy jsou s výrobci kameniva, na základě pravidel stanovených v příslušných Obecných technických podmínkách (dále jen OTP ), uzavírány Technické podmínky dodací (dále jen TPD ) a prostřednictvím pověřených osob jsou prováděny kontroly a dohled. V současnosti se jeví jako žádoucí vytvořit tento postup i pro minerální směsi, jelikož se jedná o materiál v podstatě stejného charakteru. Zde však bude nutné zaměřit se na specifika minerálních směsí a pravidla nastavit tak, aby požadovanou kvalitu bylo možné ze strany výrobců a zhotovitelů staveb dodržet. Prvním krokem tedy bude celou problematiku minerálních směsí zapracovat do DAP tak, jak je věcně příslušné. K tomu se výhodně nabízí současná situace s plánovanou novelizací předpisu SŽDC S4, kde by byly zahrnuty základní technické požadavky a zásady jejich použití. Předmětem bude rovněž stanovení rozsahů zkoušek (počátečních a kontrolních), které by o kvalitě minerální směsi podávaly co nejvíce vypovídající informace. Soubor kontrolních zkoušek prováděných na stavbě by měl poskytovat výsledky co nejrychleji, aby bylo možné, v případě negativních výsledků, konat. Aktuální je rovněž otázka zapracování zásad a základních požadavků pro dovolené technologie a způsoby pokládky minerálních směsí, protože to je jedna z klíčových oblastí, která má vliv na kvalitu výsledné konstrukční vrstvy z minerální směsi. V současné době se předpokládá, že z hlediska objemů a rozsahů aplikací by byly stanoveny dovolené technologie pokládky. Například na novostavbě s větší délkou úseku konstrukční vrstvy minerální směsi by byla povolena pouze pokládka finišerem, apod. Současně budou v souladu s tím buď rozšířeny OTP Štěrkopísek, štěrkodrť a recyklovaná štěrkodrť v konstrukčních vrstvách tělesa železničního spodku o část s požadavky na minerální směsi, nebo budou vytvořeny samostatné OTP. Tyto oba dokumenty, jak OTP, tak každé konkrétní TPD, budou muset obsahovat požadavky a daná pravidla pro další související činnosti, které mají bezprostřední vliv na kvalitu dodávané směsi. Jedná se především o stanovení vhodných způsobů manipulace a dopravy směsi na stavby, protože právě při těchto činnostech dochází v současnosti v mnoha případech k degradaci jakosti materiálu minerální směsi (meziskládkování, dílčí separace frakcí, ztráta vlhkosti, ) a zřízená konstrukční vrstva poté nedosahuje požadovaných parametrů a neplní požadovaný účel, pro který byla navržena. V takových případech máme na stavbě zřízenu pouze konstrukční vrstvu z drahého drceného kameniva. Z výše uvedeného tedy vyplývá, že do systému dodržení jakosti dodávaných minerálních směsí budou podstatně více zainteresování jak výrobci kameniva, tak zhotovitelé staveb. 6

8 Sledování a hodnocení případů použití minerálních směsí Jak již bylo uvedeno, na základě zkušeností a praktických poznatků, je potřeba i nadále sledovat a vyhodnocovat konkrétní případy použití minerálních směsí v konstrukčních vrstvách tělesa železničního spodku v praxi. Zde se jedná konkrétně o Vzorový list Ž4 a typ 5 pražcového podloží. V některých takových případech použití na našich stavbách se při zřizování konstrukční vrstvy z minerální směsi na pevném skalním podloží při minimálních dovolených tloušťkách vrstvy ukazovalo, že zde dochází k drcení zrn minerální směsi a tedy ke změně její zrnitosti, což se musí zákonitě projevit na jejich vlastnostech. Konkrétně se tato skutečnost objevila na stavbě Modernizace tratě Tábor- Sudoměřiice u Tábora, v mezistaničním úseku Tábor - odb. Tábor Čekanice, v úseku se skalním podložím v km 83,600-84,050, tj. v délce cca 450 m. Po analýze všech dostupných informací zůstává otázkou, jak v této věci postupovat. Zda stanovovat nějakou jinou adekvátní tloušťku takto zřizované vrstvy nebo takové případy řešit jinými konstrukcemi. Nabízí se asfaltobetonové vrstvy nebo kombinace vyrovnávací vrstvy, geomembrány a štěrkodrti. Další oblastí použití minerálních směsí, kterou je nutné detailněji dořešit, je záležitost úrovňových železničních přejezdů, oblast zesílené konstrukční vrstvy (viz. Vzorový list železničního spodku Ž 4.2). Zde se jedná o její použití v relativně malém rozsahu, ale i zde musí být dodržena vhodná technologie a pravidla pro pokládku, aby byla zajištěna kvalita zhotovené konstrukční vrstvy, zvláště na tak zatíženém exponovaném místě, jakým je železniční přejezd. Obdobnou záležitostí je použití minerální směsi v přechodových oblastech při přechodu tělesa železničního spodku na stavby železničního spodku, kde se jedná o aplikace menšího rozsahu, navíc obvykle v obtížnějších prostorových podmínkách. Zajímavou otázkou pro další sledování může být i vliv petrografie, tedy použitý druh horniny a její mineralogická skladba na výrobu kameniva minerální směsi, který má rovněž vliv na celkové chování vytvořené konstrukční vrstvy. 7

9 Obrázek 3 Minerální směs jako konstrukční vrstva ve skalním zářezu Záležitosti související s kvalitou minerální směsi Z povahy minerální směsi jako stavebního materiálu vyplývá, že se jedná o produkt, na který jsou zvýšené požadavky při výrobě, manipulaci i zabudování do stavby. Ze strany výrobců je zřetelný zájem tento produkt vyrábět a nabízet. Znamená to z jejich strany vyladit přesně recepturu poměru dílčích frakcí tak, aby tato směs splňovala naše technické požadavky a jejich výrobní zařízení byla schopna dodržet požadovanou kvalitu dodávek. Z takto již vyřešených minerálních směsí konkrétních výrobců vyplynulo, že k výrobě je potřeba 3 a více dílčích frakcí, že požadavek předpisu SŽDC S4 minimálně 2 je v praxi v podstatě nereálný. Dále si je potřeba uvědomit, že výrobce musí minerální směs namíchat v mísícím zařízení a jak již bylo uvedeno, zpravidla na to potřebuje tři a více dílčích frakcí, tzn. zásobníků. Z této skutečnosti vyplývá tedy fakt, že výroba minerální směsi bude podmíněna určitým minimálním, výrobcem garantovaným, odběrem. Další důležitou záležitostí výroby minerální směsi je zvýšený obsah, a tím i spotřeba, frakce 0/4, což bude jeden z klíčových parametrů. Důvodem je, že ne každá hornina, ze které se drážní kamenivo vyrábí, má předpoklad se v dostatečném přirozeném množství na tuto frakci drtit. Z tohoto důvodu lze vyvozovat závěr, že někteří producenti nebudou schopni tento produkt vyrábět nebo to pro ně bude z hlediska množství drobné frakce náročné a pravděpodobně ekonomicky nezajímavé. 8

10 Obrázek 4 - Mísicí zařízení při výrobě minerální směsi Z uvedeného vyplývá, že některé horniny budou pro výrobu minerálních směsí vhodnější, některé méně. V plánovaných OTP tato skutečnost bude zmíněna, ale nepředpokládá se, že by některé druhy hornin byly vysloveně zakázány. Na materiál minerální směsi jsou a budou jasně stanovené limity technických požadavků, které bude potřeba bezpodmínečně splnit a počátečními zkouškami doložit. Další související záležitosti budou řešit příslušné TPD konkrétních výrobců. Jakmile bude minerální směs zapracována jako výrobek do systému kontroly kvality SŽDC stejně jako ostatní drážní kameniva, vznikne pak obdobný přehled a soubor informací, který známe u kameniva kolejového lože, štěrkodrti nebo recyklované štěrkodrti, a který je 1 x ročně aktualizovaný a veřejně dostupný. Budou tak poskytnuty důležité informace i projektantům k posouzení, zda v dané lokalitě je navržení konstrukční vrstvy v tělese železničního spodku z minerální směsi relevantní. Závěr Minerální směs bude určitě navrhována do konstrukčních vrstev tělesa železničního spodku na tratích SŽDC i nadále. Jde ale především o to, aby její využití bylo účelné, technicky a ekonomicky přínosné. Další kroky, které se v této záležitosti plánují, by k takovému konečnému stavu měly přispět. 9

11 Obrázek 5 Konstrukční vrstva z minerální směsi na dvoukolejné trati Literatura: (1) SŽDC S4 Železniční spodek. Praha: SŽDC, s.o., 1. říjen (2) Vzorový list železničního spodku, Ž4 Pražcové podloží. Praha: SŽDC, s.o., 1. červenec (3) Obecné technické podmínky (OTP) Štěrkopísek, štěrkodrť a recyklovaná štěrkodrť pro konstrukční vrstvy tělesa železničního spodku. Praha: SŽDC, s.o., 1. září (4) Ižvolt Libor: Železničný spodok. Žilina: Žilinská universita v Žilině/EDIS, ISBN (5) Sborník: 19. konference Železniční dopravní cesta. Olomouc: SŽDC, s.o ISBN (6) Sborník: Seminář Železniční spodek Ústí n. L.: České dráhy, s.o (7) DB AG TL Technische Leiferbedingungen Korngemische für Tragschichten, 2/1997 Praha, srpen 2016 Lektorovali: Ing. Zbyněk Mynář STRABAG a.s. Ing. Martin Lidmila, Ph.D. ČVUT v Praze 10

12 Otto Plášek 1, Richard Svoboda 2, Miroslava Hruzíková 3, Milan Valenta 4 Ověřování pražcových kotev z recyklovaného plastu Klíčová slova: železniční svršek, bezstyková kolej, pražcové kotvy, počáteční zkoušky typu, kontrolní výrobní zkoušky, stabilita koleje Úvod Zavádění nových typů součástí konstrukce železničního svršku vždy vyžaduje pečlivou přípravu, počínající návrhem a následným posouzením jednotlivých součástí i celku, statickými a dynamickými výpočetními analýzami, laboratorními a modelovými zkouškami a provozním ověřením prvku v koleji ve zkušebním úseku. Tento proces trvá zpravidla až 5 let, v případě zásadně nových konstrukcí, podmiňujících bezpečnost a spolehlivost konstrukce koleje, tato doba dosahuje v železničním průmyslu zpravidla 8 až 12 let. Pracovníci Ústavu železničních konstrukcí a staveb byli v roce 2004 osloveni společností Chládek a Tintěra, Pardubice, a.s. se žádostí o pomoc při navrhování a ověření nové konstrukce pražcových kotev z recyklovaného plastu EVA I. Je zřejmé, že pražcové kotvy jsou důležitým konstrukčním prvkem z hlediska stability, spolehlivosti a bezpečnosti bezstykové koleje a že bude nutné pečlivě ověřit funkční vlastnosti tak, aby bylo zaručeno, že kotvy budou po celou dobu životnosti, která se předpokládá 40 let, sloužit svému účelu. Od samého počátku byl do diskuse k ověření vlastností pražcových plastových kotev zapojen správce kolejové infrastruktury, tj. Správa železniční dopravní cesty, státní organizace (dále jen SŽDC). Počáteční oprávněnou nedůvěru k recyklovanému materiálu pražcových kotev vyvážila základní výhoda tohoto materiálu odolnost vůči korozi. Koroze ocelových kotev v kolejovém loži nebyla dosud nijak sledována a její výskyt by v každém případě vedl ke zhoršení nebo 1 doc. Ing. Otto Plášek, Ph.D., 1962, vzdělání: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, obor Konstrukce a dopravní stavby, současné zaměření činnosti: železniční infrastruktura, pracoviště: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav železničních konstrukcí a staveb. 2 Ing. Richard Svoboda, Ph.D., 1979, vzdělání: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, obor Konstrukce a dopravní stavby, současné zaměření činnosti: železniční infrastruktura, pracoviště: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav železničních konstrukcí a staveb. 3 Ing. Miroslava Hruzíková, Ph.D., 1982, vzdělání: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, obor Konstrukce a dopravní stavby, současné zaměření činnosti: železniční infrastruktura, pracoviště: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav železničních konstrukcí a staveb. 4 Ing. Milan Valenta, 1976, vzdělání: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojní, obor Automatizace a informatika, současné zaměření činnosti: vedoucí akreditované zkušebny č. 1228, pracoviště: Ústav aplikované mechaniky Brno, s.r.o. 1

13 dokonce ztrátě funkčních vlastností. Plast jako materiál pro pražcové kotvy tak poskytuje korozi odolnou alternativu, kterou je však nutné pečlivě prověřit. Cílem spolupráce se SŽDC bylo získat požadavky na ověření konstrukce a vytvořit prostor pro diskusi k výsledkům zkoušek a pro postupné upřesňování požadavků tak, aby bylo možné na konci procesu považovat výrobek za způsobilý k běžnému užití. Výrobce plastové části kotvy, dodavatel i řešitelský kolektiv vychází vstříc požadavkům SŽDC, bez jejíž spolupráce by nebylo možné dosáhnout konečné ověření nového výrobku. S ohledem na charakter konstrukce pražcových kotev, zejména na strukturu litého recyklovaného plastu byla zvolena cesta experimentálního návrhu a posouzení, spočívající v postupných úpravách tvaru kotvy a technologie výroby na základě dosavadních výsledků zkoušek. Proces ověření plastových kotev jinak zahrnuje všechny etapy potřebné ke schválení sérové výroby laboratorní a modelové zkoušky, zřízení zkušebního úseku a jeho ověření a zpracování dokumentace, tj. návrhu technických podmínek dodacích. Definice požadavků a příprava technických podmínek dodacích První verze návrhu technických podmínek dodacích (dále jen TPD), které definují požadavky na dílenskou výrobu, zkoušení, ověřování jakosti, přejímání, dodávání a používání pražcových kotev byla sestavena v roce 2010 pro plastovou kotvu, mající označení EVA II. Postupnou úpravou tvaru a technologie výroby se změnilo označení kotev, které je v současné době EVA V. Je tedy zřejmé, že v současnosti jsou ve zkušebním úseku vloženy plastové pražcové kotvy v páté generaci návrhu. Přitom TPD jsou již v osmé verzi návrhu. Obr. 1 - Pražcová kotva EVA V z recyklovaného plastu (vpravo) Kotevní dílec pražcové kotvy EVA V je vyroben litím za horka z materiálu s obchodním označením TRAPLAST, který se vyrábí recyklací plastových odpadů. Povrchová vrstva na všech částech kotevního dílce je tvořena kompaktním materiálem v tloušťce nejméně 7 mm, který tvoří nosnou skořepinu. Části kotvy tenčí než 14 mm jsou vždy tvořeny v plném profilu kompaktním materiálem, tlustší části 2

14 kotevního dílce mohou mít vnitřní výplňový materiál porézní. K uvedenému jevu dochází přirozeně v důsledku chladnutí masivního plastového bloku, kdy materiál má snahu se snižováním teploty zmenšovat svůj objem. S ohledem na tuto skutečnost je základním způsobem, jak prověřit množství masivního materiálu v kotvě, vážení každé vyrobené kotvy. Kotva se na pražec montuje pomocí ocelového příchytného třmenu, který se upíná pomocí šroubů a samojistných matic a ploché oceli, zalité do plastového kotevního dílce. V první fázi byly definovány požadavky na zkoušky, parametry zkoušek a způsob jejich vyhodnocení. V druhé fázi byly zkoušky rozděleny do dvou kategorií počáteční zkoušky typu a kontrolní výrobní zkoušky. Popsáno bylo ověřování kvality uživatelem a přejímka odběratelem. Je nutné podotknout, že pro plastové pražcové kotvy neexistuje žádný standard, zahrnující požadavky na zkoušení. V případech statické a únavové zkoušky a zkoušky na otěr bylo nutné vyvinout a odsouhlasit zkušební postupy s ohledem na jedinečný charakter výrobku tak, aby nahradily zátěž v koleji. Od samého počátku sloužil návrh TPD k uspořádání požadavků na plastové kotvy. Nejprve byly definovány požadavky na vlastnosti materiálu, z něhož jsou kotvy vyrobeny. Protože se jedná o recyklovaný plast, panuje oprávněná obava o homogenitu materiálu a jeho kvalitu v průběhu výrobního procesu, nebo že v důsledku lití materiálu do formy může dojít k tomu, že vlastnosti materiálu se budou měnit v závislosti na poloze v odlitku. V průběhu výrobního procesu se litý plast uspořádá tak, že vytvoří na povrchu skořepinu masivního materiálu tloušťky 8 10 mm, přitom v masivní střední části kotvy je materiál relativně porézní. Z těchto důvodů byly pečlivě vybírány materiálové zkoušky a místa na kotvě, ze kterých jsou vzorky ke zkouškám odebírány. Materiál pražcové plastové kotvy musí být nezávadný pro životní prostředí a musí být odolný vůči vlivům: - mechanickým (doprava, manipulace, ukládání, kontakt s okolním materiálem, působení zatížení apod.); - klimatickým (teplotní změny, vlhkost, sluneční záření, ozón apod.); - chemickým (odolnost proti chemikáliím a ropným produktům); - biologických činitelů (plísně, bakterie, hniloba, hlodavci); - vysokých teplot (požární odolnost). U materiálu kotevního dílce pražcové kotvy EVA V jsou proto sledovány následující vlastnosti: - objemová hmotnost (na pěti zkušebních tělesech o rozměrech 20 x 20 mm); - ohybové vlastnosti modul pružnosti a pevnost v ohybu (na sedmi zkušebních tělesech o rozměrech 80 x 10 x 4 mm); - odolnost proti zvýšené teplotě teplota měknutí dle Vicata (na dvou zkušebních tělesech o rozměrech 10 x 10 x 3,6 mm); 3

15 - odolnost proti nízkým teplotám vrubová houževnatost při -10 C (na deseti zkušebních tělesech o rozměrech 80 x 10 x 4 mm); - vrubová houževnatost Charpy při pokojové teplotě (23 C) (na deseti zkušebních tělesech o rozměrech 80 x 10 x 4 mm); - požárně technické vlastnosti průkaz požární klasifikace A2 (pět zkušebních těles pro expozici povrchu a pět zkušebních těles pro expozici hrany, rozměry zkušebních těles 250 x 90 x mm). Dále byly u kotevního dílce stanoveny požadavky na rozměry a hmotnost a jejich tolerance. Byly definovány další zkoušky, prokazující funkčnost pražcové kotvy. - statická zatěžovací zkouška (stanovení maximální zatěžovací síly při překročení únosnosti pražcové kotvy); - dlouhodobá únavová zkouška (schopnost pražcové kotvy odolávat opakovanému zatížení v rozsahu 4 kn až 10 kn, počet zatěžovacích cyklů ); - zkouška otěruvzdornosti (schopnost materiálu plastového kotevního dílce vzdorovat cyklickému namáhání stanovení úbytku hmotnosti); - měření příčného odporu pražce s plastovou kotvou. Pro průběžné ověřování jakosti výrobku (plastové pražcové kotvy) jsou v TPD navrženy kontrolní výrobní zkoušky v následujícím rozsahu: - objemová hmotnost; - vrubová houževnatost; - rozměry pražcové kotvy; - hmotnost pražcové kotvy; - statická zkouška; - pevnost v ohybu. Je potřeba připomenout, že TPD jsou v současné době zatím jen v návrhu a rozsah zkoušek tudíž zatím není pevně stanoven a může se stále změnit. Materiálové zkoušky podle návrhu TPD byly provedeny v akreditované laboratoři č ITC Zlín a.s. Mechanické zkoušky byly provedeny v akreditované laboratoři č ÚAM Brno s.r.o. a jeho laboratořích. Popis těchto zkoušek je předmětem následujících kapitol. Laboratorní a modelové zkoušky Pro modelové zkoušky byly dodány 3 typy pražcových kotev a to: zcela nové (stáří do 14 dnů), 1 rok staré ze skladů výrobce a 1 rok použité ve zkušební trati. Byl dodán dostatečný počet, aby bylo možné statickou zkoušku několikrát opakovat pro základní vzorkování a statistiku. 4

16 Statickou zatěžovací zkouškou je zjišťována maximální zatěžovací síla při překročení únosnosti pražcové kotvy. Pražcová kotva je namáhána silou až do své destrukce. Uspořádání zkoušky je uvedeno na Obr. 2. V průběhu zkoušky je sledována deformace zkušebního vzorku v závislosti na působící síle. Minimální síla, která byla při destrukci daného vzorku dosažena, byla 12 kn. Obr. 2 - Uspořádání statické zatěžovací zkoušky Pro reálné testování skutečných mechanických vlastností byla stanovena zkouška zmrazených pražcových kotev (-30 C). Obr. 3 - Snímek pořízený termokamerou před statickou zatěžovací zkouškou Těsně před statickou zkouškou byla pořízena fotografie pražcové kotvy termokamerou, viz Obr. 3, a stejně tak, těsně po rozlomení, viz Obr. 4, a to z důvodů zdokumentování teplotních polí na i v pražcové kotvě. 5

17 Obr. 4 - Snímek pořízený termokamerou po rozlomení pražcové kotvy při statické zatěžovací zkoušce Byl testován předpoklad, že zmrzlá plastová kotva pozbyde požadovaných pevnostních vlastností, což se podařilo vyvrátit, viz Tab. 1. Tab. 1 - Porovnání výsledků statických zatěžovacích zkoušek Legenda: střední hodnota parametru S 2 rozptyl parametru σ směrodatná odchylka parametru S (mm) deformace kotvy, při níž došlo k jejímu porušení F (kn) zatížení, při kterém došlo k porušení kotvy Plastová kotva, díky základním vlastnostem polotovaru, má větší rozptyl výsledků než je běžné u homogenních materiálů (např. kovy), což je vyváženo heterogenním chováním tohoto materiálu, kdy i po porušení vrchní tvrdé krusty a dalším šíření trhliny zůstává vysoký zbytkový odpor, tedy částečná funkčnost i u již velmi poškozené pražcové kotvy. Dlouhodobá únavová zkouška sleduje schopnost pražcových kotev odolávat opakovanému zatížení. Pražcová kotva je vystavena cyklickému namáhání silou se 6

18 sinusovým průběhem v rozsahu od 4 kn do 10 kn, počet zatěžovacích cyklů je 2 miliony. Uspořádání zkoušky je shodné s upořádáním statické zatěžovací zkoušky. V rámci zkoušky se provádí vizuální kontrola držebnosti šroubového spoje, poškození plastu a jeho případné vymačkávání. Zkoušený vzorek konečného návrhu pražcové kotvy po dokončení zkoušky nevykazoval žádné poškození, které by omezovalo funkčnost pražcové kotvy. Obr. 5 - Průběh únavové zkoušky plastové kotvy Modelovou zkouškou otěruvzdornosti se kontroluje schopnost materiálu plastového kotevního dílce vzdorovat cyklickému namáhání zrny kolejového lože. Sledován je úbytek hmotnosti kotevního dílce, který je stanoven porovnáním hmotnosti před a po zkoušce. Otěruvzdornost pražcové kotvy se zkouší na modelu spojení pražcové kotvy s pražcem ve štěrkové vaně, uspořádání zkoušky je na Obr. 6. Svislý pohyb vzorku v modelu kolejového lože byl v průběhu zkoušky 2 mm, uskutečněno bylo 2 miliony cyklů. V tomto případě nebyla sledována zatěžovací síla, ale rozsah pohybu kotvy v kamenivu. Kombinovaný pohyb kotvy svisle a vodorovně v obou směrech nebylo možné zajistit s ohledem na náročnost uspořádání zkoušky a obtížné udržení stability vzorku v kamenivu. Po zkoušce byly na vzorku patrné drobné vrypy od kameniva, úbytek hmotnosti způsobený otěrem kotvy byl naprosto minimální, činil pouze 0,2 g. 7

19 Obr. 6 - Uspořádání zkoušky otěruvzdornosti plastové pražcové kotvy Nad rámec dohodnutého rozsahu zkoušek, uvedeného v návrhu TPD, byly provedeny statické zatěžovací zkoušky na kotvách vyjmutých ze zkušebního úseku Polička Borová u Poličky a kotvách podrobených zmrazování. Byly zkoušeny kotvy dlouhodobě hluboce zmrazené (déle než 1 rok). Ve všech případech kotvy vyhověly požadavku a síla při porušení kotvy byla vyšší než 12 kn. Ověřování funkčnosti plastových kotev ve zkušebních úsecích Pro ověření plastových pražcových kotev byly dosud zřízeny dva zkušební úseky. První zkušební úsek byl zřízen v roce 2012 v úseku Polička Borová u Poličky v km 22,591 22,784 v oblouku o poloměru 200 m. Polovina oblouku byla osazena ocelovými pražcovými kotvami, druhá polovina úseku byla osazena kotvami plastovými. Zkušební úsek byl zřízen při opravných pracích, kdy byly vyměněny kolejnice a zřízena bezstyková kolej, přičemž v koleji zůstaly původní pražce SB5 a kolejové lože. Geodetickými metodami byla sledována prostorová poloha koleje. Byly měřeny směrové a výškové změny polohy koleje. Druhý zkušební úsek byl v roce 2015 zřízen v mezistaničním úseku Senice na Hané Kostelec na Hané v oblouku o poloměru 200 m v km 32,396 32,771. V celé délce oblouku jsou kotvy umístěny na každém pražci a to tak, že jsou střídavě použity ocelové a plastové kotvy. Při opravných pracích byl kompletně vyměněn kolejový rošt i kolejové lože. Kotvy jsou namontovány na pražcích B03. V rámci zkušebního úseku jsou a budou nadále sledovány geometrické parametry koleje měřením zajišťovacích měr a pomocí měřicího vozíku KRAB Light. V obou úsecích byl dále měřen příčný odpor koleje s pražci bez kotev, s kotvami ocelovými a s kotvami plastovými. Geodetická měření i měření příčného odporu byly provedeny vícekrát v několika etapách s cílem postihnout vývoj případných změn prostorové polohy koleje a hodnot příčného odporu pražců. Příčný odpor se zkouší přímo v trati na betonových pražcích s pražcovou kotvou ve směrovém oblouku s otevřeným kolejovým ložem s rozšířením a nadvýšením 8

20 kolejového lože dle předpisu SŽDC S3/2, které je řádně upraveno do profilu a homogenizováno. Před zkouškou jsou upevňovadla na délce cca 3 m od zkoušeného pražce na obě strany uvolněna a kolejnice vyzdviženy nad úložnou plochu pražce tak, aby nebránily volnému posunu pražce a nezvětšovaly tak příčný odpor. Na čelo pražce se osadí vytlačovací hlavice, přes kterou je do pražce vnášena tlaková síla, která je vyvozována pomocí hydraulického systému s tlakoměrem. Velikost posunu pražce je sledována na protější hlavě pražce dvěma snímači posunutí, které jsou osazeny tak, aby velikost posunu byla zjišťována ve směru působení tlakové síly. Uspořádání zkoušky je na Obr. 7. Obr. 7 - Uspořádání zkoušky pro stanovení příčného odporu pražce v kolejovém loži Výsledný příčný odpor pražce je r [kn] dán ustálenou maximální hodnotou síly potřebnou k posunutí pražce. Grafickým výstupem zkoušky je křivka závislosti vyvozené síly na vyvolaném posunu pražce. Příčný odpor na běžný metr koleje r 0 [kn.m -1 ] byl stanoven přepočtem z příčného odporu pražce r, který byl podělen osovou vzdáleností pražců a [m]. Obr. 8 - Porovnání příčných odporů pražců v úseku Polička Borová u Poličky Porovnání výsledků příčných odporů pražců s různými pražcovými kotvami a bez kotev ze zkušebního úseku Polička Borová u Poličky z roku 2012 a 2013 je na 9

21 Obr. 8. Z grafu je zřejmé, že plastové kotvy EVA V jsou srovnatelné s ocelovými kotvami a je viditelný přírůstek příčného odporu namontováním pražcových kotev. Obr. 9 - Porovnání příčných odporů pražců v úseku Senice na Hané Kostelec na Hané Na Obr. 9 jsou zobrazeny grafy hodnot příčných odporů pražců měřených v úseku Senice na Hané Kostelec na Hané v letech 2015 a I zde je patrné, že plastové kotvy EVA V jsou zcela srovnatelné s ocelovými kotvami. Stejně tak je zřejmé, že jak ocelové tak plastové kotvy výrazně zvyšují hodnotu příčného odporu pražce a jsou tedy významným konstrukčním prvkem pro zvýšení bezpečnosti bezstykové koleje. Z obou grafů je patrné, že vlivem provozu dochází ke zvyšování hodnot příčných odporů, což je dáno konsolidací kolejového lože, ke kterému provozem dochází. Dále jsou vidět velké rozdíly v absolutních hodnotách příčných odporů. Tento rozdíl je asi 1/3 (v počáteční fázi zatěžování) v neprospěch pražců B03. Tento rozdíl je patrně způsoben menším příčným průřezem pražců B03. Svůj vliv má pravděpodobně i kvalita kolejového lože, které je v úseku Polička Borová u Poličky horší (původní kolejové lože je zčásti znečištěné, více konsolidované). Geodetické sledování obou úseků ukazuje, že nedochází k příčným pohybům koleje a pražcové kotvy (plastové i ocelové) plní svoji funkci. V obou zkušebních úsecích se ukazuje, že plastové kotvy jsou plně srovnatelné s kotvami ocelovými a jsou přínosem pro zvýšení příčného odporu vůči pražcům bez kotev. Závěr Pečlivé ověřování vlastností pražcových kotev z recyklovaného plastu se jeví s ohledem na jejich funkci pro spolehlivost a bezpečnost bezstykové koleje jako 10

22 nezbytné. Je zřejmé, že si tento proces od roku 2004 vyžádal značné úsilí všech zapojených subjektů výrobce a dodavatele představovaného společností Chládek a Tintěra, Pardubice a.s. a uživatele, kterým je SŽDC, stejně jako zhotovitelů zkoušek laboratorních a in situ Fakulty stavební VUT v Brně a Ústavu aplikované mechaniky Brno s.r.o. Veškeré úsilí vedlo k významnému vylepšení tvaru kotvy a procesu její výroby a tím i jejích užitných vlastností. Kotvy byly vloženy do zkušebních úseků, kde bude i nadále sledován jejich vliv na chování koleje v běžném provozu a odolnost kotev samých. Přínosem pro investora a správce infrastruktury bude i nižší cena za pražcovou kotvu. Při srovnání nákladů za kotvu vychází cena kotvy z recyklovaného plastu zhruba o 20 % nižší, cena za montážní práce zůstává přitom stejná. Přes veškeré vložené úsilí a prostředky samozřejmě nelze vyloučit, že se v průběhu vývoje a ověřování nemusí podařit prokázat vhodnost pro běžné použití v koleji. Dosavadní zjištění a výsledky měření naznačují reálnou možnost, že další plánované zkoušky a provozní ověření dopadnou úspěšně a pražcové kotvy z recyklovaného plastu budou ze strany SŽDC schváleny pro použití v provozované koleji. Poděkování Publikované výsledky byly dosaženy v rámci smluvního výzkumu podporovaného společností Chládek a Tintěra Pardubice, a.s. Literatura: (1) SŽDC S3 Železniční svršek (2) SŽDC (ČD) S3/2 Bezstyková kolej (3) ČSN EN ISO Plasty - Metody stanovení hustoty nelehčených plastů - Část 1: Imerzní metoda, metoda s kapalinovým pyknometrem a titrační metoda (4) ČSN EN ISO Zkoušení reakce na oheň - Zápalnost stavebních výrobků vystavených přímému působení plamene - Část 2: Zkouška malým zdrojem plamene (5) ČSN EN ISO 178 Plasty - Stanovení ohybových vlastností (6) ČSN EN ISO Plasty - Stanovení rázové houževnatosti metodou Charpy - Část 1: Neinstrumentovaná rázová zkouška (7) ČSN EN ISO 306 Plasty - Termoplasty - Stanovení teploty měknutí dle Vicata (VST) Praha, srpen 2016 Lektorovali: Ing. Vladimír Dubský VOSSLOH DT s.r.o. Ing. Ladislav Kopsa 11

23 Lukáš Hejzlar 1 Posouzení vybraných druhů protihlukových opatření na železnici Klíčová slova: hluk, nekovový brzdový špalík, akustická drsnost kolejnic, kolejový absorbér, nízká protihluková clona Úvod Příspěvek si klade za cíl posoudit efektivitu některých druhů protihlukových opatření aplikovaných buď na železniční vozidlo nebo na infrastrukturu. V prvním případě jde o efektivitu implementace nekovových brzdových špalíků na motorovou jednotku. Dále je věnována pozornost vlivu akustické drsnosti povrchu kolejnic na hlukové emise a jejich snižování pomocí broušení. Následně je posouzena efektivita dvou protihlukových prvků implementovaných na železniční infrastrukturu, a to kolejových absorbérů na pevné jízdní dráze a nízkých protihlukových clon na dvou různých jednokolejných tratích v České republice. Měření vnitřního hluku na jednotkách Regionova ve zkušebním provozu s nekovovými brzdovými špalíky Cílem měření realizovaného v rámci projektu Novibrail bylo posouzení efektivity implementace nekovových brzdových špalíků typu LL na snížení vnitřního hluku na jednotkách Regionova. Ve zkušebním provozu byly v době měření tři dvouvozové jednotky Regionova, každá vybavená jiným typem nekovového brzdového špalíku. Navrhovaným postupem řešení byla realizace měření na koridorové trati v úseku Pardubice Moravany se třemi typy nekovových brzdových špalíků a s kontrolní jednotkou vybavenou litinovými brzdovými špalíky. V prostoru pro cestující bylo osazeno sedm měřicích míst (mikrofonů). Obr. 1 - Schématický náčrtek umístění mikrofonů 1 Ing. Lukáš Hejzlar, nar. 1978, absolvent DFJP, Univerzita Pardubice, obor Kolejová vozidla, zaměstnán ve Výzkumném Ústavu Železničním, a.s.; provádí výzkum a experimentální činnost v oblastech hluku a vibrací kolejových vozidel. 1

24 Měření akustických emisí bylo realizováno v přímém úseku trati při rychlosti 80 km/h oběma směry jízdy. Shrnutí výsledků měření vnitřního hluku je uvedeno v následující tabulce. Tab. 1 - Naměřené hodnoty hladiny hluku Brzdový špalík Motorový vůz (průměr) [db] Řídicí vůz (průměr) [db] Nekovový typ Nekovový typ Nekovový typ Litinový Výrazné snížení hladin hluku bylo zjištěno zejména v řídicím voze, kde dosahovalo 6 až 12 db v závislosti na typu použitých brzdových špalíků a kilometrickém proběhu od reprofilace. Snížení hluku v motorovém voze nebylo tak výrazné, neboť se projevil výrazný akustický příspěvek trakce. Snížení hlukových emisí v rozmezí 6 12 db je velmi efektivní. Při tom použití nekovového špalíku typu 1 a 2 znamenalo snížení o 11 až 12 db. Rozdíl 1 db mezi výše uvedenými špalíky lze spíše přičíst kilometrickému proběhu než vlastnostem špalíku. Horší výsledky při použití špalíku typu 3 je možno částečně přičíst vyššímu kilometrickému proběhu (cca dvojnásobný) oproti špalíkům typu 2 a s tím i spojenému vyššímu opotřebení jízdních ploch včetně ekvivalentní konicity. Snížení hladiny hluku v motorovém voze je nižší (cca 1 4 db) vzhledem k vyššímu příspěvku trakce k celkovému vnitřnímu hluku v prostoru pro cestující. V tomto stavu nelze toto opatření považovat za efektivní. V okamžiku, kdy by bylo doprovázeno dodatečným opatřením pro snížení příspěvku trakce (odhlučnění motoru), je pravděpodobné, že by se efektivita tohoto opatření významně zvýšila. Měřicí kampaně hlukových emisí u železniční stanice Libochovany vliv opravného broušení na hlukové emise Měření hlukových emisí bylo realizováno mimo koridorovou trať, a to v traťovém úseku Lysá nad Labem Ústí nad Labem, nedaleko železniční stanice Libochovany. Na tomto místě byl naměřen největší rozdíl v akustické drsnosti mezi první a druhou traťovou kolejí. Cílem zkoušky realizované opět v rámci projektu Novibrail bylo jednak stanovení příspěvku trati vlivem rozdílné akustické drsnosti povrchu kolejnic, dále odvození vlivu akustické drsnosti jako ovlivňujícího parametru pro hlukové emise a konečně kvantifikování vlivu opravného broušení na hlukové emise po cca třech týdnech od přebroušení. Měření hlukových emisí bylo realizováno ve dvou kampaních: a) první měřicí kampaň: odvození rozdílů v celkových hlukových emisích vlivem rozdílné akustické drsnosti při stejné konstrukci trati, b) druhá měřicí kampaň: kvantifikování vlivu opravného broušení povrchu kolejnic na hlukové emise. 2

25 Měření vnějšího hluku v podmínkách volného pole Pro obě měřicí kampaně byla použita metodika měření vnějšího hluku v podmínkách volného pole. V souladu s předepsanou metodikou byl hluk měřen ve dvou místech. Jedno místo bylo ve vzdálenosti 7,5 m od středu bližší koleje, ve výšce 1,2 m nad temenem kolejnice. Druhé místo bylo na opačné straně trati ve vzdálenosti 7,5 m od středu bližší koleje a výšce taktéž 1,2 m nad temenem kolejnice. Měřicí místa byla tedy po obou stranách trati. Hladiny akustické drsnosti První měřicí kampaň byla realizovaná v obou traťových kolejích s rozdílnou kvalitou pojížděných ploch temen kolejnic. V koleji č. 1 se nacházela vlnkovitost viz následující obrázek, která způsobovala zvýšení hlukových emisí. Obr. 2 - Výskyt vlnkovitosti na 1. traťové koleji Hladiny akustické drsnosti na obou kolejích pro první měřicí kampaň jsou uvedeny na následujícím obrázku. Zde je patrný výrazný rozdíl v akustické drsnosti mezi první a druhou traťovou kolejí. Obr. 3 - Hladiny akustické drsnosti během první měřicí kampaně 3

26 Další obrázek zachycuje stav 1. traťové koleje po přebroušení, kdy byla realizována druhá měřicí kampaň hluku. Obr. 4 - Pohled na kolej po přebroušení Hladiny akustické drsnosti na obou kolejích pro druhou měřicí kampaň jsou uvedeny na následujícím obrázku. Zde je zřetelně vidět pozitivní vliv opravného broušení, které bylo realizováno na první traťové koleji. Obr. 5 - Hladiny akustické drsnosti během druhé kampaně po broušení Výsledky zkoušek Pro řádné posouzení efektivity protihlukových opatření byly vlaky projíždějící v tomto traťovém úseku rozděleny do následujících dvou kategorií: kategorie 1 osobní vlaky a rychlíky vybavené špalíkovou a kotoučovou brzdou, kategorie 2 nákladní vlaky. 4

27 Výsledky měření hluku z první měřicí kampaně V následujících dvou tabulkách jsou uvedeny naměřené a vyhodnocené hodnoty z první měřicí kampaně. Tab. 2 - Naměřené a vypočtené hodnoty z první měřicí kampaně na 1. traťové koleji Kategorie Počet vlaků % z celk. počtu Průměrná rychlost [km/h] Energetická stř. hodnota L paeq,tp [db (A)] Normovaná na 80 km/h L paeq,tp [db (A)] ,8 79,6 103,5 103, ,2 55,3 98,4 103,3 Tab. 3 - Naměřené a vypočtené hodnoty z první měřicí kampaně na 2. traťové koleji Kategorie Počet vlaků % z celk. počtu Průměrná rychlost [km/h] Energetická stř. hodnota L paeq,tp [db (A)] Normovaná na 80 km/h L paeq,tp [db (A)] ,2 83,5 88,5 87, ,8 70,8 94,6 96,1 Výsledky měření hluku z druhé měřicí kampaně V následujících dvou tabulkách jsou uvedeny naměřené a vyhodnocené hodnoty z druhé měřicí kampaně. Tab. 4 - Naměřené a vypočtené hodnoty z druhé měřicí kampaně na 1. traťové koleji Kategorie Počet vlaků % z celk. počtu Průměrná rychlost [km/h] Energetická stř. hodnota L paeq,tp [db (A)] Normovaná na 80 km/h L paeq,tp [db (A)] ,0 80,7 89,7 89, ,0 77,5 93,3 93,7 Tab. 5 - Naměřené a vypočtené hodnoty z druhé měřicí kampaně na 2. traťové koleji Kategorie Počet vlaků % z celk. počtu Průměrná rychlost [km/h] Energetická stř. hodnota L paeq,tp [db (A)] Normovaná na 80 km/h L paeq,tp [db (A)] ,0 85,0 87,3 86, ,0 77,9 93,1 93,4 5

28 Shrnutí a porovnání naměřených výsledků V následující tabulce jsou shrnuty výsledky měření tedy výsledné rozdíly z měření dosažené na 1. a 2. traťové koleji. Tab. 6 - Naměřené a vypočtené rozdíly hladin hluku mezi 1. a 2. traťovou kolejí Kategorie Rozdíl naměřených hodnot mezi 1. a 2. traťovou kolejí [db (A)] (normováno na 80 km/h) před broušením po broušení 1 15,7 3,1 2 7,2 0,3 Zhodnocení výsledků měřicích kampaní Z naměřených výsledků vyplývá, že rozdíl kvality povrchu temen kolejnic mezi traťovou kolejí č. 1 (špatná drsnost) a kolejí č. 2 (dobrá drsnost) je pro vlaky kategorie 1 15,7 db. Naproti tomu u vlaků kategorie 2 byl zjištěn rozdíl 7,2 db. To je způsobeno jednoznačně rozdílnou kvalitou povrchu temen kolejnic, kde podíl špatné akustické drsnosti je tak vysoký, že zanikají veškeré rozdíly v kvalitě projíždějících vozidel. To je vidět z výsledků naměřených na 1. traťové koleji, kde jsou naměřené výsledky téměř totožné. Teprve na druhé koleji, kde je akustická drsnost poměrně dobrá, se uplatní lepší kvalita vozidel osobní přepravy. Po přebroušení se rozdíly v hlukových emisích razantně snížily. Pro vlaky kategorie 1 činí rozdíl 3,1 db. Kolej č. 1 je stále trochu hlučnější, což lze patrně přičíst ještě nedostatečnému zajetí broušeného povrchu temen kolejnic. Rozdíl 0,3 db mezi 1. a 2. kolejí pro vlaky kategorie 2 je téměř zanedbatelný. Opět je zde více dominantní hluk vozidla, takže rozdíl v příspěvku kvality povrchu temen kolejnic patrný u vlaků kategorie 1 je zde setřen. Efektivita kolejových absorbérů hluku Kolejové absorbéry hluku se mohou stát efektivním protihlukovým opatřením snižující hlukové emise na pevné jízdní dráze typu RHEDA Pevná jízdní dráha jako taková vykazuje o 6 8 db vyšší hlukové emise než standardní kolejový svršek se štěrkovým ložem. Tato nevýhoda použití pevné jízdní dráhy, která jinak přináší další benefity v podobě nižších nároků na údržbu, může být eliminována právě použitím kolejových absorbérů hluku. Cílem měřicí kampaně bylo kvantifikovat snížení hlukových emisí první implementací tohoto opatření v České republice, která byla realizována v roce 2014 na původní instalaci pevné jízdní dráhy RHEDA 2000, která již v délce cca 350 m existuje v mezistaničním úseku Rudoltice v Čechách Třebovice v Čechách na koridorové trati sítě SŽDC. Do zkušebního provozu byly uvedeny dva typy protihlukových kolejových absorbérů, typ BA z pórovitého betonu a BA-S, který je navíc vybaven umělým trávníkem, každý v délce cca 150 m. 6

29 Oba typy absorbérů byly implementovány na druhé traťové koleji pevné jízdní dráhy RHEDA 2000, v přímém úseku typ BA v km 9,641 až 9,791 a typ BA-S v km 9,841 až 9,991. Měření hlukových emisí bylo realizováno ve dvou kampaních: a) první měřicí kampaň: březen 2015, teplota okolního vzduchu 2 11,5 C; b) druhá měřicí kampaň: červenec 2015, teplota okolního vzduchu 17,5 24 C. Umístění měřicích míst Měřicí stanoviště byla vybrána v km 9,816 pro kontrolní měřicí místo M1 bez absorbérů, v km 9,716 pro měřicí místo M2 s absorbéry typu BA a v km 9,916 pro měřicí místo M3 s absorbéry typu BA-S, všechna místa v podmínkách volného pole. Byla tedy měřena celkem tři místa. Mikrofony v každém místě byly umístěny ve výšce 1,2 m nad temenem kolejnice a ve vzdálenosti 7,5 m od středu koleje. Obr. 6 - Umístění měřicích míst na pevné jízdní dráze s kolejovými absorbéry Obr. 7 - Protihlukové absorbéry typu BA 7

30 Výsledky měření hlukových emisí Obr. 8 - Protihlukové absorbéry typu BA-S Pro možnost objektivního posouzení efektivity protihlukových opatření byly výsledky měření rozděleny do kategorií dle typu zaznamenávaných projíždějících vlaků: kategorie 1 - osobní vlaky a rychlíky vybavené pouze špalíkovou brzdou kategorie 2 - osobní vlaky a rychlíky vybavené špalíkovou a kotoučovou brzdou kategorie 3 - jednotky vybavené pouze kotoučovou brzdou - Leo Express kategorie 4 - nákladní vlaky kategorie 5a - motorové jednotky Regionova řady 814 kategorie 5b - motorové vozy řady 810 kategorie 5c - motorové jednotky Stadler řady 841 kategorie 8 - vysokorychlostní jednotky řady 680 Pendolino Ze všech naměřených hodnot byl vypočten energetický průměr. Vypočtené a zprůměrované výsledky všech měření pro jednotlivá měřicí místa a konečné hodnoty útlumu hlukových emisí pro jednotlivá měřicí místa přehledně vyobrazují následující tabulky. Tab. 7 - Naměřené a vypočtené hodnoty útlumu na obou typech absorbérů při 1. kampani Kategorie vlaků Průměrná rychlost [km/h] M1 bez abs. M2 abs. BA M3 abs. BA-S útlum na abs. BA útlum na abs. BA-S K1 125,6 101,5 95,6 96,4-5,8-5,1 K2 134,2 95,7 90,5 90,6-5,1-5,0 K3 Leo Express 134,6 92,4 85,7 86,0-6,7-6,4 K4 73,4 98,4 93,3 93,8-5,0-4,5 K5a Regionova 77,6 91,5 85,3 86,1-6,2-5,4 K5b řada ,4 89,1 84,2 84,9-4,9-4,1 K5c Stadler ř ,6 88,5 83,5 84,5-5,0-4,0 K8 Pendolino 159,3 93,9 88,5 88,4-5,4-5,5 8

31 Tab. 8 - Naměřené a vypočtené hodnoty útlumu na obou typech absorbérů při 2. kampani Kategorie vlaků Průměrná rychlost [km/h] M1 bez abs. M2 abs. BA M3 abs. BA-S útlum na abs. BA útlum na abs. BA-S K1 125,5 103,1 97,5 97,5-5,6-5,6 K2 135,2 96,1 91,3 90,8-4,8-5,3 K3 Leo Express 139,8 91,7 86,1 84,7-5,6-6,9 K4 66,6 96,4 91,6 91,8-4,8-4,6 K5a Regionova 77,2 93,9 88,3 89,9-5,6-4,0 K5c Stadler ř ,7 89,8 85,0 85,2-4,8-4,7 K8 Pendolino 155,3 91,9 87,3 84,9-4,6-7,1 Zhodnocení výsledků měřicích kampaní Při první měřicí kampani (březen 2015) byl průměrný útlum všech kategorií vozidel bez zohlednění procentuálního zastoupení 5,5 db na absorbérech typu BA a 5,0 db na absorbérech typu BA-S. Při druhé měřicí kampani (červenec 2015) pak byl průměrný útlum 5,1 db na absorbérech typu BA a 5,5 db na absorbérech typu BA-S. Jak je patrné z údajů ve výše uvedených tabulkách, oba typy absorbérů vykazují útlum cca 5 7 db. Podle výsledků z předchozích projektů jsou hlukové emise na pevné jízdní dráze o 6 8 db vyšší v porovnání s klasickým štěrkovým ložem. Cílem absorbérů bylo minimalizovat rozdíl v hlukových emisích mezi pevnou jízdní dráhou a štěrkovým ložem. Tento cíl se víceméně podařilo naplnit, protože útlum dosažený pomocí absorbérů téměř vyrovnal zvýšení hlukových emisí způsobené konstrukcí pevné jízdní dráhy, což činí tento typ svršku použitelný všude tam, kde by standardní štěrkové lože bylo obtížně technicky proveditelné nebo příliš nákladné. Účinnost nízkých protihlukových clon Jednokolejný traťový úsek poblíž zastávky Praha-Hlubočepy Cílem této měřicí kampaně bylo posoudit účinnost nízké protihlukové clony, která byla v České republice instalována poprvé viz následující 2 obrázky. Jedná se o jednokolejný traťový úsek poblíž zastávky Praha-Hlubočepy, kde jsou v pravidelném provozu nasazovány pouze motorové jednotky ČD řady Regionova. 9

32 Obr. 9 - Nízká protihluková clona instalovaná poblíž zastávky Praha-Hlubočepy Při měření byly použity tři mikrofony: M1 ve vzdálenosti 7,5 m od osy koleje na straně se clonou a ve výšce 1,2 m nad temenem kolejnice, M2 ve stejné vzdálenosti i výšce, avšak na straně bez clony a M3 na stejné straně a ve stejné vzdálenosti jako mikrofon M1, avšak ve výšce 0,3 m nad temenem kolejnice. Výsledkem jsou energetické průměry z průjezdů všech motorových jednotek (hodnoty hlukových emisí byly přepočteny na jednotnou rychlost 60 km/h). V následující tabulce jsou uvedeny výsledné hodnoty z měřicích kampaní, které byly provedeny jednak před instalací nízké protihlukové clony, jednak po ní. Tab. 9 - Výsledné hodnoty útlumu hlukových emisí pro obě strany tratě Mikrofon Před instalací NPHC Po instalaci NPHC Útlum M1 85,6 77,3 8,3 M2 88,6 88,7-0,1 M3 86,0 76,5 9,5 Z výsledků je zřejmé, že aplikací nízké protihlukové clony došlo k poměrně výraznému snížení celkových hlukových emisí, a to o 8,3 db ve standardní výšce nad temenem kolejnice a o 9,5 db ve výšce 30 cm. Jednokolejný traťový úsek v Tetčicích Cílem této měřicí kampaně bylo posoudit účinnost nízké protihlukové clony, která byla instalována na jednokolejném traťovém úseku v Tetčicích, kde se vyskytovala různorodější skladba vlaků než v předešlém případě. 10

33 Obr Nízká protihluková clona instalovaná v Tetčicích Při měření byly opět použity tři mikrofony umístěné ve stejných pozicích vůči koleji jako v Praze-Hlubočepích. Pro dobrý přehled o účinnosti realizovaného protihlukového opatření byly samostatně posuzovány výsledky měření pro jednotlivé měřicí mikrofony a samostatně pro každou kategorii a směr jízdy vlaků. Vypočtené, zprůměrované a na jednotnou rychlost 80 km/h pro kategorii 1 (osobní vlaky a rychlíky vybavené špalíkovou a kotoučovou brzdou) a 60 km/h pro kategorii 2 (motorové jednotky) přepočtené výsledky měření jsou přehledně uvedeny v následujících dvou tabulkách. Tab Výsledné hodnoty útlumu hlukových emisí kategorie vlaků 1 Kategorie vlaků 1 (osobní vlaky a rychlíky vybavené špalíkovou a kotoučovou brzdou) M1 M2 M3 Stav před instalací NPHC - směr Brno 91,66 91,77 91,62 Stav po instalací NPHC - směr Brno 84,69 90,01 82,82 Stav po půl roce provozu - směr Brno 84,80 90,49 83,20 1. rozdíl po instalaci -6,97-1,76-8,80 2. rozdíl po půl roce provozu -6,86-1,28-8,62 Stav před instalací NPHC - směr Jihlava 91,61 91,51 91,51 Stav po instalací NPHC - směr Jihlava 85,38 90,67 83,82 Stav po půl roce provozu - směr Jihlava 85,98 91,30 84,51 1. rozdíl po instalaci -6,23-0,84-7,69 2. rozdíl po půl roce provozu -5,63-0,21-7,00 11

34 Tab Výsledné hodnoty útlumu hlukových emisí kategorie vlaků 2 Kategorie vlaků 2 (motorové jednotky) M1 M2 M3 Stav před instalací NPHC - směr Brno: 89,89 89,86 90,18 Stav po instalací NPHC - směr Brno: 81,85 88,56 79,80 Stav po půl roce provozu - směr Brno: 82,87 88,92 81,05 1. rozdíl po instalaci: -8,04-1,30-10,38 2. rozdíl po půl roce provozu: -7,02-0,94-9,13 Stav před instalací NPHC - směr Jihlava: 89,66 89,49 89,69 Stav po instalací NPHC - směr Jihlava: 80,14 86,54 78,15 Stav po půl roce provozu - směr Jihlava: 81,48 88,38 79,65 1. rozdíl po instalaci: -9,52-2,96-11,55 2. rozdíl po půl roce provozu: -8,18-1,11-10,04 Z naměřených výsledků vyplývá, že nízká protihluková clona snížila pro vlaky kategorie 1 s korekcí vlivu úpravy tratě podbitím hlukové emise v průměru pro oba směry provozu o 5,4 db, respektive o 5,5 db po půl roce provozu. Efektivita pro tento typ vlaků je nepatrně nižší než pro motorové jednotky vzhledem k tomu, že se význačné zdroje hluku (trakce) nalézají ve větší výšce nad temenem kolejnice. Pro vlaky kategorie 2 (motorové jednotky), které v provozu převládaly, nízká protihluková clona snížila hlukové emise v průměru pro oba směry provozu o 6,7 db, respektive o 6,6 db po půl roce provozu s korekcí vlivu úpravy tratě podbitím. Po půl roce provozu se vložný útlum prakticky nezměnil, pakliže byla započtena korekce vlivem změny kvality tratě. Nižší vložný útlum ve srovnání s předešlým zkušebním místem v Praze-Hlubočepích byl způsoben větší vzdáleností protihlukové clony od středu koleje. Tato vzdálenost byla v Praze-Hlubočepích 1,74 m, kdežto v Tetčicích byla 2 m. Vzdálenost zde musela být zvětšena vzhledem k nadměrným nákladům, které tudy občas projíždějí. Závěr V příspěvku byla posouzena efektivita celkem čtyř protihlukových opatření, z čehož jedno opatření bylo aplikováno na vozidlo a zbylé tři na infrastrukturu. Je možné říci, že účinnost všech zkoumaných opatření je velmi vysoká. Snížení hlukových emisí v řídicím voze motorové jednotky Regionova v rozmezí 6 12 db v závislosti na typu použitých brzdových špalíků a kilometrickém proběhu od reprofilace je velmi dobrý výsledek. Účinnost broušení koleje s výskytem vlnkovitosti je rovněž vysoká, neboť hlukové emise byly tímto opatřením sníženy o 9 14 db v závislosti na kategorii projíždějících vlaků. Je nutné si ale uvědomit, že před broušením byl povrch temen kolejnic ve velmi špatném stavu. 12

35 Co se týče útlumu kolejových absorbérů hluku instalovaných na pevné jízdní dráze typu RHEDA 2000, ten zde činil 5 7 db. I toto je velmi dobrý výsledek, který vyrovná zvýšení hlukových emisí způsobené konstrukcí pevné jízdní dráhy. Posledním posuzovaným prvkem ke snížení hlukových emisí byly nízké protihlukové clony, které rovněž vykazují solidní útlum 5 9 db v závislosti na druhu projíždějících vozidel. Praha, září 2016 Lektorovali: Ing. Jan Hlaváček VUZ, a.s. Ing. Zdeněk Malkovský, Ph.D. VÚKV a.s. 13

36 Roman Štěrba 1 Rozvrácení British Rail a její renacionalizace po 20 letech Klíčová slova: železnice, britská dráha, restrukturalizace, veřejná doprava Úvod Psal se rok 1992, když se ve Velké Británii rozjel ambiciózní projekt revitalizace železnic. Hlavním cílem organizačních změn British Rail (BR) bylo zefektivnění její podnikatelské činnosti. Pozdější segmentace a rozprodej státního majetku drah však vedl k rozvrácení integrovaného technologického systému železnice v Británii a k vytvoření světoznámé legendy o mylném způsobu transformace. Prvním neblahým milníkem reformy bylo uvalení státní nucené správy na privatizovaný podnik infrastruktury Railtrack po sérii vážných nehod. Unitární British Rail Do roku 1991 byla BR uspořádána obdobně jako většina národních železničních správ ze států tehdejšího Evropského hospodářského společenství (EHS). Rok 1991 přinesl významné ustanovení Směrnice Rady EHS č. 440/91, o oddělení výkonného managementu železničních podniků Společenství od politických struktur vlády. Je zřejmé, že hospodářské problémy BR nastávaly velmi často (vlastně permanentně), a to především v oblasti řízení ekonomiky podniku, tj. koordinace plánu, rozpočtu a výdajů. Například provozování osobní dopravy BR bylo sice procesně rozděleno na čtyři hlavní produkty (Inter-City, Síť jihovýchod, Regionální dráhy a Scot Rail), avšak s územním členěním na šest regionů. Každý region "samozřejmě" všechny činnosti zajišťoval jen na svém území a s příslušnou tučnou režií. Z toho lze usoudit, proč se pomalu prosazovaly nové služby cestujícím a úspornější technologie provozu a proč naopak narůstaly náklady správní, ale i provozní režie BR. V roce 1992 byla BR nově organizačně uspořádána. Provozování osobní dopravy bylo rozděleno na Inter-City, Regionální dráhy a Síť jihovýchod, zatímco provozování nákladní dopravy se rozpadlo na Freightliner, Trainload Freight a Railfreight Distribution. Každý segment si samostatně udržoval techniku a personál, zatímco na korporátní úrovni BR se zajišťovaly činnosti plánování, řízení projektů, nákup a výzkum. Prvním horkým kandidátem na odprodej se staly lukrativní BR-Telekomunikace. V počátku transformace BR došlo na privatizaci trajektů, hotelů a železničních opraven. V té chvíli však evidentně neexistoval koncept prodeje zbylé BR. Nové procesní uspořádání BR podle segmentů hlavních činností poskytlo jejím podnikatelským jednotkám nejlepší podmínky v historii ostrovní železnice, neboť 1 Doc. Dr. Ing. Roman Štěrba vysokoškolský pedagog na Ústavu logistiky a managementu dopravy Fakulty dopravní ČVUT v Praze. 1

37 přineslo zásadu celosíťové podnikatelské odpovědnosti za produkt (tzv. produktové řízení). V tomto krátkém (a jak se později ukázalo pouze přechodném) období přispěla vláda na provoz BR částkou 800 mil. liber za rok (zhruba 37,2 mld. Kč podle současného kurzu), což bylo nejméně v novodobé historii Británie. Po parlamentních volbách a jmenování vlády ministerského předsedy Majora se prodej BR stal politickým programem. Tento plán však musel být naplněn do konce roku 1996, aby vláda šla do nových voleb s čistým štítem, resp. aby prodej byl již nezvratný. Ministerstva dopravy a financí se obklopila množstvím pohádkově drahých konzultantů z renomovaných poradenských firem. Je nasnadě, že poradenské firmy neměly s řízením obdobného transformačního procesu zkušenosti. Zadání podnikatelského plánu bylo jasné - alokace vlakových tras s cílem maximalizace tržeb podniku infrastruktury při drastické redukci nákladů údržby a obnovy, a to včetně signalizačních a zabezpečovacích zařízení. Z hlediska příčin rozsáhlých vlakových neštěstí v Británii se přitom právě podnikatelská dravost při snižování nákladů považuje za rozhodující příčinu katastrofálního stavu tehdejších železnic v Británii z hlediska bezpečnosti provozu. Není divu, že evidentní neúspěch britského modelu spontánního rozprodeje BR je smutnou satisfakcí zastánců integrovaného železničního podniku z Belgie, Francie, Itálie, Německa, Polska, Rakouska a dalších. Smutnou proto, že je doprovázena množstvím mrtvých a zraněných cestujících a zaměstnanců. Od té chvíle, zdá se, převážila snaha zachovat integrované uspořádání národních drah v Evropské unii (EU) s povinným transparentním účetním oddělením a nezávislou alokací kapacity železniční dopravní cesty. Zásadním argumentem je přitom garance bezpečnosti a kvalita provozu infrastrukturních systémů, které zajišťují životaschopnost státu. Zde nelze opominout další varování ve formě kolapsu soukromé energetiky v Kanadě a USA z důvodu podudržovanosti a zastaralosti. Mimochodem, argument, že úspory nákladů infrastruktury a technologického systému kolo-kolejnice nelze kompenzovat zmařenými lidskými životy, plně akceptovaly vlády a regiony členských států EU. Příkladem může být i objem finančních prostředků z veřejných rozpočtů, který je v rámci smluv o závazcích služeb ve veřejném zájmu v železniční osobní dopravě určen na kompenzaci prokazatelné ztráty dopravců. Obrázek č. 1 - Dnes již historické dieselové jednotky řady 43 ze začátku 60 let stále představují páteř dálkové železniční osobní dopravy v Británii rychlostí až 200 km/h 2

38 Rozprodej British Rail Procesní uspořádání BR, navzdory optimistickému vývoji podnikatelské činnosti, vydrželo pouhé dva roky. Poté byla BR rozparcelována do množství malých podniků, které měly být transparentnější pro investory. Jednalo se o 25 dopravců, podnik údržby infrastruktury, tři zasilatelské společnosti, BR-Telekomunikace a téměř tři desítky firem pro společné činnosti jako nákupy, projekty, výzkum atd. Na korporátní úrovni zůstaly pouze útvary právní, ekonomiky a financování, správa majetku a řízení provozu. V roce 1994 založila vláda Railtrack jako samostatnou společnost v majetku státu a v roce 1995 převzal Railtrack do svého vlastnictví majetek státní infrastruktury železniční dopravní cesty spolu s činnostmi zajištění provozuschopnosti dráhy a řízení provozu. Tím byl zahájen rozprodej BR. Pro většinu řadových železničářů znamenaly výdaje ve výši zhruba 400 mil. liber (!!) na právní, procesní a finanční konzultace natolik obscénní sumu, že sama o sobě naprosto zdiskreditovala celý proces již v jeho počátcích. Jak se později bohužel ukázalo, byl to pouze malý závdavek poradenským jestřábům. Nejsnazší pozici v privatizaci měly firmy s činností administrativního servisu. Smlouvy byly připraveny ze strany poradců a firmy provozující hlavní činnost je musely podepsat. Neexistovala možnost vystačit si sám. Během dvou let bylo rozprodáno. Pro provozování osobní dopravy byla procedura komplikovaná. Ředitel frančízy, jmenovaný vládou, stanovil v katalogu podmínky služby, které obsahovaly požadavky na investice při redukci výdajů z veřejných rozpočtů v určitém čase, nejčastěji v období do sedmi let. Zhruba 100 firem vzešlých z rozkladu BR okamžitě více než zdvojnásobilo požadavky na subvence. Úhrnný požadavek na ministerstvo financí zněl na 2 mld. liber (65 mld. Kč podle současného kurzu). Příčina je zřejmá - každý nový subjekt podnikal kvůli zisku a veřejný zájem státní firmy již nemohl být zohledněn. Požadavkem vlády na podnik infrastruktury Railtrack bylo snížit požadavky dopravců na subvence z veřejných rozpočtů prostřednictvím snížení cen za vlakové trasy redukcí nákladů údržby infrastruktury o 30 % (!!). Privatizace znamenala nadlouho konec koordinovaného rozvoje železnice v Británii, investiční záměry klesly na nejnižší prioritu. Čím méně mohl stát hradit rostoucí požadavky na subvence, tím více ztrácel kontrolu nad kvalitou služeb a bezpečností provozu. Aby se primární účel podnikání na železnici, tj. dosažení zisku, mohl naplnit i přes nedofinancování nákladů z veřejných rozpočtů, stala se přeprava po železnici v Británii nejdražší v Evropě. V každém případě lze konstatovat, že největší dynamiku zaznamenal u železničních podniků v Británii nárůst dividend pro akcionáře. Jejich mnohdy až pohádkových částek bylo dosahováno na úkor dramatické redukce personálu a současně jejich mezd (osobních nákladů) a reprodukce majetku. Je třeba zdůraznit, že podmínky ostrovní Británie nevystavují tamní železniční podniky globální konkurenci, která panuje a stále sílí v rámci kontinentální Evropské unie, kde se vývoj ubírá opačnou cestou, tedy fúzemi a strategickými aliancemi hlavních subjektů na trhu (DB, FSI, ÖBB, PKP, SNCF). Navzdory rozvrácení BR však došlo k opětnému sdružování malých železničních podniků do Asociace provozovatelů vlakové dopravy (ATOC 2 ) tak, aby 2 3

39 mohlo být efektivně zajištěno prosazování zájmů železniční dopravy jako celku včetně snahy o jednotnou komunikaci sektoru. Velkou úlohu sehrává ATOC i v procesu hledání národních přepravních standardů v britské železnici. Lze říci, že britský model privatizace národní dráhy potvrdil dřívější názory o tom, že skutečnou konkurencí železnici je silniční doprava. Z neuspokojivých finančních důsledků transformace drah je třeba si vzít ponaučení. Franchising iluzí úspěchu privatizace Je třeba konstatovat, že Velká Británie má v oblasti železniční dopravy liberální trh s nejvyšší úrovní řízené konkurence. Cesta vedla od rozprodeje národního železničního podniku BR k zavedení principu franšíz v osobní dopravě. Jedná se o princip založený na udělování licencí na provozování dopravy na vymezeném území, které jsou soutěženy ve výběrových řízeních. Britská vláda se rozhodla založit tři společnosti Angel Trains, Eversholt a Porterbrook, na které převedla vozový park původního přirozeného monopolu BR, a které měly za úkol pronajímat vlaky provozovatelům osobní železniční dopravy. Výsledkem privatizace je však paradox na jedné straně příběhy o brilantním úspěchu železniční dopravy, nárůstu počtu spojů a cestujících, na druhé straně však zvyšující se ceny jízdného, rostoucí zadluženost společností a odpovědnost veřejného sektoru za jejich hospodaření (významně vzrostl veřejný dluh). Skutečnost, že je systém z významné části financován veřejnými dotacemi a vláda převzala záruky, pro mnohé ekonomy odporuje podstatě a fungování privatizovaného trhu. Opakovaně je z tohoto důvodu diskutována možnost opětovného zestátnění (renacionalizace) železniční dopravy. Historický vývoj privatizace a franšíz V roce 1992 představil ministr dopravy John MacGregor parlamentu Bílou knihu New opportunities for the railways. Bílá kniha obsahovala návrh privatizace osobní železniční dopravy formou franšíz a návrh na rozdělení BR na dvě části. Jedna část společnosti byla určena ke správě železniční sítě a druhá část k poskytování osobní železniční dopravy do té doby, než bude osobní dopravy pod správou jednotlivých franšíz. V roce 1994 byl schválen první zákon, upravující systém franšíz, tzv. Railways Act Zákon stanovil celou organizační strukturu systému železničních franšíz. BR byla následně rozdělena na desítky institucionálně oddělených společností. První franšízy vznikly po privatizaci v letech Za 20 let se ve Velké Británii konala tři kola výběrových řízení. V prvním kole privatizace vzniklo 25 samostatných franšíz. Postupem času došlo ke konsolidaci a zmenšování počtu franšíz na současných 18. Struktura systému franšíz Reforma železničního trhu spočívala ve vertikální separaci infrastruktury od provozovatelů železniční dopravy a privatizaci státního přirozeného monopolu BR. Vzniklá struktura zahrnovala soukromé operátory soutěžící o jednotlivé franšízy, vlastníka infrastruktury, samostatné společnosti pronajímající vlakové soupravy 4

40 operátorům a dva regulační úřady. Zásadní závazky, které zákon stanovil, byly následující: - zřízení nezávislého orgánu, který spravuje celou železniční infrastrukturu a je odpovědný za její údržbu (včetně stanic, signalizačního zařízení a železničních dep), - prodej nákladní dopravy a příslušných pozemků BR do soukromého sektoru, - franšízování osobní železniční dopravy (franšízy se udělují ve veřejných soutěžích), - zřízení orgánu, který vypisuje tendry, uděluje a monitoruje franšízy, - založení regulačního orgánu, který má dohlížet na hospodářskou soutěž, nediskriminační přístup k železniční infrastruktuře, předcházet vzniku monopolu a hájit zájmy spotřebitelů. Osobní doprava ve Velké Británii byla rozdělena na 25 franšíz. Operátoři soutěžili o provozování franšíz ve veřejných výběrových řízeních, které vypisoval a hodnotil Úřad pro franšízing osobní železniční dopravy (OPRAF). Operátorům byly udělovány vládní dotace prostřednictvím úřadu OPRAF. Operátoři platili poplatky správci infrastruktury, společnosti Railtrack (nyní Network Rail) za užívání železničních tratí a pronájem nemovitostí. Dále operátoři platili nájemné za užívání vozového parku společnostem, které vlastní vlakové soupravy. Díky tomuto systému, kde nejsou požadovány velké vstupní investice, se na jednu stranu sice výrazně snížily bariéry vstupu na trh, na druhou stranu však vzrostlo riziko tzv. garážových firem personálních agentur. První franšízy byly zpravidla udělovány na sedm let. Některé franšízy, zejména ty pozdější, pak byly uděleny i na patnáct a více let. Obrázek č. 2 - Zahájení provozu vysokorychlostní železnice na kontinent bylo historickým milníkem 5

41 Nájem železničních vozů Vozový park BR se před privatizací skládal z vozů různého stáří. Britská vláda založila tři společnosti Angel Trains, Eversholt a Porterbrook, na které se převedl vozový park původní BR, a které měly za úkol následně pronajímat vlaky provozovatelům osobní železniční dopravy. Nově založené společnosti si rozdělily vozový park rovnými díly podle stáří a hodnoty. Jejich úkolem bylo zajišťovat údržbu a obnovu vozového parku. Provozovatelé dopravy jim platili za vozy nájemné. Společnosti byly původně založeny jako státní společnosti, nicméně na přelomu let 1995 a 1996 byly prodány soukromým vlastníkům za 2,5 miliardy liber. K založení těchto tří společností vedly vládu následující důvody. Franšízy byly udělovány na relativně krátkou dobu od 7 do 15 let, přičemž ekonomická životnost nového vozového parku je 20 až 30 let. Britská vláda chtěla tímto krokem podpořit provozovatele osobní železniční dopravy, kteří by mohli být odrazeni vysokými prvotními investicemi do kapitálu. Současně měla být odstraněna bariéra vstupu do odvětví a závazek pokračujících investic do obnovy a rozvoje vozového parku. Vzhledem k provázanosti vozového parku s určitými tratěmi panovaly oprávněné obavy, že by efektivně nefungoval trh s použitými vlaky a společnostem provozujícím franšízu by po skončení doby platnosti franšízy zůstávaly neprodejné majetky vysoké hodnoty. Regulace trhu První zákon, na základě kterého vznikl systém franšíz, Railways Act 1993, zřídil dva regulační úřady, Office of Passenger Rail Franchising (OPRAF) a Rail Regulator (nyní Office of Rail and Road 3 ). OPRAF se stal regulačním úřadem pro franšízy. Jeho úkolem bylo vypisování veřejných soutěží, udělování licencí a uzavírání franšízových smluv s operátory, které definovaly požadavky na provoz osobní železniční dopravy a služeb s tím spojených. OPRAF současně kontroloval výši jízdného a stanovil trasy jednotlivých franšíz. Tento úřad byl také zodpovědný za rozdělování dotací provozovatelům. OPRAF zanikl vydáním dopravního zákona v roce 2000 a byl nahrazen dalším novým úřadem Strategic Rail Authority. Druhým regulačním úřadem, vytvořeným v roce 1993, byl Rail Regulator, který měl odpovědnost za kontrolu příjmů a finanční stability správce infrastruktury Railtrack a za přístupové poplatky. V roce 2004 byl úřad reformován a přejmenován na Office of Rail and Road. Během let byl založen regulační úřad Strategic Rail Authority (SRA), který převzal odpovědnosti franšízového regulátora (OPRAF) a ministerstva dopravy (DfT). Se špatnou a nedostatečnou regulací byly spojeny také problémy 3 6

42 správce infrastruktury Railtrack. Railtrack zkrachoval po problémech v roce 2002 a místo něho vznikla nezisková společnost Network Rail (NR). Následkem dalších problémů této společnosti byl přijat nový železniční zákon Railways Act 2005, který zrušil SRA a převedl její pravomoci na ministerstvo dopravy a Office of Rail and Road. Výhody a nevýhody systému K této problematice byla vydána například významná studie Nash and Smith - Passenger Rail Franchising in Britain: has it been a success?.[1] Autoři konstatují velmi vysokou úroveň konkurence mezi železničními operátory ve Velké Británii, kdy se do výběrových řízení hlásí v průměru 4 až 5 uchazečů, zatímco v jiných zemích je to často jeden až dva. Dále zdůrazňují velmi zdravý růst profitability železniční dopravy ve Velké Británii, kde ovšem připouštějí pozitivní vliv ekonomického růstu země. Naopak za velmi znepokojující považují růst nákladů železničních společností. Svoji studii uzavírají tvrzením, že systém britského železničního franšízingu sice zaznamenal úspěch na poptávkové straně, ale naprosto neuspěl v oblasti očekávaného snižování nákladů. Dále většina odborníků v literatuře popisuje zásadně negativní vztah mezi efektivitou a výší inkasovaných dotací. Dotace do železničního průmyslu představovaly v účetním roce 2013/2014 necelých 29 % z celkového příjmu. Přibližně třetina železničního sektoru ve Velké Británii je dotována vládou. Příjem železničních operátorů se v uvedeném roce vyrovnal výdajům, což paralyzuje investiční rozvoj v oboru. Železniční doprava se sice stala produktivnější a zvýšil se počet pasažérů a najetých kilometrů. Výrazně však vzrostla veřejná podpora do železnice a cena jízdného. Zásadně rovněž vzrostl veřejný dluh byly vydány dluhopisy se státní zárukou. Obrázek č. 3 - Kompletně přestavěná stanice St.Pancras je terminálem i vysokorychlostních vlaků Eurostar z kontinentu 7

43 Problémy privatizace a franšízingu s bezpečností a kvalitou Systém franšíz se potýkal po celou dobu své existence s řadou problémů. Jednalo se například o absenci dlouhodobého strategického plánování, vágně stanovené sankce regulačních úřadů a nejasné stanovení priorit pro investice do vývoje. Kompetence regulačního úřadu OPRAF byly úzce soustředěny na osobní dopravu. Na bedrech nezávislého regulátora leželo příliš mnoho zásadních politických rozhodnutí. Z pohledu cestujících bylo významným problémem, že došlo k výraznému zhoršení úrovně poskytovaných služeb soukromých dopravců nejen vinou zastaralého vozového parku z doby BR, docházelo k častějšímu zpoždění a rušení spojů. Se špatnou a nedostatečnou regulací byly spojeny problémy správce infrastruktury Railtrack. Při realizaci největšího projektu, modernizace tratě West Coast Mainline, došlo k několikaletému zpoždění a více než čtyřnásobnému navýšení prvotních nákladů. Railtrack platil značné částky železničním dopravcům jako kompenzaci za zhoršené služby. Během série nehod se objevily se obavy o bezpečnost tratí. Tyto obavy se bohužel následně naplnily hromadnými neštěstími u Southall (1997), Ladbroke Grove (1999), Hatfieldu (2000) a Potter's Bar (2002). Tyto události vedly k naprosté ztrátě důvěry investorů v Railtrack. Správce infrastruktury neměl peníze na rekonstrukce tratí. Tratě byly podinvestované, a to jak z pohledu stavu kolejí, tak i signalizace. Reálné náklady nových investic se vyšplhaly na 2 až 3násobek předchozí investice British Rail. V roce 2000 došlo k nucené správě Railtracku, který v roce 2002 zkrachoval. Místo Railtracku následně vznikla nezisková společnost Network Rail (NR). Dalším problémem privatizace a franšízingu je skutečnost, že Network Rail, který je sice považován za soukromou společnost, je zcela závislý na vládních zárukách a dluhopisech. Prostředky si půjčuje bezúročně se státní zárukou. Network Rail je také příjemcem dotací. Vzhledem k výši veřejné podpory byl Národním statistickým úřadem překlasifikován v prosinci 2013 na centrální vládní úřad. Do státního rozpočtu tak přibude dodatečný dluh ve výši 30 mld. liber. Z tohoto důvodu se uvažuje o změně, Network Rail bude čerpat peníze přímo z rozpočtu a nebude vydávat vlastním jménem dluhopisy. Tímto krokem v podstatě skončila neúspěšná angažovanost soukromého sektoru ve financování železniční infrastruktury a již nelze hovořit o privatizaci, nýbrž o plném zestátnění. Privatizace si kladla za cíl zajistit finanční udržitelnost (díky investicím soukromého sektoru) a zvýšení efektivity. Výsledkem nepromyšleného a unáhleného rozhodnutí je však systém podpor železničního sektoru, který je postaven tak, že znemožňuje provozovatelům franšíz získat profit bez zvýšení přímé veřejné podpory. Ve skutečnosti je odborníky systém považován za politickou pohádku o privatizaci, která daňové poplatníky pouze opakovaně ujišťuje o tom, že provozovatelé přinášejí finanční prostředky do národního daňového systému. Dalším problémem bylo, že se náklady regulátora SRA (nástupce OPRAF) na infrastrukturní projekty vymykaly kontrole. Jednalo se např. o modernizace tratí West Coast Mainline. Vysoké náklady na modernizaci a údržbu tratí byly častým problémem SRA. V reakci na zásadní problémy, a to jak správce infrastruktury 8

44 Railtrack, tak i SRA, byl nakonec přijat nový železniční zákon Railways Act 2005, který zrušil SRA a převedl její pravomoci na ministerstvo dopravy a Office of Rail and Road. Obrázek č. 4 - Nové vysokorychlostní vlaky Eurostar jsou hlavním symbolem moderní železnice v Británii Pokus o opětovné znárodnění Britské železnice a další vývoj Vzhledem k trvalým potížím v železničním sektoru se labouristé již v roce 1997 (před převzetím vlády ve Velké Británii) zavázali znovu znárodnit britské železnice. Strana konzervativců si však byla záměrů opozice vědoma a proto ještě před volbami v roce 1997 převedla značnou část majetku britské železnice do soukromého vlastnictví. Tímto krokem konzervativců tak bylo dokončení železniční privatizace za daných podmínek naprostou nutností. Labouristům nezbylo nic jiného, než dokončit zbývající prodeje státního majetku a tím i celou privatizaci. Nová vláda se ale nevzdala myšlenky státní kontroly nad železnicí. Vláda navrhla poskytnout přímou dotaci Railtracku ve výši 2 miliard liber výměnou za hlasovací práva v této společnosti. Přestože měl veškerý majetek Railtracku tržní hodnotu 1,9 miliard liber, představenstvo Railtracku návrh vlády nepřijalo. Po neúspěšné snaze o převzetí moci nad Railtrackem se britská vláda rozhodla dosáhnout reintegrace železnic prostřednictvím založení nového regulačního úřadu, odpovědného ministerstvu dopravy, který určoval přístupové poplatky na železnici. Vláda chtěla rovněž přesunout British Rail do veřejného vlastnictví s veřejným zájmem na rozvoji železniční sítě. Tento pokus se však nepodařilo politicky prosadit. Vláda současně usilovala o převzetí kontroly nad Railtrackem, což se jí také nepodařilo. 9

45 Cílem reformy bylo rovněž zachovat dopravce, jejichž služby byly na vysoké úrovni, a kteří se zavázali v budoucnu investovat do infrastruktury po dobu 10 až 20 let. Tento záměr se podařil pouze s jediným úspěšným operátorem a to se společností Chiltern Railways, které byla udělena dvacetiletá franšíza Chiltern line. Postupně také narůstala potřeba zvyšovat vládní dotace do železničního průmyslu. V roce 1997/98 činila dotace 1,8 mld. liber. V roce 2004 narostla hodnota vládních dotací na 3,8 mld. liber. Systém podpory ze strany státu byl založen na tzv. mechanismu cap and collar. Mechanismus podpor fungoval na následujícím principu. Když byl operátor ztrátový, dostal kompenzaci v podobě dotací, naopak když byl ziskový, odváděl státu odpovídající prémii. Jakmile byly ztráty franšízy větší než předpokládané, obdržel operátor větší dotace. Stejně to platilo i u zisku. Pokud měla franšíza větší než předpokládaný zisk, odváděla státu větší prémii. Často se pak logicky stávalo, že společnosti usilující o franšízu uvedly velmi vysoké předpokládané zisky, aby vyhrály veřejnou soutěž. Následně byly jejich zisky v prvních letech až o 80 % nižší. Tento systém logicky samozřejmě nenutil společnosti v dotované činnosti podnikat efektivně. Od přijetí zákona Railways Act 2005 je proces udělování franšíz v režii ministerstva dopravy. V rámci tohoto nového modelu je prioritou zlepšení podmínek udělování licencí na provozování osobní železniční dopravy. Na základě nového programu budou někteří operátoři muset podstupovat podnikatelské riziko v celém rozsahu. Dále je ze strany ministerstva obecně preferován menší počet franšíz, avšak udělených na delší dobu. Vzhledem k časové tísni při vypisování tendrů na nové franšízy obdrží přechodně někteří uchazeči franšízu napřímo. Kritici systému upozorňují, že podhodnocené nabídky soutěžících v tendru jsou v konečném důsledku příčinou toho, že operátoři nemají stimul k investici. Německý model - benchmark V Německu má i přes rozsáhlá nabídková řízení stále na trhu dominantní postavení národní železniční podnik Deutsche Bahn. V Německu přitom roste veřejná podpora na železniční infrastrukturu (DB Netz) nejpomaleji a zároveň jsou v Německu nejnižší ceny jízdného (EU15). V letech 1995 až 2011 byla provedena analýza cca 190 tendrů v Německu. Bylo zkoumáno, kdy vyhraje výběrové řízení přirozený monopol Deutsche Bahn (DB) a kdy ostatní soutěžitelé. DB vyhrává nejčastěji v případech, kdy se jedná o kontrakt na delší tratě a delší dobu zajišťování služby. Současně za situace, kdy se do tendru přihlásí méně soutěžitelů, protože z tendru vyplývá vyšší podnikatelské riziko. Dále pak v případech, kdy je povoleno provozovat použité vozy a současně na tratích, na kterých je DB již provozovatelem. Analytici rovněž zjistili, že když je doba kontraktu delší, hlásí se do výběrových řízení více operátorů. Novým trendem je postupné snižování celkového počtu účastníků v tendrech. Závislost délky kontraktu a počtu soutěžitelů vysvětlují analytici tím, že delší kontrakty jsou pro dopravce atraktivnější, neboť se jim investice do tendru na delší dobu zajištění služby vyplatí více, vzhledem k amortizaci vozového parku v délce 20 až 30 let. Očekávaným vývojem je souboj low-cost dceřiných společností národních železničních podniků z Francie, Itálie a Nizozemí s DB Regio. Tento vývoj 10

46 je potvrzen i akvizicí největšího soukromého dopravce ARRIVA koncernem DB, s výjimkou železničních aktivit v domácím Německu (Netinera ve vlastnictví Ferrovie Stato Italiane). Británie znovu sjednocuje informační systém pro cestující Rozdrobené soukromé železniční podniky v Británii spustili dne 28. června 2016 projekt za 9 mil. liber, který má za úkol nahradit dosavadních (neuvěřitelných) 66 samostatných informačních systémů pro cestující jedním centrálním systémem zvaným Darwin. Darwin dodá aktuální vlakové informace do staničních obrazovek a online kanálů, včetně Národní železniční aplikace, a poskytne real-time předpovědi příjezdů a odjezdů, čísla nástupišť, odhady zpoždění, změny v jízdních řádech a zrušení vlaků. Darwin shromáždí data přímo z každého zákaznického informačního systému jednotlivých železničních dopravců a zkombinuje je s údaji o poloze vlaků poskytovanými provozovatelem infrastruktury Network Rail (dále NR). To umožní, že cestující (konečně) uvidí stejné aktuální informace nehledě na to, jestli si zvolí staniční obrazovky, internet, aplikaci, nebo se zeptají staničního personálu. Naši zákazníci nám říkají, že chtějí lepší informace, zejména pokud nastane nějaký problém se službou, a tento projekt představuje důležitý krok směrem k uspokojení jejich potřeb, říká Jacqueline Starr, výkonná ředitelka pro spokojenost zákazníků ve společnosti Britain's Rail Delivery Group. Mnozí cestující velmi dobře znají tu paniku při čekání na vlak, když se jim na staniční obrazovce ukazuje něco jiného než v mobilní aplikaci. Pro zákazníky je klíčové to, aby mohli věřit původu informací na železnici a mohli si tak co nejlépe naplánovat cesty. Do projektu Darwin jsou zapojeny všechny železniční společnosti v Británii, včetně NR, a zafinancoval jej národní program pro zlepšení stanic, jehož záměrem je docílit poskytování informací v reálném čase, přehlednější navigaci, snadnější dostupnost a zlepšení čekáren pro cestující. Shrnutí Dosavadní dostupná literatura není zcela jednoznačná v hodnocení provedených reforem ve Velké Británii, nicméně obecně převažují názory, že uvedené reformy byly ve své době nezbytné a efektivní. Velká Británie má nyní konkurenční trh v oblasti osobní železniční přepravy v Evropě. Je to dáno systémem veřejných aukcí o franšízy a soutěží o trh. Dosavadní studie však potvrzují, že rostoucí celkové dotace způsobují růst nákladů a pokles efektivity byrokraticky velmi složitého systému. Řada expertů tvrdí, že britskou železnici nelze nazývat zprivatizovanou. Výše realizované veřejné podpory (dotací) a dále skutečnost, že byl v roce 2014 dluh železniční sítě prohlášen za veřejný, totiž zásadně odporují principům podnikání soukromého sektoru. 11

47 Z ekonomické a finanční perspektivy se odborníci z Velké Británie shodují především na základním faktu a to, že nikoliv vlastní reforma, ale rozdrobení a privatizace železnic ve Velké Británii byly chybou. Hlavní negativní dopady privatizace jsou dle jejich závěrů následující: - růst nákladů železničních společností, - růst objemu veřejné podpory do železnice, - nekoordinace investičního rozvoje dopravní cesty mezi potřebami dopravců a prioritami podniku infrastruktury, - negativní vztah mezi efektivitou a výší inkasovaných dotací, - dluhopisy se státní zárukou zatížily státní rozpočet, - růst cen jízdného, - výrazné zhoršení poskytovaných služeb soukromých dopravců, častější zpoždění a rušení spojů, - operátoři nemají stimul investovat, - roztříštěnost nabídky vůči cestující veřejnosti daná množstvím dopravců. Závěr Rozvrácení národního železničního podniku British Rail jeho rozprodejem na desítky soukromých subjektů, technologické problémy v provozu, technické zastarání, nehody, razantní zvýšení cen jízdného i vyplácených dotací z veřejných rozpočtů a nakonec hledání cesty k renacionalizaci železnice v Británii jsou mementem pro konkurenceschopné postavení dráhy na přepravním trhu v Evropě. Bude se opakovat rok 1947, kdy vláda zákonem znárodnila čtyři hlavní (bankrotující) soukromé železniční společnosti? Zdálo by se, že podniky byly v insolvenci po dlouhé devastující válce, pravdou však je, že v insolvenci byly již od roku Kolik experimentů na železnici ještě vlády uskuteční? 12

48 Literatura [1] Smith A., Nash Ch., Wheat P.: Passenger rail franchising in Britain: has it been a success? International Journal of Transport Economics / Rivista internazionale di economia dei trasporti, Vol. 36, Issue 1, Pages 33-62, Accademia Editoriale, 2009 [2] Stanley W. Peter: Die Privatisierung von British rail-eine verpasste Gelegenheit, Der Eisenbahn-Ingenieur, 3/2002, Hamburg, ISSN [3] Train running information evolves with Darwin; In: Praha, září 2016 Lektorovali: Ing. Jiří Havlíček České dráhy, a. s. prof. Ing. Václav Cempírek, Ph.D. Univerzita Pardubice 13

49 Ing. Martin Táborský 1 Systém broušení kolejnic u Správy železniční dopravní cesty, státní organizace Klíčová slova: broušení, frézování, hoblování, reprofilace kolejnic, vady kolejnic, příčný profil kolejnice, podélný profil kolejnice, head checking, Správa železniční dopravní cesty, státní organizace Úvod Kolejnice, bezesporu nejdůležitější součást železničního svršku se značným vlivem na bezpečnost a provozuschopnost dráhy, podléhá stejně jako jakákoliv jiná součást degradaci. Degradace kolejnic je však oproti jiným umocněna především přímým kontaktem s kolejovými vozidly. Síly, které působí na pojížděnou plochu kolejnice, jsou obrovské a soustředěné na velmi malé ploše například kontaktní plocha mezi kolejnicí a běžným vlakem osobní dopravy má velikost jen několik málo centimetrů čtverečních. Není divu, že se každý moderní provozovatel dráhy snaží různými způsoby co nejvíce prodloužit životnost kolejnic. Ne jinak je tomu u železničních drah provozovaných Správou železniční dopravní cesty, s. o. (dále jen SŽDC ). Životnost kolejnic je limitována dvěma zásadními faktory: opotřebením, jehož meze jsou u SŽDC stanoveny v předpise SŽDC S3, díl IV. velikostí a závažností vad kolejnic, zejména těch kontaktně-únavových. O vadách kolejnic pojednává interní předpis SŽDC (ČD) S67 a také vyhláška UIC 712. Opotřebovávání kolejnic ani rozvoj vad kolejnic nejsou jednoduše popsatelné děje, neboť závisí na mnoha faktorech, jako je tvar a materiál hlav kolejnic, úklon kolejnic, pružnost upevnění, druh pražců, geometrické parametry koleje a kvalita geometrie koleje, provozní zatížení, hmotnost na nápravu, jízdní vlastnosti vozidel, traťová rychlost, materiál a jízdní obrys kol, udržovací stav vozidel a mnoho dalších. Pokud však chceme účinně prodlužovat životnost kolejnic, pak je nezbytné rozumět mechanizmům vzniku vad kolejnic a úbytku materiálu kolejnic. Eliminace příčin degradace kolejnic je bezesporu nejúčinnější nástroj, jakým lze jejich životnost prodloužit. Bohužel, ve většině případů nejsme schopni příčinu eliminovat, a to nejen proto, že to není z objektivních důvodů uskutečnitelné (například z důvodu protichůdných požadavků pro osobní a nákladní dopravu), ale 1 Ing. Martin Táborský absolvent VUT v Brně, Fakulta stavební, obor železniční stavby a konstrukce; rozpočtář, ČD, SDC Hradec Králové; ČD, TÚČD, obor výhybky a výhybkové konstrukce; 2008 dosud SŽDC, Odbor traťového hospodářství, obor kolejnice, vady kolejnic, broušení kolejnic, speciální zařízení dopravní cesty. 1

50 i proto, že není příčina jednoduše identifikovatelná (například vlnkovitost v přímých úsecích). To je důvodem, proč se ve velké míře prosazují řešení, která příčinu neřeší, ale s různou úspěšností zmírňují následky. Největší roli v tomto případě hraje materiál kolejnic a tvar pojížděné plochy kolejnic. Zásadní a nezbytný způsob prodlužování životnosti kolejnic je správně volená, včas a samozřejmě i kvalitně prováděná údržba. Nejen kolejnic. Co je však myšleno pojmem údržba kolejnic? Obvykle si lze pod tímto pojmem představit lokální opravu různě rozvinutých vad kolejnic (např. navařování vybroušených míst, lokální vybroušení převalku ručně vedenými bruskami, vyrovnání propadlých styků apod.), avšak nejzásadnějším a nejefektivnějším typem údržby kolejnic je bezesporu broušení pojížděných ploch kolejnic kolejovými stroji (vlaky), zvláště pak to prováděné v pravidelných intervalech, které má významný preventivní charakter. Rozlišujeme 3 typy broušení viz předpis SŽDC S3/1. Jedná se o: základní (první, preventivní) broušení, realizované během nebo krátce po rekonstrukci či modernizaci koridorových tratí bez ohledu na rychlost nebo ostatních celostátních tratí s rychlostí >80 km/h. Cílem je optimalizovat pojížděnou plochu kolejnic, optimalizovat příčný a podélný profil a odstraněním oduhličené vrstvy oddálit vznik některých vad kolejnic. opravné broušení, realizované za účelem odstranění provozem vzniklých a různě rozvinutých vad kolejnic, ke snížení dynamických účinků vozidel na kolej a případně ke snížení úrovně emitovaného hluku. pravidelné (periodické) broušení, které je totožné s opravným broušením, ale na rozdíl od něj je realizováno v pravidelných cyklech tak, aby se broušené vady nestihly plně rozvinout. Na úvod je nezbytné připomenout, že existují i další dvě alternativní technologie k broušení a to frézování a hoblování. Přestože se hovoří o těchto technologiích jako o alternativách, s ohledem na jejich rozlišnost je každá technologie vhodnější pro jiné typy odstraňovaných závad. S broušením a frézováním kolejnic má SŽDC zkušenosti, hoblování u nás prozatím použito nebylo. Souhrnně se pro tyto tři technologie zavedl název opracování nebo oprava pojížděných ploch kolejnic, případně se používá i pojem reprofilace, který je však méně výstižný. Vyskytuje-li se dále v textu pojem broušení, jsou tím obvykle myšleny všechny tři technologie opracování pojížděných ploch kolejnic. Historie broušení Broušení kolejnic jako nástroj pro prodlužování životnosti nejen kolejnic, ale i dalších prvků železničního svršku a spodku a GPK, má své počátky v šedesátých letech minulého století. V České republice sahá historie souvislého broušení kolejnic do roku V době počátků bylo hlavním cílem broušení především vylepšovat podélný profil kolejnic za účelem snížení dynamických účinků generovaných jízdou vozidel po kolejnicích s krátkými vlnami (vlnkovitost, skluzové vlny). Posléze nabyla na významu i oprava příčného profilu broušením. Tvar příčného profilu má nezanedbatelný vliv 2

51 nejen na kvalitu jízdy vozidel, ale i na tvorbu některých vad kolejnic. Na přelomu sedmdesátých a osmdesátých let minulého století se pak k hlavním důvodům, proč brousit, přidalo odstraňování a předcházení kontaktně-únavovým vadám kolejnic, zejména pak vadě head checking. Vada head checking Především v důsledku zvyšování rychlostí a s tím souvisejícími požadavky na jízdní charakteristiky vozidel se čím dál více setkáváme s kontaktně-únavovými vadami kolejnic, zejména pak s vadou head checking, tedy šikmými trhlinkami, které se tvoří v pravidelných vzdálenostech na pojížděné hraně nebo v oblasti mezi temenem kolejnice a pojížděnou hranou. V různém stádiu rozvoje se u nás můžeme s touto vadou setkat na několika stovkách kilometrů kolejnic, především na tzv. koridorových tratích. Přestože má tato vada obvykle pomalý rozvoj (trvá několik let, než začne být vada nebezpečná), při zanedbání údržby může skončit lomem, jak tomu bylo například dne u anglického Hatfieldu, kde se kolejnice se značně rozvinutým head checkingem rozpadla na délce 35 m na více než 300 kusů pod expresem jedoucím z Londýna do Leedsu při rychlosti kolem 190 km/h. Na obr. 1 je vyobrazen vzorek kolejnice z této mimořádné události. Obr. 1 - Vzorek kolejnice z mimořádné události v anglickém Hatfieldu Jaký význam je připisován této vadě dokumentuje fakt, že brousicí strategie mnoha evropských železničních správ jsou primárně založené na stavu příčného a podélného profilu hlavy kolejnic a rozsahu vady head checking. SŽDC samozřejmě pozadu nezůstává. Počátky odstraňování této vady jsou v našich končinách spojeny s podbrušováním pojížděné hrany kolejnice ručně vedenými rámovými bruskami. Tímto způsobem se sice nedařilo vadu zcela odstranit, avšak odstraněním kontaktu kola s kolejnicí v místě vzniku vady byl zpomalen, někdy dokonce na určitou dobu zcela zastaven, rozvoj této vady. V současné době je vada head checking 3

52 systematicky odstraňována broušením a během odstraňování je aplikován speciální profil, který oddaluje opětovný vznik této vady (tento speciální profil je představen níže). Provádíme-li odstraňování hlubokých vad, je nezbytné přihlédnout i na ekonomickou stránku věci, především tedy najít hranici, kdy je tento typ údržby efektivní. Při současných cenách broušení a nových kolejnic se vyplatí odstraňovat vady, které dosahují hloubek až 6 mm. Samozřejmě při takto velkých úběrech materiálu je také třeba přihlédnout k tomu, aby se finální tvar hlavy kolejnice neblížil maximálnímu povolenému výškovému opotřebení a/nebo nebyl vytvořen takový sklon ojeté plochy hlavy kolejnice, který je z hlediska možného vykolejení nebezpečný. Oprava podélného a příčného profilu Oprava příčného profilu kolejnic a odstranění krátkých vln (skluzové vlny a vlnkovitost) v rámci podélného profilu jsou společně s odstraňováním vady head checking hlavními důvody, proč provádíme opravné broušení kolejnic. Návrat k normovému příčnému a podélnému profilu vede obvykle ke snížení dynamických účinků provozu na železniční infrastrukturu, zlepšuje podmínky pro průjezd vozidla obloukem, vylepšuje jízdní vlastnosti vozidel v přímých úsecích a přímo či nepřímo přispívá ke zpomalení nebo oddálení tvorby některých typů kolejnicových vad. Odstraňování ostatních vad kolejnic Broušení kolejovými stroji je nejvýhodnější realizovat v ucelených úsecích. To je dáno zejména technologií práce těchto strojů a nutností opravy podélného a příčného profilu kolejnice obvykle ve větších délkách. V těchto ucelených úsecích je obvykle odstraněna i řada povrchových lokálních vad kolejnic, nejsou-li příliš hluboké (různé druhy odlupování materiálu z pojížděné plochy bez výrazných trhlin, prokluzy bez příčných trhlin, spalling, apod.). Lokální vady, jejichž hloubka výrazně převyšuje hloubku těch závad, kvůli kterým se broušení v uceleném úseku provádí, bývá neekonomické za každou cenu odstraňovat. Odstraňování ostatních kontaktně-únavových vad kolejnic broušením nemusí být tak výhodné, jako je tomu u head checkingu. Například shelling, spojený s odlupováním materiálu na pojížděné hraně, se obvykle tímto způsobem neodstraňuje. Důvodem je přítomnost podélné vodorovné trhliny, která může dosahovat značných rozměrů, a které se broušením většinou nezbavíme. Čeho se zbavíme, jsou projevy vady na povrchu, tedy plastické deformace pojížděné hrany v místě trhliny, případně mělčího odlupování materiálu na pojížděné hraně. Tím však nevyřešíme příčinu podélnou trhlinu a v závislosti na provozním zatížení se v řádu týdnů až měsíců vrátí projevy vady zpět. S vadou squat, která je charakterizována typickou trhlinou ve tvaru písmene V nebo půlměsíčku na pojížděné ploše kolejnice v oblasti mezi temenem a pojížděnou hranou, se SŽDC potýká čím dál ve větším měřítku. Squat je vadou velmi nebezpečnou, neboť je jednou z nejčastějších příčin lomů. V počátečním stádiu, kdy 4

53 se z povrchu rozvíjí pouze šikmá trhlina směrem do hlavy kolejnice, lze teoreticky vadu odstranit frézováním (broušení není pro tyto vady příliš vhodné). Zkušenosti však ukázaly, že odstraňování squatů frézováním, zvláště pokud jsou pouze lokálního charakteru, příliš efektivní není. V roce 2015 vyzkoušela SŽDC v ŽST Moravany frézováním odstranit několik málo squatů. Úplně odstranit se podařilo jen pár z nich, navíc za cenu obrovských odběrů kolejnicového materiálu. Samostatnou kapitolu tvoří obtisky nebo stopy po úderu, opakující se na pojížděné ploše v pravidelných intervalech odpovídajících obvodu kol železničních vozidel. To jsou naopak vady, které je vhodné odstraňovat broušením kolejovými stroji, a to právě s ohledem na jejich výskyt v poměrně dlouhých úsecích. Ovšem odstraňují se tímto způsobem pouze za předpokladu, že se z nich nešíří příčné trhliny. Požadavky SŽDC na broušení Základní požadavky SŽDC na broušení kolejovými stroji jsou dány předpisem SŽDC S3/1. V rámci každého broušení je nezbytné zajistit: demontáž a zpětnou montáž všech překážek, které by mohly ohrozit průběh broušení a demontáž a zpětnou montáž nebo ochranu všech překážek, u nichž by hrozilo poškození během broušení. V oblasti přejezdových konstrukcí SŽDC upřednostňuje technologie, které nevyžadují jejich demontáž. požární bezpečnost v průběhu broušení. Zejména množství odletujících jisker od brousicích kamenů bývá za suchého počasí nebezpečné. bezpečnost cestující veřejnosti (především ochrana cestujících na nástupištích) a silničního provozu (železniční nadjezdy s prvkovou mostovkou a mostnicemi, apod.) během broušení. ochranu proti žhavým okujím. odstranění veškerého odpadu vzniklého při broušení z koleje. nezbytnou ochranu vnějších prvků staničního i traťového zařízení ovlivněných nebo bránících činnosti brousícího stroje. Požadované cílové parametry příčného a podélného profilu kolejnic nejsou pro základní a opravné (a periodické) broušení shodné. Nejpřísnější požadavky platí samozřejmě pro základní broušení nových kolejnic. Opracování pojížděných ploch nových kolejnic musí zajistit přesnější podélný a příčný profil, než který je dán tolerancemi při výrobě kolejnic. Požadavky na příčný a podélný profil vychází z normy ČSN EN Železniční aplikace - Kolej - Přejímka prací - Část 3: Přejímka reprofilace kolejnic v koleji. Pro příčný profil je vyžadována třída profilu Q s tolerančním polem ±0,3 mm pro základní broušení a třída R s tolerančním polem +0,4/-0,6 mm nebo +0,1/-0,9 mm pro opravné. Na podélný profil uplatňuje SŽDC požadavky shodné jak pro základní, tak pro opravné broušení. Cílový příčný profil závisí na tvaru kolejnice a jejím úklonu v broušeném úseku. Obvykle se kolejnice tvarů 60 E2, 60 E1 a R 65, uložené v úklonu 1:40 i 1:20, 5

54 upravují do profilu 60 E2 s úklonem 1:40. Pro kolejnice 49 E1 se používají šablony 49 E1 s úklonem 1:20 i 1:40. V úsecích, kde je odstraňována vada head checking, se uplatňuje profil speciální, označovaný jako antiheadcheckingový (zkráceně AHC profil ). Základním principem AHC profilu je minimalizovat kontakt kola s kolejnicí v místech, kde dochází ke vzniku head checkingu. Tím lze výrazně oddálit opětovný vznik vady. AHC profil, který aplikuje SŽDC, je odlišný například od toho, který je využíván u DB. Důvody rozdílnosti jsou dány především našimi vyššími požadavky životnosti AHC profilu v koleji a jeho využití v charakterově jiných úsecích, než u DB. Vývoj českého AHC profilu je spojen s vybrušováním head checkingu ručními rámovými bruskami. Sledováním chování jednotlivých takto broušených úseků vznikl profil, který byl převeden do geometrické podoby (viz obr. 2) a je již třetím rokem aplikován v kolejích SŽDC (viz obr. 3) při souvislém broušení. V souvislosti s vybrušováním vady head checking a rozvojem diagnostiky vad kolejnic je od kampaně 2015 vyžadováno dokladování odstranění trhlin head checkingu měřením metodou vířivých proudů. Jedná se o relativně spolehlivý způsob dokladování skutečnosti, že byla vada úspěšně odstraněna. Obr. 2 - AHC profil aplikovaný u SŽDC 6

55 Význam diagnostiky pro údržbu kolejnic Nejen dokladování výstupů broušení, ale i zadávání těchto prací se neobejde bez moderní diagnostiky. Kvalitní popis stavu kolejnic je důležitý nejen pro stanovení adekvátní ceny, ale i pro plánování výluk pro tyto práce. SŽDC je od letošního roku prostřednictvím měřicích prostředků Technické ústředny dopravní cesty (organizační jednotka SŽDC) schopna poskytnout pro zadání broušení tytéž podklady, které pak vyžaduje po zhotoviteli jako doklady kvality odvedené práce. Jedná se nejen o příčný a podélný profil, ale i o hloubku trhlin vady head checking. Po zavedení rutinního provozu defektoskopického vozu (předpoklad v roce 2018) bude popis stavu kolejnic ještě podrobnější, než je tomu dnes. Obr. 3 - AHC profil 4 měsíce po broušení Broušení v letech 2014, 2015 a 2016 Převážná část broušení, které bylo realizováno na železničních drahách v majetku České republiky, proběhla v rámci základního broušení, tj. broušení nových kolejnic vložených při modernizaci nebo zásadní rekonstrukci koleje. Menší část byla opravným broušením, tedy broušením kolejnic po několikaletém provozu. V roce 2014 proběhla po pětileté pauze kampaň opravného broušení, která de facto nastartovala nový směr broušení u SŽDC. Jednalo se sice o klasické opravné broušení, které nám bylo známo z dřívějška, zároveň ale s příslibem každoročního opakování se otevřela možnost plánování broušení do budoucna a hlavně pro plánování pravidelného broušení, tzn. broušení prováděného v pravidelných intervalech, které má významný preventivní charakter a nezanedbatelný vliv na životnost nejen kolejnic, ale i na další prvky železničního svršku a spodku a GPK. Kampaň opravného broušení v roce 2015 navazovala na předchozí kampaň, avšak proběhla ve větším rozsahu a byla po zkušenostech z roku 2014 daleko více cílena na vybrané typy vad. V rámci obou kampaní byla ve vybraných úsecích odstraněna vada head checking (v roce 2014 bylo odstraněno 22,5 km této vady, v roce

56 pak necelých 48 km), ve všech broušených kolejích pak došlo k opravě příčného profilu a opravě podélného profilu (tj. odstranění vlnkovitosti a skluzových vln). Letošní brousicí kampaň nebyla jen klasickým opravným broušením. Kromě pokračování v odstraňování vady head checking (celkem 136 km) a opravě příčného a podélného profilu byl kompletně přebroušen úsek Česká Třebová Zábřeh na Moravě. Ve většině oblouků v tomto úseku byla v předchozích letech odstraněna vada head checking, obvykle velkého rozsahu. Díky opětovnému přebroušení byl do oblouků vrácen AHC profil, který oddaluje opětovný vznik vady head checking a tam, kde se začala vada znovu tvořit, byla opětovně odstraněna (obvykle byla velmi malého rozsahu). Principiálně se jedná o pravidelné broušení, které má významný preventivní charakter. Strategie pravidelného broušení Při současném tempu opravného broušení lze předpokládat, že se v průběhu roku 2017 stane rozvinutá vada head checking na koridorových tratích minulostí. I přes aplikovaný AHC profil je však zřejmé, že se bez pravidelných zásahů vada dříve či později vrátí zpět. To lze dokladovat v konkrétním oblouku v úseku Krasíkov Hoštejn prostřednictvím měření hloubky trhlin této vady metodou vířivých proudů, uskutečněných na stejném místě ihned po broušení (prakticky bez trhlin), 6 měsíců po broušení (trhliny o hloubce max. 0,3 mm) a 18 měsíců po broušení (trhliny o hloubce max. 1 mm). Ani opravený příčný a podélný profil nevydrží navěky v ideální normové podobě. Příčiny, které způsobují rozvoj broušením opravovaných vad, totiž obvykle nelze broušením odstranit. Použitím speciálních profilů (např. AHC profil) lze příčiny omezit, resp. oddálit rozvoj, většinou se však broušením pouze odstraňují následky. Chceme-li: snížit riziko lomů kolejnic a tím zvýšit bezpečnost. snížit náklady na údržbu železničního svršku a spodku omezováním nutnosti výměny kolejnic, oprav vad kolejnic navařováním, zajištěním pomalejšího rozpadu GPK, snížením dynamického zatížení upevňovacích prvků a pražců apod., prodloužit životnost kolejnic a udržet kvalitní jízdní dráhu, musíme udržovat příčný a podélný profil ve stavu blížícímu se ideálním parametrům a držet na uzdě kontaktně-únavové vady. To na provozovaných kolejích nelze jinak než pravidelným broušením. Zásadní otázkou však je, jak správně nastavit cyklus broušení, aby přinesl kýžený efekt a zároveň byl co nejekonomičtější? To je zásadní otázka, v jejíž odpovědi není jednotná ani západní Evropa, která má s pravidelným broušením velké zkušenosti. 8

57 V podstatě existují následující čtyři směry, jak pohlížet na pravidelné broušení kolejí: Intervaly mezi broušením závisí na projeté zátěži. Například v Belgii uvažují s pravidelným broušením přímých úseků po 60-ti mil. hrt. projeté zátěže a oblouků po 25-ti mil. hrt. Tento způsob broušení se velmi snadno plánuje, vhodný je především pro broušení skluzových vln a úseků s hlukovou zátěží. Nedokáže však včas reagovat na případný rozvoj vad kolejnic. Časové intervaly mezi jednotlivými broušeními jsou fixní. Tento typ pravidelného broušení přináší stejné výhody jako předchozí, avšak také nedokáže zareagovat na rozvoj vad kolejnic a zároveň může docházet ke zbytečnému broušení kolejí s menší zátěží na úkor kolejí s vyšší zátěží. Nastavení parametrů, kdy plánovat broušení. Jedná se o typ opravného broušení, kdy jsou broušeny závady nejpozději v předem definovaném stádiu rozvoje. Pro tento typ brousicí strategie je nezbytné plně využívat diagnostické prostředky (Měřicí vůz železničního svršku, Diagnostická souprava NDT kolejnic). Podíváme-li se do zahraničí, pro vadu head checking využívá tuto strategii DB viz předpis DB RO 16/2005. Nespornou výhodou oproti předchozím je odstraňování vad kolejnic včas, v zárodku nebo v předem definovaném rozsahu, který ještě není považován za škodlivý. Také náklady na broušení mohou být ve finále nižší, neboť je cíleno přímo na brousitelné závady. Nevýhodou je naopak složité plánování. Některé úseky navíc nemusí být broušeny nikdy. Broušení orientované na kapacitu stanovený roční objem broušení. Plánování je omezené výlukovými možnostmi a výší ročního finančního limitu. Způsob plánování může být podle jakéhokoliv předchozího bodu nebo jejich kombinace se všemi výhodami či nevýhodami. Je však nezbytné stanovit roční finanční objem rozumně, neboť jeho výše přímo rozhoduje o stádiu rozvoje, kdy budou vady broušeny. Ještě je nezbytné doplnit, že důsledně prováděné opravné broušení lze také považovat za pravidelné broušení a to broušení, kdy jsou pravidelně odstraňovány závady s až kritickým rozsahem. Jakým směrem se dát? Každá varianta brousicí strategie, představená v předchozí kapitole, má své výhody i nevýhody. Pokud jsou první dvě vhodné pro broušení krátkých vln, nemusí být tak výhodné pro head checking. Stanovení parametrů vad k broušení pro změnu může způsobit, že nebudou některé úseky broušeny nikdy, přestože to jako prevenci proti vzniku některých kontaktně-únavových vad potřebují. S ohledem na rozdílné podmínky na jednotlivých úsecích železničních drah provozovaných SŽDC a na zkušenosti ze zahraničí se jako optimální jeví plánování broušení podle dvou kritérií. Prvním je dosažení předem definovaných parametrů příčného a podélného profilu a rozvoje vady head checking, druhým pak dosažení určitého množství projeté zátěže nebo dosažení stanoveného časového odstupu od předchozího broušení. O broušení pak rozhoduje to, co nastane dříve. 9

58 Přechod SŽDC na výše uvedenou cílovou strategii bude pozvolný, několik stovek kilometrů kolejí totiž stále čeká na opravné broušení. Podíl pravidelného broušení však bude v příštích letech postupně stoupat. Efektivita pravidelného broušení vady head checking bude záviset zejména na nasazení Diagnostické soupravy NDT kolejnic, bez které nelze objektivně a hlavně celosíťově popsat stav a rozsah této vady. V neposlední řadě závisí strategie pravidelného broušení na výši finančních prostředků uvolňovaných pro tyto práce. Závěr Kampaně opravného broušení, které proběhly po pětileté přestávce v letech 2014 až 2016, daly SŽDC mnoho zkušeností. Nejen že umožnily objektivně porovnat technologie broušení a frézování, ale také ukázaly možnosti odstraňování head checkingu při využití moderní diagnostiky, která dříve nebyla k dispozici. Každý si také dokáže spočítat, kolik finančních prostředků tyto kampaně SŽDC ušetřily. Pro porovnání je nezbytné připomenout, že průměrná cena opravného broušení koleje je cca 4-5 x nižší než cena vložení nové kolejnice. Přitom kolejnice s dokonale odstraněnými vadami má z hlediska provozuschopnosti téměř shodné vlastnosti jako kolejnice nová. Další benefit spočívá v prodloužení životnosti ostatních prvků železničního svršku a GPK. Údržba kolejnic broušením je již několik let běžnou součástí údržby železniční infrastruktury u mnoha evropských železničních správ. Je však nezbytné jí dělat preventivně v pravidelných intervalech, ne jen nárazově, kdy kolejnicové vady dosáhnou kritických mezí. Největším přínosem periodické údržby kolejnic je odstraňování vad kolejnic již v zárodcích. To sebou přináší nejen zvýšení bezpečnosti, ale i značné finanční úspory, a to nejen na nákupu nových kolejnic, ale i na výměně dalších prvků železničního svršku a podbíjení. Přestože pravidelné broušení nepřináší zisk okamžitě, jako je tomu u opravného broušení, investice do něj je racionální a vrátí se právě v podobě prodloužené životnosti. Letošní kampaň opravného broušení u SŽDC v sobě již zahrnovala i periodickou údržbu kolejnic. Zatím je sice předčasné dělat jakékoliv závěry, zcela jistě se ale jedná o cestu správným směrem. 10

59 Literatura (1) Ing. Ladislav Kopsa: Broušení kolejí jako součást údržby, Nová železniční technika 5/2004, Praha, 2004 (2) Ing. Martin Táborský: Údržba kolejnic v podmínkách SŽDC, Sborník přednášek, Seminář VOŠ Děčín Věda a výzkum pro stavby ŽDC, Děčín, 2016 (3) Ing. Martin Táborský: Systém pravidelného broušení kolejnic, Sborník přednášek, Konference Železniční dopravní cesta 2016, Olomouc, 2016 Praha, září 2016 Lektorovali: Ing. Petr Vévoda SŽDC, s. o. Ing. Ladislav Kopsa 11

60 Radovan Kovařík 1 Systém cyklického broušení výhybek Klíčová slova: broušení, výhybky, údržba, životnost výhybkových součástí, cyklus, diagnostika, kvalita prováděných prací Úvod V minulosti bylo ověřeno, že řádným a odborným broušením lze předcházet vzniku vad na pojížděných součástech výhybek a udržet je tak v provozu až do jejich úplného dožití opotřebením. Přesto se nám u SŽDC nepodařilo nastavit plně funkční systém provádění broušení výhybek a velmi často vyměňujeme jazyky, opornice a srdcovky právě z důvodu neodborného provedení broušení nebo absence diagnostiky potřeby včasného zásahu. Na přelomu tisíciletí se nám jako správci železniční dopravní cesty (tehdy ještě pod hlavičkou ČD) dařilo úspěšně zavádět broušení výhybek do jejich celkové údržby. Byly vyvíjeny nové brusky v kategorii lehkých kolejových prostředků. Do přejímky broušení byla zavedena diagnostika pomocí šablon, kterými je možné určovat, jak kvalitu provedených prací s ohledem na zvýšení životnosti výhybkové součásti, tak i kvalitu nabroušených kolejnicových profilů s ohledem na vedení kol železničních vozidel v koleji. Následně se nám podařilo zavést základní broušení v celé délce výhybky jako součást jejich dodávky. V této době jsme byli ve srovnání se sousedními železničními společnostmi v oblasti broušení výhybek progresívní železniční společností a dá se i říci, že na vedoucí úrovni v broušení drobnou mechanizací, neboť naši sousedé se orientovali především na broušení výhybek velkými traťovými stroji s vysokým výkonem. 1 Ing. Radovan Kovařík, narozen 1961, ukončené vzdělání na Vysokém učení technickém v Brně, fakulta stavební, obor konstrukce a dopravní stavby. Praxe: mistr tratí, inženýr železniční dopravy na traťové distanci (správě tratí), přednosta správy tratí, zástupce ČD pro kraj Vysočina, GŘ SŽDC - ředitel odboru traťového hospodářství, ředitel odboru provozuschopnosti. Pracoviště: generální ředitelství Správy železniční dopravní cesty, státní organizace se sídlem v Praze. 1

61 Obr. 1 - Broušení velkým traťovým strojem Tyto velké stroje však vyžadují výluky dopravy, a tak omezují propustnost železniční sítě, což je i důvodem, proč se broušení výhybek provádí výhradně v nočních výlukách. Přestože jsou tyto velké stroje čím dál dokonalejší, stále nedokáží obrousit některé části výhybky, jako jsou srdcovky a jazyky v oblasti jejich opracování, a proto tu zůstává určitý nutný podíl pro práci ručními bruskami. Obr. 2 - Broušení ručními bruskami 2

62 I když se u nás rozvoj broušení výhybek v nedávné době zpomalil, je šance dát mu opět nový impuls a zkusit navázat na zkušenosti s broušením lehkými kolejovými prostředky a mimo jiné tak i minimalizovat požadavky na výluky. Používáním nových brusek bychom chtěli dosáhnout nejen většího výkonu, ale hlavně co nejvyšší kvality prováděných prací. Tu bychom chtěli zajistit i zavedením moderních diagnostických prostředků do přejímek prací, a to jednak na měření příčného profilu broušených kolejnicových součástí výhybek, tak i na měření podélné rovinatosti pojížděných ploch po broušení (blízká budoucnost). Kvalita brousicích prací ve výhybkách musí splňovat evropský standard tj. ČSN EN Železniční aplikace - Kolej - Přejímka prací, Část 4: Přejímka reprofilace kolejnic ve výhybkách a výhybkových konstrukcích. Cyklické broušení výhybek Z těchto důvodů, s důrazem na zajištění hospodárného využívání pojížděných součástí výhybek a výhybkových konstrukcí, vydala Správa železniční dopravní cesty, státní organizace (dále jen SŽDC ) Pokyn generálního ředitele č. 10/2015 pro cyklické broušení výhybek a výhybkových konstrukcí na železničních drahách v majetku ČR, se kterými má právo hospodařit SŽDC a dalších železničních drahách provozovaných SŽDC (dále jen Pokyn ). Pokyn je dokumentem řídícím hospodárnost a ekonomiku v údržbě výhybek a nikoli bezpečnost provozování dráhy. Bezpečnost provozování dráhy je řízena jak obecnými, tak interními dokumenty za tímto účelem vydanými. Cílem pokynu je zavést nový systém cyklického broušení, a tím i provádění diagnostiky provozního stavu pojížděných ploch, což pomůže předcházet jak vzniku vad, tak potřebám neodkladných opravných zásahů a hlavně předčasné a tím nehospodárné výměně poškozených součástí. Zejména je třeba věnovat pozornost jazykům, opornicím a srdcovkám. O broušení celé výhybky nebo pouze některé součásti v určitém rozsahu rozhoduje přímý správce na základě posouzení jejího technického stavu. Pro základní nastavení cyklů broušení bylo zvoleno zařazení výhybky do řádu kolejí dle předpisu SŽDC S3, a to následovně: 1. a 2. řád cyklus ročně 3. řád cyklus 2 1 za 2 roky 4. řád cyklus 3 1 za 3 roky 5. řád cyklus 6 1 za 6 let 6. řád cyklus 12.. není určeno, volitelné OŘ, např. 12 let Pokyn umožňuje zařazení výhybek do cyklu i podle místních podmínek s ohledem na geometrické parametry výhybky, zatížení jednotlivých větví výhybek, podle výjimečného přechodu zátěže do převládajících traťových směrů nebo naopak minimálního provozování dané výhybky apod. Přiřazení cyklu broušení bez ohledu 3

63 na řád koleje je v kompetenci přednosty správy tratí, avšak s nutným souhlasem GŘ SŽDC O15. Opravné broušení výhybky lze provést i mimořádně mimo cyklus jako neodkladné, a to při vzniku nepředpokládaně velkého opotřebení některé ze součástí výhybek nebo při vzniku vady mající vliv na životnost dané součásti nebo na bezpečnost provozu. Rozsah broušení výhybky v daném cyklu určuje správce na základě prováděných kontrol a diagnostiky. Určený počet výhybek k broušení na konkrétní rok tvoří podíl množství výhybek zařazených do určitého cyklu a délky cyklu v letech. (Např. pokud je v obvodu oblastního ředitelství 900 ks výhybek zařazených do cyklu 6 (5. řád), což znamená broušení jednou za 6 let; pak každý rok se bude brousit 900 : 6 = 150 výhybek z tohoto cyklu (z 5. řádu)). Broušení výhybek a výhybkových konstrukcí se u SŽDC řídí předpisem SŽDC S3/1 Práce na železničním svršku, který stanovuje pro tuto činnost i konkrétní podmínky. Všeobecné podmínky Broušením se odstraňují vady povrchu a nedostatky tvaru hlavy pojížděných součástí výhybek. Broušení působí i proti vzniku a rozvoji kontaktně únavových vad (shelling, head-checking, squats ). Podle účelu se broušení kolejnicových součástí výhybek dělí na: a) základní (první preventivní) broušení nových kolejnicových součástí, které: odstraňuje povrchové vady z válcování a obrábění, příp. oduhličenou vrstvu a korozi; optimalizuje příčný profil z hlediska nesení a vedení kol kolejových vozidel (lze vyloučit nebo oddálit vznik převalků a kontaktně únavových vad, zvláště vady head-checking); upravuje nedostatky ve výškové návaznosti příčných profilů v soustavách jazyk opornice a křídlová kolejnice hrot srdcovky, případně přestavitelné hroty srdcovky. b) opravné broušení, které: odstraňuje nebo upravuje povrchové vady vzniklé provozem (převalky, odrolení, prokluzy, head-checking aj.); opravuje příčný profil pojížděných ploch z hlediska bezpečnosti vedení dvojkolí v koleji; opravuje provozem vzniklé změny příčných profilů pojížděných ploch z hlediska vhodnosti nesení a vedení kol a z hlediska náchylnosti k vzniku vad; 4

64 upravuje provozem vzniklé rozdíly ve výškové návaznosti příčných profilů v soustavách jazyk opornice a křídlová kolejnice hrot srdcovky (úprava projetí křídlových kolejnic, snižování jazyků vzhledem k výškovému ojetí opornic aj.). c) broušení po navařování, které upravuje pojížděné plochy výhybkových součástí po navařování. Zásady při tomto broušení jsou shodné se zásadami pro broušení opravné. Základní broušení vedle celkového zkvalitnění jízdní dráhy podstatně oddaluje vznik vad, v některých případech i jejich vzniku zabraňuje. Proto by mělo být provedeno co nejdříve, zpravidla do 3 měsíců, nejpozději však musí být provedeno do 6 měsíců od uvedení výhybky do provozu. Základní broušení výhybek se zajišťuje ve smyslu TKP staveb státních drah a provádí se v celé délce výhybky: velkými speciálními brousicími stroji; ostatními brousicími stroji (brusky patřící do kategorie přenosné stroje, tj. lehké kolejové prostředky s pojezdem po kolejnicích nebo s rámem osazovaným na kolejnice). Opravné broušení se provádí: velkými speciálními brousicími stroji; ostatními brousicími průběžně podle potřeby na základě diagnostiky vzniku závad; ručními úhlovými bruskami pouze v menším rozsahu a v místech náročných na změnu výšky nebo tvaru kolejnicového profilu (hroty jazyků, srdcovek a křídlové kolejnice). Přípravné práce Broušení výhybek se provádí: v předvídaných a nepředvídaných výlukách v souladu s předpisy SŽDC D7/2, SŽDC D1, SŽDC Bp1; za provozu v souladu s předpisy SŽDC D1, SŽDC Bp1 a pokud je zhotovitelem jiný právní subjekt než SŽDC, tak v součinnosti s odpovědným zástupcem Oblastního ředitelství. Broušení pojížděných součástí výhybek mohou provádět zhotovitelé s platným Osvědčením způsobilosti k broušení výhybkových součástí vydaným SŽDC TÚDC. Broušení pojížděných součástí výhybek v záruční době provádí výrobce výhybek a ostatní zhotovitelé vlastnící platné Osvědčení způsobilosti k broušení výhybkových součástí v době záruky vydané SŽDC TÚDC na základě souhlasu výrobce výhybek. 5

65 Vlastní práce Výhybkové kolejnicové profily se zpravidla brousí do stejného úklonu pojížděné plochy jako kolejnice v přilehlé koleji. Broušení se provádí do cílového příčného a podélného profilu stanoveného normalizovanými šablonami (např. PŠR1, PŠR3). Broušením mohou zcela zaniknout viditelné projevy vady, ale často se stává, že tyto projevy zůstanou i po broušení, a to zpravidla tam, kde podmínky pro její vznik trvaly déle a došlo k jejímu hlubšímu rozvoji. Při vybrušování vad nesmějí vznikat náhlé změny profilů pojížděných ploch. V závislosti na hloubce vady je třeba zřídit výběh broušení, který musí být pro koleje pojížděné rychlostí 120 km/h a vyšší 1:2000. Pro koleje pojížděné rychlostí do 120 km/h je dostačující výběh 1:1000. Dokončovací práce Po broušení výměnových částí výhybek (i pohyblivých hrotů srdcovek) je třeba očistit povrch kluzných stoliček a kluzné plochy ošetřit mazacím prostředkem schváleným SŽDC. Musí být ověřena správná funkce přestavovacího a zabezpečovacího zařízení provedením západkové zkoušky a zkoušky indikace v obou koncových polohách. Převzetí prací Do konce roku 2015 platily a i nadále platí následující požadavky (ustanovení předpisu SŽDC S3/1): Po provedeném broušení musí výhybková konstrukce vyhovovat podmínkám pro převzetí prací dle ČSN , 2, předpisu SŽDC S3, dílu IX a kontrolním měřidlům, resp. šablonám schváleným SŽDC TÚDC a u výhybek v záruční době i výrobcem výhybek. Dále musí být splněna následující technická kritéria: nesmí být změněn izolační stav výhybky; kluzné stoličky musí být očištěny, případně ošetřeny příslušným mazivem; musí se ověřit správné funkce přestavovacího a zabezpečovacího zařízení provedením západkové zkoušky a zkoušky indikace v obou koncových polohách výměny. Zkoušku musí provést oprávněný zaměstnanec správce zabezpečovacího zařízení. Při posouzení výsledku broušení se měřidly a šablonami posuzuje zejména: příčný tvar kolejnicových profilů a umístění kontaktních bodů s koly vozidel; úhel sklonu boční pojížděné plochy pro bezpečné vedení kola; trajektorie přechodu kola vozidla z opornice na jazyk a opačně; sklon opracování příložných ploch jazyků a opornic; 6

66 trajektorie přechodu kola vozidla z křídlové kolejnice na hrot srdcovky a opačně rovinatost broušených ploch. Šablony musí být stabilizovány k druhé kolejnici té koleje, pro kterou se posouzení provádí. Při posuzování se součástky ležící samostatně stabilizují k patě posuzovaného kolejnicového profilu. Obr. 3 - Měření po broušení Použít lze jen měřidla nebo šablony schválené SŽDC TÚDC. K požadavkům na převzetí prací dle předpisu SŽDC S3/1 přibyly od další požadavky, které jsou uvedeny v Pokynu, kde je stanoveno, že součástí broušení pojížděných součástí výhybek je i předání výsledků diagnostiky provedených prací a Protokol o broušení výhybek a výhybkových konstrukcí, ve kterém je evidován rozsah provedeného broušení. Protokol o broušení výhybek a výhybkových konstrukcí Číslo protokolu: XX,CCC.../ 2015 Dopravna: Praha hl.n. Příloha stavebního deníku: OŘ: Praha Zhotovitel: XXXX,Y ST: TO: Praha východ číslo úhel datum jméno jazyk opornice/kolenová k. středové kolejnice kolejnice u přídržnic srdc. pozn. výh odboč. brouš. VPZ JP r JL r OP r OL r S1 r S2 r S3 r S4 r PP r PL r r č : Konvalina 3,1 4,3 5,2 o SJx 23al 1: Konvalina 4,5 x 3 3 x 3,2 x/o 23ap 1: Konvalina x SD 23bl 1: Konvalina x/o 2,5 o 2,5 SJ 23bp 1: Konvalina o Legenda:VPZ vedoucí pracovník zhotovitele s platným osvědčením k broušení v příslušném rozsahu, JP, JL, OP, OL, S1,.. PP, PL jsou zkratky jednotlivých součástí výhybek, do tabulky se uvádí délka broušení součástí v m na jedno des. místo pokud je šířka broušení menší než 30 mm a hloubka broušení menší než 2 mm, do sloupců 7,9,11,13,15,17,19,21,23 a 25 se nic neuvádí; pokud je šířka broušení nad 30 mm, uvede se do těchto sloupců křížek x, při hloubce broušení nad 2 mm se uvede do těchto sloupců kroužek o, v případě překročení obou hodnot, uvede se x/o Předání prací a pracoviště Převzetí prací a pracoviště zhotovitel: objednatel: datum, příjmení, podpis datum, příjmení, podpis Obr. 4 - Protokol o broušení výhybek a výhybkových konstrukcí 7

67 U výhybek pojížděných rychlostí od 120 km/h a u výhybek zařazených do 1. a 2. cyklu broušení je navíc stanovena zhotoviteli prací povinnost předat ve stanoveném formátu do informačního systému SŽDC následující doklady: a) fotografie broušené součásti ve formátu JPG v kvalitě min. 300 dpi a velikosti cca 2 MB, Obr. 5 - Jazyk výhybky před broušením Obr. 6 - Jazyk výhybky po broušení 8

68 b) zpracované grafické a datové výstupy sejmutých příčných řezů/profilů předepsaným digitálním profiloměrem broušených součástí výhybky před a po provedeném broušení. Obr. 7 - Příklad skenované soustavy jazyk-opornice před a po broušení Obr. 8 - Příklad profilu opornice po broušení 9

69 Tyto výstupy mají sloužit zejména správám tratí pro sledování vývoje v čase, zadávání rozsahu prací a ověření kvality provedeného broušení. Závěr SŽDC považuje za největší přínos cyklického broušení odstraňování vad již v zárodcích, tedy dříve než se rozvinou v rozsáhlejší nebo závažnější závady. Cena preventivní cyklické údržby je pak výrazně nižší než následné opravné práce nutné k odstraňování kritických vad nebo výměna celých výhybkových součástí. Při ekonomickém vyhodnocení těchto činností je nezbytné posuzovat především náklady ušetřené prodlužováním životnosti pojížděných součástí výhybek. Mezi výhody cyklického broušení výhybek lze zahrnout zejména: zajištění provedení včasného zásahu údržby broušením; snížení nákladů na údržbu železničního svršku a spodku omezování oprav vad navařováním, zpomalení rozpadu GPK, snížení dynamického zatížení upevňovacích prvků a pražců apod.; prodlužování životnosti jazyků, opornic, srdcovek a příp. dalších pojížděných součástí výhybek; udržování kvalitní jízdní dráhy, tzn. omezení nutnosti zavádění pomalých jízd a neplánovaných výluk z důvodu zajišťování a odstraňování závad na výhybkách; zvýšení bezpečnosti včasným odstraňováním vad se významně snižuje riziko lomů; získání evidence provedených prací a hodnocení aktuálního technického stavu výhybkové součásti v souvislosti s pořizováním diagnostiky provedených prací. Se zavedeným systémem cyklického broušení výhybek zatím SŽDC nemá zkušenosti. Letošní rok je prvním, kdy se podle Pokynu začaly výhybky cyklicky brousit a na základě vyhodnocení průběhu je SŽDC připravena Pokyn novelizovat. Aby mělo cyklické broušení výhybek smysl a splnilo zvolené cíle, je bezpodmínečně nutné dodržování Pokynu provozními pracovníky správcovských jednotek a úzká spolupráce mezi nimi a pracovníky SŽDC GŘ a SŽDC TÚDC. Velmi důležitý je i přístup zhotovitelských firem, a to hlavně z hlediska kvality prováděných prací. 10

70 Literatura: (1) Předpis SŽDC S3/1 Práce na železničním svršku ve znění změny č. 2, s účinností od (2) Pokyn generálního ředitele č. 10/2015 Cyklické broušení pojížděných součástí výhybek a výhybkových konstrukcí, s účinností od (3) Sborník příspěvků k 19. konferenci ŽELEZNIČNÍ DOPRAVNÍ CESTA 2016, Olomouc Praha, srpen 2016 Lektorovali: Ing. Jiří Palaščak SŽDC, s. o., TÚDC Ing. Jan Fencl SŽDC, s. o. 11

71 Jan Stískal 1 Tepelná pohoda v drážních vozidlech Klíčová slova: tepelná pohoda, pohodlí, klimatizační jednotka, úspora energie, parametry prostředí Úvod Tepelná pohoda je velmi citlivě vnímána cestujícími a ovlivňuje jejich celkový dojem z pobytu ve vozidle. Proto je nezbytné se jí zásadně věnovat. Pro definici tepelné pohody slouží několik parametrů prostředí, které popíšeme. Krátce se vrátíme do historie, nastíníme současný stav a naznačíme potenciální možnosti energetických úspor klimatizačních jednotek. Nejdůležitější parametry prostředí Firma VÚKV a.s. se zabývá výzkumem, vývojem a zkušebnictvím kolejových vozidel, jejich částí a dalších komponentů z oblasti dopravního strojírenství. Společnost navazuje na tradici Ringhofferových závodů a podílí se na řadě významných projektů, které nacházejí uplatnění v praxi. S produkty, na jejichž vzniku a uvedení do provozu se VÚKV a.s. aktivně podílela, je možné se setkat nejen v České republice, ale i v řadě dalších zemí po celém světě. Útvar vývoje provádí komplexní technický návrh kolejových vozidel včetně nezbytných technických výpočtů. To se týká i návrhu systémů větrání, topení a klimatizace kolejových vozidel. Systémy větrání, topení a klimatizace spoluvytváří tepelnou pohodu, nebo ještě obecněji pohodlí, v prostoru pro cestující i strojvedoucího. Pohodlí je definováno jako osobou vnímaný příjemný pocit klimatického prostředí. Vliv na pohodlí má: - teplota vzduchu - rychlost proudění vzduchu - relativní vlhkost vzduchu - teplota stěn 1 Ing. Jan Stískal, narozen 1980, Studium ČVUT Fakulta strojní, obor Dopravní a manipulační technika, zaměření Kolejová vozidla. Od roku 2005 VÚKV a.s., Vývoj kolejových vozidel se zaměřením na systémy větrání topení a klimatizace. 1

72 Normativní dokumenty vztahující se k parametrům prostředí železničních vozidel: a) EN Železniční aplikace - Klimatizace pro městská a příměstská kolejová vozidla Pro běžná železniční vozidla dostačující. Parametry pohodlí jsou zde dostatečně popsány. b) EN Železniční aplikace - Klimatizace pro vozidla na přepravu cestujících na hlavních tratích Je náročnější dodržet její požadavky oproti EN Vliv na spokojenost cestujících je diskutabilní. c) EN Železniční aplikace Klimatizace stanoviště strojvedoucího/řidiče Popisuje parametry pohodlí v kabině dostatečným způsobem. d) UIC 553 Větrání, vytápění, klimatizace Není v definování parametrů prostředí tak komplexní jako EN a EN e) TSI LOC&PAS (EU) 1302/2014 Na území členských států EU je směrnice závazná. Řeší převážně otázku CO 2, ostatní parametry prostředí nekvantifikuje a jejich zadání je nutné stanovit jiným normativním dokumentem, nebo dohodou se zákazníkem. f) TSI SRT 1303/2014 Definuje pouze několik detailů provozu v tunelech délky 1-20 km. g) EN Drážní aplikace Protipožární ochrana drážních vozidel Zabývá se protipožární ochranou. Kromě nároků na použité materiály řeší i systém větrání, topení a klimatizace při požáru a požadavky na jeho funkce. h) ISO Železniční aplikace Systémy topení, větrání a klimatizace pro drážní vozidla V návrhu. Bude se zabývat spíše obecnou terminologií. Nelze použít pro kvantifikaci parametrů pohodlí. Kromě požadavků normativních dokumentů na tepelnou pohodu je podstatné i její vnímání cestujícími. Termín tepelná pohoda či komfort se velice liší podle země nebo kultury. Např. to, co v Evropě považujeme za komfortní prostředí, by v USA nebo v jihovýchodní Asii bylo naprosto nepřijatelné a kolejové vozidlo by bylo hodnoceno jako nefunkční. Pro tyto kultury je naprosto samozřejmý teplotní rozdíl až 15 K a vysoká rychlost proudění v prostoru pro cestující. Vždy je třeba přizpůsobit se v rámci legislativy závazné pro daný projekt i subjektivním potřebám cestujících v dané oblasti. Subjektivní vnímání tepelné pohody je zásadní. Není možné uspokojit všechny cestující. Vždy je alespoň 5 % cestujících nespokojených s tepelnou pohodou. Běžný stav vhodně navrženého interiéru kolejového vozidla je 10 % nespokojených 2

73 cestujících a dle normy ČSN EN ISO 7730 je možné akceptovat až 20 % nespokojených osob s tepelnou pohodou v daném interiéru. Snahou by mělo být hledání optima spokojenosti cestujících. Například u teploty interiéru takovou, od níž nalevo i napravo počet spokojených cestujících klesá. Jednotlivé parametry prostředí Teplota vzduchu Obrázek 1 - Přípustná oblast pro stanovení regulační křivky, doporučená křivka 1, kategorie A Teplota vzduchu je zadána dle vnější teploty oblastí grafu nebo funkcí. Dále jsou stanoveny maximální povolené rozdíly teplot v definovaných bodech v podélném směru vozidla a rozdíly vnitřních teplot vzduchu ve svislém průřezu. Příklad regulační křivky EN (obr. 1) je v poměrně dobré shodě s doporučením Státního zdravotního ústavu, který v našich podmínkách nedoporučuje při chlazení větší teplotní spád (rozdíl vnější a vnitřní teploty) než cca 5 C. Navrhovaná křivka vede k vyšším teplotním spádům pouze při vnějších teplotách nad 34 C. Rychlost proudění vzduchu Rychlost proudění vzduchu je předepsána maximální hodnotou (někdy i minimální) proudění vzduchu v m/s, nebo je dána grafem dle vnitřní teploty. Mezi minimální a maximální povolenou hodnotou je pro kabiny strojvedoucího velmi malý rozdíl. Rychlosti proudění v prostoru jsou velmi lokální a často posun anemometru o 5 cm znamená při měření o stovky procent jiné hodnoty. Otázkou je, zda by cestující příznivě nevnímali vyšší hodnoty alespoň do vnější teploty 25 C. Vozidla se dělí dle EN i EN do dvou kategorií. Kategorie A má vyšší nároky na tepelnou pohodu. Zatřídění vozidla se provádí podle počtu stojících cestujících na metr čtvereční, podle průměrné jízdní doby cestujícího a průměrné doby mezi dvěma stanicemi. Kategorie B je spíše pro příměstská a regionální vozidla. Dle EN se kabiny strojvedoucího třídí podle velikosti a typické doby nepřetržitého pobytu strojvedoucího na stanovišti rovněž do kategorie A a B. Kategorie A je určena pro hlavní tratě a regionální vlaky. 3

74 Pro kabinu je podle EN předepsán průběh zobrazený na obr. 2. Obrázek 2 1 minimální rychlost proudění v kabině [m/s], 2 maximální rychlost proudění v kabině [m/s] (vozidla kategorie A), 3 maximální rychlost proudění v kabině [m/s] (vozidla kategorie B) v závislosti na teplotě v bodě měření rychlosti proudění [ C] Pro salón je podle EN předepsán průběh zobrazený na obr. 3. Obrázek 3 Nejvyšší rychlosti proudění [m/s] v závislosti na průměrné vnitřní teplotě [ C] - salón vozidla, 1 kategorie B, 2 kategorie A 4

75 Relativní vlhkost vzduchu Relativní vlhkost vzduchu je předepsána dle vnitřní teploty grafem. Měření vlhkosti nebývá požadováno v celém rozsahu teplot a režimů větrání, topení a klimatizace. Většinou je možné splnit požadavky bez dodatečného odvlhčování ( reheat ). Při běžném kompresorovém chlazení dochází ke kondenzaci vlhkosti na výparníku, odkud je kondenzát odváděn na střechu vozidla nebo pod vozidlo. Dochází tak k částečnému odvlhčování dodávaného vzduchu, což je příznivé. V normě EN je pro vozidla kategorie A uveden graf: Obrázek 4 Oblast relativní vlhkosti v [%] dle průměrné vnitřní teploty pro vozidla kategorie A Teplota stěn Maximální dotyková teplota vnitřních povrchů stěn včetně nekrytých částí topných agregátů je většinou 65 C (někdy 60 C). Maximální teplota vzduchu přiváděného až k cestujícím nesmí překročit 45 C. Dále jsou stanoveny maximální rozdíly teplot stěn, stropů, oken a dveří od průměrné vnitřní teploty. Rovněž je nutné zabránit namrzání nástupních prostor i případného výsuvného schůdku. Zde se i na železničních vozidlech čím dál častěji uplatňuje doplňkový elektrický ohřev podobně jako u podlah kabiny nebo částí podlahy nad podvozkem. Koncentrace CO 2 Je předepsán přívod dostatečného množství čerstvého (venkovního) vzduchu na osobu. Pro cestující je požadováno 8 až 15 m 3 /h čerstvého vzduchu. Pro kabinu strojvedoucího je to 30 m 3 /h na osobu, avšak kabina je nejčastěji uvažována pro 2 osoby, tedy 60 m 3 /h. Koncentrace CO 2 při plně obsazeném voze by měla být do ppm v běžném režimu. Někteří zákazníci požadují pro kabinu strojvedoucího v běžném režimu nižší hodnoty, například do ppm. Rovněž bývá stanoveno, po jak dlouhou dobu musí být tato hodnota dodržena v režimu nouzové ventilace. 5

76 U nasávaného vnějšího vzduchu se uvažuje obsah CO ppm. Dále se uvažuje produkce zhruba 17,5 l/h CO 2 na osobu. Tyto hodnoty nejsou z pohledu subjektivního vnímání člověkem nijak přehnané a například Státní zdravotní ústav doporučuje obsah CO 2 do ppm, je-li to možné. Hluk Hlavní zdroje hluku jsou: činnost dílčích zařízení, trakční pohon a navazující zařízení, jízda po koleji a aerodynamické efekty. Z pohledu cestujících je v otázce hluku zásadní hluk oběhového ventilátoru klimatizační jednotky. Hluk se šíří vzduchovými kanály do prostoru pro cestující. I kompresor může být zdrojem vnitřního hluku nebo vibrací. Větší riziko přináší kompresory s větší hmotností pohybujících se hmot. Pokud jsou kompresory pístové, je vhodnější víceválcové provedení. V případě frekvenčního řízení kompresoru je možné nevhodné frekvence potlačit. Samotné kompresory jsou ve skříni uchyceny pružně, včetně napojení chladicího okruhu. V některých případech je vypružené i uchycení klimatizační jednotky ke střeše. Kompresor je tedy dvakrát vypružený. Z pohledu vnitřního hluku je podstatným zdrojem oběhový ventilátor klimatizační jednotky a aerodynamický hluk ve vzduchových kanálech. Ne všude je pro vzduchové kanály dostatek místa a jejich průřezy jsou často omezeny nosnou strukturou hrubé stavby. Vhodné je vzduchové kanály, tam kde je to možné, izolovat pomocí 20 mm tepelně-hlukové izolace. Někteří zákazníci požadují čistý kovový povrch vzduchových kanálů pro snadné čištění. To je z pohledu šíření hluku nevhodné. Čím dál větší tlak na spotřebu energie a tedy přeneseně i hmotnost vozidla vytváří tlak na snížení hmotnosti i u systému větrání, topení a klimatizace. Proto se objevují kanály z lehkých desek na bázi skleněného vlákna a pryskyřice, nebo textilní vzduchové kanály. Textilní vzduchové kanály jsou v antibakteriálním nehořlavém provedení se zátěrem z vnitřní strany a je možné je udržovat praním. Tlak Tlakotěsné skříně vysokorychlostních vozidel v součinnosti se systémem ochrany proti tlakovým rázům (PWP Pressure Wave Protection) slouží k eliminování nepříjemných tlakových rázů při vjezdu do tunelu, míjení se s protijedoucí soupravou nebo míjení dalších staveb a zařízení v okolí tratí. Nároky na tlakotěsnost jsou vyjadřovány pomocí statické a dynamické hodnoty Τ (Tau) v sekundách. Ta popisuje schopnost vozidla tlumit okolní tlakové vlny tak, aby neprocházely do interiéru vozidla a nepříznivě neovlivňovaly cestující. Existují systémy klimatizace s pasivní nebo aktivní tlakovou ochranou. Pokud je to možné, používají se pouze pasivní. Ty po dobu nepříznivých tlakových poměrů v okolí vozidla uzavřou buďto všechny přívody čerstvého vzduchu a výstupy odpadního vzduchu pomocí pneumatické klapky na celé jednotce, nebo pouze na jednom voze. Pokud PWP systém funguje pro celou jednotku, ušetří se řada senzorů a po jednotce je rozvedena linka (elektrický vodič), která vyhlašuje tlakový poplach, který uzavře všechny klapky. Minimálně na začátku a na konci soupravy musí být na levé i pravé bočnici umístěn tlakový senzor. Ten je tvořen otvorem v bočnici (průměr cca 8 mm), který je trubičkou spojen s tlakovým převodníkem. Do tlakového převodníku je pomocí vzdušníku a vyrovnávací nádoby rovněž zaveden vzduch 6

77 o tlaku interiéru vozidla. Převodník převádí tlakové signály na elektrické. Porovnává vnitřní a vnější tlak a v případě velkých rozdílů vyhlásí poplach. Rovněž je vyhodnocován časový průběh vnějšího tlaku a i z něj je vyhlašován poplach. Kabina strojvedoucího může mít společné senzory i linku. Do kabiny nebo klimatizační jednotky kabiny je vždy přívod čerstvého vnějšího vzduchu vybaven pneumatickou klapkou. Odpadní vzduch z kabiny může směřovat do salónu, čímž se ušetří jedna klapka odpadního vzduchu. Kabina musí potom být vůči salónu mírně přetlaková. Rychlost míjení může být i 600 km/h a tlakové vlny, které by působily na cestující, jsou z pohledu pohodlí nevhodné. V případě, že by byly klapky delší dobu zavřené, automaticky se otevřou, i když tlakový poplach trvá. Dostatečné množství čerstvého vzduchu, respektive nízká hladina CO 2, je hygienický požadavek, který je nadřazen požadavku tlakového komfortu. Délka zavření klapek může být omezena například na 5 minut. Záleží na analýze CO 2. U vozidel vybavených PWP systémem je vhodné osadit do salónu čidla hladiny CO 2. U vysokorychlostních vozidel je to povinné. Tyto senzory mohou pomáhat v řízení množství čerstvého vzduchu na reálnou obsazenost, respektive na reálný stav hladiny CO 2. Tím lze ušetřit energii, protože není nutné ohřívat či chladit množství čerstvého vzduchu pro celkovou obsazenost vozidla. Řízení klimatizace na reálnou obsazenost cestujícími kromě energie může při nižší obsazenosti i snížit hluk (otáčky ventilátorů). Informaci o obsazenosti je však možné získat například z optických senzorů počítání cestujících v nástupním prostoru. Optimální je nenavyšovat množství senzorů a elektroniky a využít na vozidle již existující systém, například informace ze sekundárního vzduchového vypružení, které se někdy využívají i pro brzdu. U vozidel s nízkou hmotností a vysokou obsaditelností, například u tramvají, je možnost získat takové informace i z řízení trakce. Obrázek 5 PWP systém 1 čidlo vnějšího tlaku, 2 tlakový převodník, 3 vyrovnávací nádoba, 4 vzdušník vnitřního tlaku Klimatické zóny Většina norem stanovuje výpočet výkonu topení/klimatizace a někdy i parametry pohodlí dle klimatických zón. Státy jsou začleněny do klimatických zón I, II, III, zvlášť pro zimu a pro léto. Česká republika je v zimě i v létě zařazena do zóny II. 7

78 Řada provozů není lehce definovatelná jednou ze tří klimatických zón a potřebuje dodefinovat další parametry podstatné pro systém větrání, topení a klimatizace. Může jít o podíl prachových částic či písku ve vzduchu. Problém je i velký podíl soli v přímořských oblastech, silný a nárazový vítr, větší zatížení solární radiací než je předepsáno pro Zónu I, silné UV záření nebo rychlé změny teploty při východu a západu slunce. Z těchto změn může plynout vyšší potřeba topného a chladivého výkonu, než z udržení teplotního stavu v návrhovém bodě nebo požadovaného času předtopení a předchlazení. Řízení tepelné pohody v salónu Pro spokojenost cestujících je třeba nejen instalovat dostatečný topný/chladivý výkon a zajistit potřebný výkon ventilátoru, ale je také nutné tepelnou pohodu správně řídit. Zdá se, že vhodnější volbou je automatický režim. Automatický režim má informace o vnější teplotě a o vnitřních teplotách v jednotlivých částech vozidla. Dle těchto informací je schopen pro danou část salónu zvolit optimální řídící pokyn. Je vhodné umožnit korekci alespoň teploty nebo i ventilačního stupně vlakovému personálu. Snahou moderních vozidel je minimalizace technologických prostor a maximální možný prostor pro cestující. Proto je vhodné řídit tepelnou pohodu, osvětlení a další funkce vlakovým personálem z neobsazené kabiny a v salónu nevytvářet specifický ovládací prostor. Malý kontrolní panel v nástupním prostoru je akceptovatelný. Aktuálním trendem jsou z hlediska hmotnosti, obsaditelnosti, ceny a bezpečnosti velkoprostorové vozy a jednotky. V takovém uspořádání je individuální nastavení systému větrání, topení a klimatizace nemožné. V oddílovém uspořádání se požadavek na tepelnou pohodu řídí pouze malým počtem cestujících a je tedy snazší naleznout kompromis. Ve velkoprostorových vozech je vhodné ponechat alespoň minimální možnost ovlivnění tepelné pohody cestujícím. Vhodným prvkem jsou například individuálně nastavitelné sluneční clony. Kromě své funkce jako takové umožňují cestujícímu aktivně ovlivnit stav prostředí, což může působit z psychologického hlediska pozitivně. Kabiny strojvedoucího je vhodné řešit s vysokou možností individuálního nastavení. Jedná se o pracovní prostředí s delší dobou pobytu. Vhodné je nastavení teploty, stupně ventilace, směru proudění. Topení v podnožce i podlaze rovněž zvyšuje komfort. Poloha sluneční rolety by neměla ovlivňovat zásadně směr proudění a v režimech topení i chlazení musí být možnost ofukování čelního okna. Alespoň v režimu topení jsou vhodné i výdechy na boční okna kabiny, nejsou-li okna součástí nástupních dveří kabiny. Podlahové topení je nejen doplňkem zajišťujícím celkový topný výkon, ale pomáhá zároveň řešit lokální problémy povrchových teplot a vertikální rozvrstvení teplot. Přitom teploty nad podlahou bývají kritické. Pro vyhřívání podlahy se používá několik odlišných technologií. Do překližkové podlahy je možné vyfrézovat drážky a ty osadit topným kabelem. Pod vrchní vrstvy podlahy se používá plech, který rozvádí teplo a snižuje vliv horkých lokálních míst. Hliníková podlaha z protlačovaného panelu může mít přímo v sobě topný kabel. Na překližkové i hliníkové podlahy se dá použít pod podlahovou krytinu topná fólie. Ta bývá zalitá v silikonu a topí rovnoměrněji. I nad ní se používá roznášecí plech, který ji chrání před mechanickým poškozením. 8

79 Nově se objevují i kompozitní sendvičové podlahy s integrovaným topením. Často obsahují pěnové jádro, které má dobré tepelné i hlukové vlastnosti. Historie zajišťování tepelné pohody v salónu kolejového vozidla Historicky byla tepelná pohoda kolejových vozidel řešena nejrůznějším provedením otevíratelných oken. Vzduch z otevřených oken proudí vnitřním prostorem vozidla nerovnoměrně, přičemž část cestujících trpí průvanem. Novodobější vývoj směřuje od celospouštěcích přes polospouštěcí až k výklopným oknům. Cesta tohoto vývoje je motivována spíše bezpečností a zvyšující se rychlostí kolejových vozidel než tepelnou pohodou. Ventilace bývala dříve doplněna o ventilační mřížky nebo ventilátory poháněné prouděním nad střechou vozidla. U vozidel s maximální rychlostí od 160 km/h jsou potom okna pevná, vybavena maximálně nouzovou ventilační částí na krajích každého oddílu. Tato část bývá uzamykatelná. Topení se od klasických individuálních kamen v jednotlivých vozech či oddílech posunulo přes parní vytápění k ohřevu elektrickému u vozidel závislé trakce a k ohřevu teplovodnímu či kombinovanému u vozidel nezávislé trakce. Elektrický topný blok je vždy obsažen i ve ventilační jednotce, dnes nejčastěji i klimatizační jednotce. Nasávaný čerstvý vzduch je smíšen s recirkulačním a filtrován. Následuje chlazení nebo ohřev. Ohřev je nutný, aby vzduch vstupující do salónu neměl nepříjemně nízkou teplotu. Teplota vzduchu vstupujícího do salónu by neměla klesnout za žádných okolností pod 12 C. Do střešních agregátů se umisťuje přibližně topný výkon, který pokrývá ztrátu větráním a infiltrací. Ohřátý vzduch stoupá přirozeně vzhůru a tak je výhodnější umístit topné zdroje co nejblíže podlaze. Pro vzduchovody od střešních klimatizačních jednotek k podlaze nebývá dostatečný prostor. Levným řešením topného zdroje ve spodní části salónu jsou konvekční topidla podél bočních stěn. Takové řešení je zároveň tiché, protože neobsahuje ventilátor. Pokud by však topný kanál konvekčního topení svým rozměrem omezoval cestující sedící u oken, je vhodnější použít teplovzdušné agregáty v konzolách sedadel. Ventilátory topných agregátů pod sedadly lze použít při vysokých letních teplotách k rozproudění spodních vrstev vzduchu v salónu. Většinou je nutné doplnit další teplovzdušné agregáty do specifických prostor, jako jsou toalety, nástupní prostory nebo oblasti přechodových měchů a oblasti jim přilehlé. Ve spodní části salónu je instalovaný topný výkon pokrývající ztráty prostupem tepla skříní a další méně významné ztráty. Pro teplejší klimatické podmínky je nutné větrat, nebo chladit i další technologické prostory. Ventilace salónu i kabiny musí být v případě detekce požáru vypnuta. I v samotných klimatizačních agregátech bývají umístěna kouřová čidla. V místech, kde se může vyskytnout kondenzace, vodní mlha, prach a podobně, se potom používají pro detekci požáru teplotní čidla. Někdy je požadován i zhášecí systém v technologických prostorách nebo i salónu a kabině vozidla. Ten může obsahovat patrony zhášecího plynu nebo rozvádět hasicí vodu. 9

80 Moderní vozidla U nízkopodlažních vozidel je možné do interiéru umístit pouze menší agregáty. Nemožnost umístit objemnější agregát pod podlahu vede k instalaci klimatizačního zařízení na střeše. To je výhodné pro přívod chladného vzduchu vzhledem k přirozenému klesání chladného a stoupání ohřátého vzduchu. Pro přívod ohřátého vzduchu není podstropní kanál optimální. Moderní vozidla nabízejí prostorný bohatě prosklený salón, který není pro zpracování tepelné pohody jednoduchou úlohou. Pokud to koncepce vozidla umožňuje, je vhodné část ochlazeného vzduchu přivádět nad okna, nebo alespoň k oknům směřovat. Se zvyšující se rychlostí kolejových vozidel hraje čím dál větší roli, i pro systémy větrání, topení a klimatizace, aerodynamika. Pro sání čerstvého vzduchu je potřeba najít na vozidle místo odkud by se nenasávalo větší množství vody a sněhu. Je potřeba věnovat pozornost množství prachu a jiných nečistot v místě sání. Sáním se nesmí volně šířit vnější hluk. Deklarované minimální množství čerstvého vnějšího vzduchu musíme být schopni nasát i při jízdě maximální rychlostí oběma směry s uvažováním větru a filtrů na konci svojí životnosti. Sání nesmí být v místech, kde vzniká jízdou podtlak, díky kterému by již použitý ventilátor nebyl schopen nasát minimální potřebné množství čerstvého vzduchu. Optimální je umístění v tlakově neutrální oblasti. Kondenzéry klimatizací mají vstup a výstup vzduchu. Ventilátor musí kondenzér zásobovat dostatečným množstvím chladicího vzduchu opět při všech možných aerodynamických jevech v oblasti sání a výdechu způsobených jízdou a větrem. Výhodou je umístění výstupu vzduchu do mírně podtlakové oblasti tak, aby podtlak ventilátoru napomáhal. Při použití axiálního ventilátoru na výstupu je možné toho dosáhnout umístěním výstupní mřížky do prohlubně nebo za uměle vytvořenou odtrhovou hranu - spoiler. Sledovaným parametrem pro aerodynamiku vstupu a výstupu kondenzéru je vzájemný rozdíl tlaku. Problémy se sáním a výdechem vzduchu se netýkají pouze vysokorychlostních vozidel a nastávají výrazněji již zhruba při rychlosti jízdy 160 km/h. Další sledovanou oblastí je vzájemné tepelné ovlivnění klimatizačních jednotek a zařízení v sousedství. To je třeba sledovat nejen při jízdě maximální rychlostí, větru, ale i při jízdě v tunelu. Často jsou v sousedství statické měniče, trakční měniče, brzdové odporníky, výfuky a další zdroje tepla. I samotná jednotka může v případě chybného návrhu tepelně ovlivňovat sama sebe například nasáváním čerstvého vzduchu ohřátého v kondenzéru. Z těchto důvodů je potřeba proudění věnovat zvýšenou pozornost a provádět CFD (Computation Fluid Dynamics) analýzu, jak vnějšího proudění (obtékání vozidla), tak pro klimatizace vzduchové kanály. Klimatizace v kolejovém vozidle U vozidel pro hlavní tratě jsou nová i rekonstruovaná vozidla většinou klimatizovaná. Pro rychlosti 160 km/h a výš je to vzhledem k nemožnosti otevírat okna nutné. V regionální dopravě to ještě není tak běžné zejména u rekonstruovaných vozidel. Regionální vozidla mají nižší rychlost, častější staničení a předpokládáme v nich kratší pobyt cestujících. Člověk se na chladnější prostředí po nějakou dobu adaptuje a stejně to funguje po vystoupení z klimatizovaného vozidla. 10

81 Je klimatizace synonymem pro komfort? Také v ČR je dokázáno, že nová komfortní vozidla jsou schopna přilákat na železnici více zákazníků z řad individuální automobilové dopravy. I když jsou vozy klimatizované, běžnému cestujícímu nezáleží konkrétně na přítomnosti klimatizačního zařízení, ale na celém souboru parametrů komfortu. Snahou by tedy mělo být zajistit pro cestující dostatečný komfort celkově. Problémy klimatizovaných salónů Samotná klimatizační jednotka je oproti jednotce pouze topné a ventilační hlučnější. Je zde navíc alespoň jeden kompresor a ventilátor kondenzátoru. Hlavní oběžný ventilátor má vyšší průtok. V salónu je navíc sání vzduchu do recirkulačního kanálu jakožto další zdroj hluku. Vyšší průtoky vzduchu vytváří aerodynamický hluk. Pokud bychom brali celý objem čerstvého vzduchu o vnější teplotě, nejsme při rozumných rozměrech, hmotnostech a ceně schopni dosáhnout požadovaného teplotního spádu 6 C. Proto velká část vzduchu cirkuluje. Čerstvého vzduchu je v klimatizovaném salónu většinou méně. Přestože klimatizované salóny plní hygienické i železniční normy pro dodávané množství čerstvého vzduchu, je ho méně než při použití ventilačních jednotek či náporového větrání. Řada cestujících má potom nepříjemný pocit vydýchaného vzduchu. Pokud se jedná o vozidla pro hlavní tratě, kde je menší počet cestujících a menší počet zastávek (ztráty otevřenými dveřmi), je klimatizace nejen účinná, ale tím i lehká a levná. Šetrnost k životnímu prostředí a možné úspory elektrické energie Čím dál častěji se v souvislosti se zařízením pro větrání topení a klimatizace otevírá otázka šetrnosti vůči životnímu prostředí a možnosti úspor energie. Nejčastějším chladivem v klimatizacích kolejových vozidel je chladivo R134a. Někdy se používá vícesložkové chladivo R407c, které umožňuje vyšší chladivý výkon při stejném kompresoru. Jeho likvidace je však složitější. Obě tato chladiva jsou již v Evropě u osobních automobilů zakázána a podobné kroky se chystají v železničních klimatizacích. Za ekologické je považováno chlazení na bázi CO 2 nebo s použitím chladiva HFO 1234-yf vyráběného firmou DuPont. U chladiva HFO 1234-yf se spekuluje o jeho bezpečí. Proti tomuto chladivu protestují někteří výrobci osobních automobilů, kteří tvrdí, že za určitých teplot a tlaků, které mohou při nehodě automobilu nastat, je chladivo nebezpečné až výbušné. Jisté je, že cena tohoto chladiva je více než trojnásobná oproti současným chladivům. Výhodou je, že chladicí systémy, které s ním pracují, jsou podobně dimenzované jako stávající systémy. Klimatizace s chlazením na bázi CO 2 jsou velmi těžké, objemné a stejně jako u chladiva HFO 1234-yf dražší. Pracují s násobně vyššími tlaky, což nebylo dosud obvyklé. Otázkou je, zda nebudou legislativně problematické a nebudou potřebovat revize obdobně jako tlakové nádoby. Ani jedno z nových chladiv bohužel nevede cestou lehčí, jednodušší nebo levnější klimatizace, na což se budeme muset připravit i v železniční technice. Většina zákazníků požaduje stále původní chladiva. Některé požadavky zákazníků na šetrnost k životnímu prostředí se zdají až přehnané, například dvojnásobné snímání vysokého tlaku v chladicím okruhu, nahrazující pojistný ventil. Jakýkoliv únik chladiva je údajně nešetrný k životnímu prostředí. Otázkou je, zda není mechanický ventil 11

82 důležitým bezpečnostním prvkem s vyšší důležitostí než riziko úniku chladiva. V případě požáru odstaveného vozidla v depu jsou oba stupně sledování vysokého tlaku v okruhu chladiva nefunkční a při růstu teploty a tlaku chladiva může dojít až k explozi některé části chladicího okruhu. Chladivo se potom stejně dostane do okolí. Dále jsou popsány možné oblasti úspor energie klimatizačních systémů kolejových vozidel. Některé nepřináší velkou perspektivu, jiné jsou zásadní a jejich aplikace je vhodná. Úspory energie klimatizačních zařízení Úspory ve snížení normativních požadavků - Úspora opožděným nástupem chlazení/topení V rozporu s normativními předpisy, ohrožuje komfort, snadno proveditelné. - Úspora snížením množství čerstvého vzduchu na osobu V rozporu s normativními předpisy (včetně závazných). Menší množství vzduchu již většina osob vnímá jako vydýchaný vzduch. Snižování množství čerstvého vzduchu pod úroveň norem již není vhodné. Úspory založené na subjektivním pocitu - Úspora změnou barvy osvětlení Teplé barvy osvětlení v zimě a chladné barvy v létě změní subjektivní vnímání teploty údajně až o 2 C. Změna regulační křivky není v rozporu se závaznou legislativou, vyžaduje souhlas provozovatele vozidla. - Úspora použitými materiály Pro stojícího cestujícího je zásadním vjemem kontakt se záchytnou tyčí. Sedící cestující podobně intenzivně vnímá kontakt se sedadlem. Materiálem se dá navodit pocit tepelné pohody i při mírně posunuté regulační křivce. Úspory řízením klimatizace - Úspora úpravou množství čerstvého vzduchu na reálnou obsazenost Množství čerstvého vzduchu nevychází z maximální obsazenosti, ale reálného obsazení salónu. Není v rozporu s normativními dokumenty a přináší zásadní úsporu. Vyžaduje plynule měnitelný poměr čerstvého a recirkulačního vzduchu a informaci o obsazenosti salónu. - Úspora inteligentním řízením dveřního systému Poptávkové otevírání. Pokud nikdo nenastupuje automatické individuální zavírání. 12

83 Úspory jinou konstrukcí systému větrání topení a klimatizace - Úspora frekvenčním řízením kompresoru Časté spínání kompresoru je nežádoucí a poškozuje jej. Regulace pomocí bypassu je ztrátová (vytváříme tlak, který maříme). - Úspora řízením otáček ventilátoru dodávaného vzduchu i kondenzéru Ventilátory neběží na maximální otáčky, sníží se jejich proudový odběr. - Úspora použitím režimu tepelného čerpadla Potřeba doplnit další ventily a armatury. Snižuje životnost chladicího okruhu. Méně spolehlivé oproti elektrickému ohřevu. - Úspora kvalitní konstrukcí klimatizačních jednotek Optimalizovat průřezy a trasování vzduchové cesty klimatizační jednotkou. Kvalitní výměníky tepla s dostatečným rozestupem lamel, tak aby se neucpaly nečistotami a daly čistit, kvalitní materiály tepelných výměníků, vhodné izolace dostatečné tloušťky. - Úspora použitým typem chladiva Například chladivo R 407c je účinnější než R 134a. Úspory řízením podle podmínek na reálné trati - Úspora plnou recirkulací v konečné stanici Má význam pouze u městské a příměstské dopravy. - Úspora přechlazením nebo přetopením v konečné stanici před vyjetím Vytvoření teplotní rezervy oproti regulační křivce bez cestujících (recirkulace) před vyjetím. Rovněž spíše pro městskou dopravu. - Úspora ventilací Vždy, když je to s ohledem na vnější teplotu a požadovanou vnitřní teplotu možné, upřednostňovat pouhou ventilaci před topením a chlazením. Úspory konstrukční úpravou vozidla - Úspora použitím okenních fólií Zásadní úspora vhodná vždy. U bohatě prosklených vozidel roste význam. - Úspora použitým povrchem nebo barvou Barva a stupeň lesku je většinou firemní vizuální prezentací provozovatele a nelze měnit. - Úspora vhodnou distribucí vzduchu Typem a rozmístěním distribučních elementů. 13

84 - Úspora použitím lepší tepelné izolace Obrys vozidla je dán. S ohledem na šířku uličky a potřebný konstrukční prostor není možné zvyšovat tloušťky izolací neomezeně. Nutno dbát na kvalitu, nenasákavost a nestřádavost izolace. - Úspora vhodnou volbou dveřních zástěn Zabránit nežádoucí výměně vzduchu při staničení. - Úspora vhodnou konstrukcí vzduchových kanálů ve vozidle Krátké, izolované, vhodně trasované. Úspory údržbou systému - Úspory údržbou systému Zanesené tepelné výměníky, vzduchové kanály a ventilátory mají nižší účinnost. Rovněž častější výměna filtrů snižuje ztráty. Důležitá je i těsnost některých dílů. Závěr Klimatizační jednotky společně s dalšími doplňkovými topnými agregáty mohou vytvořit příznivě vnímanou tepelnou pohodu pro až 95 % cestujících. Z parametrů prostředí je třeba sledovat alespoň teplotu vzduchu, rychlost proudění vzduchu, relativní vlhkost vzduchu, teplotu stěn, koncentraci CO 2, hluk a tlak. Velký potenciál skrývá oblast hledání energetických úspor klimatizačních zařízení drážních vozidel s ohledem na co nejmenší ovlivnění vnímání tepelné pohody cestujícími. Seznam literatury 1) ČSN EN , Železniční aplikace - Klimatizace pro městská a příměstská kolejová vozidla Část 1: Parametry pohodlí. Praha: ČNI, ) ČSN EN A1, Železniční aplikace - Klimatizace stanoviště strojvedoucího/řidiče Část 1: Parametry pohodlí. Praha: ČNI, ) ČSN EN , Železniční aplikace - Klimatizace pro kolejová vozidla hlavních tratí Část 1: Parametry pohodlí. Praha: ČNI, ) ČSN EN 45545, Drážní aplikace Protipožární ochrana drážních vozidel. Praha: ČNI, ) UIC 553, Heating, ventilation and air-conditioning in coaches. Paris: UIC, 2005, ISBN ) Nařízení Komise (EU) č. 1303/2014 ze dne 18. listopadu 2014 o technické specifikaci pro interoperabilitu týkající se bezpečnosti v železničních tunelech železničního systému Evropské unie 7) Nařízení Komise (EU) č. 1302/2014 ze dne 18. listopadu 2014 o technické specifikaci pro interoperabilitu subsystému kolejová vozidla lokomotivy a kolejová vozidla pro přepravu osob železničního systému v Evropské unii 14

85 Poděkování Tento příspěvek vznikl za podpory projektu TE Centrum kompetence drážních vozidel programu Technologické agentury České republiky na podporu rozvoje dlouhodobé spolupráce ve výzkumu, vývoji a inovacích mezi veřejným a soukromým sektorem. Praha, září 2016 Lektorovali: Ing. Zdeněk Malkovský, Ph.D. VÚKV a.s. Ing. Jaromír Bittner České dráhy, a.s., Odbor kolejových vozidel 15

86 Jiří Pohl 1 Vize rozvoje elektromobility Klíčová slova: fosilní paliva, uhlíková stopa, dekarbonizace mobility, bezemisní doprava, elektrická železnice, změna systému napájení, dokončení elektrizace, vysokorychlostní železnice, akumulátorová vozidla Úvod Mobilita je důležitou součástí současného životního stylu. Ten lze charakterizovat stále vyšším stupněm dělby práce, který je provázen koncentrací lidských činností průmyslu, zemědělství, školství, zdravotnictví, služeb i kultury, přímo související s využíváním výhod z rozsahu a výhod ze struktury. Všeobecně dostupná přeprava osob i zboží je nutnou podmínkou fungování tohoto systému. Zejména v superpozici s rozumnými snahami dekoncentrovat osídlení a rozprostřít jej po celé ploše území. Svoboda pohybu je také klíčem k dalším lidským svobodám pracovat, vzdělávat se, navštěvovat se, cestovat. Volný pohyb osob a věcí je základním předpokladem k fungování trhu, k prodeji a nákupu zboží. V České republice tvoří 97 % energie pro mobilitu uhlovodíková paliva, zejména ropné produkty a jejich náhražky. Jen 3 % energie pro dopravu zajišťuje elektrická energie. Při vědomí silné závislosti mobility na ropných produktech je nutné přistupovat s plnou odpovědností k nedávnému rozhodnutí lidstva zcela přestat používat fosilní paliva a orientovat se výhradně na energii z obnovitelných zdrojů. Energie fosilních paliv, nebo ochrana klimatu? Ochrana klimatu! V pátek 22. dubna 2016 podepsal na zasedání OSN v New Yorku zástupce České republiky ministr životního prostředí Richard Brabec, podobně jako ostatní zástupci 175 zemí světa, závěrečný protokol z Pařížské klimatické konference z Poselství tohoto dokumentu je zásadní. Pod tíhou reality klimatických změn se obyvatelstvo planety Země svobodně rozhodlo, že v krátké době zcela přestane používat fosilní uhlovodíková paliva: uhlí, ropu a zemní plyn. Neboť jediná dosud známá cesta k zastavení oteplování Země na hodnotě 1,5 C až 2 C vůči době předindustriální, což je dohoda uvedená v článku 2 Pařížského protokolu, je poslat do ovzduší již jen posledních 750 miliard tun oxidu uhličitého (pro cílové 1 Ing. Jiří Pohl, 1951, vystudoval elektrickou trakci na Vysoké škole dopravní v Žilině. Od roku 2000 působí u společnosti Siemens v oddělení Engineeringu divize Mobility. Po letech práce na projektových úkolech se nyní věnuje zejména průřezovým strategickým rozvojovým projektům a je odpovědný za růst odborné kvalifikace pracovníků ve vývojovém a konstrukčním centru kolejových vozidel Siemens. Vyučuje na vysokých školách, publikuje v odborných časopisech a reprezentuje společnost Siemens na dopravních konferencích. 1

87 oteplení 1,5 C), respektive posledních miliard tun oxidu uhličitého (pro cílové oteplení 2 C). Jde pravděpodobně o jedno z nejzásadnějších rozhodnutí, které lidstvo kdy učinilo. Dalo přednost zachování klimatu před pokračováním ve využívání energie fosilních paliv. Přitom právě energie uvolněná spalováním fosilních paliv posunula lidskou civilizaci za uplynulých zhruba dvě stě let zásadním způsobem vpřed. Došlo k rozvoji všeobecného blahobytu, průmyslu, dopravy i bydlení v kvalitě i rozměrech, které nemají v dějinách lidstva srovnání. V návaznosti na to došlo k velkému pokroku i v oblasti vzdělanosti, zdravotnictví, školství, kultury a umění. Nebylo by správné hovořit v minulém čase, vždyť i v současnosti je lidská civilizace na energii fosilních paliv velmi závislá. Kupříkladu na občana České republiky připadá denní spotřeba primární energie 134 kwh/den (střední příkon 5,6 kw) a z toho 102 kwh (střední příkon 4,2 kw) tvoří fosilní paliva: 13 kwh/den černé uhlí, 36 kwh/den hnědé uhlí, 28 kwh/den ropné produkty, 24 kwh/den zemní plyn. Fosilní paliva jsou velice vydatným a snadno dostupným zdrojem energie. Avšak spalováním fosilních paliv se v nich obsažený uhlík neztrácí, to by odporovalo zákonu zachování hmoty. Jen se stěhuje z podzemí na oblohu, a to v podobě oxidu uhličitého. Jeho roční produkce činí na občana ČR zhruba 11 t CO 2 /obyvatele/rok, což řadí Českou republiku na jedno z prvních míst na světě v této nežádoucí disciplíně (světový průměr je 4,4 t CO 2 /obyvatele/rok, Čína má 6,2 t CO 2 /obyvatele/rok, průměr EU činí 7,4 t CO 2 /obyvatele/rok). Proto dolehnou na občany ČR budoucí dekarbonizační (antifosilní) opatření dost tvrdě. Více než na země, které jsou ve spotřebě fosilních paliv střídmější. Důsledky spalování fosilních paliv Před začátkem industrializace, která je využíváním fosilních paliv bytostně spojena, tedy ještě koncem 18. století, bylo v zemském obalu miliard tun CO 2 (koncentrace 280 ppm). Spalováním fosilních paliv bylo množství CO 2 v zemském obalu zvýšeno na současnou hodnotu cca miliard t CO 2 (koncentrace 400 ppm). V důsledku toho došlo ke zvýšení tepelně izolační schopnosti zemského obalu, což se projevilo vzrůstem střední teploty Země asi o 1 C vůči době předindustriální. Řešení K naplnění limitů, dohodnutých klimatickými experty z celého světa v Paříži v prosinci loňského roku a potvrzeného politiky v New Yorku v dubnu letošního roku, již tedy zbývá jen 0,5 C až 1 C. To, jak je výše uvedeno, odpovídá zvýšení obsahu oxidu uhličitého v zemském obalu o dalších již jen 750 miliard tun CO 2 (pro cílové oteplení Země 1,5 C), respektive o dalších již jen miliard tun CO 2 (pro cílové 2

88 oteplení Země 2 C). Tyto limity, při současné intenzitě spalování fosilních paliv, která v roce 2015 vedla k celosvětové produkci 32 miliard tun CO 2 /rok, vymezují jen velmi krátké časové období, které má lidstvo na zásadní změnu ve svém energetickém chování. Při stalé produkci CO 2 na úrovni roku 2015 by bylo na Zemi možné používat jakákoliv fosilní paliva pouhých 23 let (do roku 2038) pro cílové oteplení Země 1,5 C, respektive jen 47 let (do roku 2062) pro cílové oteplení Země 2 C. produkce CO2 (mld. t/rok) řízení oteplení Země (skokový scénář) produkce CO2 pro 1,5 C produkce CO2 pro 2 C oteplení pro 1,5 C oteplení pro 2 C letopočet (rok) 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 oteplení Země ( C) Scénář budoucího náhlého (skokového) opuštění fosilních paliv však není pravděpodobný, přirozenější je postupný pokles. Pokud by byl tento pokles lineární, pak budou příslušná časová období k poklesu spotřeby fosilních paliv až na nulu dvojnásobná, tedy 47 let (do roku 2062) pro cílové oteplení Země 1,5 C, respektive 94 let (do roku 2109) pro cílové oteplení Země 2 C. To ovšem platí jen za podmínky neprodleného zahájení procesu kontinuálního lineárního poklesu spotřeby fosilních paliv od okamžiku sjednání Pařížské dohody v prosinci produkce CO2 (mld. t/rok) řízení oteplení Země (plynulý scénář) produkce CO2 pro 1,5 C produkce CO2 pro 2 C oteplení pro 1,5 C oteplení pro 2 C letopočet (rok) 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 oteplení Země ( C) Lze těžko předvídat, jak racionálně se bude lidstvo chovat a jaké konflikty při plnění těchto cílů nastanou. Ložiska fosilních paliv nejsou na zemském povrchu 3

89 rozprostřena rovnoměrně, což je příčinou silného transferu peněz ze států, které příslušná naleziště nemají, do států, které je mají. Nové bezemisní technologie, jež jsou pro svět nástrojem k tomu, jak nahradit fosilní paliva obnovitelnými zdroji, proto nevítají všichni s nadšením. Vždyť jen exhalace oxidu uhličitého, vzniklého spálením v současnosti existujících ověřených geologických zásob fosilních paliv, by stačily na zvýšení oteplení Země o 3,2 C. Řada států a institucí dosud profitujících z těžby a prodeje fosilních paliv tedy bude muset budoucí využití svého bohatství v podobě ložisek fosilních paliv oželet. Logicky se proto budou velmi snažit o to, aby cíle Pařížské konference naplněny nebyly. Dekarbonizace energetiky a navazujících odvětví, včetně průmyslu a dopravy, je však z klimatických důvodů nezbytná. Každý rok setrvávání v nečinnosti bude nutno dohánět vyšším tempem inovací i vyššími restrikcemi. V případě desetiletého odkladu (do roku 2025, při stagnaci spotřeby fosilních paliv na současné úrovni) zahájení procesu kontinuálního lineárního poklesu spotřeby fosilních paliv se doba jejich postupné náhrady obnovitelnými zdroji zkracuje o dvacet let. Tedy ze 47 let na 27 let pro cílové oteplení Země 1,5 C, respektive z 94 let na 74 let pro cílové oteplení Země 2 C. V nepřímé úměrnosti se snížením délky období poklesu spotřeby fosilních paliv narůstá intenzita odklonu od používání fosilních paliv. V návaznosti na to roste i intenzita budování obnovitelných zdrojů pro zajištění odpovídající substituce za fosilní paliva. řízení oteplení Země (plynulý scénář s odkladem 10 let) produkce CO2 (mld. t/rok) produkce CO2 pro 1,5 C produkce CO2 pro 2 C oteplení pro 1,5 C oteplení pro 2 C 35 3,5 30 3,0 25 2,5 20 2,0 15 1,5 10 1,0 5 0,5 0 0, letopočet (rok) oteplení Země ( C) V případě dvacetiletého odkladu (do roku 2035, při stagnaci spotřeby fosilních paliv) zahájení procesu kontinuálního lineárního poklesu spotřeby fosilních paliv se doba jejich náhrady obnovitelnými zdroji zkracuje o 40 let. Tedy ze 47 let na sedm let pro cílové oteplení Země 1,5 C, respektive z 94 let na 54 let pro cílové oteplení Země 2 C. V takové situaci (již v roce 2035) by byla vize splnění scénáře nepřekročení oteplení Země o 1,5 C už prakticky ztracena. Není totiž příliš pravděpodobné, že by se společnost po 20 letech stagnace vzchopila k tomu, aby se 4

90 díky vybudování obnovitelných zdrojů dokázala v průběhu pouhých sedmi let vzdát používání fosilních paliv. řízení oteplení Země (plynulý scénář s odkladem 20 let) produkce CO2 (mld. t/rok) produkce CO2 pro 1,5 C produkce CO2 pro 2 C oteplení pro 1,5 C oteplení pro 2 C 35 3,5 30 3,0 25 2,5 20 2,0 15 1,5 10 1,0 5 0,5 0 0, letopočet (rok) oteplení Země ( C) Při stagnaci spotřeby fosilních paliv na úrovni roku 2015 bude v roce 2038 cíl nepřekročit oteplení Země o 2 C stejně náročný, jako je nyní cíl nepřekročit oteplení Země o 1,5 C. Je proto hrubou chybou myslet si, že omezování spotřeby fosilních paliv je tématem až vzdálené budoucnosti. Jde o téma velmi aktuální, neboť současná liknavost vede již v krátké době k nutnosti zavádět obnovitelné zdroje velmi vysokým tempem. V Pařížském protokolu uváděný princip nesnížení životní úrovně v důsledku dekarbonizace si nelze vysvětlovat tak, že současná generace si bude nadále využívat blahobyt neregulované spotřeby fosilní paliv a následující generaci silně zatíží investicemi do budování obnovitelných zdrojů. Téma dekarbonizace je potřeba řešit bezodkladně. ukončení spotřeby (rok) vliv prodlevy počátku poklesu spotřeby fosilních paliv na ukončení jejich používání a na strmost poklesu spotřeby cílové oteplení 1,5 C cílové oteplení 2 C začátek poklesu strmost poklesu 1,5 C strmost poklesu 2 C začátek poklesu (rok) strmost poklesu spotřeby (%/rok) 5

91 Čas činů Jakkoliv vyznívají výše uvedené skutečnosti dramaticky, ponechávají dosud většinu obyvatel v klidu. Dál je každým dnem velké množství uhlí spalováno v kotlích elektráren, dál je každým dnem velké množství nafty, benzínu a zemního plynu využíváno jako palivo pro spalovací motory. Přitom v obou těchto aplikacích je využita zhruba jen jedna třetina energie paliva, zbývající dvě třetiny se promění ve ztrátové teplo. Není důvod k panice, Slunce ozařuje Zemi středním výkonem mld. kw, což představuje roční energii bil. kwh. Energii, kterou v současnosti lidstvo ročně získává spalováním fosilních paliv (střední výkon hoření 13,2 miliard kwh, roční energie 116 bil. kwh) vyšle Slunce k Zemi v průběhu 40 minut, za rok je to 13 tisíckrát tolik. Jde jen o to, jak racionálním způsobem přeměnit energii slunečního záření na jinou formu energie, která je prakticky využitelná. Již mnoho let využívá lidstvo přeměnu slunečního záření na mechanickou práci nepřímými způsoby: přes pěstování rostlin, ve kterých se sluneční záření mění v zeleni listů fotosyntézou v glukózu, která se nadále štěpí na škroby a tuky, které slouží jako potrava pro lidi a jimi chovaná tažná zvířata, i jako palivo, které lze využít pro vytápění budov i pro tepelné motory (parní i spalovací), přes odpařování vody, atmosférické srážky a vodní toky, pohánějící kdysi mlýny, hamry či pily a nyní hydroelektrárny, přes ohřev vzduchu, jeho tepelnou roztažnost a následně proudění, pohánějící kdysi větrné mlýny a nyní větrné elektrárny. Díky pokroku v polovodičové elektronice se v posledních letech k těmto tradičním způsobům přidala i přímá přeměna energie slunečního záření na elektřinu ve fotovoltaických elektrárnách, která pracuje s mnohanásobně vyšší účinností než biologické procesy. Běžné, v současnosti komerčně využívané fotovoltaické články mají účinnost zhruba 12 až 18 %. V podmínkách ČR (nejvyšší intenzita slunečního záření na povrchu země cca W/m2, roční energie sluneční záření cca kwh/m2, tedy ekvivalentní doba plného slunečního svitu cca h) lze tedy ze čtverečního metru plochy vyprodukovat špičkový výkon kolem 120 až 180 W a roční energii zhruba 120 až 180 kwh. Při započítání měničů potřebných k převedení stejnosměrného napětí solárních článků na střídavé napětí o vyšší hodnotě lze uvažovat o špičkovém výkonu cca 105 až 160 W a o roční energii cca 105 až 160 kwh. To jsou ve srovnání s umělou produkcí kapalných biopaliv až dvěstěkrát vyšší hodnoty. Na jednom hektaru pole lze v podmínkách ČR vypěstovat zhruba 4 t řepkového semene, ze kterého lze vyrobit (po odečtení vlastní spotřeby) zhruba 880 litrů metylesteru řepkového oleje s tepelným obsahem cca kwh. Na jeden hektar plochy pole však dopadne za rok přibližně kwh, výsledná účinnost výroby bionafty je tedy zhruba jen 0,08 %. To činí produkci biopaliv nejen neefektivní (bytostně závislou na trvalých dotacích nikoliv investičního, ale provozního 6

92 charakteru, a proto neudržitelnou), ale kvantitativně nepostačující. K náhradě energie ropných paliv (roční spotřeba v ČR 107 miliard kwh/rok) by bylo potřeba zhruba 11,8 miliard litrů metylesteru řepkového oleje. K produkci takového množství metylesteru by bylo (po odečtení vlastní spotřeby) nutno pěstovat řepku zhruba na 13,4 milionech ha polí. Avšak v ČR je k dispozici jen 3 miliony ha orné půdy a jejich primárním posláním je poskytovat potravu obyvatelstvu, nikoliv jejich automobilům. Kapalná uhlovodíková paliva (včetně metylesteru řepkového oleje) jsou k pohonu vozidel používána ve spalovacích motorech s účinností kolem 35 %, což snižuje účinnost energetického řetězce od slunečného záření přes řepkový olej až po mechanickou práci na hřídeli spalovacího motoru pod 0,03 %. To jistě není hodnota, na které by stálo za to stavět koncepci udržitelné mobility. Z dalších zdrojů energie pro budoucí dopravu bez uhlíkové stopy lze rovnou škrtnout zemní plyn. Důvody k tomu jsou dva: jde stejně jako v případě ropných produktů o fosilní palivo. Ve srovnání s motorovou naftou má sice zemní plyn vlivem vyššího obsahu vodíku ve své struktuře mírně menší měrnou produkci oxidu uhličitého (při hodnocení Tank-to-wheels podle ČSN EN 16258: 2012 produkuje zemní plyn 0,214 kg CO 2 /kwh, zatímco ropná nafta 0,268 kg CO 2 /kwh a motorová nafta s přísadou 6 % metylesteru řepkového oleje 0,253 kg CO 2 /kwh). Avšak potřeba energie na stlačování zemního plynu na tlak 20 MPa, zvýšení hmotnosti vozidel těžkými vysokotlakými nádržemi a snížení účinnosti spalovacího motoru vlivem přechodu od vznětového Dieselova principu, používaného při aplikaci nafty, k zážehovému Ottovu principu při aplikaci zemního plynu, zvyšují spotřebu energie na vykonanou přepravní práci. Tím efekt mírně nižšího obsahu uhlíku ve struktuře zemního plynu prakticky neutralizují uhlíková stopa autobusů poháněných naftou a zemním plynem je proto zhruba stejná, není logické používat zemní plyn jako palivo pro motory vozidel, které využijí energii z jeho výhřevnosti jen z cca 32 % a zbývajících 68 % se přemění v odpadní ztrátové teplo. Mnohem rozumnější je zemní plyn aplikovat ve stacionárních kogeneračních jednotkách s využitím nejen motoragregátem vyrobené elektrické energie, ale i ztrátového tepla pro vytápění či ohřev vody. Výhřevnost paliva je tak využita téměř ze 100 %. Vysoce efektivní je ochlazování spalin pod teplotu rosného bodu, komerčně využíváno v kondenzačních kotlích. Tím lze využít nejen výhřevnost paliv, ale jejich celkové spalné teplo. Výsledný faktor výkonu (poměr získaného tepla k výhřevnosti paliva) pak mírně přesahuje hodnotu 100 %. Ve srovnání s kogeneračními jednotkami a s kondenzačními kotli je proto použití zemního plynu v motorech vozidel, schopných využít jeho energii ani ne z jedné třetiny (ztrátové teplo je nevyužitým odpadem) velkým a do budoucna neudržitelným plýtváním fosilními palivy. Obecně je proto nutné zcela se do budoucna u všech mobilních aplikací vyhnout používání jakýchkoliv tepelných motorů. Jak vyplývá z Carnotova cyklu, jsou principiálně schopny pracovat s účinností nejvýše kolem cca 40 %, tedy se spotřebou 2,5násobného množství energie, než odpovídá vykonané práci. To bylo možné v době neregulovaného využívání fosilních paliv. V období dominantní orientace na 7

93 obnovitelné zdroje bude podmínkou mnohem šetrnější hospodaření s energiemi. Cílem není nahradit celkový příkon spotřeby fosilních paliv, cílem je nahradit užitečný výkon spotřeby fosilních paliv. Pak jsou potřebné hodnoty třikrát menší. Přeměnu energie z obnovitelných zdrojů na nevyužívané ztrátové teplo je potřeba minimalizovat. Podobně lze při širším pohledu na téma energetiky odmítnout pro pohon vozidel i použití vodíku. Jeho nespornou předností je využitelnost i v palivových článcích, které jsou v porovnání s dosud známými a průmyslově využívanými elektrochemickými akumulátory lehčí. Vodík se však v přírodě volně nevyskytuje, je vyráběn buď z elektrické energie, nebo z uhlovodíkových paliv. Vodík proto nepředstavuje alternativní zdroj energie, ale alternativního nositele energie. Ovšem nízká účinnost energetického řetězce ukládání energie a uvolňování energie (kolem 40 %) odsouvá palivové články jen do specifických aplikací, ve kterých jdou stranou energetická i ekonomická kritéria. To však není případ všeobecné mobility. Jediným dosud známým široce použitelným způsobem udržitelné mobility je elektrická vozba. To je v prvé řadě dáno charakterem dostupných obnovitelných zdrojů energie. Ty zpravidla převádějí energii slunečního záření na elektřinu, a to buď přímo (solární fotovoltaické elektrárny), nebo nepřímo (vodní a větrné elektrárny, respektive i bioplynové elektrárny). Další energetickou výhodou vozidel s elektrickou trakcí je možnost využití generátorické funkce trakčních elektromotorů k rekuperaci kinetické i potenciální brzdové energie. Ta dokáže významně snížit energetickou náročnost dopravy. Elektrická vozba V pozemní dopravě lze aplikovat elektrickou vozbu jak u systémů kolejových (železnice, metro, tramvaje), tak i u systémů nekolejových. A to jak ve vazbě na liniové elektrické napájení, tak i se zásobníky energie. Různé dopravní módy bývají zpravidla vnímány a posuzovány ve vzájemné konkurenci. Řada jejich aplikací má především kořeny ve zvyklostech a tradici. S tím je potřebné se rozloučit. Odpovědnost za zajištění mobility i při odklonu od používání fosilních paliv k obnovitelným zdrojům velí postupovat racionálně a koordinovaně. Každá z aplikací elektrické vozby má opodstatnění ve vhodné oblasti svého použití, ve které vyniknou její přednosti a jsou potlačeny její nevýhody. Tam má logiku ji rozvíjet. Naopak není účelné je využívat tam, kde převládají jejich negativa a pozitiva se významněji neprojeví. To platí jak pro dopravu osob, tak i pro dopravu věcí, a to na úrovni dopravy dálkové, regionální i městské. Dobře to lze demonstrovat na příkladu osobní dopravy. Individuální elektrický akumulátorový osobní automobil (elektromobil) v zásadě přejímá základní vlastnosti konvenčního automobilu: přednostmi automobilu jsou vysoká operativnost (okamžitá použitelnost), flexibilnost trasy, hustá síť silnic, jakožto i efektivnost při přepravě malého počtu osob, 8

94 obecnými nevýhodami automobilů jsou vyšší energetická náročnost (ve srovnání s hromadnou dopravou, zejména s kolejovými systémy vysoký odpor valení a vysoký aerodynamický odpor samostatně jedoucích vozidel), nízká nejvyšší provozní rychlost, nízké využití času stráveného dopravou, nízké využití investic vložených do pořízení vozidel (v ČR je průměrný automobil využíván k dopravě cca jen 2 % času, tedy méně než půl hodiny denně, velká náročnost na plochu komunikací za jízdy i v klidu), absence elektrického liniového napájení na síti pozemních komunikací (ulice, silnice, dálnice) vede k nutnosti řešit elektrickou trakci jako polozávislou, tedy vybavovat elektrické automobily zásobníky energie (akumulátory). Pro běžné denní jízdy je to technika dostačující (střední denní běh automobilu je v ČR 28 km, střední přepravní vzdálenost je v ČR při jízdě automobilem 32 km), pro delší cesty však nikoliv vedla by k velkým a tedy i drahým a těžkým akumulátorů, jakožto i k dlouhé době nabíjení. Tyto vlastnosti určují automobil především do role operativního dopravního prostředku vhodného především tam, kde se pro slabost či nepravidelnost přepravní poptávky nevyplatí zřizovat a provozovat veřejnou hromadnou dopravu a přitom je dostatek volné plochy komunikací. Tedy na venkov a do plošně málo koncentrované městské zástavby v extravilánu, zejména ve vazbě na přestup na linky veřejné hromadné dopravy. Dosavadní dominantní role automobilu (v ČR aktuálně 61 % přepravních výkonů) není nutnost, je spíš otázkou životního stylu a dopravních návyků. Řada občanů dokáže žít bez pravidelného používání automobilu a necítí se tím být nějak ochuzována či omezována. To je velice závažná skutečnost, která dokládá důležitost nikoliv jen objektivních, ale i subjektivních hledisek pro volbu dopravního systému. S tím souvisí oblast motivace (nabídka kvality) i informovanosti a vzdělanosti. Na opačné straně spektra je elektrická osobní železniční doprava, která má ve srovnání s individuální automobilovou dopravou řadu přirozených vlastností zcela opačných: základními přednostmi moderní železnice je nízká energetická náročnost daná jak nízkým odporem valení ocelového kola po ocelové kolejnici, tak i (a to v případě rychlé dopravy zejména) schopností vozidel tvořit vlak, tedy jízdou v zákrytu s minimálním aerodynamickým odporem, vysokou produktivitou vozidel a personálu, vysokou rychlostí jízdy (160 až 200 km/h na konvenčních tratích, kolem 300 km/h na vysokorychlostních tratích), vysokou přepravní výkonností a širokou paletou možností využití času stráveného cestováním. Zásadní výhodou železnice je i existence technicky vyřešeného a desítky let systematicky budovaného elektrického liniového napájení, nevýhodou železnice je neschopnost hospodárně zvládat slabé a v čase či v trase proměnlivé přepravy. Není logické zřizovat ji či provozovat tam, kde neexistuje silná a pravidelná přepravní poptávka. Bylo by chyba vnímat tyto dva dopravní módy (individuální automobilovou dopravu a železnici) antagonicky. Rozumné je vytvořit z nich komplementární dvojici 9

95 vhodnou k řešení širokého spektra dopravních (respektive přepravních) úloh. Železnici charakterizuje řád, pravidelnost a systematičnost, individuální automobilovou dopravu svoboda, flexibilita a operativnost. Proto je železnice vhodná pro páteřové trasy se silnou a pravidelnou přepravní poptávkou, zatímco individuální automobilová doprava dokáže nejlépe zajistit slabé či nepravidelné přepravy po ploše území. Současné vnímání obou těchto dopravních módů je však často zcela opačné. Snaha o to, aby v řídce obydlených územích prosperovaly regionální železnice, jsou stejně mylné, jako budování dálnic ke spojení mezi regiony. Racionální dělba přepravních úloh mezi železnici a individuální automobilovou dopravu není jen teoretickou vizí nástrojů ochrany klimatu. V praxi funguje a obyvatelstvo ji akceptuje, a to i v ČR. Dokládají to statické údaje: střední přepravní vzdálenost osob automobily není velká (32 km) a stagnuje, střední přepravní vzdálenost osob železnicí je větší (47 km v roce 2015) a trvale vydatně roste. střední přepravní vzdálenost automobilové a osobní železniční dopravy v ČR železnice automobil střední přepravní vzdálenost (km) letopočet (rok) Obyvatelstvo v ČR akceptuje železnici na větší přepravní vzdálenosti a na krátké cesty raději volí automobil. Je to logické, neboť při dopravě na větší vzdálenosti je potlačena nevýhoda ztrátových časů na začátku a konci cesty, které jsou průvodním jevem jakékoliv veřejné hromadné dopravy. Při přepravě na krátké vzdálenosti tvoří dominantní část celkové doby přesunu (cesta na zastávku, čekání na spoj, cesta ze zastávky). Tento soulad přirozeného dopravního chování obyvatelstva s nezbytnou budoucí orientací jednotlivých dopravních módů, danou příčinami na straně energetiky a klimatu, je velmi cennou zkušeností a ještě cennější devizou do dalších let. Obyvatelstvo netrpí chorobnou autofílií, jen z nutnosti používá automobil tam, kde 10

96 veřejná hromadná doprava není schopna nabídnout odpovídající kvalitu tedy především rychlost, četnost spojů, pohodlí a čistotu. Vstříc budoucnosti Ke kvalitě veřejné dopravy patří i kvantita přepravní nabídky, tedy dostatek spojů a dostatek míst ve vlacích. To se stává vážným tématem v dálkové osobní železniční dopravě v ČR, která na páteřových linkách narůstá ročně o více než 10 %. Okamžitým řešením je nákup nových vozidel. Optimálně v podobě netrakčních jednotek, které svojí jednotností vytvářejí cestujícími vyžadovaný přepravní produkt garantované vysoké kvality a zároveň umožňují postupné zvyšování přepravní nabídky přidáváním dalších vozů uvnitř (strategické posilování) i vně (operativní posilování). Investice vložené do modernizace tranzitních železničních koridorů se projevily nárůstem přepravní poptávky, který je již nutné řešit výstavbou nových tras. Aktuální je zejména výstavba vysokorychlostní železnice ve spojení Prahy (Čech) s Brnem (Moravou), neboť existující železniční síť není ani kvalitativně, ani kvantitativně schopna převzít přepravní výkon dálnice D1. Přitom právě úlohu dálnice D1 ve spojení Čech s Moravou bude potřeba zajistit i v období po skončení období aplikace fosilních paliv. Vysokorychlostní železnice, určená (účelně trasovaná a vybavená) výhradně pro provoz rychlých vlaků (jednotnou rychlostí 300 km/h a jízdní dobou cca 55 minut), je k tomuto účelu investičně a provozně optimálním řešením. Obavy, že většina z osob v současnosti denně používajících dálnici D1 na železnici nepřejde, není na místě. O flexibilitě dopravního chování obyvatelstva v ČR svědčí hluboký a trvalý propad vnitrostátní letecké osobní přepravy po zkrácení přepravních časů železnice mezi Prahou a Ostravou z někdejších 4 až 5 hodin na současné 3 hodiny. vnitrostátní osobní letecká doprava v ČR přeprava přepravní výkon přeprava (tis. osob/rok) přepravní výkon (mil. os. km/rok) letopočet (rok) Výše srovnávaná železniční doprava a individuální automobilová doprava nejsou jedinými dopravními módy. Mezi nimi, i vedle nich, existují i další možnosti. 11

97 Jedno však mají společné: čím více je (účelně) investováno do dopravní infrastruktury, tím vyšší efekt lze dosáhnout v kvalitě přepravní nabídky a provozní úspornosti (ekonomické, energetické i environmentální). struktura nákladů dopravních systémů investiční náklady měrné provozní náklady 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 silnice železnice vysokorychlostní železnice Z toho pak logicky plyne budoucí hierarchické uspořádání rolí dopravních systémů. Vysoce výkonné a vysoce efektivní dopravní systémy (avšak s vysokými prvotními investicemi a s vysokými prahovými hodnotami přepravních proudů) má smysl budovat a provozovat všude tam a jenom tam, kde existuje náležitě silná přepravní poptávka. A naopak energeticky náročné a provozně málo efektivní dopravní systémy (avšak s nízkými prvotními investicemi a s nízkými prahovými hodnotami přepravních proudů) má smysl budovat a provozovat všude tam a jenom tam, kde neexistuje náležitě silná přepravní poptávka potřebná pro zřízení výkonnějšího a efektivnějšího systému. kolo automobil volba optimálního dopravního systému vysokorychlostní železnice autobus železnice přepravní proud (osob/h) 12

98 Podobně jako osobní lze analyzovat i nákladní dopravu. A ta má ve svém spektru dva protipóly, které lze vnímat jako komplementární dvojici: nákladní automobily na silnicích a vlaky na železnicích. Tyto dva módy se navzájem liší nejen v energetické náročnosti, ale i v produktivitě práce. Ta dokáže být u strojvedoucích nákladních vlaků zhruba 50krát vyšší, ve srovnání s řidiči nákladních automobilů. Záměr EU (viz dokument Plán jednotného evropského dopravního prostoru EU KOM (2011) 144) převést nákladní dopravu nad 300 km ze silnic na železnice i záměr ČR (viz Usnesení vlády ČR č. 978/2015) převést do roku % přepravních výkonů nákladní dopravy ze silnic na železnice má proto zásadní význam nejen z pohledu energetiky, ochrany klimatu a životního prostředí, ale i z důvodu racionálního hospodaření pracovními silami. Dopady demografického vývoje V této souvislosti je potřeba vnímat, že v důsledku poklesu reprodukční schopnosti obyvatelstva soustavně v ČR klesá počet práceschopného obyvatelstva. Jen v důsledku značného rozdílu mezi počtem osob, odcházejících z pracovního procesu do starobního důchodu, a počtem osob, přicházejících po ukončení školního vzdělání do pracovního procesu, ubylo od začátku 21. století do současnosti v ČR zhruba jeden milion pracovních sil a tento trend bude pokračovat. důsledky demografického vývoje v ČR potenciální odchod do důchodu (65 let) potencionální nástup do práce (22 let) obyvatel ročně (osob/rok) roční úbytek pracovníků celkový úbytek pracovníků celkem (osob) letopočet (rok) Proto není logické plýtvat deficitními pracovními silami a používat nákladní automobily v dálkové nákladní dopravě. Tu zajistí železnice mnohem efektivněji nejen z hlediska spotřeby energie a ochrany klimatu, ale i z hlediska racionálního využívání pracovních sil. Naopak nákladním automobilům náleží operativní a krátké přepravy. Ty zvládnou i při napájení z akumulátorů elektrické energie. 13

99 Opět není na místě antagonický úhel pohledu, nýbrž racionální snaha využít nákladních automobilů především k plošné obsluze území a železnici k dálkovým přepravám. S tím souvisí budování RFC evropských nákladních koridorů ve smyslu Nařízení Evropského parlamentu a rady č. 1316/2013. Těmi jsou elektrifikované dvojkolejné tratě, zabezpečené technikou ERTMS a s náležitou dopravní i prostorovou průchodností, způsobilé délkou předjízdných kolejí, i výkonností a přenosovou schopností pevných trakčních zařízení, k efektivní dopravě nákladních vlaků o délce 740 m. Rozvoj elektrizace železnic Pro současnou železnici v ČR je charakteristické velmi nerovnoměrné zatížení železniční sítě: celostátní tratě sítě TEN-T (27 % délky sítě) zajišťují 84 % dopravní práce, ostatní celostátní tratě (32 % délky sítě) zajišťují 12 % dopravní práce, regionální tratě (41 % délky sítě) zajišťují 4 % dopravní práce. V superpozici s kontinuálním růstem přepravních výkonů (v rozmezí let 2010 až 2015 vzrostly přepravní výkony osobní železniční dopravy v ČR o 26 %, tedy v průměru o 5,2 % ročně za rok 2015 dokonce o 6,4 % a přepravní výkony nákladní železniční dopravy vzrostly v ČR o 11 %, tedy v průměru o 2,2 % ročně za rok 2015 dokonce o 4,7 %) je ke zvládnutí úloh železnice při dekarbonizaci mobility, tedy k převzetí většího podílu přepravní práce a k jejímu bezemisnímu zajištění, nutnost orientace na tři druhy rozvoje: další zvyšování kvality a výkonnosti železničních koridorů, na kterých je nejvyšší přepravní poptávka, zvýšení atraktivity ostatních tratí železniční sítě s potenciálem růstu přepravní poptávky (v odezvě na zvýšení jejich kvality a výkonnosti), budování vysokorychlostního železničního systému, pojatého jako návazná nadstavba konvenčního železničního systému. Rozvoj železničního systém je podmíněn vyváženým rozvojem všech čtyř jeho strukturálních subsystémů (tratě, řízení a zabezpečení, energetické napájení a vozidla). Součástí naplnění výše uvedených úloh je proto i rozvoj elektrického napájení železnic, a to ve třech na sebe navazujících a spolu souvisejících rovinách: zvýšení výkonnosti a přenosové schopnosti elektrického napájení již provozovaných elektrifikovaných železnic, elektrizace dalších vhodných tratí konvenčního železničního systému (s potenciálem náležité přepravní poptávky v oblasti osobní i nákladní dopravy), elektrické napájení vysokorychlostních tratí. 14

100 Stojí za povšimnutí, že všechny tři tyto směry souvisejí s orientací na systém 25 kv 50 Hz: pevná trakční zařízení železničních tratí SŽDC napájených napětím 3 kv DC (severní část území ČR) byla v době svého vzniku dimenzována pro elektrické lokomotivy o výkonu 2 MW. V souvislosti se zvýšením rychlosti jízdy expresních vlaků ze 120 km/h na 160 km/h a zejména v souvislosti se zvýšením rychlosti jízdy nákladních vlaků z někdejších 65 km/h na současných 100 km/h je však nutný měrný výkon expresních vlaků cca 12 kw/t a nákladních vlaků přibližně 3 kw/t. To vyžaduje používat k dopravě EC/IC vlaků o hmotnosti kolem 500 t, respektive nákladních vlaků o hmotnosti kolem t, lokomotivy o výkonu 6 MW. Rovněž roste i výkon příměstských elektrických jednotek. Počet vysoce výkonných elektrických trakčních vozidel proto v ČR kontinuálně roste. Jen lokomotiv výkonové třídy 6 MW se již pohybuje po území ČR přes 150. Jejich provoz však naráží na omezené přenosové schopnosti trakčního vedení. Limitem systému 3 kv není výkon napájecích stanic, ale možnost přenést potřebný výkon trakčním vedením od napájecí stanice k vozidlu. Ke zvládnutí rostoucí přepravní poptávky je nutné buď zvýšit počet napájecích stanic (vybudovat vložené měnírny) při zachování systému 3 kv, nebo změnit napájení 3 kv na systém 25 kv s násobně vyšší přenosovou schopností trakčního vedení, což je z mnoha ohledů výhodnější (nižší investiční i provozní náklady, jednotnost napájení ), v severní části ČR je zhruba km tratí, které dosud nejsou elektrifikovány, ale mají do budoucna potenciál intenzivní osobní či nákladní dopravy. Jejich elektrizace systémem 3 kv by byla příliš nákladná (drahé těžké trakční vedení, velký počet napájecích stanic, nákladná opatření vůči bludným proudům), a proto ekonomicky nerentabilní, tedy prakticky neuskutečnitelná. Změna napájení osy západ východ ze 3 kv na systém 25 kv však otevírá logickou možnost použití systému 25 kv s výrazně nižšími investičními i provozními náklady k elektrizaci tratí i v severní části ČR (Českolipsko, Liberecko, Trutnovsko, Jesenicko ) a v krátké době tento záměr uskutečnit, s ohledem na vysoké rychlosti (300 km/h) a vysoké příkony vozidel (10 MW u vlaků délky 200 m, 20 MW u vlaků délky 400 m) je volba systému 25 kv (respektive 2 x 25 kv) samozřejmost pro elektrizaci vysokorychlostních tratí. Ty již budou v ČR zanedlouho budovány v relaci (Dresden ) Ústí nad Labem Praha Brno / Wien / Bratislava / Přerov - Ostrava (- Katowice). Je nanejvýš rozumné, aby nemusely být komplikovány dvojicí napájecích systémů. Proto je důležité, aby v železničních uzlech Ústí nad Labem, Praha, Přerov a Ostrava proběhl přechod od systému 3 kv k systému 25 kv koordinovaně s budováním vysokorychlostního železničního systému. Přirozeným důsledkem rozvoje elektrizace železniční sítě je postupné zkracování vozebních ramen na tratích bez elektrizace. Tato skutečnost snižuje požadavky na dojezd vozidel se zásobníky energie určených pro provoz na tratích bez elektrizace. Také rozšiřování sítě trakčního vedení, využitelného nejen pro 15

101 napájení vozidel provozovaných na dotyčných tratích, ale i k nabíjení akumulátorů vozidel provozovaných na okolních tratích, usnadňuje provoz vozidel se zásobníky energie, zejména dvouzdrojových (trolej/akumulátor). Tím vychází rozšiřování sítě elektrizovaných tratí vstříc nasazení akumulátorových vozidel náhradou za morálně překonaná vozidla se spalovacími motory na tratích bez elektrizace. Rozvoj liniové elektrizace tratí a vývoj akumulátorů pro vozidla proto nejsou ve vzájemném protikladu, ale ve vzájemném souladu. Závěr Elektrický pohon kolejových vozidel je využíván již od roku Má za sebou téměř 140 let historie. Od prvních malých důlních lokomotiv, přes tramvaje a počátky na železnici až po současné produkty: tramvaje, metro, regionální i vysokorychlostní trakční jednotky a lokomotivy. Elektrická vozba plnila a plní řadu důležitých úloh v městské i železniční dopravě osob a zboží. Nyní ji čeká důležitá úloha v procesu dekarbonizace mobility. Ta je nejsnáze a nejefektivněji uskutečnitelná ve veřejné hromadné dopravě, zejména kolejové. Proto se vybudování moderní bezemisní železnice mění z vize na povinnost. Praha, září 2016 Lektorovali: prof. Ing. Jaroslav Novák, CSc. Univerzita Pardubice JUDr. Ondřej Michalčík MD ČR 16

102 Tomáš Michálek 1, Jiří Šlapák 2 Vliv elektrifikace trati Klatovy Železná Ruda na jízdní doby a spotřebu energie Klíčová slova: elektrifikace trati, železniční trať Klatovy Železná Ruda-Alžbětín, trakční výpočty, jízdní doby, spotřeba energie, rekuperace Úvod Trendem poslední doby je zavádění nízkoemisních druhů dopravy, což na železnici znamená přechod od motorové vozby k elektrické trakci. Tento trend je v souladu se státní energetickou koncepcí, která v následujících desetiletích předpokládá výrazný nárůst spotřeby elektrické energie na úkor spotřeby ropných produktů (viz např. [1]). Elektrifikace, jež sama o sobě představuje poměrně nákladnou investiční akci, však má své opodstatnění pouze na tratích se silnějším provozem; na slabě zatížených tratích přichází v úvahu spíše nasazení hybridních (bateriových) vozidel. Trať z Klatov do Železné Rudy je jednou z těch, u kterých bylo v minulosti několikrát uvažováno o elektrifikaci (viz např. článek [2]). Mimo jiné i proto, že první úsek trati z Plzně do Klatov byl elektrifikován již v roce 1996, a přímé vlaky tudíž nyní musí v Klatovech přepřahat. K realizaci tohoto záměru však (zatím) nedošlo, byť tato trať prošla v roce 2015 modernizací. V roce 2016 byla na Dopravní fakultě Jana Pernera Univerzity Pardubice vypracována bakalářská práce [3], která se zabývá teoretickým posouzením vlivu případné elektrifikace této trati na jízdní doby a spotřebu energie. Výsledky a nejvýznamnější závěry práce jsou představeny v tomto článku. 1. Stručná charakteristika trati Vyšetřovaný, 49,18 km dlouhý, traťový úsek je součástí trati č. 183 (označení podle jízdního řádu) z Plzně hl. n. do Železné Rudy-Alžbětína, resp. jde o trať č. 711B (dle TTP SŽDC). Jedná se o jednokolejnou neelektrifikovanou trať, která je v současnosti klasifikována jako dráha regionální. Nejvýznamnějšími body na trati jsou Janovice nad Úhlavou, odkud odbočuje trať do Domažlic, dále Nýrsko a zejména pak Špičák a Železná Ruda, tedy významná turistická a lyžařská centra této části Šumavy. Nádraží v Alžbětíně, resp. v Bayerisch Eisenstein, je společnou pohraniční 1 Ing. Tomáš Michálek, Ph.D.; 1985; absolvent Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice, obor Dopravní prostředky zaměření Kolejová vozidla, nyní odborný asistent na Oddělení kolejových vozidel Katedry dopravních prostředků a diagnostiky DFJP UPa; adresa: Dislokované pracoviště DFJP, Nádražní 547, Česká Třebová; tel.: ; Tomas.Michalek@upce.cz. 2 Bc. Jiří Šlapák; 1993; absolvent bakalářského studia oboru Dopravní prostředky zaměření Kolejová vozidla na Dopravní fakultě Jana Pernera Univerzity Pardubice, nyní student navazujícího magisterského studia téhož oboru; Jiri.Slapak@student.upce.cz. 1

103 přechodovou stanicí, odkud na německé straně trať (ve správě DB Netz) pokračuje přes Zwiesel, Regen a Deggendorf až do Plattlingu, kde dnes existují jak přípoje (mezi)regionálními vlaky do Mnichova, Řezna a Pasova, tak též vlaky ICE do Vídně či Frankfurtu nad Mohanem. Zajímavostí je skutečnost, že díky napojení na síť vlaků ICE je dnes cesta z Klatov do Vídně či Budapešti rychlejší přes Železnou Rudu než přes Prahu a např. nejrychlejší vlakové spojení Alžbětína a Paříže má jízdní dobu kratší než 10 hodin Náhradní sklon [promile] km poloha [km] Klatovy Bezděkov u Klatov Janovice nad Úhlavou Petrovice nad Úhlavou Nýrsko Dešenice Obr. 1 - Průběh náhradního sklonu trati Klatovy Železná Ruda-Alžbětín Z hlediska technických parametrů je trať z Klatov do Alžbětína zařazena do traťové třídy C3. Z Klatov do Nýrska trať prochází poměrně nenáročným terénem, avšak za Nýrskem začíná s využitím výraznějších sklonů (běžně 17 promile) stoupat četnými oblouky až na Špičák, který je s nadmořskou výškou 835 m n. m. nejvýše položenou stanicí na trati a odkud trať dále až do pohraniční přechodové stanice klesá. Průběh náhradního sklonu trati v závislosti na kilometrické poloze je pro směr Klatovy (km 49,180) Železná Ruda-Alžbětín (km 0,000) znázorněn na obr. 1. Na vyšetřovaném úseku trati se nachází tři tunely, z nichž nejdelší je vrcholový, stavebně dvoukolejný Špičácký tunel pod Špičáckým sedlem se svojí délkou m. Zelená Lhota Hamry-Hojsova Stráž Hojsova Stráž-Brčálník Špičák Železná Ruda město Železná Ruda centrum Železná Ruda-Alžbětín Traťová rychlost [km/h] km poloha [km] Klatovy Bezděkov u Klatov Janovice nad Úhlavou Petrovice nad Úhlavou Nýrsko Dešenice V (I = 130 mm) V (I = 100 mm) jízda odbočkou Obr. 2 - Uvažovaný rychlostní profil trati Klatovy Železná Ruda-Alžbětín Zelená Lhota Hamry-Hojsova Stráž Hojsova Stráž-Brčálník Špičák Železná Ruda město Železná Ruda centrum Železná Ruda-Alžbětín 2

104 V roce 2015 prošel vyšetřovaný traťový úsek modernizací, v rámci které byla celá trať mj. vybavena dálkově ovládaným zabezpečovacím zařízením, ve stanicích byly provedeny rozsáhlé úpravy kolejiště a vybudována bezbariérově přístupná nástupiště s nástupní hranou ve výšce 550 mm nad TK, byla obnovena železniční stanice na Zelené Lhotě, kde je tak nyní možné křižování vlaků, a v některých místech došlo též k úpravám železničního svršku s cílem zvýšení traťové rychlosti. Traťová rychlost se tak nyní pohybuje v celém úseku v rozmezí 60 až 90 km/h. Rychlostní profil trati, jenž byl následně uvažován při trakčních výpočtech, je znázorněn na obr Uvažované vlakové soupravy Vliv případné elektrifikace předmětného traťového úseku byl v práci [3] posuzován s využitím výpočtů teoretických jízdních dob šesti různých vlakových souprav. Tyto soupravy lze rozdělit do dvou kategorií z hlediska obsaditelnosti sedícími cestujícími; jednak jde o soupravy s kapacitou přibližně 350 míst a dále o soupravy s kapacitou zhruba 150 míst. V obou kategoriích jsou zastoupeny jak soupravy, jež jsou na dané trati provozovány v současnosti době v motorové trakci (a doplněné navíc o moderní motorovou jednotku), tak i soupravy, jejichž nasazení by přicházelo v úvahu po případné elektrifikaci trati. Konkrétně byly uvažovány tyto vlakové soupravy: lokomotiva ř. 754 ČD (viz obr. 3) a souprava 5 osobních vozů (ABpee Bbdgmee x Bdtee 276 ); lokomotiva ř. 363 ČD (viz obr. 6) a souprava 5 osobních vozů (ABpee Bbdgmee x Bdtee 276 ), tedy stejná souprava jako v předchozím případě, avšak tažená elektrickou lokomotivou, jež je na daných soupravách rychlíků nasazována z Prahy do Plzně, příp. až do Klatov, již nyní; pětivozová rychlíková elektrická jednotka ř. 661 ČD InterPanter (typ Škoda 10Ev, viz obr. 8); modernizovaný motorový vůz ř. 842 ČD s přípojným vozem Bdtn 756 (viz obr. 4); dvoučlánková motorová jednotka Siemens Desiro Classic (viz obr. 5); dvouvozová regionální elektrická jednotka ř. 650 ČD RegioPanter (typ Škoda 7Ev, viz obr. 7). Obr. 3 - Lokomotiva ř. 754 ČD v žst. Železná Ruda-Alžbětín Obr. 4 - Souprava ř Bdtn 756 Obr. 5 - Motorová jednotka Siemens Desiro Classic 3

105 Obr. 6 - Elektrická lokomotiva ř. 363 ČD (v popředí) v žst. Plzeň hl. n. Obr. 7 - EJ ř. 650 ČD (Škoda 7Ev) Obr. 8 - Elektrická jednotka ř. 661 ČD (Škoda 10Ev) Základní technické údaje jednotlivých vlakových souprav jsou uvedeny v tab. 1. Na obr. 9, resp. obr. 10 je provedeno porovnání trakčních, resp. brzdových charakteristik na obvodu kol pro hodnocené vlakové soupravy; na obr. 11 jsou uvedeny uvažované závislosti jejich absolutního vozidlového odporu na rychlosti jízdy. K uvedeným technickým údajům vyšetřovaných vlakových souprav (obr. 9 až 11 a tab. 1) budiž podáno následující vysvětlení: trakční charakteristiky, jejichž zdrojem je předpis V7 [4] pro případ lokomotiv řad 363 a 754, technická dokumentace k vozidlu v případě motorového vozu řady 842, článek [5] v případě motorové jednotky Desiro Classic a technická dokumentace výrobce v případě elektrických jednotek rodiny Panter, byly pro potřeby trakčních výpočtů nahrazeny po částech analytickými funkcemi, které jsou vykresleny na obr. 9; pokud bylo zjištěno, že některá z trakčních charakteristik využívá vyšší součinitel adheze, než kolik předpokládají pro trakční výpočty současné TSI LOC&PAS [6], byla trakční charakteristika dodatečně omezena dle těchto TSI, tedy na maximální hodnotu součinitele adheze 0,30 při rozjezdu; zde se toto opatření týkalo pouze motorového vozu ř. 842; zdrojem vozidlových odporů jednotlivých uvažovaných vozidel byl jednak předpis [4] pro případ lokomotiv řad 363 a 754, jednak běžně používaný měrný vozidlový odpor typu R (dle předpisu V7) pro případ osobních vozů klasické stavby, jednak článek [5] pro případ motorové jednotky Desiro Classic a jednak výsledky měření měrného vozidlového odporu moderní elektrické jednotky, které jsou zpracované v bakalářské práci [7], a které zde byly využity pro odhad absolutního vozidlového odporu elektrických jednotek řad 650 a 661; absolutní vozidlový odpor jednotlivých souprav tak byl pro potřeby trakčních výpočtů vždy popsán polynomem 2. stupně; v případě motorového vozu řady 842, u něhož nebyla závislost vozidlového odporu na rychlosti jízdy známa, byl při výpočtu předpokládán stejný tvar měrného vozidlového odporu jako u jednotky Desiro Classic. 4

106 lok. ř. 363 EJ ř. 661 lok. ř. 754 EJ ř. 650 MJ Desiro vůz ř. 842 Tažná síla na obvodu kol - F ok [kn] Brzdná síla rekuperační EDB na obvodu kol - B ERB [kn] Rychlost jízdy - V [km/h] Obr. 9 - Uvažované trakční charakteristiky vyšetřovaných vlakových souprav 250 EJ ř. 661 EJ ř Rychlost jízdy - V [km/h] Obr Uvažované brzdové charakteristiky rekuperační EDB elektrických jednotek Absolutní hodnota vozidlového odporu - O v [kn] lok. ř vozů lok. ř vozů EJ ř. 661 MJ Desiro vůz ř Bdtn EJ ř Rychlost jízdy - V [km/h] Obr Uvažované vozidlové odpory vyšetřovaných vlakových souprav 5

107 Tab. 1 - Základní technické údaje vyšetřovaných vlakových souprav MJ Souprava Lok. 754 Lok. 363 EJ ř. 661 MV ř. 842 EJ ř. 650 Veličina + 5 vozů + 5 vozů InterPanter + Bdtn 756 Desiro RegioPanter Celková hmotnost při obsazení sedícími 296,0 t 310,0 t 270,5 t 97,4 t 78,0 t 115,3 t cestujícími Délka soupravy přes nárazníky 141,0 m 141,2 m 132,4 m 49,7 m 40,2 m 52,9 m Počet míst k sezení Maximální rychlost 100 km/h 120 km/h 160 km/h 100 km/h 120 km/h 160 km/h Maximální výkon 1460 kw 3060 kw 3360 kw 484 kw 550 kw 1680 kw Hmotnost prázdné soupravy na sedadlo 736 kg 774 kg 693 kg 553 kg 554 kg 704 kg Hmotnostní výkon obsazené soupravy 4,9 kw/t 9,9 kw/t 12,4 kw/t 5,0 kw/t 7,1 kw/t 14,6 kw/t 3. Trakční výpočty Samotné výpočty jízdních dob a spotřeby energie jednotlivých uvažovaných souprav byly provedeny s využitím tabulkového editoru MS Excel, a to pro oba směry jízdy. Základem těchto trakčních výpočtů bylo numerické řešení pohybové rovnice vlaku, která může být obecně zapsána ve tvaru: 1+ =, (1) kde a jsou hmotnosti a součinitele rotačních hmot jednotlivých vozidel řazených ve vlaku, je aktuální hodnota zrychlení vlaku, je aktuální celková tažná síla na obvodu kol, je aktuální brzdná síla, je aktuální hodnota celkového absolutního vozidlového odporu vlaku a je aktuální hodnota celkového absolutního traťového odporu vlaku. Součinitele rotačních hmot jednotlivých uvažovaných vozidel byly pro potřeby trakčních výpočtů odhadnuty na základě známých, příp. běžných hodnot potřebných parametrů vozidel; z hlediska hmotnosti vozidel byl uvažován stav, kdy jsou jednotlivé soupravy plně obsazeny sedícími cestujícími. Pokud zavedeme setrvačnou (redukovanou) hmotnost vlaku, dále vyjádříme traťový odpor s využitím znalosti náhradního sklonu (udávaného v [ ]) a celkové hmotnosti vlaku (udávané v [t]) a vyjádříme zrychlení zavedením závislosti změny rychlosti na dráze, získává diferenciální rovnice (1) tvar: d! 2 d = #. (2) Pro potřeby numerického řešení pohybu vlaku (viz též například skripta [8]) byla diferenciální rovnice (2) následně upravena do diferenčního tvaru, který umožňuje řešení dráhového tachogramu, tedy závislosti rychlosti % (udávané v [km/h]) na ujeté dráze (udávané v [m]), zavedením dráhového integračního kroku délky. Vztah pro výpočet rychlosti % '( na základě znalosti rychlosti % v předchozím integračním kroku tak má následující tvar: 6

108 % '( = )%! +2 3,6! #. (3) Při samotném numerickém výpočtu zde byla volena délka integračního kroku 10 m, která se ukazuje jako plně postačující. Délka vlaku byla ve výpočtech zohledněna takovým způsobem, že např. zrychlování vlaku při jeho vjezdu do traťového úseku s vyšší traťovou rychlostí je umožněno až tehdy, když do tohoto úseku vjede celý vlak. Jinak je však vlak s ohledem na způsob matematického popisu jeho pohybu reprezentován hmotným bodem, který je situován na čele reálné soupravy a k němuž se vztahuje např. aktuální hodnota náhradního (redukovaného) sklonu na trati. Dále se postup při numerickém řešení pohybu vlaku mírně liší podle toho, o kterou fázi jízdy vlaku se jedná. Obecně mohou nastat tyto situace: Při rozjezdu (zrychlování) vlaku se uvažuje jízda s maximální tažnou silou, jež je při aktuální rychlosti jízdy k dispozici (viz trakční charakteristiky uvedené na obr. 9), zatímco brzdná síla je nulová. V jednotlivých integračních krocích je zohledněn aktuální vozidlový odpor, jenž je závislý na rychlosti jízdy, i aktuální traťový odpor, který závisí na ujeté dráze, resp. na aktuální poloze vlaku na trati. Pro výpočet tachogramu tak lze přímo aplikovat vztah (3). Po dosažení traťové rychlosti v daném úseku se vlak pohybuje konstantní rychlostí. Z tohoto důvodu je levá strana rovnice (1), resp. (2), nulová, a proto je potřeba pro aktuální podmínky dané vozidlovým a traťovým odporem hledat v každém integračním kroku takovou tažnou, příp. brzdnou sílu, kterou musí vlak vyvíjet, aby výsledné zrychlení bylo nulové. Zvláštní případ nastává, je-li potřebná tažná síla při dané rychlosti při jízdě do stoupání větší než aktuálně dostupná tažná síla dle příslušné trakční charakteristiky. Potom je pro řešení opět nutné použít vztah (3) a sledovat vývoj rychlosti jízdy vlaku. Ve fázi brzdění vlaku (ať už do zastavení, nebo při snižování rychlosti jízdy před omezením traťové rychlosti) bylo při výpočtech uvažováno pro všechny soupravy a za všech podmínek konstantní zpomalení (odrychlení) o hodnotě, - = 0,45 m.s -2. Brzdná dráha -, tedy vzdálenost před místem zastavení, resp. začátkem omezení traťové rychlosti, kde je nutné začít vyvíjet brzdnou sílu, tak může být stanovena pomocí vztahu: - = %! 2 3,6!, -, (4) přičemž potřebnou brzdnou sílu je možné v jednotlivých integračních krocích opět vypočítat s využitím pohybové rovnice vlaku (1), tedy jako: =, - #. (5) Při brzdění vozidel vybavených elektrodynamickou rekuperační brzdou (ERB) je přednostně uvažováno využití této ERB (viz brzdové charakteristiky na obr. 10). To znamená, že celková brzdná síla vlaku je rozdělena na brzdnou sílu ERB ( /01 ) a na brzdnou sílu mechanické třecí (kotoučové) brzdy ( 21 ). A jen v případě, kdy by účinek brzdné síly ERB nebyl pro dosažení požadovaného odrychlení (nebo pro udržování konstantní rychlosti na spádu) dostatečný, by 7

109 byl její účinek doplněn účinkem třecí brzdy. Tato úvaha sice nemá vliv na jízdu vlaku jako takovou, resp. na jízdní doby, avšak projeví se v energetické bilanci jízdy vlaku při zohlednění vlivu rekuperované energie. Z hlediska výpočtu jízdních dob jsou v rámci numerického řešení pohybové rovnice vlaku počítány pro jednotlivé dráhové integrační kroky dílčí jízdní doby, a to buď jako: 3 = 3,6 % (6) pro případ jízdy vlaku konstantní rychlostí, anebo za předpokladu nenulové aktuální hodnoty zrychlení jako: 3 = % '( % 3,6. (7) Celková jízdní doba ve vyšetřovaném traťovém úseku je pak definována jako součet příslušných dílčích jízdních dob. Poslední úlohou, která byla v rámci práce [3] řešena, byly výpočty spotřeby energie. Na základě numerického řešení pohybové rovnice vlaku lze jednoznačně vypočítat vykonanou trakční práci 4, která je v každém integračním kroku definována jako součin tažné síly na obvodu kol a délky dráhového integračního kroku. Pro získání údaje o skutečně spotřebované trakční energii 5 je však nutné do výpočtu zahrnout ještě účinnost 6; pro dílčí spotřebu energie v integračním kroku 7 tedy platí: 5, = 1 6 4, = 1 6,. (8) Stanovit přesně účinnost 6, ať už při uvažování motorové, nebo elektrické trakce, je prakticky nemožné, neboť tato je ovlivněna celou řadou faktorů a pro zohlednění výsledné energetické náročnosti jízdy vlaku by do ní měla být započtena například i spotřeba pomocných pohonů, klimatizace, resp. vytápění atd. Zde proto byly využity zjednodušené odhady, předpokládající účinnost vozidel elektrické trakce o hodnotě 70 % (v níž je uvažována jednak účinnost samotného vozidla, ale i trakční napájecí soustavy za předpokladu napájení soustavou 25 kv AC 50 Hz) a 34 % pro případ hnacích vozidel motorové trakce (zde je uvažována účinnost spalovacího motoru 40 % v kombinaci s účinností zařízení pro přenos výkonu 85 %). V obou případech je tudíž výsledkem odhad spotřeby energie na vstupu do železničního systému. V případě závislé trakce jde o elektrickou energii odebíranou ze sítě trakční napájecí stanicí a v případě nezávislé trakce o teplo, jež se uvolní spálením motorové nafty ve spalovacím motoru; uvažováním výhřevnosti motorové nafty o hodnotě cca 10 kwh/l lze pak příslušnou spotřebu tepelné energie přepočítat na spotřebu nafty v litrech. V případě použití rekuperační elektrodynamické brzdy (ERB) lze v ideálním případě docílit energetických úspor, neboť rekuperovanou elektrickou energii lze v principu vrátit zpět do sítě, případně s ní napájet pomocné pohony a další agregáty vozidla. Rekuperačním brzděním tak lze získat elektrickou energii, kterou je možné v určitém integračním kroku určit jako: 5 /01, = 6 /01,, (9) 8

110 kde 6 je opět účinnost, tentokráte definovaná jako podíl reálně využitelné energie získané rekuperačním brzděním (např. tedy energie navrácené do sítě) a kinetické energie, která je vozidlu účinkem ERB odebrána. Zde byla opět pro jednoduchost uvažována účinnost 70 %. 4. Dosažené výsledky Při modelování jízdy vyšetřovaných vlakových souprav s využitím principů popsaných v kap. 3 bylo předpokládáno, že všechny soupravy zastavují ve všech stanicích a zastávkách s výjimkou zastávky Petrovice nad Úhlavou. Vypočtené jízdní doby jsou tedy teoretickými jízdními dobami stanovenými za podmínek plného využití trakčních charakteristik uvedených na obr. 9 a (poměrně intenzivního) brzdění do zastávek s uvažovanou konstantní hodnotou odrychlení 0,45 m.s -2. V těchto jízdních dobách tedy nejsou započteny pobyty ve stanicích a zastávkách, případně další přirážky. Vypočtené hodnoty jízdních dob jednotlivých souprav v jednotlivých mezistaničních úsecích jsou pro oba směry uvedeny v tab. 2 a v tab. 3, resp. na obr Klatovy Železná Ruda-Alžbětín Železná Ruda-Alžbětín Klatovy Celková jízdní doba - t c [min.] Celková jízdní doba - t c [min.] Lok vozů Lok vozů EJ ř. 661 MV ř Bdtn MJ Desiro EJ ř. 650 Obr Vypočtené teoretické jízdní doby vyšetřovaných souprav v jednotlivých směrech Klatovy Železná Ruda-Alžbětín Železná Ruda-Alžbětín Klatovy Hmotnostní výkon obsazené soupravy P max / M v [kw/t] Obr Závislost jízdních dob na hmotnostním výkonu souprav Z vypočtených jízdních dob uvedených v tab. 2 a tab. 3, resp. graficky na obr. 12, je zřejmé, že uvažované soupravy v elektrické trakci dosahují kratších jízdních dob než soupravy v trakci motorové. To je však dáno zejména nižším hmotnostním výkonem příslušných vlaků motorové trakce spolu s nízkým podílem hnacích dvojkolí, neboť moderní motorová jednotka je schopna dosáhnout jízdních dob, které jsou s jízdními dobami souprav vedených v elektrické trakci porovnatelné. Zatímco souprava vozů tažená lokomotivou ř. 754 a motorový vůz ř. 842 s přípojným vozem Bdtn 756 disponují hmotnostním výkonem zhruba 5 kw/t (viz tab. 1), v případě motorové jednotky Desiro Classic je to cca 7 kw/t (přičemž má tato jednotka poháněny ⅔ dvojkolí) a v případě uvažovaných vlaků vedených v elektrické trakci se hmotnostní výkon 9

111 pohybuje mezi 10 a 15 kw/t. Souvislost délky jízdních dob s hmotnostním výkonem demonstruje též graf na obr. 13. Rozdíl teoretické čisté jízdní doby nejpomalejšího vlaku (lokomotiva ř. 754 se soupravou vozů) a nejrychlejšího vlaku (dvouvozová elektrická jednotka ř. 650) činí 6,75 minuty (tzn. více než 10 % jízdní doby) ve směru z Klatov do Železné Rudy-Alžbětína a 4 minuty (tj. zhruba 8 % jízdní doby) ve směru opačném. Tab. 2 - Vypočtené teoretické jízdní doby vyšetřovaných vlakových souprav v jednotlivých mezistaničních úsecích traťového úseku Klatovy Železná Ruda-Alžbětín [min:s] MJ Souprava Lok. 754 Lok. 363 EJ ř. 661 MV ř. 842 EJ ř. 650 Mezistaniční úsek + 5 vozů + 5 vozů InterPanter + Bdtn 756 Desiro RegioPanter Klatovy Bezděkov 3:45 3:31 3:28 3:39 3:32 3:23 Janovice n. Úhl. 3:55 3:29 3:25 3:47 3:36 3:21 Nýrsko 6:39 6:23 6:20 6:34 6:26 6:17 Dešenice 4:33 3:55 3:52 4:10 3:58 3:49 Zelená Lhota 7:42 6:32 6:27 6:57 6:36 6:23 Hamry- Hojsova Stráž 7:40 6:52 6:49 7:05 6:53 6:46 Hojsova Stráž- Brčálník 5:25 4:38 4:35 4:57 4:42 4:32 Špičák 4:33 3:40 3:33 4:17 3:54 3:29 Žel. Ruda město 3:42 3:35 3:32 3:41 3:35 3:29 Žel. Ruda centrum 1:41 1:35 1:32 1:38 1:33 1:30 Železná Ruda- Alžbětín 3:31 3:26 3:24 3:29 3:26 3:22 Celková jízdní doba 53:06 47:36 46:57 50:14 48:11 46:21 Tab. 3 - Vypočtené teoretické jízdní doby vyšetřovaných vlakových souprav v jednotlivých mezistaničních úsecích traťového úseku Železná Ruda-Alžbětín Klatovy [min:s] MJ Souprava Lok. 754 Lok. 363 EJ ř. 661 MV ř. 842 EJ ř. 650 Mezistaniční úsek + 5 vozů + 5 vozů InterPanter + Bdtn 756 Desiro RegioPanter Žel. Ruda-Alžbětín Žel. Ruda centrum 4:01 3:29 3:26 3:42 3:29 3:23 Žel. Ruda město 2:02 1:40 1:35 1:53 1:42 1:30 Špičák 3:59 3:38 3:35 3:45 3:38 3:32 Hojsova Stráž- Brčálník 3:54 3:34 3:31 3:52 3:37 3:28 Hamry- Hojsova Stráž 4:40 4:35 4:33 4:38 4:35 4:31 Zelená Lhota 7:01 6:52 6:49 6:57 6:52 6:46 Dešenice 6:35 6:27 6:24 6:32 6:27 6:21 Nýrsko 3:58 3:52 3:50 3:56 3:52 3:48 Janovice n. Úhl. 6:38 6:25 6:22 6:33 6:26 6:18 Bezděkov 3:47 3:29 3:25 3:41 3:33 3:21 Klatovy 3:43 3:26 3:22 3:38 3:30 3:19 Celková jízdní doba 50:18 47:27 46:52 49:07 47:41 46:17 10

112 Jak je na první pohled zřejmé zejména z grafu na obr. 12, tak u souprav s nízkým hmotnostním výkonem (především u soupravy osobních vozů tažené lokomotivou ř. 754) existuje nezanedbatelný rozdíl v jízdní době vlaku v jednotlivých směrech. Tento jev souvisí s výškovým profilem trati (viz obr. 1), kdy při jízdě vlaku do Železné Rudy převažuje na trati (poměrně výrazné) stoupání, zatímco při jízdě do Klatov jede vlak větší část trati po spádu. A právě ve stoupání potřebuje souprava s nižším výkonem k dosažení traťové rychlosti delší dobu, resp. se rozjíždí na delší dráze, je-li ovšem vůbec schopna v daném úseku traťové rychlosti dosáhnout. Na obr. 14 je tento jev demonstrován na případu porovnání vypočtených dráhových tachogramů pro směr z Klatov do Železné Rudy pro soupravu vozů taženou lokomotivami řad 754 a 363; z těchto tachogramů je zřejmé, že souprava s motorovou lokomotivou není v úsecích s největším (náhradním) sklonem schopna traťové rychlosti dosáhnout. Na obr. 15 je podobné porovnání provedeno pro soupravu Bdtn 756 (která navíc nemůže využívat rychlostní profil pro nedostatek převýšení 130 mm) a pro motorovou jednotku Desiro Rychlost - V [km/h] km poloha [km] Klatovy Bezděkov u Klatov Janovice nad Úhlavou Petrovice nad Úhlavou Nýrsko Dešenice lok. ř vozů lok. ř vozů Obr Porovnání vypočtených dráhových tachogramů pro soupravu pěti osobních vozů taženou jednak lokomotivou ř. 754 (červeně) a jednak lokomotivou ř. 363 (modře) Zelená Lhota Hamry-Hojsova Stráž Hojsova Stráž-Brčálník Špičák Železná Ruda město Železná Ruda centrum Železná Ruda-Alžbětín Rychlost - V [km/h] km poloha [km] Klatovy Bezděkov u Klatov Janovice nad Úhlavou Petrovice nad Úhlavou Nýrsko Dešenice MV ř Bdtn 756 MJ Desiro Classic Obr Porovnání vypočtených dráhových tachogramů pro motorový vůz ř. 842 s přípojným vozem Bdtn 756 (zeleně) a motorovou jednotku Desiro Classic (fialově) 11 Zelená Lhota Hamry-Hojsova Stráž Hojsova Stráž-Brčálník Špičák Železná Ruda město Železná Ruda centrum Železná Ruda-Alžbětín

113 Při výše uvedených trakčních výpočtech byl uvažován vjezd a odjezd z jednotlivých stanic traťovou rychlostí, což je po provedené modernizaci trati v průběžných kolejích možné. Pro posouzení vlivu jízdy odbočkou na jízdní doby však byly pro jednotlivé stanice a oba směry jízdy provedeny s nejpomalejší a s nejrychlejší soupravou také výpočty právě pro vjezd a odjezd odbočkou. Při těchto dodatečných výpočtech byl uvažován rychlostní profil, který je na obr. 2 znázorněn čárkovanou šedou čarou, a který kromě zastavení vlaku ve stanici předpokládá s ohledem na tvar použitých výhybek jízdu rychlostí maximálně 50 km/h od úrovně vjezdového návěstidla až do okamžiku, kdy konec vlaku mine poslední výhybku na odjezdovém zhlaví. Zjištěné přírůstky jízdních dob vlivem jízdy odbočkou jsou pro tento scénář zaznamenány v tab. 4. Z uvedených výsledků vyplývá, že omezení rychlosti při jízdě odbočkou má menší vliv u méně výkonných souprav (ve smyslu nižší hodnoty měrného výkonu), neboť tyto jsou již při rozjezdu omezeny právě svými trakčními parametry, kvůli nimž i rozjezd na rychlost 50 km/h probíhá na delší dráze, resp. v delším čase. Výrazně větší přírůstky jízdních dob obou vyšetřovaných souprav ve stanici Špičák při jízdě od Klatov jsou způsobeny uvažovaným omezením rychlosti na 50 km/h od vjezdového návěstidla, které se zde nachází již před Špičáckým tunelem, tedy téměř 2 km před vjezdovým zhlavím stanice. Tab. 4 - Přírůstky jízdních dob nejpomalejší a nejrychlejší soupravy v jednotlivých směrech při jízdě vlaku odbočkou v jednotlivých stanicích na trati [min:s] Směr jízdy Klatovy Žel. Ruda-Alžbětín Žel. Ruda-Alžbětín Klatovy Souprava Železniční stanice Lok. ř vozů EJ ř. 650 RegioPanter Lok. ř vozů EJ ř. 650 RegioPanter Janovice nad Úhlavou 0:17 0:21 0:14 0:18 Nýrsko 0:15 0:18 0:16 0:18 Zelená Lhota 0:12 0:13 0:11 0:13 Hamry-Hojsova Stráž 0:11 0:18 0:10 0:13 Špičák 0:43 1:02 0:15 0:26 V tab. 5 a tab. 6 jsou uvedeny vypočtené hodnoty vykonané trakční práce a odhady spotřeby energie jednotlivých souprav pro jednotlivé směry za předpokladu účinnosti 34 % pro vlaky nezávislé trakce, resp. 70 % pro vlaky trakce závislé (viz též kap. 3). U elektrických jednotek je uvedena i teoretická úspora elektrické energie při využití rekuperačního brzdění (opět za předpokladu účinnosti rekuperačního procesu 70 %) a odpovídající spotřeba po započtení rekuperované energie. U vlaků motorové trakce je očekávaná spotřeba energie navíc přepočítána na spálený objem motorové nafty a dále je v tabulkách uveden odhad nákladů na energii za předpokladu cen ve výši 2,50 Kč/kWh elektrické energie a 30 Kč/l nafty a bez započtení rekuperačních úspor. Při pohledu na hodnoty uvedené v tab. 5 a tab. 6 je evidentní, že ve směru z Klatov do Železné Rudy-Alžbětína jsou hodnoty spotřeby energie jednotlivých vlakových souprav prakticky dvojnásobné v porovnání se směrem opačným, což je opět dáno výškovým profilem trati. Tento výškový profil se projevuje i v teoreticky dosažitelných úsporách energie použitím rekuperačního brzdění u elektrických jednotek, kdy je zejména při jízdě ze Špičáku do Nýrska elektrodynamická brzda poměrně intenzivně využívána k udržování konstantní rychlosti na spádu. Při posuzování vypočtených hodnot spotřeby energie je však potřeba mít na paměti předpoklady uvedené v kap. 3 (plné využití trakčních charakteristik, intenzivní brzdění do zastávek); při volnějších 12

114 jízdních dobách a větším využití výběhů a příp. i rekuperačního brzdění by spotřeba energie zřejmě mohla být o něco menší. Tab. 5 - Energetická náročnost vyšetřovaných souprav při jízdě z Klatov do Železné Rudy-Alžbětína Souprava Lok. 754 Lok. 363 EJ ř. 661 ř MJ EJ ř. 650 Veličina + 5 vozů + 5 vozů InterPanter Bdtn 756 Desiro RegioPanter Trakční práce 664 kwh 723 kwh 598 kwh 232 kwh 202 kwh 257 kwh Spotřeba energie 1954 kwh 1033 kwh 854 kwh 683 kwh 595 kwh 367 kwh Teoretická úspora 163 kwh 71 kwh energie rekuperací (19 %) (19 %) Spotřeba energie po započtení rekuperace 1954 kwh 1033 kwh 691 kwh 683 kwh 595 kwh 296 kwh Spotřeba motor. nafty 195,4 l ,3 l 59,5 l - Cena trakční energie 5860 Kč 2580 Kč 2135 Kč 2050 Kč 1785 Kč 920 Kč Veličina Tab. 6 - Energetická náročnost vyšetřovaných souprav při jízdě z Železné Rudy-Alžbětína do Klatov Souprava Lok vozů Lok vozů EJ ř. 661 InterPanter ř Bdtn 756 MJ Desiro EJ ř. 650 RegioPanter Trakční práce 320 kwh 363 kwh 303 kwh 112 kwh 100 kwh 130 kwh Spotřeba energie 942 kwh 518 kwh 433 kwh 329 kwh 294 kwh 186 kwh Teoretická úspora 287 kwh 123 kwh energie rekuperací (66 %) (66 %) Spotřeba energie po započtení rekuperace 942 kwh 518 kwh 146 kwh 329 kwh 294 kwh 63 kwh Spotřeba motor. nafty 94,2 l ,9 l 29,4 l - Cena trakční energie 2825 Kč 1295 Kč 1080 Kč 990 Kč 880 Kč 465 Kč Vykonaná trakční práce pro jeden směr jízdy - W tr [kwh] Klatovy Železná Ruda-Alžbětín Železná Ruda-Alžbětín Klatovy Měrné náklady na energii pro jeden směr jízdy - n e1 [Kč/sedadlo] Klatovy Železná Ruda-Alžbětín Železná Ruda-Alžbětín Klatovy Celková hmotnost obsazené soupravy M v [t] Obr Závislost vykonané trakční práce na hmotnosti souprav 0 Lok vozů Lok vozů EJ ř. 661 MV ř Bdtn MJ Desiro EJ ř. 650 Obr Náklady na energii na sedadlo pro vyšetřované soupravy v jednotlivých směrech 13

115 Měrná spotřeba energie e m,tkm [kwh/1000 hrt.km] Klatovy Ž. Ruda-Alžbětín Ž. Ruda-Alžbětín Klatovy průměr za oba směry Lok vozů Lok vozů EJ ř. 661 EJ ř. 661 s ERB MV ř Bdtn Obr Měrná spotřeba energie vyšetřovaných souprav na dané trati v [kwh/1000 hrt.km] MJ Desiro EJ ř. 650 EJ ř. 650 s ERB Klatovy Ž. Ruda-Alžbětín Měrná spotřeba energie e m,oskm [kwh/100 sedadlo.km] Ž. Ruda-Alžbětín Klatovy průměr za oba směry Lok vozů Lok vozů EJ ř. 661 EJ ř. 661 s ERB MV ř Bdtn Obr Měrná spotřeba na energie vyšetřovaných souprav na dané trati v [kwh/100 os.km] MJ Desiro EJ ř. 650 EJ ř. 650 s ERB Při porovnání hodnot vykonané trakční práce vyšetřovaných souprav v jednotlivých směrech se ukazuje, že tato práce je závislá na hmotnosti těchto souprav, což je dobře patrné i v grafu na obr. 16. Při zohlednění účinnosti jednotlivých trakcí se však situace drasticky mění, neboť nízká účinnost motorové trakce de facto znamená, že vykonaná trakční práce představuje přibližně pouhou třetinu celkem spotřebované energie. Tato skutečnost ještě více vynikne, pokud se očekávaná spotřeba energie přepočte na cenu za energii, kdy při uvažovaných jednotkových cenách (viz výše) vychází (tepelná) energie obsažená v naftě asi o 20 % dráž než energie elektrická. To je demonstrováno v grafu na obr. 17, ve kterém jsou uvedeny očekávané měrné náklady na energii (uváděné v [Kč/sedadlo]) pro jednotlivé vyšetřované soupravy na jednu jízdu, a to jak pro směr Klatovy Železná Ruda-Alžbětín, tak pro směr opačný. Kromě toho, že tyto náklady vycházejí (opět vlivem výškového profilu trati) pro směr z Klatov do Železné Rudy-Alžbětína u jednotlivých souprav přibližně dvojnásobné oproti směru opačnému, tak podobná relace platí i v porovnání motorové a elektrické trakce. Měrné náklady na energii (resp. měrná spotřeba energie samotná) jsou tedy za daných podmínek u vyšetřovaných souprav motorové trakce zhruba dvojnásobné oproti vyšetřovaným soupravám trakce elektrické, a to i bez započtení potenciálních úspor dosažitelných rekuperačním brzděním. Uvažujeme-li součtovou hodnotu ceny za energii vztaženou na sedadlo pro celý obrat soupravy z Klatov do Železné Rudy- Alžbětína a zpět, vychází pro vlaky motorové trakce hodnoty v rozmezí 20 až 24 Kč, 14

116 zatímco pro vlaky elektrické trakce je to jen 8,50 až 11 Kč. V obou případech vychází vyšší hodnota pro soupravu taženou lokomotivou, což má přímou souvislost s vyšší průměrnou hmotností na sedadlo (viz tab. 1). Závěrem tohoto posuzování energetické náročnosti vyšetřovaných souprav při jízdě na dané trati byla ještě očekávaná spotřeba energie vztažena na přepravní výkon, který je udáván buď v [(hr)t.km], což je běžné zejména v nákladní dopravě, avšak pro porovnání jsou příslušné hodnoty uvedeny i zde, anebo v [os.km] za předpokladu 100% obsazení míst k sezení tedy de facto v jednotkách [sedadlo.km]. Výsledky tohoto porovnání jsou znázorněny v grafech na obr. 18 a obr. 19. Uvedeny jsou přitom zvlášť hodnoty pro jednotlivé směry jízdy, ale také hodnota průměrná; v případě elektrických jednotek jsou uvedeny jak hodnoty bez uvažování rekuperace, tak i hodnoty po odečtení teoretických energetických úspor získaných rekuperací. Porovnání průměrných hodnot opět potvrzuje skutečnost, že soupravy v nezávislé trakci vykazují zhruba dvojnásobnou měrnou spotřebu energie oproti vlakům trakce závislé. Dále je také zřejmé, že využití rekuperačního elektrodynamického brzdění představuje u elektrických jednotek potenciál dosáhnout až 35% úsporu energie. Závěr Výsledky trakčních výpočtů prezentovaných v tomto článku lze využít k posouzení vlivu případné elektrifikace trati Klatovy Železná Ruda-Alžbětín na jízdní doby a na spotřebu energie, tedy na posouzení vlivu elektrifikace čistě z hlediska provozního. Z tohoto úhlu pohledu se elektrifikace trati jeví jako jednoznačně prospěšná, neboť umožňuje v případě nasazení příslušných vozidel dosáhnout jak kratších jízdních dob, tak i podstatného snížení spotřeby trakční energie, a tedy i provozních nákladů. Vzhledem k výškovému profilu trati se zde jeví jako velmi výhodné nasazení vozidel s rekuperační elektrodynamickou brzdou, díky které lze docílit další úspory trakční energie (teoreticky až zhruba třetinu) a zároveň snížit opotřebení součástí třecích brzd při brzdění na dlouhých spádech za účelem udržení konstantní rychlosti jízdy. Srovnatelných jízdních dob jako v případě nasazení uvažovaných souprav elektrické trakce je sice možné dosáhnout i s využitím moderních motorových jednotek, avšak jen za cenu zachování poměrně vysoké spotřeby energie. V této souvislosti stojí též za zmínku, že zde hodnocená jednotka Siemens Desiro Classic patří mezi poměrně lehká vozidla a např. při nasazení motorových jednotek typu Pesa Link II (ř. 844 ČD RegioShark ) je za stejných podmínek možné předpokládat nezanedbatelně vyšší spotřebu paliva, neboť tato jednotka disponuje při prakticky stejné obsaditelnosti (120 míst k sezení) jednak vyšším trakčním výkonem (780 kw, resp. 9 kw/t), ale zejména vyšší hmotností, a to jak v absolutním vyjádření (86,4 t, tj. zhruba o 10 % více oproti jednotce Desiro), tak i ve vztahu k počtu míst k sezení (více než 700 kg na sedadlo, což je hodnota charakteristická spíše pro elektrické jednotky). Jedním ze zajímavých závěrů je zjištění, že soupravy, které jsou na vyšetřované trati nasazovány v současné době, nedokáží vlivem svých nedostatečných trakčních parametrů v některých úsecích náležitě využít rychlostní profil trati, jenž byl v rámci nedávno proběhlé modernizace optimalizován. To je nejlépe patrné z dráhového tachogramu soupravy pěti osobních vozů tažené lokomotivou ř. 754 ČD (viz obr. 14) 15

117 v úseku Nýrsko Špičák. Přitom stojí za zmínku, že jedním z cílů modernizace trati bylo umožnit vlakům dosahovat v úseku Nýrsko Špičák jízdní dobu 30 minut. To je sice nyní v principu možné, ale jen za předpokladu nasazení souprav s dostatečným trakčním výkonem. Sečtením příslušných dílčích jízdních dob v tab. 2 lze totiž u výše zmíněné (nejpomalejší) soupravy dojít v tomto úseku k hodnotě 29 min. a 53 s, a to bez započtení doby pobytu vlaku ve stanicích a zastávkách. Je samozřejmé, že o (ne)výhodnosti elektrifikace nerozhodují jen provozní hlediska, v tomto případě tedy především úspory trakční energie plynoucí z nasazení vozidel elektrické trakce, ale též další faktory, kterými jsou zde zejména investiční náročnost samotné elektrifikace, využitelnost výhod vyplývajících z elektrické vozby s ohledem na celkový provozní koncept na dané trati, v případě požadavku na nasazení nových vozidel vyšší pořizovací cena elektrických jednotek oproti jednotkám motorovým, dále výrazně nižší údržbová náročnost nových elektrických jednotek oproti vozidlům motorové trakce, ale také finanční náročnost případných alternativních řešení apod. Přestože takovéto komplexní posouzení není předmětem tohoto článku, je možné na základě vypočtených hodnot spotřeby energie alespoň odhadnout úsporu nákladů na energii při případném přechodu z motorové trakce na trakci elektrickou. Budeme-li pro jednoduchost předpokládat na trati provoz 10 párů vlaků denně v celé trase, z toho 5 párů o kapacitě zhruba 350 sedících cestujících (souprava 5 vozů vedená lokomotivou ř. 754 ČD vs. pětivozová elektrická jednotka InterPanter ) a 5 párů o kapacitě cca 150 sedících cestujících (motorový vůz ř. 842 s přípojným vozem vs. dvouvozová elektrická jednotka RegioPanter ), vychází při uvažovaných cenách (viz tab. 5 a tab. 6 v kap. 4) a bez započítání vlivu rekuperace denní úspora nákladů na trakční energii ve výši Kč, tedy zhruba 13 milionů Kč za rok. Alternativním řešením může být nasazení hybridních vozidel, která na neelektrifikovaných tratích využívají elektrickou energii uloženou v bateriích. Je ovšem otázkou, jak drahé by vozidlo vybavené bateriemi potřebné velikosti bylo a jakou by měly použité baterie životnost. Lze též předpokládat, že při dnešním stavu techniky by baterie, které by disponovaly kapacitou alespoň 1 MWh, která je přibližně potřebná pro jeden obrat pětivozové elektrické jednotky na vyšetřované trati, vážily několik tun. Literatura [1] POHL, J. Bezemisní železnice. [on-line] In: Konference TOP EXPO CZ Trendy evropské dopravy. Praha, URL: [cit ]. [2] KRAUS, T. Do Železné Rudy již brzy pod trolejí. [on-line] In: ŽelPage, URL: [cit ]. [3] ŠLAPÁK, J. Posouzení vlivu elektrifikace trati Klatovy Železná Ruda na jízdní doby a spotřebu energie. Bakalářská práce, 72 s. Pardubice: Univerzita Pardubice, Dopravní fakulta Jana Pernera, [4] FMD: ČSD V7 Příloha 5. Trakční charakteristiky a vozidlové odpory. Praha: Nakladatelství dopravy a spojů, [5] POHL, J. Desiro Classic. In: Dráha, 8/2003, s ISSN [6] Nařízení Komise (EU) č. 1302/2014 ze dne 18. listopadu 2014 o technické specifikaci pro interoperabilitu subsystému kolejová vozidla lokomotivy a kolejová vozidla pro přepravu osob železničního systému v Evropské unii. Brusel: Evropská komise,

118 [7] KRÁLÍK, P. Vozidlový odpor současných kolejových vozidel. Bakalářská práce, 53 s. Pardubice: Univerzita Pardubice, Dopravní fakulta Jana Pernera, [8] ZELENKA, J. MICHÁLEK, T. KOHOUT, M. Mechanika dopravy. Studijní opora, 1. vydání, 78 s. Pardubice: Univerzita Pardubice, Dopravní fakulta Jana Pernera, ISBN Praha, srpen 2016 Lektorovali: Ing. Alois Kotrba, Ph.D. České dráhy, a. s., Depo kolejových vozidel Brno prof. Ing. Vlastislav Mojžíš, CSc. Univerzita Pardubice, Dopravní fakulta Jana Pernera 17

119 Marie Vopálenská 1 Výsledky aplikovaného výzkumu firem českého železničního průmyslu, členů ACRI Klíčová slova: ACRI, železniční průmysl, inovační projekty, věda, výzkum, inovace, Národní politika výzkumu, vývoje a inovací, Centrum technické normalizace, Národní inovační platforma, aplikovaný výzkum, Horizont 2020, Shift2Rail Úvod ACRI je asociace sdružující podniky českého železničního průmyslu a současně je národním členem UNIFE - Evropské asociace železničního průmyslu. ACRI reprezentuje zájmy členské základny a oborové zájmy železničního průmyslu především vůči českým institucím a prostřednictvím UNIFE i vůči institucím evropským. Společnosti sdružené v ACRI, kterých je dnes téměř padesát, v současnosti zaměstnávají v ČR přes pracovníků, dosahují celkový roční obrat 91 miliard Kč z toho export přes 55 % a nemalou měrou svou podnikatelskou činností přispívají k zaměstnanosti a k tvorbě HDP v ČR. Více viz Výsledky podniků českého železničního průmyslu za rok 2015 potvrdily trend předcházejících let. Rostl export a díky tomu celkový obrat firem dosáhl 91 miliardy korun. Export se na celkových tržbách podílí 55 procenty a ve srovnání s rokem 2014 se zvýšil o 6 miliard korun. Stabilita odvětví se projevila také v zaměstnanosti, i přes vyšší efektivitu a restrukturalizaci se počet pracovníků zvýšil na zaměstnanců. Plánovaný obrat firem ACRI v roce 2016 se díky nasmlouvaným zakázkám přepokládá ve výši 87 miliard korun. Export firem je zaměřený především na členské státy EU, ale daří se získávat kontrakty v Turecku, Bělorusku a v asijských zemích. K evropské špičce se řadí především zabezpečovací a sdělovací zařízení, lokomotivy a tramvaje. Stabilní výsledky ovlivňuje dočerpáváním prostředků z OPD1 a návazně i nové projekty ze současného programovacího období. Pro úspěšné fungování firem českého železničního průmyslu je důležité nastavení čerpání OPD2 tak, aby se v maximální míře dařilo. 1 Ing. Marie Vopálenská je generální ředitelkou ACRI od roku Během té doby se ACRI stala uznávaným partnerem pro odborná jednání s ministerstvy a institucemi. Důležitým krokem bylo udělení licence Centra technické normalizace CTN, které ACRI zajišťuje od roku Na základě rámcové smlouvy s ÚMNZ zajišťuje úkoly tvorby ČSN včetně mezinárodní spolupráce při tvorbě technických norem v rámci mezinárodních a evropských normalizačních organizací, projektů technické normalizace a dalších činností s tím spojených v oblastech týkajících se železničního sektoru. 1

120 V současném programovacím období je pro železnici k dispozici až 3,5 miliardy EUR na infrastrukturní stavby, a nově 20 miliard korun na obnovu železničních vozidel, což představuje pro firmy ACRI možnosti realizovat projekty a získávat zakázky do konce programovacího období, tedy až do roku Produkty českého železničního průmyslu jsou v posledních letech vidět jak na českých kolejích, tak i v zahraničí. Pokud jde o českou železnici, jsou prakticky stabilním partnerem národnímu dopravci firmě ČESKÉ DRÁHY, a.s. a její dceřiné společnosti ČD CARGO, a.s. Z konkrétních projektů z poslední doby lze jmenovat například nové elektrické jednotky InterPanter či RegioPanter z produkce společnosti ŠKODA TRANSPORTATION a.s. nebo nové lokomotivy a jednotky určené pro Bavorsko; modernizované osobní vozy v šumperské firmě Pars nova; nové či výrazně modernizované motorové lokomotivy z produkce CZ LOKO, a.s.; moderní zabezpečovací zařízení, které dodává AŽD Praha s.r.o. a to i pro takové země jako je Malajsie, Turecko či Irán; dodávky kolejnic z Třineckých železáren do řady evropských zemí, výrobce dvojkolí BONATRANS otevřel nedávnozávod v Indii. Úloha ACRI v oblasti výzkumu Klíčovým faktorem budoucí konkurenceschopnosti železničního průmyslu jsou vlastní technicky vyspělé produkty a výrobky založené na nejmodernějších technických řešeních. Proto jak na evropské, tak i na národní úrovni, by měl být železniční průmysl podporován především v oblasti vývoje a výzkumu. To je přidaná hodnota, která je naprosto neocenitelná, a jedině tak může evropský železniční průmysl přežít soutěžení s dravou, hlavně asijskou, konkurencí. Oblast výzkumu a vývoje v rámci odvětví železničního průmyslu lze podporovat jak z evropských, tak domácích zdrojů. Z hlediska produkčních charakteristik je v ČR výroba železničních kolejových vozidel nejvýznamnější skupinou ve výrobě ostatních dopravních prostředků a zařízení (tvoří přes 50 % zaměstnanosti, přes 56 % podílu na hrubé přidané hodnotě a téměř 60 % tržeb produkce členů ACRI, přičemž toto odvětví se podílí přibližně 0,5 % na celkové zaměstnanosti a hrubé přidané hodnotě v ČR). Výroba železničních kolejových vozidel je řazena mezi odvětví s vyšší technologickou náročností (medium hi-tech odvětví). Čeští výrobci v železničním průmyslu patří svojí kvalitou i cenovou konkurenceschopností k žádaným dodavatelům svých výrobků nejen na tuzemský trh, ale i na trhy ostatních zemí EU a zemí mimo EU. Z pohledu výzkumu a vývoje je výroba ostatních dopravních prostředků a zařízení pro ČR významná svým podílem na výdajích podnikatelského sektoru na výzkum a vývoj (přes 4 %), který navíc meziročně roste. Centrum technické normalizace ACRI Centrum technické normalizace ACRI - CTN ACRI zajišťuje úkoly tvorby ČSN včetně projednávání a připomínkování evropských nebo mezinárodních norem v průběhu jejich tvorby na evropské nebo mezinárodní úrovni. Následně zavedení zejména evropských norem do národní soustavy norem a dalších činností s tím spojených v oblastech týkajících se drážního, především železničního sektoru. V současnosti 2

121 CTN ACRI spolupracuje s třiceti externími zpracovateli, kteří zajišťují překlad, projednání a připomínkování norem v průběhu jejich tvorby. Od založení v roce 2009 do konce roku 2015 CTN ACRI připravilo a projednalo 300 ČSN. Důležité je zapojení v rámci Úřadu pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví - ÚNMZ prostřednictvím technické normalizační komise (TNK) formou účasti pověřeného zástupce, který uplatní požadavky v řešených normalizačních otázkách jak na české, tak na evropské úrovni. V oblasti drážní dopravy se jedná o TNK 141 Železnice a TNK 126 Elektrotechnika v dopravě. Na evropské a mezinárodní úrovni jsou základním pracovním orgánem mezinárodních normalizačních organizací technické komise, které si zřizují pro přípravu jednotlivých technických norem pracovní skupiny expertů WG (Working Group). Při zapojení do pracovní skupiny je tak možno nejlépe ovlivnit vznikající normu i získat mezinárodní kontakty a informace o řešení dané problematiky v zahraničí. Účast experta v pracovní skupině podléhá schválení ze strany ÚNMZ. Česká republika přebírá velké množství evropských a mezinárodních technických norem do své legislativy. Proto je důležité mít možnost aktivně se účastnit tvorby normy již při jejich vzniku. Pro podniky je zásadní zapojení do procesu normotvorby, kdy mají možnost podílet se na vzniku obsahu nových norem a minimalizovat případné negativní dopady. Významné realizované inovační projekty českého železničního průmyslu výsledky aplikovaného výzkumu Catenary-free tramvaje ze Škody Plzeň - bateriová tramvaj ForCity Classic Konya - pro turecké město Konya. Tato vozidla mohou v současnosti bez napájení přes trakční sběrač ujet v podmínkách běžného městského provozu nejméně 3 kilometry, při rychlosti až 30 km/h. Tento druh napájení se využívá hlavně v případě, kdy tramvaj zajíždí do oblastí, kde není nainstalováno trakční vedení, nejsou tedy nutné vysoké investice do infrastruktury, nebo jako v případě města Konya, v historických částech města, kde by trakční vedení rušilo historickou část města. Tramvaje kategorie ForCity Alfa s individuálním pohonem kol jsou navrženy pro nejnáročnější profily kolejových sítí. Největší předností tramvaje jsou otočné podvozky, které jsou šetrné ke kolejnicovým pásům a snižují náklady na údržbu vozidla i infrastruktury. Optimální rychlost kontroluje počítač v závislosti na obsazení cestujícími, stavu a profilu trati. Tramvaj ForCity Alfa má protiskluzovou i protismykovou ochranu. 3

122 Plzeňská Škoda Electric společně s další českou firmou SOR Libchavy vyrobily osmnáctimetrový plně nízkopodlažní kloubový trolejbus, který je určen pro městskou hromadnou dopravu. Moderní vozidlo usnadňuje rychlou přepravu s využitím pěti dveří určených pro vstup i výstup pasažérů. První trolejbus Škoda 31 Tr byl vyroben na konci roku 2010 a jedná se o nejnovější trolejbus Škoda. Škoda Electric do vozidla dodává veškerou elektro výzbroj a provádí i celkovou montáž tohoto třínápravového vozu. Elektrická výzbroj je uložena v kontejneru na střeše vozidla. Trolejbus může být rovněž vybaven pomocným dieselovým agregátem. Vozidlo je schopno jízdy i na místech, kde není trakční vedení. Asynchronní trakční motory a mikroprocesorově řízený napěťový střídač s možností rekuperace výrazně snižují energetickou náročnost na provoz a náklady na údržbu. Komfort cestujících zvyšuje plná nízkopodlažnost vozidla a širší uličky mezi sedadly. Snazší nástup a výstup pasažérů je usnadněn pomocí tzv. kneelingu, kdy se trolejbus nakloní až k hraně chodníku nástupního místa. Pohodlí při jízdě trolejbusem zlepšuje také výkonný systém vytápění i přehledný informační systém. Třinecké železárny patří k průmyslovým podnikům, které neustále modernizují a inovují výrobní procesy. V současnosti prezentují výsledky aplikovaného výzkumu, jejichž cílem je modernizovat výrobní zařízení. Například v průběhu roku 2015 byl ve výrobní hale drobného kolejiva uveden do provozu robot KUKA, který odebírá řezané nebo stříhané žebrové podkladnice z palet na válečkový dopravník, jímž jsou přepravovány na frézovací linky. Pracoviště je plně automatizované a odstraňuje namáhavou manuální práci. Aktuální je také upgrade Měřícího centra kolejnic, kterým ročně projde přibližně 260 tisíc tun kolejnic na měření povrchových a vnitřních vad. Automatizovaným postupem ultrazvuku po celé délce válcovaného profilu včetně automatické kontroly povrchových vad jsou zkoušeny všechny širokopatní, jazykové a srdcovkové kolejnice. GHH-BONATRANS ročně dodává na trh okolo stovky nových výrobků (konstrukcí dvojkolí či jeho dílů). V rámci výzkumu a vývoje a homologace výrobků pracuje v Bohumíně a německém Oberhausenu na padesát inženýrů. Řešení optimálních materiálových vlastností a zvyšování životnosti výrobků je hlavním cílem jejich práce. Konkrétním příkladem je BONASTAR, vylepšená jakost oceli na kola pro dvojkolí s brzdovými kotouči. Dopravcům přináší až 30% zvýšení proběhu vozidel a tedy významné úspory v nákladech životního cyklu. Specifickým tématem pro železniční obory je bezpečnost náprav, ve zvýšené míře se jí zabývají od havárie v italském Viareggio v roce BONATRANS reagoval na tržní situaci vývojem a homologací dvojkolí ESFA, které u nápravy přináší dodatečné bezpečnostní rezervy, konkrétně u jejího sedla a těla až 10 %. Navíc je opatřeno tlustostěnným 4