Vědeckotechnický sborník ČD

Transkript

1 Vědeckotechnický sborník ČD č. 13/2002

2 SLOVO úvodem Současný stav a předpokládaný vývoj politických a hospodářských vztahů Evropě kladou nové kvantitativní i kvalitativní požadavky na dopravní obslužnost středoevropského regionu. Jedná se zejména o optimalizaci dopravních sítí a vzájemnou harmonizaci jednotlivých dopravních systémů v zájmu obecných podmínek interoperability v rámci postupně se sjednocující Evropy. Na základě těchto skutečností realizují České dráhy celou řadu projektů, a to jak v oblasti železniční infrastruktury, tak v oblasti mobilních železničních dopravních prostředků. Jedním z těchto projektů, směřujících do osobní dopravy, bude nasazení nových moderních třísystémových elektrických jednotek s aktivním naklápěním vozidlových skříní na trasu I. národního (IV. mezinárodního) koridoru BERLIN PRAHA - WIEN. I když doba, která uplynula od prvních úvah o možnosti využití této techniky na Českých drahách, je hodně dlouhá, jsem rád, že se společným úsilím všech zainteresovaných postupně daří odstraňovat všechny překážky a řešit všechny podstatné problémy a dá se tedy předpokládat, že první evropskou třísystémovou elektrickou jednotkou s aktivním naklápěním, která v průběhu léta roku 2003 vyjede na jízdní zkoušky, bude jednotka Českých drah. Vzhledem k tomu, že se jedná o zajímavé technické řešení a první provedení takového vlaku pro tři napájecí systémy a o jeho využití na infrastrukturách třech evropských železnic, předkládáme technické veřejnosti základní informace o jeho koncepci, konstrukci, provedení a plánovaném využití. Na závěr bych rád popřál nové jednotce "680" úspěšné absolvování všech zkoušek a do budoucnosti hodně spokojených cestujících. Ing. Ivo MALINA, CSc. I. náměstek generálního ředitele Českých drah V Praze, březen 2002

3 Karel Sellner Porovnání systémů vozidel s naklápěcími skříněmi Klíčová slova: základní požadavky na rychlou přepravu cestujících, princip a efekt naklápění skříní vozidel, přirozené naklápění, nucené naklápění, vývoj koncepce naklápění skříní, realizovaná řešení, perspektivy vlaků a vozidel s naklápěcími skříněmi. Úvod Zvyšování životní úrovně a rozvoj národního hospodářství v celosvětovém měřítku s sebou přináší rychlý růst osobní i nákladní přepravy. Zvyšují se především požadavky na komfort, komplexnost služeb a rychlost přepravy. Prudký rozvoj především individuální automobilové dopravy a dopravy letecké od poloviny dvacátého století vede k vyčerpání kapacit hlavních dálničních komunikací a v okolí velkých leteckých terminálů k přehuštění vzdušného prostoru. Důsledkem je snížená spolehlivost přepravy, prodlužování cestovních časů a zhoršování životního prostředí. Z řady studií v průmyslově rozvinutých státech vyplynul závěr, že řešením je rozvoj hromadné, především železniční dopravy. Podmínkou ovšem je dosažení kvalitativně vyšších technických a provozních parametrů. V přepravě osob na střední a dlouhé vzdálenosti vede toto úsilí k budování vysokorychlostních železničních systémů. Železniční síť v Evropě založená a v podstatě dokončená v devatenáctém století však budoucím ani současným požadavkům na moderní a rychlou přepravu cestujících nevyhovuje. Tato skutečnost vedla již na přelomu 60. a 70. let minulého století Mezinárodní železniční unii (UIC) k přijetí prvních záměrů na zvyšování rychlostí, které se, spolu s Evropskou dohodou o mezinárodních železničních magistrálách (ABC) přijatou v rámci Evropské hospodářské komise OSN, staly východiskem pro budování evropského vysokorychlostního železničního systému, jež zahrnuje téměř třicet tisíc kilometrů nově budovaných, modernizovaných a spojovacích tratí. Ze studie Evropské Unie pro stav bez rozvoje vysokorychlostních tratí a s nimi vyplynulo, že při jejich rozvoji podíl železniční dopravy v zemích západní Evropy dosáhne v roce ,3 % osobních přepravních výkonů, zatím co bez budování těchto systémů by činil pouze 13,9 % s výrazným negativním vlivem na životní prostředí. Doc. Ing. Karel Sellner, CSc., 1937, absolvent VŠŽ Praha v r obor Provoz a údržba kolejových vozidel. Po provozní praxi a tříletém působení na VŠD v Žilině pracoval v různých technických a řídicích funkcích na Ministerstvu dopravy a spojů. Trvale externě spolupracuje s vysokými školami dopravního zaměření. Publikoval více než 300 odborných prací.

4 Značná část těchto záměrů byla postupně realizována a rychlá železniční přeprava osob je v posledním období nejdynamičtěji se rozvíjejícím odvětvím železnice. Podle statistik UIC je průměrná obsaditelnost vysokorychlostních vlaků vyšší (cca 60%) než u ostatních vlaků osobní přepravy, a v některých zemích, na př. Ve Francii a v Německu již přepravní výkony vysokorychlostních vlaků tvoří téměř polovinu přepravních výkonů dálkové osobní přepravy. Významně přispěla k zastavení poklesu výkonů v osobní přepravě a prokázala i ekonomické efekty a konkurenceschopnost vůči silniční a letecké dopravě. Perspektivnímu významu rychlé železniční dopravy odpovídá i rozhodnutí Rady Evropy z prosince Toto rozhodnutí stanovilo 14 prioritních projektů Evropské unie, které budou ekonomicky podporovány. Z těchto prioritních projektů o celkovém objemu 92 miliard ECU je devět projektů železničních o celkovém objemu 73,8 miliard ECU. Ke zvýšení rentability provozu nových úseků evropského vysokorychlostního systému a návazných regionálních systémů přispívají především následující opatření, která se v posledním období realizují : - kombinace nově budovaných úseků vysokorychlostních tratí tam, kde modernizací nelze dosáhnout požadovaných efektů především z hlediska zkrácení jízdních dob s úseky modernizovanými. Nutností potom je, aby vlaky pro obě tyto varianty byly schopny plného využití na obou typech tratí - přehodnocení původních záměrů na budování novostaveb vysokorychlostních tratí na modernizaci tratí stávajících, pouze s místně omezenými přeložkami tratí současně se změnou koncepce vlaků pro tyto úseky původně určenými, převážně ve prospěch rychlých vlaků s naklápěcími skříněmi - zajištění dokonalé návaznosti na rychlé regionální spoje na elektrizovaných i motorizovaných tratích při využití vlaků s naklápěcími skříněmi ve variabilním složení dle požadované frekvence cestujících. 1.0 Základní požadavky trhu na provozní a technické parametry rychlé dálkové osobní železniční přepravy Základní požadavky trhu v současné a budoucím období jsou následující: Komfort. Vlaky pro rychlou přepravu osob musí být konstruovány tak, aby komfort jízdy byl plně srovnatelný s komfortem letecké přepravy a individuální automobilové přepravy z hlediska vybavení prostorů pro cestující, klidnosti chodu, hlukových parametrů a tepelné pohody, případně je předčil. Služby. Služby musí být na úrovní požadavků na pohodlné cestování a musí zabezpečit kvalitní informovanost a možnost komunikace vnitřní a vnější včetně komplexního rezervačního systému. Ve vlacích musí být možnost zajištění rychlého a kvalitního občerstvení. Rychlost. Rychlost jízdy vlaku je parametrem odvozeným. Podstatná je cestovní doba nebo ještě přesněji cestovní doba z místa vzniku požadavku na přepravu do místa jeho ukončení. Z hlediska koexistence s ostatními druhy dopravy je nezbytné, aby pro danou cestovní vzdálenost, tj. v tomto případě pro vzdálenosti od 200 do 800 km, na něž se tyto systémy zpravidla budují byly celkové cestovní časy kratší než u ostatních dopravních systémů. Ze znalosti přepravních a

5 ostatních cestovních časů jednotlivých systémů lze pro jednotlivé přepravní vzdálenosti odvodit požadované rychlosti jízdy. Ty se pohybují v rozmezí 150 až 300 km/h. Návaznost na ostatní dopravní systémy. V železničních stanicích systému je nezbytná návaznost na další železniční spoje dálkového, regionálního i městského charakteru a pokud možno i návaznost na autobusové a letecké terminály. Nezbytné je i kapacitní parkoviště pro osobní automobily. Bezpečnost a spolehlivost. Kategorický a splnitelný požadavek pro jednotlivé komponenty vysokorychlostních systémů. Železniční doprava ať již na nově budovaných nebo na modernizovaných tratích při zachování žádoucí hierarchie vlaků k tomu dává ve srovnání s ostatními druhy vlaků ideální předpoklady. Ekonomická efektivnost. Nejvýznamnějšími položkami pro posouzení ve stádiu rozhodování i vlastního využívání je stanovení a sledování celkových nákladů za celou dobu životnosti (LCC) ve srovnání s předpokládanými a skutečnými výnosy z provozu včetně zvážení přírůstku počtu cestujících z jiných druhů dopravy a dalších vlivů po uvedení systému do provozu. Šetrnost k životnímu prostředí. Tento aspekt je významný především u nově budovaných systémů. Z hlediska vozidel, v tomto případě prakticky pouze elektrické trakce je nejvýznamnější kategorický požadavek na dodržení přípustných hladin vnějšího hluku. Energetická spotřeba. I při znalosti faktu, že energetická spotřeba na osobokilometr je ve srovnání se silniční dopravou třetinová a ve srovnání s leteckou dopravou čtvrtinová je nutno energetické spotřebě zvláště u rychlých vlaků věnovat značnou pozornost. Je to dáno tím, že vlivem jízdních odporů, především odporu vzduchu roste spotřeba v závislosti na rychlosti zhruba exponenciálně. 2.0 Vývoj koncepce vozidlového parku pro rychlou přepravu osob Pro rychlou železniční přepravu osob, která se realizuje na vybrané síti vysokorychlostních elektrizovaných tratí, případně na tratích navazujících, je možno v zásadě použít jak klasických železničních souprav osobních vozů tažených lokomotivou, tak ucelených vlaků zpravidla s větším množstvím hnacích vozidel ve vlaku. Historicky se vývoj posouvá od soupravových vlaků k uceleným vlakům. Přispěly k tomu především snahy o zvyšování rychlosti na železnici. K hromadnému nasazení ucelených vlaků došlo v období mezi dvěmi válkami především v Německu a v Itálii. V Německu to byly motorové jednotky pro rychlé spojení významných aglomerací a v Itálii ke stejnému účelu určené jednotky elektrické. Výhodou byly optimální výkon při neměnném složení vlaku, možnost obsazování všech vozidel ve vlaku a jednotné aerodynamické řešení vlaku. V tomto vývoji pokračovaly v elektrické a motorové trakci ucelené vlaky pro Transevropské expresy TEE po druhé světové válce. Paralelně s nimi existovaly rychlé soupravové vlaky, především u vlaků s vysokou požadovanou kapacitou souprav, případně tam, kde bylo třeba kapacitu soupravy v průběhu týdne nebo v jiné časové periodě měnit. Výstavba nově budovaných vysokorychlostních tratí s sebou přináší jednoznačný příklon k uceleným vysokorychlostním vlakům konstruovaným především pro provoz na těchto elektrizovaných tratích. Důvodem je požadovaná rychlost a z ní vyplývající výkon vlaku i nezbytnost aerodynamického řešení vlaku jako celku při celkové minimální hmotnosti.

6 Podobně jako v Japonsku, kde byla vysokorychlostní přeprava osob zahájena již v roce 1994, byly první vlaky pro tento systém v Evropě konstruovány ve Francii a později v Německu jako ucelené soupravy s klasickým pružným uložením vozidlových skříní na podvozky. Rozdíly byly především v poměru počtu vozidel s trakcí a běžných vozů v soupravě a ve systému a počtu podvozků u vložených vozů. Značné náklady na novostavby vysokorychlostních tratí a ekonomické kalkulace o efektivnosti těchto investic vedly představitele železnic k úvahám o možnostech i jiných koncepčních řešení vozidel a jejich pojezdu. K tomu přistoupily i požadavky na zvyšování rychlosti vlaků osobní dopravy i na stávajících, případně modernizovaných tratích, které vedly k úvahám o změně systému uložení skříní vozidel na podvozky. Základním cílem bylo umožnit průjezd vlaku oblouky vyšší rychlostí, protože právě zde je možno docílit nejvýraznějšího zkrácení jízdních dob. Již při konstrukci trati se uvažuje s převýšením vnějšího pásu kolejnic o hodnotu, jejíž nejvyšší hodnota je u jednotlivých železnic různá a pohybuje se v rozmezí mm. Z hlediska únosnosti fyziologického působení na cestující při průjezdu obloukem se připouští nevyrovnané odstředivé zrychlení, jemuž odpovídá nedostatek převýšení, jehož hodnota je zpravidla 100 mm. Další zrychlení jízdy vozidla v oblouku je možné při náklonu skříně dovnitř oblouku o úhel reprezentující dodatečné převýšení. Druhým problémem, který je třeba ošetřit při řešení průjezdu vozidel s naklápěcími skříněmi obloukem je silové působení vozidla na kolej v příčném směru. Kromě nutnosti zajistit dobrý stav a geometrii polohy koleje je nutno vyšetřit bezpečnost vozidla proti vykolejení a vliv na stabilitu koleje. Ta je určována pomocí Prudhommových vzorců, z nichž vyplývá omezení velikosti maximální příčné síly z dvojkolí na kolej. Na základě zkoumání zahraničních železnic je tato hodnota v rozmezí 1,65-1,8 m/s 2. Tím je částečně omezen efekt naklápění skříní vozidel, v praxi se proto využívá naklopení skříně do hodnoty 8 ş. Použití vozidel s naklápěcími skříněmi dochází v závislosti na charakteru tratí ke zkrácení cestovních dob o %. 3.0 Základní principy naklápění skříní vozidel a jejich aplikace Naklápění skříní vozidel může být přirozené nebo nucené. Vývoj přirozeného naklápění vedl dvěmi směry. První uvažoval s realizací naklápěcích skříní prostřednictvím válečků mezi vloženým příčníkem nad sekundárním vypružením a skříní vozidla nebo šikmých kloubově uložených ocelových nebo vzduchových pružin. Tento systém uvažující s naklopením skříně 3 o byl konstrukčně a experimentálně s dobrými výsledky ověřen v šedesátých letech minulého století i ve Výzkumném ústavu kolejových vozidel v Praze (obr. 1). Výhledově bylo toto řešení určeno pro rychlý mezistátní vlak, ale k praktické realizaci nedošlo. Rovněž anglická, kanadská a německá řešení se v sériové výrobě neuplatnila. Důvodem byly komplikované konstrukce a malý efekt ve zkrácení jízdních dob. Druhým systémem je kyvné zavěšení skříně vozidla v její horní části. Prakticky je tento systém realizován španělskou konstrukcí Talgo Pendular. Vlaky jsou tvořeny soupravou krátkých vozu lehké stavby, vždy dvě sousední skříně jsou uloženy na společném rámu se dvěma samostatnými koly na krátkých polonápravách. K tomuto rámu jsou připojeny vysoké sloupy s pneumaticky propojenými vzduchovými pružinami, pomocí nichž je realizováno přirozené naklápění skříně. Naklopení skříně dosahuje hodnoty až 3 o 44 /.

7 Obr. 1 Principiální schéma přirozeného naklápění skříně koncepce VÚKV. Vlaky jsou úspěšně provozovány na španělských železnicích a díky plynule za pomalé jízdy přestavitelnému rozchodu kol zajíždějí na mezinárodních spojích i do Francie, Itálie a Švýcarska. Soupravy jsou prostřednictvím koncových agregátových vozů propojeny s elektrickou nebo motorovou lokomotivou běžné konstrukce. Novinkou pro toto století byl vývoj speciálního aerodynamicky řešeného hnacího vozidla ke vlakům Talgo XXI pro rychlost 220 km/h. Zatímco vozy pro tento vlak nedoznaly žádné významnější změny oproti Talgo Pendular, jsou koncová hnací vozidla vyrobená ve spolupráci s firmou Krauss-Maffei o výkonu 1550 kw zcela nové koncepce pouze s jedním dvounápravovým podvozkem a se soupravou jsou spojena přímo bez agregátových přechodových vozů. Prototyp tohoto vlaku byl představen odborné veřejnosti 28. října 1998 v Barceloně. Obdobný postup zvolila firma Talgo i pro zámořské provedení. Od ledna 1999 byly tři vlaky Talgo Cascade se speciálními aerodynamicky řešenými jednostanovišťovými motorovými lokomotivami F 59 americké výroby uvedeny do pravidelného provozu u společnosti Amtrak na ramenech Seattle - Portland - Eugene a Seattle - Vancouver. Dvanáctivozové vlaky pro 243 cestujících tam jezdí rychlostí 200 km/h.. Úspěch zaznamenala firma Talgo i dodávkou čtyř hotelových souprav v roce 1994 do Německa pro noční spojení mezi Berlínem a Bonnem a Berlínem a Mnichovem. Systémy nuceného naklápění skříní vozidel prošly a doposud procházejí složitým a úspěšným vývojem. Přestože myšlenka nuceného naklápění skříní železničních vozidel byla Dr. Deischlem patentována v Německu již v roce 1937, byla první sériová konstrukce realizována rovněž v Německu na konci šedesátých let minulého století na motorových vozech VT 624 a následně na čtyřech elektrických jednotkách ET 403. Konstrukčně bylo naklápění skříní uskutečněno změnou tlaku vzduchu ve vzduchových pružinách sekundárního vypružení v závislosti na rychlosti a natočení podvozku. Úhel naklopení skříně byl však jen 4 o 24 / a jeho efekt byl malý. To způsobilo spolu s nároky na údržbu, že vývoj naklápěcího zařízení byl v Německu zastaven. Podobný osud stihnul i vývoj rychlého vlaku britských železnic. Rovněž koncem šedesátých let byl zadán paralelně vývoj vlaku HST (High Speed Train) pro rychlosti do 225 km/h v provedení s klasickým uložením skříní na podvozky a vlaku APT (Advanced Passanger Train). s naklápěcími skříněmi. Experimentální čtyřvozový vlak APT-E měl dva čelní motorové vozy a dva vozy vložené. Naklápěcí zařízení bylo umístěno v podvozcích všech vozidel a pomocí ojničkového mechanismu a hydraulických válců naklápělo skříně vozidel až o 9 o. Regulace byla elektrická na základě údajů mechanických a elektrických snímačů rychlosti, polohy a odstředivého zrychlení. Praktické jízdní zkoušky prokázaly reálnost a funkčnost

8 provedení, (bylo dosaženo rychlosti 244 km/h), ale dlouhý vývoj a poruchovost vedly spolu s úspěšností druhého projektu vlaku HST k rozhodnutí sledovat tuto cestu. Ve stejném období probíhaly vývojové a zkušební práce v Itálii a Švédsku. Vznikla tak prakticky realizovatelná řešení nuceného naklápění skříní, obě založená na principu hydraulických válců s proměnným tlakem aktivovaných elektronickými řídicími systémy. Konstrukčně však jsou obě řešení zcela odlišná a jejich principy jsou zřejmé z konstrukčních schémat. Italské řešení konstruované na základě zkušeností s ověřovacím hnacím vozidlem s naklápěcí skříní YO 160 bylo sériově použito na italských vlacích ETR 401 a ETR 450 a na německých motorových vozech řady 610. Naklápěcí zařízení každého podvozku má dvojici dlouhých vertikálních hydraulických válců uložených v bočnicích vozů, které naklápějí skříň v její horní části. Spodní čepy spočívají na lomeném plně odpruženém nosníku kolébky podvozků. Kolébka je odpružena dvojicí pružin Flexicoil, příčná poloha je stabilizována kombinací ojnic a příčných pneumatických válců. Toto konstrukční řešení je vhodné pro běžné i hnací podvozky, neumožňuje však uložení trakčních motorů do podvozků. Naklápěcí zařízení je ovládáno elektronicky na základě údajů o rychlosti, příčném zrychlení a natočení podvozků. Konstrukčně umožňuje toto zařízení naklopení skříně až o 10 o, prakticky je však využíváno do 8 o. Důvodem je jednak úroveň silového působení na kolej, jednak neopodstatněnost úplné kompenzace příčného zrychlení (obr. 2). Obr. 2 Principiální schéma nuceného naklápění skříní původní italské koncepce. Švédské řešení konstruované v souladu s koncepcí vlaku X 2000 pouze pro běžné podvozky, využívá principu šikmo uložených hydraulických válců uložených mezi rámem podvozku a vloženým rámem, na němž spočívají pneumatické pružiny sekundárního vypružení skříně vozidla. Příčná poloha je stabilizována dvojicí ojniček mezi těmito dvěmi rámy a příčnými hydraulickými tlumiči. Ovládání plnění válců je elektronické, řídicí mechanismus uvádí naklápěcí do činnosti na základě počítačového vyhodnocení obdobných údajů jako u řešení italského. Úhel naklopení skříně je rovněž 8 o. Obdobné řešení je i na kanadských vlacích VIA Rail, a po konstrukčním dopracování i pro hnací podvozky, na norských tří a čtyřvozových vlacích Fly Toget (obr. 3).

9 Obr. 3 Principiální schéma naklápění skříní švédské koncepce. Montážní, údržbářské i hmotnostní důvody vedly italské konstruktéry k vývoji nového provedení naklápěcího zařízení plně umístěného pod skříněmi vozidel. Podobně jako první italské řešení je plně odpružené. Naklápění skříně je realizováno krátkými hydraulickými válci vloženými mezi kolébku podvozku a rám skříně blíže k ose vozidla. Příčná stabilizace je opět pneumatickými válci s řízeným tlakem vzduchu v kombinaci s příčnými ojničkami. Výhodou tohoto řešení je menší hmotnost a příznivější koncepční uspořádání ve srovnání s původním řešením. Řídicí soustava je obdobná jako u předchozího řešení. Tento princip je realizován na italských rychlých vlacích počínaje typem ETR 460 i na vlacích pro německé, české, slovinské, španělské a portugalské železnice (obr. 4).

10 Obr. 4 Konstrukční schéma naklápění skříní italské koncepce používané od vlaku ETR 460. V devadesátých letech minulého století skončila v Evropě éra dvou dominujících řešení - italské firmy Fiat s vlaky, u nichž jsou všechny vozy určené pro cestující a švédské firmy ABB s hnacím vozidlem a soupravou vlaku s řídicím vozem. Vývoj, výroba a dodávky obou těchto hlavních výrobců pokračovaly dodávkou vlaků ETR 460 a ETR 470 pro italské a švýcarské železnice, vlaků Penduloso pro portugalské železnice a vlaků ETR 480 se střídavým systémem 25 kv, 50 Hz a stejnosměrným 3 kv na jedné straně a na straně druhé dodávkou vlaků X 2000 v modifikované provedení pro švédské železnice. U všech těchto řešení byl použit elektrohydraulický systém naklápění skříně. Společnými nevýhodami dosud realizovaných systémů je jejich hmotnost a nemožnost umístění jednoho nebo dvou trakčních motorů do prostoru podvozku. To vedlo německé konstruktéry k vývoji elektromechanického naklápěcího zařízení Neikontrol E. Toto zařízení je poprvé použito u německých motorových vlaků s hydrodynamickým přenosem výkonu řady 611 pro rychlost 160 km/h.. Podobně jako u švédského systému je celé naklápěcí zařízení umístěno v podvozku a naklápění skříně se realizuje mezi rámem podvozku a mezirámem, na němž

11 spočívá pneumatické vypružení skříně vozidla. Pomocí svislých a příčných kloubově uložených táhel a pružně uložených ojnic je řešena příčná stabilizace polohy podvozku. Zásadně odlišný je vlastní mechanismus naklápění umožňující vychýlení skříně až o 8 o. Naklápěcí a řídicí systém Neikontrol E má silovou jednotku připevněnou na příčník rámu podvozku, která obsahuje lineární bezkomutátorový motor. Ten v závislosti na povelu řídicí elektroniky vysouvá horizontální tyč, která naklápí mezirám. Řídicí systém naklápěcího zařízení je propojen s řídicím a diagnostickým systémem vlaku. Na základě vyhodnocení údajů o rychlosti, příčném zrychlení a o poloze vozidla vůči trati stanovuje velikost proudu pro pohon lineárního motoru a tím úhel naklopení skříně vozidla. Výhodou tohoto systému je zhruba poloviční hmotnost oproti stávajícím systémům a nižší energetická náročnost. Navíc jeho malé rozměry a uložení v příčné ose podvozku umožňuje zabudování nápravových převodovek nebo trakčních motorů do prostoru podvozku (obr. 5). 5 Principiální schéma elektromechanického naklápěcího zařízení Neikontrol E. Obr. V posledních letech minulého století však byly po rozsáhlých zkouškách uvedeny do provozu dva nové vlaky, německý ICT a švýcarský ICN. Oba vlaky mají moderní koncepci

12 bez čelního hnacího vozidla a oba jsou sedmivozové a jsou stavěny pro trakční systém 15 kv, 16 2/3 Hz. Vlastní technické řešení se však liší jak v trakční, tak i v pojezdové části. Německý vlak má elektrické trakční zařízení o výkonu 4000 kw s osmi asynchronními trakčními motory uloženými pod skříní vozidla a silovou a řídicí elektronikou firmy Siemens. Výkon švýcarského vlaku s dodávkami firmy ADtranz je vyšší a dosahuje hodnoty 5200 kw. Snaha o větší unifikaci se projevila v zásadě ve shodném řešení elektrické výstroje ICT a ICE 3. Bloková silnoproudá schémata jsou shodná a obdobně je tomu u schémat řídící techniky v systémech i podsystémech. Rozdílné oproti ICE 3 je počet a rozdělení poháněných náprav. U trakčních vozů, mezi ně nepatří koncové vozy, jsou poháněny dvě vnitřní nápravy, vnější podvozkové nápravy jsou běžné. Využívá se tak pohon podvozků Fiat, jak je známe z vlaků ETR Liší se i provedení podvozků a naklápěcího zařízení. Německý vlak používá klasické řešení podvozků Fiat s elektrohydraulickým naklápěcím zařízením, u švýcarského provedení je požito podvozků Fiat-SIG Schinenfahrzeuge s radiálním nastavováním dvojkolí v závislosti na vzájemné poloze skříně a podvozku ( Navigator ) a elektromechanickým zařízením pro naklápění skříní. Kombinace naklápění skříně a radiálního stavění náprav vede k poměrně komplikované stavbě podvozku s mnoha pákami, táhly a tlumiči. Provoz prototypových vlaků i vlaků sériových však prokázal životnost této koncepce a její efektivnost. Tento princip umožňuje uložení trakčních motorů i do hnacích podvozků. Oba vlaky mají moderně řešené skříně vozidel ze svařovaných velkoplošných profilů a komfortně zařízený interiér. Nejvyšší rychlost je u vlaku ICT 230 km/h, u švýcarského ICN 200 km/h. Nové vlaky s naklápěcími skříněmi vyrábí i firma Bombardier pro Kanadu a nová, případně zdokonalená provedení v normálně i úzkorozchodné verzi vznikla u japonských železničních společností JR Central (řada 383), JR West (řada 283) a JR Hokkaido (řada 201). Japonská technologie nuceného naklápění je použita i u prvních vlaků této koncepce pro Queensland Rails v Austrálii. 6. listopadu 1998 byly uvedeny do pravidelného provozu s cestujícími na tratí Brisbane - Rockhampton dva šestivozové vlaky pro rozchod 1067 mm a trakční systém 25 kv, 50 Hz s nejvyšší rychlostí 170 km/h. Vlak je určen pro 310 cestujících, má hmotnost na dvojkolí 12 tun a na obloukovité trati umožnil zkrácení jízdních dob o téměř 30 %. Stejná společnost objednala dodávku desetivozových motorových vlaků s naklápěcími skříněmi pro trať Brisbane - Cairns, kde dojde ke zkrácení jízdní doby na 1681 km dlouhé trati z 32 na 27 hodin. Jsou to první vlaky s nuceným naklápěním u lůžkových vozů. Ani tím však úsilí o zdokonalení zařízení pro naklápění skříní vozidel u rychlých vlaků pro přepravu cestujících neskončilo. Firma Alstom Transport, v jejímž rámci působí francouzští i italští výrobci vozidel a jejich celků vyvinula nový systém naklápění skříní Tiltronix. Tento systém pracuje na elektromechanickém principu v kombinaci s principem elektrohydraulickým. Celé zařízení je umístěno v podvozcích, které jsou plně odpružené a jeho hlavní části jsou zřejmé ze schématu. Naklápěcí zařízení využívající rovněž lineární motor je řízeno procesorem na základě údajů řídicí a kontrolní jednotky. Potřebné údaje jsou získávány z měřičů zrychlení a gyroskopů, které definují počátek oblouku a určují v závislosti na rychlosti a příčném zrychlení podklady pro vyhodnocení potřeby a velikosti naklopení skříně. Řídicí jednotka vlaku kaskádovitě ovládá postupně naklápění jednotlivých vozidel vlaku. Celé zařízení je vybaveno vlastní mobilní diagnostikou. Toto perspektivní naklápěcí zařízení, které představuje současný konstrukční vrchol v této oblasti je úspěšně dlouhodobě ověřováno na vysokorychlostním vlaku TGV Tilt, který je určen pro přepravu cestujících provozní rychlostí 300 km/h na nových vysokorychlostních tratích i na tratích modernizovaných. Má být použit i na připravovaných rychlých regionálních vlacích SNCF typu CORADIA.

13 Závěr Vlaky s naklápěcími skříněmi prošly v posledních dvou desetiletích bouřlivým a úspěšným vývojem a přesvědčily svými technickými i provozními výsledky o správnosti aplikace tohoto konstrukčního systému v železniční přepravě cestujících, zvláště v oblasti vyšších rychlostí. Možnost zvýšení cestovních rychlostí oproti klasickým vlakům se projevují především při provozu na modernizovaných tratích, v některých případech dokonce umožňují na méně frekvenčně zatížených úsecích nahradit modernizací stavbu ekonomicky náročných nových vysokorychlostních tratí. Dynamický rozvoj této koncepce vlaků umožnil i výrazný pokrok v konstrukci a spolehlivosti základních mechanických, elektrických i elektronických prvků. To vede k tomu, že i u komplikovanějších konstrukčních řešení nedochází ke zvýšení poruchovosti a nákladů na energetickou spotřebu a údržbu vozidel, které tvoří významnou část celkových provozních nákladů. Příznivě vycházejí ve srovnání s vlaky pro obdobná určení i hodnoty nákladů po celou dobu životnosti LCC. Všechny tyto důvody vedou k předpokladu, že vlaky s naklápěcími skříněmi se budou dále rozvíjet a získávat další provozní výkony, především na meziregionálních obloukovitých tratích a v dálkové rychlé přepravě cestujících. Literatura: /1/ Jelen, Sellner: Svět rychlých kolejí. Nadatur, Praha 1997 /2/ Sellner, Čáp: Současné tendence vývoje vysokorychlostních systémů pro hromadnou přepravu osob. Nová železniční technika 4/1999 /3/ Firemní odborné články, podklady a prospekty V Praze, říjen 2001 Lektoroval: Ing. Ferdinand Gottmann ČD DOP O12

14 ITC Group Andrea M. Parnigoni Vlak s naklápěcí skříní PENDOLINO zavedený za účelem zrychlení provozu na stávajících tratích Klíčová slova: aktivní naklápění vozidlové skříně, nedostatek převýšení, aktivní řízené příčné vypružení. 1. Něco z historie techniky naklápění Již od počátku 50. let bylo zřejmé, že konkurence v oblasti železniční dopravy je vázána na možnost zvyšovat rychlost vlaků, přičemž byl brán v úvahu tehdejší rozvoj silniční sítě, který nabízel velmi významné úspory času a zvýšení komfortu cestování. Řešení, která se otevírala, spočívala buď ve zrychlení existujících infrastruktur pomocí aplikace naklápěcích vlaků, nebo ve výstavbě nových železničních vysokorychlostních tratí. Společnost SNCF byla prvou evropskou národní železniční správou, která uskutečnila výzkum na poli techniky naklápění: na počátku 60. let vyzkoušela různé vozy, a to jak s pasivním naklápěním (zavěšené nad těžištěm), tak i s aktivním naklápěním. Pokusy prokázaly, že při stavu tehdejší techniky neexistovala dostatečně přesná a spolehlivá průmyslová řešení, která by zaručila požadovanou úroveň kvality. Společnost SNCF se proto rozhodla, že uskuteční takové řešení, které počítá s vysokorychlostními tratěmi pro vlak TGV. Itálie, konkrétně společnost Fiat, byla druhou evropskou zemí, která vyvinula řešení naklápěcích vlaků. Koncem 50. let byly vyrobeny dva experimentální prototypy, které byly po několik let testovány v Itálii a ve Španělsku. Je poněkud paradoxní, že prvá skupina Pendolin ETR 450 pro Italské státní dráhy byla uvedena do provozu v roce 1988, tedy v roce, kdy byla slavnostně otevřena přímá trať mezi Florencií a Římem. Rovněž Britské železnice BR se koncem 70. let pokoušely realizovat prototyp vlaku s elektrickým pohonem nazvaného APT (Advanced Passanger Train), který byl vyprojektovaný na rychlost až 250 km/h (jako italské Pendolino). Tento vlak s sebou přinesl několik technických inovací, z nichž některé byly příčinou problémů, které nakonec vyústily v to, že se tento stroj nevyvinul pro průmyslovou výrobu. Ing. Andrea M. Parnigoni, narozen 1942, absolvoval na Vysoké škole technické v Turíně obor Mechanické inženýrství v roce 1967 a Školu průmyslového marketingu v roce Od roku 1974 pracoval v řídících funkcích u firmy Fiat. Od roku 1990 dosud ředitelem Oddělení obchodu a marketingu a člen představenstva firmy Alstom Ferroviaria. 1 / 5

15 ITC Group Německé železnice DB a Švýcarské železnice SBB též vedly své výzkumy a pokusy, avšak nedospěly k výsledkům, které by byly komerčně aplikovatelné. Ke konci 80. let švédská společnost ABB vyvinula vlastní vlak s naklápěcí skříní, avšak přednost byla dána koncentrovanému výkonu (lokomotivě) a nikoli řešení s rozděleným výkonem, které bylo od samého počátku charakteristické pro Pendolino, aby bylo zachováno nízké zatížení na nápravu,aby se nezvyšovaly síly mezi kolem a kolejnicí v oblouku, třebaže rychlost by byla až o 35% vyšší než rychlost u tradičního vlaku. Aby byl tento přehled úplný, musíme uvést španělský vývoj,nazvaný TALGO Pendular, který používá systém pasivního naklánění, který je jednodušší, avšak méně účinný než aktivní systém naklánění. 2. Pendolina společnosti Fiat (nyní ALSTOM Ferroviaria) Princip, na němž je založen systém naklápění do středu oblouku, je stejný jako ten, který počítá s převýšením v obloucích. S naklápěcím vlakem bylo prokázáno, že je možná plně bezpečná jízda při nekompenzovaném bočním zrychlení 2 m/s 2 na úrovni podvozku. V kombinaci s aplikovaným úhlem na úrovni kolejnice, naklápění skříně až o 8 umožňuje snížit nekompenzované boční zrychlení na úrovni cestujícího až na 0,65 m/sec 2, tj., což je hluboko pod hranicí komfortu (od 0,8 do 1,2 m/s 2 ). To umožňuje zvýšit rychlost v obloucích až o 35% oproti tradičním vlakům, a to při plném dodržení zásad bezpečnosti a komfortu a bez nutnosti měnit geometrii nebo uspořádání stávajících kolejí. Prvé testy na poli technologie naklánění uskutečnila společnost Fiat Ferroviaria (nyní ALSTOM Ferroviaria) koncem 60. let ve spolupráci s Italskými státními železnicemi. Výsledky, které byly získány při použití naklápěcího křesla instalovaného na motorovém voze diesel Aln 668 byly tak slibné, že bylo rozhodnuto, že v krátké době bude vyroben prvý naklápěcí motorový vůz Y016, kterému se brzy začalo říkat Pendolino (italsky malé kyvadlo). V roce 1974 poté, co zkoušky byly ukončeny, Italské státní dráhy objednaly prvý kompletní prototyp naklápěcího vlaku s elektrickým pohonem a s výkonem rozděleným na čtyři vozy, tedy vlaku ETR 401, který byl uveden do provozu v roce Díky dalším příznivým zkušenostem objednaly Italské státní dráhy v roce 1985 patnáct vlaků ETR 450 o 9 vozech, s elektrickým pohonem a s hydraulickým systémem naklápění. Jak bylo řečeno, vlak ETR 450 byl uveden do komerčního provozu v roce 1988 na trati Řím Milán a potom následovaly další tratě, přičemž vlak již od počátku poskytoval značné výhody, pokud jde o zkrácení doby jízdy (o přibližně 22%) a o komfort. Díky svému úspěchu v Itálii na sebe Pendolino záhy upoutalo pozornost a zájem mnohých dalších evropských národních železnic. 2 / 5

16 ITC Group V roce 1990 se Německé dráhy DB staly prvou společností, která zakoupila a začala provozovat skupinu 20 dieselových naklápěcích motorových jednotek se dvěma skříněmi, aby bylo možno urychlit regionální dopravu na neelektrifikovaných tratích v oblasti kolem Norimberku. Tyto vlaky, nazývané VT 610, jsou vybaveny hydraulickým naklápěcím systémem Pendolina, jejich maximální rychlost dosahuje hodnoty 160 km/h a do listopadu 2001 ujely více než 35 miliónů km. Trvání jízdy mezi městy Norimberk a Hof se zkrátilo o přibližně 23%. V roce 1992 následovala nová generace vlaku typu Pendolino, která byly charakteristická tím, že celé naklápěcí systém byl instalován pod skříní. Elektrická trakce je typu GTO a pro vlak o 9 vozech dosahuje výkonu 6 MW. Deset vlaků s elektrickým pohonem ETR 460 pro Italské státní dráhy je v provozu od května 1995 a do listopadu 2001 ujely více než třináct miliónů kilometrů. Od principu vlaku ETR 460 byly odvozeny mnohé další typy vlaků: 10 vlaků s elektrickým pohonem S220 o šesti vozech pro Finské železnice, které byly objednány v roce 1992 (plus 15 dalších vlaků v opci); 9 vlaků s elektrickým pohonem ETR 470 pro švýcarskou společnost CISALPINO AG o devíti vozech, které jsou od roku 1995 na tratích v alpských oblastech mezi Itálií, Švýcarskem a jižním Německem, 15 vlaků s elektrickým pohonem ETR 480 pro Italské státní dráhy FS o devíti vozech, které jsou již pojaty tak, aby k napájení 3 kv mohly přidat též napájení 25 kv střídavého proudu - tímto systémem jsou vybavovány nové italské vysokorychlostní trati; 10 elektrických vlaků ALARIS o třech vozech pro španělské železnice RENFE na spojení mezi Madridem a pobřežím Středozemního moře; 10 vlaků s elektrickým pohonem ALFA- PENDULARES o šesti vozech pro Portugalské železnice, které byly určeny pro trať mezi Lisabonem a Portem; 3 vlaky s elektrickým pohonem ETR 310 pro Slovinské železnice SZ pro trať mezi městy Lublaní a Mariborem. Největším kontraktem, který kdy byl v oblasti naklápěcích vlaků s elektrickým pohonem uzavřen, však doposud zůstává zakázka, kterou britská společnost VIRGIN TRAINS zadala firmě Alstom Ferroviaria na nákup 53 vlaků s elektrickým pohonem o devíti vozech, které dosahují rychlosti až 225 km/h a které od roku 2002 budou používány na West Coast Main Line, a to mezi Londýnem a Edinburgem. Šedesát pět procent vozidel s naklápěcí skříní v Evropě, která jsou vybavena vlastními aktivními systémy, řadí společnost ALSTOM Ferroviaria na vedoucí místo v tomto segmentu trhu. Její řešení naklápění, se kterými je obchodováno pod označením TILTRONIX, zahrnují též další důležité realizace. Na německém území se pohybují 43 naklápěcí vlaky s elektrickým pohonem ICE T, z nichž 32 je tvořeno sedmi vozy a zbylých 11 je tvořeno pěti vozy. Dosahují maximální rychlosti 230 km/h, byly vyrobeny německými průmyslovými podniky a jsou vybaveny podvozky a naklápěcími systémy PENDOLINO. Ve Švýcarsku je částečně v provozu a částečně ve výrobě skupina 44 naklápěcích vlaků s elektrickým pohonem nazvaných ICN, vybavených elektromechanickým naklápěcím ústrojím TILTRONIX, které je analogické jako ústrojí, jež bylo zvoleno pro britské Pendolino. Navíc v roce 1998 ve spolupráci s ALSTOM Transport byl aplikován naklápěcí systém na článkovaný vysokorychlostní vlak ze skupiny TGV: tímto způsobem byla uskutečněna prvá 3 / 5

17 ITC Group realizace vlaku, tak zvaného typu Dual, který v sobě sjednocuje výhody vysoké rychlosti na zvláštních tratích a výhody naklápění na stávajících tratích. V současnosti toto pojetí, uplatněno na nečleněném vlaku, je využíváno pro vývoj vlaku typu Super-Pendolino, vlak Dual,pro Italské státní železnice, schopný jezdit na nových tratích rychlostí až 300 km/h. 3. Pendolino 680 pro České dráhy Již v roce 1995 s předem nastíněnou vizí vývoje dopravy po Evropě se České dráhy rozhodly, že budou investovat do zlepšení vlastností Koridoru I a do nákupu skupiny naklápěcích vlaků, které by byly schopny zatraktivnit pro cestující železniční dopravu mezi Berlínem, Prahou a Vídní. Cílem bylo pochopitelně zkrátit dobu nutnou pro cestu a zlepšit komfort cestování. V témže roce byla vypsána mezinárodní soutěž na dodávku naklápěcích vlaků o 7 vozech, které by byly schopny cestovat rychlostí až 230 km/h pod třemi napájecími napětími (3 kv ss, 15 a 25 kv stříd.) Soutěž vyhrálo mezinárodní konsorcium, které pro svůj výrobek používalo naklápěcí techniku společnosti ALSTOM Ferroviaria. Zahájení projektových prací a výroby českého vlaku s naklápěcí technologií - Projekt 680 s sebou přineslo řadu obtíží, způsobených různými důvody, a proto ve skutečnosti realizace záměru mohla začít až v druhé polovině roku Projektování 7 vlaků, které tvoří předmět smlouvy, je realizováno společností ALSTOM Ferroviaria s účinným a kvalifikovaným příspěvkem české železniční inženýrské společnosti; výroba vlaků je realizována italskými závody společnosti ALSTOM Ferroviaria, s využitím komponent a subsystémů české výroby. V obsáhlém procesu homologace a uvedení do provozu vlaků, ve třech zemích, budou hrát ještě prim české firmy. Vlaky vyjedou na koleje do roku Pendolino řady 680 nepředstavuje pouze český vlak používaný na tratích tří evropských národních železnic, nýbrž se může stát perspektivou evropského vlaku budoucnosti. Je pravda, že dodnes neexistují jiné vlaky, které by mohly být napájeny třemi různými elektrickými napětími a vybavené již inovujícím systémem signalizace nazvaným ETCS + GSM-R. Není tudíž nic překvapivého na tom, když jiné železniční správy mají o tento vlak s technologií naklápění skříně zájem. Slovenská republika zvažuje uskutečnitelnost záměru využívat čtyři Pendolina 680 na vlastní síti. Rumunsko zvažuje možnost používat vlaky typu Pendolino 680, pro zrychlení spoje mezi Bukureští a Vídní, a to přes Budapešť. Rovněž Chorvatské železnice mají zájem o vlak, který by vycházel z Pendolina 680 pro spojení mezi Záhřebem a pobřežím Jaderského moře. Z toho důvodu se spolupráce se společností ALSTOM Ferroviaria při realizaci tohoto typu evropského vlaku a při jeho uvedení do provozu může stát chloubou Českých drah. V Turíně, leden / 5

18 ITC Group Překlad: Rudolf Beneš Revize: Jan Štochl 5 / 5

19 Alessandro Elia, Federico Albert Přehled techniky naklápění vozových skříní Klíčová slova: aktivní naklápění vozidlové skříně, nedostatek převýšení, aktivní řízené příčné vypružení. Tento příspěvek je zaměřen na prezentaci cílů a základní funkce naklápěcího systému. Pro zvýšení cestovní rychlosti na železnicích, zejména v osobní dopravě na střední vzdálenosti, jsou k dispozici dvě alternativy: buď investovat do nových vysokorychlostních systémů, včetně specializovaných tratí a specializovaných vozidel, která na běžných tratích mohou zaručit podobné chování jako vozidla stávající, nebo investovat převážně do vozidel využívajících naklápěcí techniku a tím omezit investice do infrastruktury a dopad na životní prostředí a zaručit podstatná zlepšení cestovní rychlosti. Dále jsou popsány principy a základní teorie naklápěcích systémů, na základě skutečných čísel je kvantifikováno zlepšení cestovní rychlosti a jsou uvedeny okrajové podmínky pro bezpečnou aplikaci. 1. ÚVOD Pro zlepšení výkonnosti železniční dopravy a zvláště atraktivity osobní dopravy je nezbytné nabídnout kratší jízdní doby a vyšší komfort, při zachování nebo zlepšení stávající úrovně bezpečnosti. Zvláště v posledních čtyřiceti letech bylo vynaloženo mnoho úsilí k dosažení cíle, aby železniční doprava mohla konkurovat dopravě letecké, zvláště v oblasti kratších a středních vzdáleností do 600 až 700 km. Tohoto cíle bylo dosaženo současným působením na infrastrukturu budováním nových vysokorychlostních tratí a na vozidla navrhovaná podle nejpřísnějších aerodynamických hledisek, s nízkou hmotností na nápravu, se zlepšenými trakčními a brzdicími výkony a stavěná na podvozcích schopných jezdit stabilně, bezpečně a komfortně až do požadované velmi vysoké provozní rychlosti. Toto řešení bylo uplatněno pouze na omezeném množství hlavních tratí, zvláště kvůli velmi vysokým investičním nákladům nutným v oblasti infrastruktury a velkému dopadu na životní prostředí daného teritoria jak ve fázi výstavby, tak za provozu. Alessandro Elia, Ing., narozen 1948, absolvoval Ingegneria c/o Politecnico di Torino v roce Zaměstnán jako vedoucí skupiny výpočtů a zkoušek naklápěcích systémů u firmy AlstomFerroviaria, Savigliano, Itálie. Federico Albert, Ing., narozen 1967, absolvoval Ingegneria Meccanica c/o Politecnico di Torino v roce Zaměstnán jako projekt-manažer zakázky jednotek s výkyvnými skříněmi pro ČD u firmy AlstomFerroviaria, Savigliano, Itálie. 1

20 Přibližně ve stejném období bylo nejdříve na zkouškách prototypů v Kanadě a později v Evropě demonstrováno, že cestovní rychlost může být dokonce i na stávajících tratích významně zvýšena využitím naklápěcí techniky (viz obr.1) a vozidel s uspokojivým chováním v oblouku při zvýšené rychlosti a vyšším nedostatku převýšení, vyšší stabilitou chodu a uspokojivými chodovými vlastnostmi při požadovaných větších provozních nárocích. 2. NAKLÁPĚCÍ TECHNIKA PROSTŘEDEK KE SNÍŽENÍ PŘÍČNÉHO ZRYCHLENÍ PŮSOBÍCÍHO NA CESTUJÍCÍHO PŘI JÍZDĚ OBLOUKEM Jedním z nejvýznamnějších omezujících faktorů pro rychlost vlaku v oblouku je příčné zrychlení pociťované cestujícími, které z fyziologických důvodů nemůže překročit 1 m/s 2, což odpovídá příčné síle působící na cestujícího rovnající se přibližně jedné desetině jeho váhy. Při jízdě v oblouku bez převýšení na vlak působí odstředivé zrychlení, které závisí na jeho rychlosti podle známého fyzikálního vztahu V = a c R kde: V = rychlost vlaku [m/s] a c = odstředivé zrychlení [m/s 2 ] R = poloměr oblouku [m] Odstředivé zrychlení působí horizontálně. max. rychlost [km/h] AlstomFerroviaria S.p.A. PENDOLINO : Technické charakteristiky převýšení JÍZDA V OBLOUKU poloměr oblouku [m] Obr.1 Rychlost jízdy v oblouku jako funkce poloměru oblouku a nevyrovnaného příčného zrychlení Anc E098.ppt Fiat Ferroviaria S.p.A All right reserved 2000 Page převýšení koleje [mm] Anc=2.0 m/s 2 Anc=1,8 m/s 2 Anc=1,6 m/s 2 Anc=1,4 m/s 2 Anc=1,2 m/s 2 Anc=1.0 m/s 2 Při existenci převýšení o úhlu φ [º], které se normálně zřizuje v oblouku jako nadvýšení vnější kolejnice vůči kolejnici vnitřní, působí na vlak tzv. nevyrovnané příčné zrychlení (A nc ), které je 2

21 vektorovou složkou odstředivého zrychlení a c, paralelní k rovině koleje (ke spojnici temen obou kolejnicových pásů). V případě běžných vlaků (bez naklápěcích skříní) je úhel převýšení koleje jediným prostředkem pro snížení příčného zrychlení, působícího na vlak a rovněž na cestující. Obr. 1 znázorňuje vztah poloměru oblouku, rychlosti vlaku a nevyrovnaného příčného zrychlení (A nc ) v hypotéze, že úhel φ je pro oblouky malých poloměrů konstantní velikosti 6º (což pro normální rozchod odpovídá zhruba 155 mm), zatímco pro poloměry oblouku (R) větší než 400 m se proporcionálně zmenšuje podle křivosti (1/R). Odpovídající vzorec je V = (A nc + g φ)r kde: V = rychlost vlaku [m/s] A nc = nevyrovnané příčné zrychlení [m/s 2 ] R = poloměr oblouku [m] φ = úhel převýšení [rad] Z diagramů na obr. 1 je evidentní, že aby nedošlo k překročení meze pro nevyrovnané příčné zrychlení 1 m/s2, musí se v oblouku malého poloměru rychlost vlaku (V) vzhledem k potenciální maximální provozní rychlosti významně snížit (až na km/h). (a) AlstomFerroviaria S.p.A. Účinek úhlu převýšení koleje na příčné zrychlení pociťované cestujícím A LP = a c V = ac R Anc = a c - gϕ A LP =Anc a c (b) g ϕ = 6 ϕ = úhel převýšení 2 2 ALP = 1 m/s Anc = A LP = 1 m/s a c = 1 m/s 2 2 a c = 2 m/s Obr. 2 a c = odstředivé zrychlení Anc= nevyrovnané příčné zrychlení A LP = příčné zrychlení na cestujícího E098.ppt Fiat Ferroviaria S.p.A All right reserved 2000 Page 1 g Za těchto podmínek může rychlost vlaku při průjezdu obloukem, zvláště obloukem malého poloměru, zvýšit pouze naklápěcí technika. Pro jasné porozumění účinku úhlu převýšení a úhlu naklopení na příčné zrychlení působící na cestujícího (A LP ), které nesmí nikdy překročit fyziologickou mez 1 m/s 2, porovnáme dva scénáře. 3

22 První se bude týkat běžného vlaku bez naklápěcích skříní, druhý ukáže přínos úhlu naklopení na příčné zrychlení pociťované cestujícím. Obr. 2a se vztahuje k běžnému vlaku bez naklápěcích skříní, jedoucímu hypotetickým obloukem bez jakéhokoliv převýšení. V tomto případě zrychlení pociťované cestujícím odpovídá celkovému odstředivému zrychlení. Obr. 2b ukazuje, že díky úhlu převýšení 6º je cestující vystaven příčnému zrychlení ekvivalentnímu nevyrovnanému příčnému zrychlení menšímu, než je odstředivé zrychlení. Z porovnání obr. 2a a obr. 2b vyplývá, že zatímco příčné zrychlení působící na cestujícího je v obou případech 1 m/s 2, odstředivé zrychlení vlaku je na obr. 2b vůči obr. 2a dvojnásobné. Proto je rychlost vlaku znázorněného na obr. 2b zvýšena faktorem 1,4 (odpovídajícím odmocnině ze 2) vzhledem k vlaku, znázorněnému na obr. 2a. Na obr. 2 je uveden matematický vztah nevyrovnaného příčného zrychlení k odstředivému zrychlení a k úhlu převýšení koleje. A nc = a c - g φ a c = odstředivé zrychlení g = gravitační zrychlení φ = úhel převýšení Pro zjednodušení a snadné pochopení matematického vzorce nebyl vzat v úvahu účinek flexibility vypružení vozidla. 300 AlstomFerroviaria S.p.A. PENDOLINO : Jízda v oblouku max. rychlost [km/h] a c = 2 m/s 2 Anc = A LP = 1 m/s 2 úhel převýšení = 6 a c = A LP = 1 m/s 2 úhel převýšení = poloměr oblouku [m] Obr.3 Rychlost jízdy v oblouku jako funkce poloměru oblouku a daného A LP =1 m/s 2 Účinek převýšení koleje na maximální rychlost jízdy v oblouku E098.ppt Fiat Ferroviaria S.p.A All right reserved 2000 Page 1 4

23 Úhel převýšení nemůže z fyzikálních důvodů překročit maximálně přípustnou hodnotu 6º. Je to kvůli potřebě omezení dostředného zrychlení v případě, kdy vlak projíždí obloukem velmi nízkou rychlostí (v tomto případě A nc = - g φ). Příznivý účinek úhlu převýšení uvažovaného v hodnotě 6º na rychlost vlaku pro oblouky všech poloměrů je znázorněn v obr. 3. Dva uvedené diagramy se vztahují ke dvěma běžným vlakům, jedoucím se stejným příčným zrychlením pociťovaným cestujícím v hodnotě 1 m/s 2, ale jeden z nich na koleji bez převýšení a druhý na koleji s konstantním úhlem převýšení 6º. Má-li se rychlost vlaku zvýšit nad hodnoty uvedené v obr. 3, stále při respektování meze maximálního příčného zrychlení působícího na cestujícího 1 m/s 2, jediným dostupným technickým prostředkem je naklopit vozovou skříň, aby se účinek úhlu naklopení a úhlu převýšení koleje sčítal. AlstomFerroviaria S.p.A. Účinek naklopení vozové skříně (a) A LP =Anc V = ac R Anc = a c - gϕ A LP =Ar (b) Ar = Anc - gθ a c a c θ = 8 ϕ = 6 g ϕ = 6 ϕ = Cant angle g θ = Tilt angle ϕ = 6 ϕ = Cant angle Anc = ALP = 1 m/s 2 Ar= ALP = 1 m/s 2 a c = 2 m/s 2 Fig. 4 a c = 3,4 m/s 2 a c =Centrifugal Acceleration ALP = Ar =Residual Acceleration A LP =Anc=Non-Compensated Lateral Acceleration E098.ppt Fiat Ferroviaria S.p.A All right reserved 2000 Page 1 Obr. 4 ukazuje přínos naklopení vozové skříně pro příčné zrychlení, pociťované cestujícím. V tomto případě reprezentuje příčné zrychlení pociťované cestujícím, tzv. zbytkové zrychlení, pouze vektorová složka odstředivého zrychlení paralelní s podlahou vozové skříně. Z vektorových vztahů mezi odstředivým zrychlením, nevyrovnaným zrychlením, zbytkovým zrychlením a rovněž z matematických vzorců uvedených na obr. 4 je evidentní, že pro konečný účel, tj. zmenšit příčné zrychlení působící na cestujícího, působí úhel naklopení jako virtuální dodatečný úhel převýšení koleje. Z tohoto důvodu je možno na úhel naklopení pohlížet jako na prostředek pro kompensaci nedostatku převýšení. 5

24 Rovněž v tomto případě porovnání mezi obr. 4a a obr. 4b demonstruje, že zatímco příčné zrychlení působící na cestujícího je v obou případech 1 m/s 2, odstředivé zrychlení u naklopeného vlaku je 3,4 m/s 2 a u nenaklopeného jen 2 m/s 2. Proto je u naklopeného vlaku zisk rychlosti asi o 30 % proti vlaku nenaklopenému (to je dáno druhou odmocninou z poměru obou hodnot odstředivého zrychlení). 300 AlstomFerroviaria S.p.A. PENDOLINO : Jízda v oblouku a c =3.4 m/s 2 max. rychlost [km/h] A LP =Ar = 1 m/s 2 úhel převýšení = 6 úhel naklopení = 8 a c = 2 m/s 2 A LP = Anc = 1 m/s 2 úhel převýšení = 6 a c = A LP = 1 m/s 2 úhel převýšení = poloměr oblouku [m] Obr.5 Rychlost jízdy v oblouku jako funkce poloměru oblouku a daného A LP =1 m/s 2 Kombinovaný účinek převýšení koleje a naklopení vozové skříně E098.ppt Fiat Ferroviaria S.p.A All right reserved 2000 Page 1 V obr. 5 jsou pro posouzení přírůstku rychlosti získaného v různých poloměrech oblouku u vlaku s naklápěcími skříněmi vzhledem k vlaku bez naklápění při jízdě se stejným příčným zrychlením působícím na cestujícího v hodnotě 1 m/s 2 uvedeny tři diagramy. Dvě nižší čáry jsou totožné s čárami uvedenými v obr. 3 a vztahují se k běžnému vlaku bez naklápění, zatímco horní čára se vztahuje k vlaku s naklápěcími skříněmi, jedoucímu s konstantním úhlem naklopení 8º na koleji s úhlem převýšení 6º a využívajícímu zbytkové zrychlení působící na cestujícího 1 m/s 2. Z tohoto porovnání je zřejmé, že zisk rychlosti dosažitelný u vlaku s naklápěcími skříněmi při průjezdu obloukem je vůči běžnému vlaku bez naklápění řádově kolem 30 %. Obecněji řečeno, zisk rychlosti v oblouku závisí na zvýšení dovoleného A nc ze stávající hodnoty u běžných vlaků na hodnotu použitou u vlaku s naklápěním. Jako u prvního vzorce závisí % zisku rychlosti na druhé odmocnině z poměru odpovídajících hodnot a c. Pro dané hodnoty A nc tento poměr klesá s nárůstem převýšení (tj. když je poloměr oblouku menší). Například v případě nárůstu A nc z 1,0 na 1,8 m/s 2, je-li použito maximální dovolené převýšení (6º, 155 mm u normálního rozchodu), se poměr mezi zvýšenou rychlostí a současnou rychlostí mění od + 18 % (malé poloměry oblouků) do + 27 % (poloměr 1200 m, převýšení 2º). 6