VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN LÁTKY PRO MODIFIKACI TŘENÍ V KONTAKTU KOLA A KOLEJNICE MATERIALS FOR FRICTION MODIFICATION WITHIN WHEEL-RAIL CONTACT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR Miloslav Pláněk VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Ing. Radovan Galas, Ph.D. BRNO 2018

2

3 Zadání bakalářské práce Ústav: Ústav konstruování Student: Miloslav Pláněk Studijní program: Strojírenství Studijní obor: Základy strojního inženýrství Vedoucí práce: Ing. Radovan Galas, Ph.D. Akademický rok: 2017/18 Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: Látky pro modifikaci tření v kontaktu kola a kolejnice Stručná charakteristika problematiky úkolu: Tření mezi kolem a kolejnicí je doprovázeno celou řadou negativních jevů, jako je např. opotřebení či zvýšená hladina hluku. Z tohoto důvodu jsou do kontaktu kola a kolejnice aplikovány látky pro modifikaci tření. V současné době existuje na trhu celá řada těchto produktů, které v závislosti na složení a způsobu aplikace poskytují různé benefity. Typ práce: rešeršně syntetická Cíle bakalářské práce: Hlavním cílem práce je zpracovat přehled látek používaných pro modifikaci tření mezi běhounem kola a temenem hlavy kolejnice. Dílčí cíle bakalářské práce: popsat složení látek modifikujících tření, popsat způsoby aplikace těchto látek, popsat očekávané přínosy po aplikaci těchto látek. Požadované výstupy: průvodní zpráva. Rozsah práce: cca znaků (15 20 stran textu bez obrázků). Struktura práce a šablona průvodní zprávy jsou závazné: Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně / Technická 2896/2 / / Brno

4 Seznam doporučené literatury: HARMON, Matthew a Roger LEWIS. Review of top of rail friction modifier tribology. Tribology - Materials, Surfaces & Interfaces, 2016, 10(3), STOCK, Richard, Louisa STANLAKE, Chris HARDWICK, Marcia YU, Donald EADIE a Roger LEWIS. Material concepts for top of rail friction management Classification, characterisation and application. Wear, 2016, , GALAS, Radovan, Milan OMASTA, Ivan KRUPKA a Martin HARTL. Laboratory investigation of ability of oil-based friction modifiers to control adhesion at wheel-rail interface. Wear, 2016, , Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2017/18 V Brně, dne L. S. prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. ředitel ústavu doc. Ing. Jaroslav Katolický, Ph.D. děkan fakulty Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně / Technická 2896/2 / / Brno

5 ABSTRAKT, KLÍČOVÁ SLOVA ABSTRAKT Aplikací látek pro modifikaci tření lze redukovat problémové aspekty kontaktu kola a kolejnice. Podstatou této bakalářské práce je zpracovat přehled látek pro modifikaci tření aplikujících se mezi běhoun kola a temeno hlavy kolejnice, se zaměřením na ty látky, které se aplikují za účelem snížení nadměrného opotřebení a hlukové emise. V práci se čtenář nejdříve seznámí se základními pojmy kontaktu kola a kolejnice, podstatou řízení adheze a rozdělením látek pro modifikaci tření. Práce se dále věnuje pouze látkám poskytujícím střední hodnotu tření. Těmito látkami jsou TOR modifikátory, TOR maziva a TOR tuhé kompozice. Práce popisuje jejich složení, způsoby aplikace, očekávané přínosy a také mapuje komerčně dostupné produkty na trhu. Výstupem bakalářské práce je zpracování přehledu těchto látek a jejich porovnání na základě teoretických předpokladů, výsledků testů i zkušeností z praxe. Práce také čtenářovi umožní lepší orientaci mezi komerčně dostupnými produkty na trhu, které mohou být špatně označovány samotnými výrobci. KLÍČOVÁ SLOVA Kontakt kola a kolejnice, Top of Rail, TOR modifikátory tření, TOR maziva, TOR tuhé kompozice, TOR produkty, on-board a off-board aplikace ABSTRACT Problematic aspects of wheel-rail contact can be reduced by application of substances for friction modification. The essence of this bachelor s thesis is compile overview of substances for friction modification applied on Top of Rail with focus on that one, which are applied to decrease excessive wear and noise. In this thesis, the reader will be firstly introduced to the fundamentals of wheel-rail contact, essence of friction management and partition of substances for friction modification. Next part of the thesis is focused only on substances providing intermediate level of friction. These substances are TOR friction modifiers, TOR lubricants and TOR solid compositions. Thesis describes their composition, ways of application, expected benefits and map commercial products available on the market. The output of the bachelor s thesis is overview of these substances and their comparison based on theoretical assumptions, test s results and practice experience. The thesis will allow reader to have better market orientation between available products, which could be wrong tagged by their own producers. KEYWORDS Wheel-rail contact, Top of Rail, TOR friction modifiers, TOR lubricants, TOR solid compositions, TOR products, on-board and off-board application

6

7 BIBLIOGRAFICKÁ CITACE BIBLIOGRAFICKÁ CITACE PLÁNĚK, M. Látky pro modifikaci tření v kontaktu kola a kolejnice. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Radovan Galas Ph.D.

8

9 PODĚKOVÁNÍ, ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat vedoucímu diplomové práce Ing. Radovanu Galasovi Ph.D. za jeho odborné rady, připomínky a konzultace poskytnuté během zpracování této práce. Dále bych chtěl poděkovat Mgr. Martinu Doubkovi z Dopravního podniku hlavního města Prahy za poskytnuté informace ohledně použití TOR maziv v praxi. Poděkování patří i mé rodině za podporu během studia. ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci Látky pro modifikaci tření v kontaktu kola a kolejnice vypracoval samostatně pod vedením Ing. Radovana Galase Ph.D. s využitím informací a zdrojů, které cituji v seznamu použité literatury. V Brně dne Miloslav Pláněk

10

11 OBSAH OBSAH 1 ÚVOD ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE Analýza problému Cíl práce SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Adheze v kontaktu kola a kolejnice Problémové aspekty kontaktu kola a kolejnice Modifikace tření v kontaktu kola a kolejnice TOR-MT TOR tuhé kompozice TOR maziva DISKUZE ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ SEZNAM TABULEK

12 ÚVOD 1 ÚVOD Kolejová doprava patří mezi nejefektivnější druhy dopravy. Pro svoji rychlost a nízkou energetickou náročnost je s oblibou využívána pro přepravu těžkých nákladů na velké vzdálenosti. Osobní kolejová doprava zase nabízí cestujícím komfort a bezpečnost. Specifickým rysem kolejové dopravy, kterému vděčí za tyto pozitivní vlastnosti, je kontakt kola a kolejnice s malým ramenem valivého odporu. Kontakt kola a kolejnice má ovšem i svoje problémové aspekty. Jedním z nich je nadměrné opotřebení kol i kolejnic, ke kterému dochází především při průjezdu traťovými oblouky malých poloměrů. Jedná se o finančně velmi náročný problém, který se nejcitelněji projevuje u těžké nákladní železniční dopravy. Dalším problémovým aspektem je hluková emise, která zase trápí především tramvajovou dopravu ve velkých městech. Jedním ze způsobů, jak redukovat tyto problémové aspekty, je tzv. řízení adheze, při němž jsou do kontaktu kola a kolejnice aplikovány látky pro modifikaci tření. Pomocí těchto látek lze modifikovat tření v kontaktu na střední úroveň, při níž je sníženo opotřebení i hluková emise, ale zároveň nedochází k negativnímu ovlivnění brzdných a rozjezdových schopností vozidla. Americká asociace železnic odhaduje, že efektivním řízením adheze mohou železniční dopravci ušetřit až dvě miliardy dolarů ročně. [1] 12

13 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE 2 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE 2.1 Analýza problému Do kontaktu kola a kolejnice se při řízení adheze aplikují nejrůznější látky pro modifikaci tření. Tyto látky se liší především účelem, za jakým jsou aplikovány. Mohou se ale lišit i oblastí aplikace v kontaktu kola a kolejnice. Jednou z možností, jak snížit nadměrné opotřebení a hlukovou emisi je aplikace látek pro modifikaci tření, které poskytují střední součinitel tření. Tyto látky se aplikují mezi běhoun kola a temeno hlavy kolejnice. Tyto látky mohou modifikovat tření rozdílnými mechanismy, díky nimž mohou poskytovat různé benefity, ale mohou s sebou přinášet i určitá rizika. Dále se mohou lišit svým složením, konzistencí, způsobem aplikace, aplikovaným množstvím atd. Pro jednotlivé skupiny těchto látek existuje dnes na trhu také celá řada produktů od mnoha výrobců. Vhodná volba látky pro modifikaci tření a její správná aplikace jsou velmi důležité předpoklady pro efektivní řízení adheze. 2.2 Cíl práce 2.2 Hlavním cílem této bakalářské práce je zpracovat přehled látek pro modifikaci tření aplikovaných mezi běhoun kola a temeno hlavy kolejnice, které se aplikují za účelem snížení opotřebení a hlukové emise. Práce se bude zabývat složením, způsoby aplikace, očekávanými přínosy těchto látek a zmapováním komerčně dostupných produktů. 13

14 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ 3 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ 3.1 Adheze v kontaktu kola a kolejnice Kontakt kola a kolejnice Jízdní profil kola (obr.1) se skládá z kónické jízdní plochy (běhounu) a okolku. Okolky slouží pro vedení dvojkolí po kolejích a pro hladký průjezd přes výhybky a křížení. Jízdní plocha se směrem k vnějšímu okraji kola zmenšuje a její kónický tvar zajišťuje stabilní jízdu kola po kolejnici a hladký průjezd obloukem. [2] V oblasti kontaktu kola a kolejnice působí síly vertikální (normálová), tečná (trakční) a příčná (laterální) (obr.1). Obr. 1 Kontakt kola a kolejnice [10] Oblast kontaktu se však může během jízdy měnit. Při jízdě po přímé trati nebo v obloucích velkých poloměrů se odvaluje běhoun kola po temenu hlavy kolejnice. Dochází tedy ke styku pouze v jedné oblasti, a proto se tato situace označuje jako jednobodový kontakt (obr.2 vlevo). Oblast temena hlavy kolejnice se v odborné literatuře označuje jako Top of Rail TOR a dále již pro tuto oblast kontaktu bude používáno pouze toto označení. V obloucích přichází do kontaktu také okolek, který se smýká po pojížděné hraně kolejnice. Dochází tedy ke kontaktu ve dvou oblastech, kterému se říká dvoubodový kontakt (obr.2 vpravo). Tyto dvě oblasti styku mají Obr. 2 Jednobodový kontakt (vlevo), dvoubodový kontakt (vpravo) [3] 14

15 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ rozdílné požadavky na součinitel tření. Při smýkání okolků po pojížděné hraně kolejnice je vhodné dosáhnout co nejnižšího součinitele tření (ideálně 0), aby nedocházelo k jejich nadměrnému opotřebení a nepříjemnému skřípání. Naproti tomu v oblasti TOR je pro zajištění přenosu trakčních a adhezních sil požadován součinitel tření v rozmezí 0,25 až 0,4. [3] Adheze, trakce a tření Adheze je schopnost přenosu třecích sil mezi dvěma povrchy. [4] V našem případě se tedy jedná o přenos třecích sil při valení kola po kolejnici. V kolejové dopravě se pod pojmem adheze rozumí také přenos třecích sil při brzdění. Trakcí se označuje přenos třecích sil při rozjezdu. [5] Třením se označuje vznik tečné síly ve styčné ploše mezi dvěma po sobě se pohybujícími tělesy a působí vždy proti směru vzájemného pohybu. [6] Součinitel adheze (též součinitel valivé přilnavosti) a součinitel tření jsou bezrozměrné veličiny a obě se definují jako podíl třecí (trakční) síly a normálové síly. [4] Tření tedy slouží k popsání schopnosti přenosu třecích sil při smýkání, kdežto u valení se používá termín adheze. Kontaktní plocha Kontaktní plocha kola a kolejnice má velikost asi 1cm 2. [7] Jedná se o valivě-skluzový kontakt ve tvaru elipsy, jejíž hlavní poloosa má totožný směr s pohybem vozidla (obr.3). Kontaktní plocha je tvořena dvěma oblastmi a to oblastí lpění a oblastí skluzu. V oblasti lpění, která vzniká na náběžné hraně, nedochází k vzájemnému posuvu povrchů, a proto zde nejsou přenášeny žádné trakční síly (čisté valení). Vzájemný posuv povrchů (smýkání) se u valení nazývá skluz. Ke smýkání povrchů dochází tedy ve skluzové oblasti a tato oblast proto zajišťuje přenos trakčních sil. [8] Obr. 3 Kontaktní plocha [8] Trakční křivka Trakční křivka vyjadřuje závislost mezi trakční silou a skluzem (obr.4). Trakční křivku lze rozdělit dle trendu na křivku s negativním, neutrálním a pozitivním třením. Negativní tření se vyskytuje běžně na všech suchých kolejnicích. Při zvyšovaní trakční síly se oblast skluzu lineárně zvětšuje, až do tzv. bodu saturace. Jedná se o bod, ve kterém se z valivě-skluzového kontaktu stává na okamžik čistě kontakt skluzový a dochází tak k prokluzu kola. [9] Ze stejné definice součinitele adheze i tření vyplývá, že se oba tyto součinitele budou v bodě saturace na okamžik navzájem rovnat, a proto zde budou přenášeny maximální trakční síly. Zároveň to znamená, že součinitel adheze je limitován součinitelem tření. V případě kontaktu kola a kolejnice je bodu saturace dosaženo okolo 1 2 % skluzu. [10] Část tření je využita v laterálním směru a spinu. 15

16 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Obr. 4 Trakční křivka [17] Součinitel adheze je tedy vždy nižší než součinitel tření. U pozitivního tření se nevyskytuje pokles trakční křivky (bod saturace je oddálen), a proto zde nedochází k prokluzu. Upravenou trakční křivkou můžeme vyjádřit závislost součinitele adheze na skluzu (obr.5). Obr. 5 Upravená trakční křivka [8] Hodnoty tření v kontaktu kola a kolejnice V kolejové dopravě se pro přenos třecích sil používá termín adheze, která kromě trendu trakční křivky, skluzu, rychlosti jízdy aj. závisí na součiniteli tření. V případě kontaktu kola a kolejnice se jedná o otevřenou soustava, což znamená, že zde dochází k výměně látek i energie s okolím. [11] Hodnota součinitele tření je proto silně závislá na okolních podmínkách (vlhkost, teplota, přítomnosti kontaminantů atd.). [12] V praxi je součinitel tření suché koleje za udáván v rozmezí 0,5 až 0,8. [13] Při těchto hodnotách dochází zejména v obloucích malých poloměrů k nadměrnému opotřebení. Za kriticky nízkou hodnotu součinitele tření, se považují hodnoty 0,1 až 0,2. [14] Zde se již nebezpečně prodlužuje brzdná dráha vozidla a trakce se stává neefektivní. Střední hodnotou je hodnota ležící někde mezi těmito dvěma hodnotami (obr.6), která se jeví jako optimální. Je při ní snížena hluková emise a opotřebení kol i kolejnic, 16

17 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ ovšem bez negativního vlivu na adhezi a trakci. Střední hodnota součinitele tření je literaturou udávána v rozmezí 0,3-0,4. [15] Obr. 6 Hodnoty součinitele tření v kontaktu kola a kolejnice Třecí vrstva Ke kontaktu kola a kolejnice dochází vždy prostřednictvím třecí vrstvy, která odděluje jednotlivé povrchy. Složení a tloušťka této vrstvy má velký vliv na výslednou adhezi. [3] 3.2 Problémové aspekty kontaktu kola a kolejnice 3.2 Hluková emise Hluková emise je jedním z největších problémů kolejové dopravy, zvláště v urbanistických celcích. Hluková emise vzniklá od kontaktu kola a kolejnice se dělí na dva druhy. Prvním druhem je skřípání okolků. Jedná se o vysokofrekvenční hluk v rozmezí Hz. Skřípání trápí především tramvaje, které ve městech projíždí velmi ostrými oblouky. Druhým druhem je valivý hluk pocházející z TOR oblasti v rozmezí Hz. [12] Jeho hodnota závisí na drsnosti povrchu kol a kolejnic a rychlosti jízdy. Valivý hluk se stává dominantním zdrojem hlukové emise v rychlostech v rozmezí km/h. [16] Obr. 7 Vznik valivého hluku [16] Opotřebení kolejnic Opotřebení lze rozdělit na abrazivní, adhezivní a únavové. Hlavním faktorem ovlivňujícím abrazivní opotřebení je přítomnost pevných částic v kontaktu. Adhezivní 17

18 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ opotřebení je ovlivněno především drsností povrchu kontaktních ploch. Při dostatečné tloušťce třecí vrstvy nemusí k těmto dvěma druhům opotřebení vůbec dojít. Únavové opotřebení vzniká iniciací únavových trhlin. Přítomnost tekutiny v třecí vrstvě má na tento druh opotřebení negativní dopad. Kapalina je vlivem vysokého kontaktního tlaku do trhlin vtlačována a způsobuje jejich další růst. [17] Vlnkovitost kolejnic Vlnkovitost je speciální forma opotřebení kolejnic. Dochází k ní zejména v obloucích malých poloměrů. Rozdílný poloměr oblouku způsobuje rychlé mikro-prokluzy vnitřního kola dvojkolí označované jako Stick-slip. Tento jev způsobuje vlnkovitost povrchu temena hlavy kolejnic (obr.8 vpravo). Stick-slip jevu je možné účinně zabránit dosažením pozitivního tření (obr.8 vlevo). [18] Obr. 8 Stick-slip efekt (vlevo), vlnkovitost kolejnic (vpravo) [50] 3.3 Modifikace tření v kontaktu kola a kolejnice Látky v kontaktu kola a kolejnice se rozdělují na látky přirozeně se vyskytující a záměrně aplikované. Do látek přirozeně se vyskytujících řadíme běžné kontaminanty jako listí, vodu prachové částice, částice opotřebení, oxidy vzniklé na povrchu kolejnice atd. Látky záměrně aplikované se souhrnně označují jako látky pro modifikaci tření a dělíme je do třech základních skupin. [4] Látky poskytující vysoký součinitelem tření (VHPF) Nejstarší a nejpoužívanější látkou pro zvýšení součinitele tření je písek. Pískování se provádí při kluzkých podmínkách (výskytu kriticky nízkého součiniteli tření), které vznikají např. kontaminací povrchu kolejnic vodou nebo listím. Při pískování se z důvodu bezpečnosti nebere příliš ohled na negativní jevy (prašnost, hluk, opotřebení aj.), které pískování doprovází. [8] Látky poskytující střední součinitelem tření (HPF) Aplikací HPF látek lze dosáhnout střední hodnoty tření (0,3-0,4). Jejich další důležitou vlastností je poskytování pozitivního tření. [10] Tyto látky rozdělujeme na: TOR modifikátory tření (dále jen TOR-MT) TOR maziva TOR tuhé kompozice 18

19 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Díky rozdílným mechanismům mazání jednotlivých látek, spadají TOR-MT a TOR tuhé kompozice na Stribekově křivce do režimu mezního mazaní, zatímco TOR maziva se mohou nacházet jak v režimu mezního mazání, tak režimu smíšeného mazání (obr.9). [4] Obr. 9 Režimy mazání Stribekova křivka, η viskozita maziva, n otáčky (rychlost vozidla), P kontaktní tlak (nápravové zatížení), Λ parametr mazání Látky poskytující nízký součinitel tření (LCF) LCF látky snižují součinitel tření až pod hodnotu 0,1. Řadí se sem např. maziva na okolky. [18] 3.4 TOR-MT 3.4 TOR-MT byly poprvé představeny v roce [19] Jedná o směsi na vodní bázi s příměsí pevných částic. Voda po aplikaci vysychá a zbylé pevné částice vytváří suchou třecí vrstvu na molekulární úrovni. Tato vrstva modifikuje tření na střední hodnotu a poskytuje pozitivní třecí charakteristiku. [4] Složení Přibližné složení TOR-MT lze zjistit z online dostupného patentu [20]. Základní médium (40-95 % váhy) slouží pouze k transportu ostatních složek směsi do místa kontaktu kola a kolejnice. Jako základní médium se používá výhradně voda. Zahušťovadlo (1-10 % váhy) je substance schopná absorbovat vodu, díky čemuž celá směs nabobtná. Nabobtnané částice vytvoří na povrchu kolejnice tzv. matrici, která je schopna udržet ostatní složky směsi na povrchu kolejnice i po opakovaném přejetí vozidla. Matrice dále poskytuje homogenního rozložení všech složek TOR-MT v kontaktu. Množství zahušťovadla je klíčovým prvkem, který ovlivňuje dobu výdrže TOR-MT na povrchu kolejnice a vzdálenost, po kterou bude roznesen. Jako zahušťovadla se používají jíly, jejichž hlavními představiteli jsou montmorilonitický jíl (bentonit) a kasein. 19

20 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Částice pro modifikaci tření (5-40 % váhy) zajišťují střední hodnotu tření a pozitivní tření. Velikost a množství těchto částic má velký vliv na výsledné vlastnosti TOR-MT. Velikost částic se pohybuje mezi 1-2 µm. Částicemi pro modifikaci tření jsou obvykle minerální částice nebo oxidy jako např. křemičitan hořečnatý (mastek), mletý křemen, břidlicový prášek, uhličitan vápenatý, oxid zinečnatý atd. Pevné mazivo (5-10 % váhy) významně snižuje součinitel tření. Jedná se o látky s nízkou smykovou pevností. Nejčastěji používanými látkami jsou disulfid molybdenu (MoS2) a grafit. Látka zvyšující smáčivost (max. 2 % váhy) snižuje povrchové napětí směsi. To má za následek její lepší přilnavost na povrch kol i kolejnic. Touto látkou je např. nonylfenoxypolyol. Ostatní přísady slouží např. pro snížení teploty tuhnutí nebo zabránění stárnutí směsi. KŘEMIČITAN HOŘEČNATÝ NONYLFENOXYPOLYOLU DISULFID MOLYBDENU HLINÍK BENTONIT VODA Graf 1 Příklad složení TOR-MT (hodnoty v %) [20] On-board aplikace TOR-MT se může aplikovat dvěma způsoby. Prvním způsobem je aplikace pomocí zařízení umístěném na palubě vozidla tzv. on-board jednotky. Většina on-board jednotek pracuje na principu nástřiku směsi TOR-MT se s tlačeným vzduchem (obr.10 vlevo). Po celou dobu průjezdu problémovým úsekem tratě je tato směs tryskou nanášena na povrch temena hlavy kolejnice (obr.10 vpravo). Výjimku tvoří on-board jednotka SKF EASY RAIL AIRLESS, která pomocí pístu pouze vytlačuje TOR-MT na povrch běhounu kola. [1] Obr. 10 Nástřik dávky TOR-MT(vlevo) [23], různá hustota dávky nanesené směsi během jízdy [48] 20

21 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ On-board jednotka se běžně skládá z řídící jednotky, mazacího agregátu, kompresorové stanice, rozvodu aplikované směsi, děliče směsi a trysek (obr.11). Pneumatické čerpadlo mazacího agregátu vytlačí do směšovače dávku TOR-MT. Zde je TOR-MT smíchán se vzduchem a tato směs je dále vedena rozvodem mazací směsi do děliče a následně aplikována skrze trysky na povrch kolejnic. [21] Činnost on-board jednotky je zcela automatická. Pro automatickou a efektivní aplikaci TOR-MT je potřeba zajistit přesné určení polohy vozidla na trati, díky níž může být TOR-MT aplikován s dostatečným předstihem. K určení polohy může sloužit systém GPS. Ten ovšem není pro ztráty signálu vhodný např. v metru nebo v husté městské zástavbě. V těchto případech se využívá technologie RFID. Tento systém určování polohy se skládá ze čtečky a kalibračních bodů neboli tzv. tagů. [22] Čtečka je umístěna na palubě vozidla a při jízdě detekuje tagy umístěné před problémovými oblouky. Při jejich detekování (přejetí) je zahájena automatická aplikace. Obr. 11 On-board jednotka firmy TRIBOTEC [21] Trysky on-board jednotky mohou být na soupravě umístěny na třech různých místech. První možností je umístění za poslední nápravou posledního vozu (obr.12). Tato varianta byla vyvinuta pro japonské metro v Tokiu. Koncepce systému spočívá v tom, že vždy při průjezdu problematickým obloukem je TOR-MT z konce soupravy aplikován na povrch kolejnic, kde následně samovolně vysychá. V japonském metru byl TOR-MT použit za účelem redukce vlnkovitosti, a proto zde bylo zvoleno aplikování pouze na vnitřní kolej oblouku. TOR-MT tedy neovlivňuje adhezi vozidla, na kterém je on-board jednotka umístěna, ale po jeho vyschnutí je vytvořena modifikovaná třecí vrstva pro následující vozidla (obr. 12). [23] Obr. 12 Schéma mazacího systému s tryskou umístěnou na posledním vozidle [23] 21

22 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Další variantou je umístění trysek on-board jednotky před první nápravou vedoucího vozu (obr. 13 vpravo). Aplikovaný TOR-MT vysychá pod tlakem přejíždějících kol. Tuto variantu umístění trysek on-board jednotky využívá např. firma SKF. [1] Třetí možností, která se využívá převážně v nákladní železniční dopravě, je umístění trysek on-board jednotky za hnacími nápravami. To znamená na konec lokomotivy nebo nad první nápravu prvního vagónu (obr.13 vlevo). TOR-MT tak nemůže negativně ovlivnit trakci. Tento systém nabízí firma LB FOSTER pod názvem AUTOPILOT. [24] Obr. 13 On-board jednotka umístěná nad první nápravou vagónu AUTOPILOT (vlevo) [24], schéma on-board jednotky s tryskami umístěnými před první nápravou vedoucího vozu (vpravo) [1] Při linkovém provozu stačí, když je on-board jednotka umístěna pouze na některých soupravách, které modifikovanou vrstvu pravidelně obnovují. Počet souprav s on-board jednotkou na lince se odvíjí od hustoty provozu a od doby výdrže TOR-MT na povrchu kolejnice. Doba výdrže je doba, po kterou dokáže TOR-MT efektivně modifikovat tření a tato doba lineárně klesá s počtem přejetých vozidel (náprav). Jako ukazatel doby výdrže slouží poměr laterální a vertikální síly (L/V) v kontaktu. [25] Čím je tento poměr větší, tím se doba výdrže a efekt TOR-MT snižuje, až do jeho spotřebování. Z (Obr.14) je vidět, že po přejetí dvanácti vozidel se L/V již nemění, což znamená, že TOR-MT byl spotřebován. Obr. 14 Závislost L/V na počtu projetých vozů [25] 22

23 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Moderní on-board jednotky dokáží pro zajištění bezpečnosti okamžitě snížit aplikované množství při zaznamenání prokluzu. K detekci prokluzu využívají měření změn spotřeby proudu v trakčních motorech. [26] Dále poskytují výhodu údržby a doplnění TOR-MT v depu a nezabírají prostor v okolí tratě, což bývá ve městech a metru častý problém. [1] On-board jednotka naopak vyžaduje pro svou instalaci prostor na palubě vozidla, což může být někdy problematické. Na palubě vozidla jsou jednotka i samotný TOR-MT chráněny vůči okolním vlivům (teplota, vlhkost atd.). [4] Aplikované množství u on-board aplikace Z obr. 9 vyplývá, že výsledný součinitel tření pro TOR-MT by neměl být náchylný na aplikované množství (tloušťku třecí vrstvy), a proto by zde nemělo být vysoké riziko případného předávkování a výskytu kriticky nízkého součinitele tření. [18] Zvolené aplikované množství se liší pro konkrétní produkty a ovlivňuje jej mnoho faktorů. Mezi tyto faktory patří např. rychlost jízdy, délka problémového oblouku, velikost nápravového zatížení, poloměr oblouku (úhel náběhu kol), okolní podmínky atd. [12] Při testování produktu KELTRACK a měření výsledné hodnoty tření na modelu plnohodnotného vlakového kola, byl zjištěn pouze zanedbatelný rozdíl mezi dávkou aplikovanou po 50 projetích kola a po 250 projetích kola. Ovšem při 500 projetích kola byl již efekt TOR-MT minimální. [27] Podobný jev byl pozorován i při testování (opět KELTRACKU) na dvoudiskovém zařízení. Mezi dávkou 1 s a 0,4 s nebyl zaznamenán žádný rozdíl. Ovšem výsledná adheze obou těchto dávek byla příliš nízká. Jako optimální se jevila dávka 0,2 s, která také poskytovala požadovaný tvar trakční křivky (obr.15 vlevo). Při dalším testování dávky 0,2 s se ukázalo, že i při zvyšování časové prodlevy mezi jednotlivými dávkami, dokáže TOR-MT stále účinně poskytovat pozitivní tření, i když jeho vliv na snížení výsledné hodnoty součinitele adheze je již minimální (obr.15 vpravo). [25] Obr. 15 Vliv jednotlivých dávek na adhezi (vlevo), vliv prodlevy mezi aplikacemi dávky 0,2s (vpravo) [25] 23

24 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Off-board aplikace Druhým způsobem aplikace je použití zařízení umístěného stacionárně v problémovém úseku tratě neboli off-board jednotky. Někdy se tento způsob aplikace označuje též jako track-side. Off-board jednotky aplikují TOR-MT na povrch kolejnice v jednom místě (před problémovým úsekem) a TOR-MT je projíždějícím vozidlem následně roznesen po určité vzdálenosti (obr.16). Tato vzdálenost se bude dále označovat jako vzdálenost roznesení. Základní médium (voda) se vlivem tlaku v kontaktu kola a kolejnice vypaří a již 6 m od místa aplikace se vytváří modifikovaná suchá třecí vrstva. [28] Off-board jednotka by měla splňovat tři požadavky. Aby TOR-MT zůstal na povrchu kolejnice až do příjezdu vozidla, dále aby aplikovaná dávka byla efektivně využita bez zbytečných ztrát a také by jednotka měla aplikovat TOR-MT takovým způsobem, aby vzdálenost roznesení byla co největší. [28] Obr. 16 Aplikace TOR-MT pomocí off-board jednotky [1] Zařízení se skládá z řídící jednotky, čerpací stanice, kontrolního systému, aplikačních lišt neboli aplikátorů, rozdělovače a rozvodného systému (obr.17). [21] Kontrolní systém detekuje přijíždějící vozidlo, určí jeho rychlost a spočítá počet náprav. Řídící jednotka poté zvolí optimální aplikované množství TOR-MT neboli čas aplikace každé dávky a četnost těchto dávek. Např. čas dávky 0.75 s na každých 8 projetých náprav. [28] Čerpací stanice potom čerpá TOR-MT rozvodným systémem hadic směrem k aplikátorům, které jsou umístěny symetricky na obou kolejnicích. Obr. 17 Schéma Off-board jednotky, 1- čerpací stanice s řídící jednotkou, 2 - kontrolní systém, 3 - aplikátory, 4 - rozdělovač [1] 24

25 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Největší rozdíl mezi off-board jednotkami je právě v povedení aplikátorů. Nejběžnějším aplikátorem jsou boční aplikační lišty (rail side), které se přichytí z vnější strany kolejí a TOR-MT je kanálky v této liště nanášen na povrch temena hlavy kolejnice (obr.18 vpravo nahoře). Specifický aplikátor nabízí firma SKF pod názvem SLID, který je namontován vně kolejí asi 15 cm od nich a TOR-MT je pomocí trysek,,vystřikován na povrch kolejnice (obr.18 vlevo nahoře). [1] Efektivní možností, jak se vyhnout instalaci aplikátorů je vyvrtání aplikačních otvorů do hlavy kolejnice (obr.18 dole). Obr. 18 Boční aplikační lišta [24] (vpravo nahoře), SLID (vlevo nahoře) [1], aplikační otvory v hlavě kolejnice (dole) [51] Off-board jednotka může být napájena ze sítě anebo nezávisle s využitím solární energie. Výhodou off-board jednotek je, že modifikují tření rovnoměrně pro všechny projíždějící nápravy (vozidla) se stále stejnou efektivitou (dávka na každých 8 projetých náprav). Není zde také nutný zásah do konstrukce vozidla. Za nevýhody těchto jednotek lze považovat špatnou dostupnost pro údržbu a doplnění látky, vystavení okolním vlivům nebo to, že se mohou snadno stát cílem vandalismu. Aplikované množství u off-board aplikace Vzdálenost roznesení je jeden z hlavních faktorů, který ovlivňuje účinnost celé off-board aplikace. Závisí na aplikovaném množství konkrétního produktu a opět také na provozních parametrech (rychlost, počet náprav atd.) a okolních podnímkách (teplota, vlhkost atd.). [28] V publikaci [28] je uvedeno, že po aplikaci KELTRACKU, byly pomocí ručního tribometru zjištěny stopy produktu až 400 m od místa aplikace. Jelikož se jednalo o modifikaci tření na tramvajové lince, takže lze předpokládat, že se jednalo o produkt KELTRACK TRANSIT. Jiný zdroj [29] uvádí, že po aplikaci KELTRACK TRACK SIDE FREIGHT ER a provedení stěru z povrchů kolejnic a následné chemické analýze, nebyly již 70 m od místa aplikace nalezeny žádné chemické stopy produktu. Vizuálně nebylo možné přítomnost TOR-MT rozpoznat již po 5-10 m od místa aplikace. Aplikované množství bylo 1 l / 1000 náprav. Jednalo se o trať v okolí norského Narviku během zimního období. 25

26 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Komerční produkty Již zmiňovaný KELTRACK je produkt od americké společnosti LBFOSTER. Společnost nabízí několik variant tohoto produktu, které jsou určeny pro různé druhy kolejové dopravy. Všechny informace o těchto produktech pochází z webové stránky společnosti. [24] Společným rysem všech produktů je rychlé vysychání, nehořlavost, šetrnost k životnímu prostředí a použitelnost do -16 C. KELTRACK produkty také prokázaly, že nenarušují funkci detekčního kolejového systému při signalizaci přítomnosti vozu na trati. S výjimkou produktu AUTO PILOT a HIRAIL, se všechny ostatní TOR-MT aplikují pomocí off-board jednotky PROTECTOR IV. KELTRACKTRACKSIDE FREIGHT je určen pro nákladní železniční dopravu. Jeho průměrná spotřeba činí 0,5l / 1000 náprav a vzdálenost roznesení se pohybuje mezi 1,6-3,2 km dle podmínek trati. KELTRACKTRACKSIDE FREIGHT ER jedná se opět o TOR-MT pro nákladní železniční dopravu. Oproti předchozímu produktu má vylepšené složení a umožňuje při aplikaci 2x menšího množství (0,25 l / 1000 náprav) efektivní modifikaci tření na dvakrát delší vzdálenosti (3,2-6,4 km). Daní za jeho vylepšené vlastnosti je vyšší cena. KELTRACKTRACKSIDE TRANSIT je určen pro osobní železniční dopravu, zejména pro snížení hlukové emise. Aplikované množství činí 0,5l / 1000 náprav a vzdálenost roznesení je m. Snížení hladiny hluku je udáváno až o 15 db. KELTRACK HIRAIL je navržen pro oblasti s velkou hustotou provozu osobní a nízkotonážní dopravy. Aplikované množství se udává 0,06-0,35 l / 1,6 km a efekt by měl vydržet projetí až tří vlaků. KELTRACK MANUAL TOR jedná se o tekutou verzi tuhé TOR kompozice (HPF Solid Stick) a používá se tam, kde je on-board aplikace nevyhovující. KELTRACK AUTO PILOT se používá výhradně pro aplikaci pomocí on-board jednotky AUTOPILOT. Další americkou společností nabízející TOR-MT je LORAM, která nabízí dva produkty. TOR-FM je určen pro on-board aplikaci a jedná se o světle zelenou tekutinu s mírným zápachem. Může se používat po celý rok i při teplotách pod 0 C a je snadno biologicky odbouratelný. [30] TOR H20x HV je určen pro off-board aplikaci a jedná se o viskózní tmavě šedou tekutinu. Udávaná vzdálenost roznesu produktu je více než 1,6 km. [31] Benefity Jedním z nejvýznamnějších benefitů aplikace TOR-MT je snížení hlukové emise. TOR-MT (konkrétně KELTRACK) redukuje hlukovou emisi o všech frekvencích (obr.20). Z obrázku je dále zřejmé, že pro snížení vysokofrekvenční hlukové emise je nejefektivnější současné použití TOR-MT jak pro oblast TOR (low rail), tak současně i na okolky (both rail). Při měření hlukové emise různých druhů kolejové dopravy (tramvajová, metro a nákladní) se také prokázalo, že TOR-MT snižuje hladinu hlukové emise u všech testovaných druhů dopravy v průměru o asi 10 dba (obr.19). [32] 26

27 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Obr. 19 Pokles hluku při aplikaci TOR-MT pro různé druhy dopravy [32] Obr. 20 Snížení hluku při aplikaci pouze v TOR oblasti (low rail) a v TOR oblasti současně s okolky (both rails) [32] Dalším důležitým benefitem je efektivní snížení vlnkovitosti kolejnic. Laboratorní testy dokazují, že TOR-MT dokáže spolehlivě poskytovat pozitivní tření. [19,23] Data z reálného provozu tyto předpoklady potvrzují. Z obr.21 je patrné, že po skončení aplikace TOR-MT, se vlnkovitost kolejnic prudce zvýšila. [33] Obr. 21 Vlnkovitost kolejnic měřená v oblouku metra v Bilbau [33] 27

28 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ TOR-MT také snižuje adhezivní i abrazivní opotřebení kol i kolejnic. Laboratorní testy, potvrzené údaji z reálného provozu ukazují, že aplikací TOR-MT lze snížit toto opotřebení až o %. [27] Na obr.22 jsou znázorněny rozdíly mezi novou kolejnicí (první zleva) a dvěma kolejnicemi po sto tisíci přejetích, kdy na jedné byl aplikován TOR-MT (prostřední) a na druhé nikoliv (první zprava). Navíc TOR-MT také prokázal, že nemá negativní vliv na růst únavových trhlin. Toto pozitivum je připisováno absenci tekuté složky v třecí vrstvě. Potvrzují to i zprávy z provozu nákladní železniční dopravy v Severní Americe. [18] Obr. 22 Opotřebení - (zleva) nová kolejnice, s TOR-MT, suchá kolej [27] 3.5 TOR tuhé kompozice TOR tuhé kompozice byly vyvinuty jako první TOR produkty v roce [34] Tuhé TOR kompozice vytváří suchou třecí vrstvu stejně jako TOR-MT. Pevné částice se však do kontaktu kola a kolejnice nedostávají pomocí základního média, ale odíráním kompozicové tyčinky přímo o povrch běhounu kola (obr.24 vlevo). [18] Složení Přibližné složení vychází z online dostupného patentu [35]. Polymerové médium (20-80 % váhy) slouží jako základní nosný prvek kompozice, který v sobě drží pohromadě další složky. Pro tyto účely se používají různé druhy termosetové pryskyřice (epoxidová, polyuretanová aj.). Pevné mazivo (5-20 % váhy) slouží pro snížení hodnoty součinitele tření. A nejčastěji se používají disulfid molybdenu nebo grafit. Částice pro modifikaci tření (15-60 % váhy) zajišťují požadovanou hodnotu adheze a pozitivní tření. Používají např. křemičitan hořečnatý (mastek), mletý křemen, uhličitan vápenatý atd. 28

29 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Aplikace a aplikované množství Tuhé TOR kompozice jsou aplikovány ve formě tuhých kompozicových tyčinek přímo na běhoun kola (obr.23). To znamená, že tuhé TOR kompozice se aplikují výhradně on-board způsobem pomocí aplikačních zařízení, které najdeme dvojího typu. Obr. 23 Kompozicová tyčinka [36] Nejběžnějším typem zařízení je pružinový mechanismus, kterým je kompozicová tyčinka přitlačována na povrch běhounu kola (obr.24 vlevo). Dávkování nelze žádným způsobem řídit nebo přerušit. Na druhou stranu se ovšem jedná o jednoduchý a prostorově nenáročný způsob aplikace. Druhý typ zařízení (vyvinutý společností MPL INNOVATIONS) využívá pneumatického pístu ovládaného stlačeným vzduchem. Toto zařízení je již technicky složitější, ale umožňuje řízení a případné přerušení aplikace (obr.24 vpravo). [36] Obr. 24 Pružinové zařízení (vlevo), Pístové zařízení (vpravo) [52] Komerční produkty HPF SOLID STICK je produktem firmy LBFOSTER. [24] TOP-STICK pro použití v kombinaci pístovým aplikačním systémem společnosti MPL INNOVATION [36] μstick-tor je produkt od německé společnost MBM Industry & Rail Tech GmbH [37] Bližší informace o jednotlivých produktech nejsou k dispozici, ale lze předpokládat, že všechny produkty jsou si navzájem svým složením i vlastnostmi velice podobné. 29

30 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Benefity Výrobce LBFOSTER uvádí pro svůj produkt HPF SOLID STICK snížení hlukové emise až o 10 dba. Dále také říká, že oproti ostatním látkám pro modifikaci tření, nemůže u tohoto produktu dojít k výskytu kriticky nízkého součinitele tření. [24] Publikace [34] uvádí, že TOR tuhé kompozice dokázaly u městské hromadné dopravy ve Vancouveru odstranit vlnkovitosti kolejnic. Při jejich použití nedochází ke kontaminaci okolí tratě i samotného vozidla. Proto se jsou vhodné do uzavřených dopravních systémů jako např. metro. [35] Je ovšem potřeba zmínit, že jsou náchylné na přítomnost pevných kontaminantů. Pokud se tyto kontaminanty dostanou mezi běhoun kola a kompozicovou tyčinku, tak výrazně snižují efektivitu mazání a mohou způsobit i abrazivní poškození. 3.6 TOR maziva V kolejové dopravě se pod pojmem TOR maziva rozumí neschnoucí produkty na olejové bázi, které vytváří tekutou třecí vrstvu (mazací film). TOR maziva se mohou dále dělit na TOR tekutá maziva, TOR plastická maziva, TOR hybridní maziva (na olejové i vodní bázi). [4] Složení Hlavní složkou všech maziv je základový olej. Oleje TOR maziv musí být biologicky odbouratelné. Nejčastěji se proto používají syntetické esterové oleje, ale setkáváme se i rostlinnými oleji (kukuřičné, sójové atd.). Konkrétním příkladem může být propylenglykol (1,2-propanediol), který se vyrábí pomocí fermentace kukuřičného cukru. [38] Další složkou maziv jsou aditiva, která se přidávají za účelem zlepšení vlastností základového oleje, zejména jeho třecích schopností a životnosti. Aditiva můžeme mít tekutá nebo na bázi pevných částic. Plastická maziva obsahují navíc zpevňovadla, jejichž přidáním přestane být základový olej kapalný a změní se v mast. Používají se kovová mýdla na bázi lithia, sodíku, vápníku nebo tzv. komplexní mýdla, které tvoří bentonity a polyuretany. Konzistence maziv je normována prostřednictvím NLGI tříd 000, 00, 0, 1, 2 až 6. Čím vyšší je číslo třídy, tím je mazivo tužší. [39] Na obr. 25 je uveden příklad složení TOR tekutého maziva. Obr. 25 Příklad složení TOR maziva [53] 30

31 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Aplikace TOR maziva se aplikují naprosto identicky jako TOR-MT pomocí off-board a on-board jednotek. TOR mazivo používá i např. Dopravní podnik hlavního města Prahy (DPP). Komplexní informace o jejich aplikaci a zkušenostech z provozu poskytl Mgr. Martin Doubek. Hlavním důvodem jejich aplikace v Praze je snížení hlukové emise v úsecích, kde jsou hlášeny četné stížnosti obyvatel (zpravidla oblouky malých poloměrů). DPP má v současné době 9 tramvají 15 T vybavených on-board jednotkami (cílový stav je 25 tramvají). Tramvaj v problémových obloucích aplikuje TOR mazivo na temeno hlavy vnější i vnitřní kolejnice a modifikuje tření jak pro sebe, tak i pro následující tramvaje. Povel k dávkování maziva je dán ve vzdálenosti 1 m před začátkem oblouku o poloměru menším než 30 m a dále každých 25 m, pokud se vozidlo nachází stále v oblouku. Trysky on-board jednotek jsou umístěny před prvními nápravami soupravy a z výšky 3 cm aplikují na temeno hlavy kolejnice TOR mazivo, kterým je HEADLUB 90. Z důvodu kolejových křížení DPP požaduje přesné určení polohy vozidla na trati s tolerancí 2 m. Této přesnosti nebylo pomocí systému GPS dosaženo. Proto DPP využívá pro určení polohy systém EMA, který je založen na technologii RFID. Tato technologie je ovšem využita jiným způsobem než v případě japonského metra. Tagy jsou umístěny po celé délce tratě s maximálním rozestupem 1500 m. Z tagů je poté vytvořena digitální mapa traťové sítě (obr.26). S využitím této digitální mapy a tachografu vozidla, umí systém EMA při přejezdu tagu spočítat přesnou polohu vozidla na trati s tolerancí 0,1 m. Tento systém určování polohy je ovšem poměrně nákladný pro potřebu instalování velkého počtu tagů a je také náročný na správu, kvůli sběru dat k vytvoření digitální mapy traťové sítě. [22] Obr. 26 Upravený manipulační podvozek pro digitalizaci tramvajových tratí [22] Kuriozitou DPP je provoz mazací tramvaje č neboli,,mazačky. Jde o speciální technologické vozidlo vyrobené v Opravně tramvají DPP, které je určené pro mazání kritických úseků. Tramvaj je vybavena jak tryskami pro mazání TOR oblasti, tak i tryskami pro mazání okolků. Využívá se zde opět HEADLUB 90. Řidič plně zodpovídá za celý proces mazání a určuje aplikované množství, rychlost vozidla, oblast aplikace (TOR, okolky, obě současně), začátek a konec mazání. Pro poskytnutí 31

32 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ účinné modifikace tření v nejvytíženějších úsecích je potřeba, aby mazací tramvaj v těchto úsecích aplikovala TOR mazivo každé 3 hodiny. Aplikované množství Z obr.9 vyplývá, že při smíšeném režimu mazání dochází k výraznému poklesu součinitele tření. Režim mazání závisí především na aplikovaném množství TOR maziva, které ovlivňuje tloušťku třecí vrstvy (v tomto případě tenkého mazacího filmu). Proto jsou TOR maziva citlivá na aplikované množství a předávkování. [4] Publikace [40] pojednává o vlivu blíže nespecifikovaného TOR maziva na prodloužení brzdné dráhy tramvaje. Byly provedeny 3 zkoušky při aplikovaných množstvích 1, 2, 4 g / kolej. Měření ukázala, že optimálním množstvím z hlediska adheze se zdá být 1 g / kolej, při kterém téměř nedošlo k prodloužení brzdné dráhy. Naopak už při mírném zvýšení množství na 2 g / kolej došlo k výraznému prodloužení brzdné dráhy o více než 10 m. Obdobných výsledků bylo dosaženo i při testování hybridního TOR maziva (TOR ARMOUR), kdy bylo pomocí ručního tribometru zjištěno, že výsledná hodnota tření silně je závislá na aplikovaném množství a může snadno dojít k výskytu kriticky nízkého součinitele tření. V souladu s těmito výsledky jsou i zprávy z německých železnic, kde se rovněž potýkali s problémy při brždění po aplikaci blíže nespecifikovaného TOR maziva. [14] Jiná publikace naopak uvádí, že při testech i velmi vysokého aplikovaného množství (0,68 l /1000 náprav) nebyl pozorován žádný výraznější vliv na brzdění. Jednalo se zde o těžkotonážní nákladní dopravu. Tento výsledek je v publikaci vysvětlován tím, že nákladní vlaky hojně používají špalíkové brzdy, ve kterých je TOR mazivo při brzdění,,spotřebováno. [18] Naprosto rozdílné zkušenosti jsou ovšem uváděny DPP při použití HEADLUBU 90. Jeho spotřeba se pro jednu tramvaj 15 T pohybuje mezi g / 1000 km. Spotřeba TOR maziva u mazací tramvaje se udává dokonce až 10 l / 1200 km. DDP uvádí, že při testech předávkování nebyly ani i při pětinásobné aplikované dávce pozorovány žádné problémy se ztrátou adheze. V tab.1 jsou ukázkové parametry on-board aplikace, které uvádí výrobce HEADLUBU 90. Jedná se o demonstrativní příklad aplikace HEADLUBU 90 v oblouku délky 67 m při předpokládané rychlosti jízdy 30 km/h. Důležitou informací z tab.1 je, že optimální (teoretická) tloušťka mazacího filmu by měla být 0,25 µm. Doba nástřiku a aplikované množství pro jednu trysku se samozřejmě odvíjí od délky konkrétního oblouku a rychlosti průjezdu tímto obloukem. Šířka ošetřeného povrchu Normální rychlosti vozidla v oblouku Doba nástřiku 30 mm 30 km/h 8 s Množství pro jednu trysku 0,5 cm 3 Délka tekuté třecí vrstvy Ošetřená plocha 2 m 2 Tloušťka filmu (teoretická) 0,25 µm Tab. 1 Příklad parametrů on-board aplikace HEADLUBU 90 [26] 67 m (8 s při 30 km/h) 32

33 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Komerční produkty TOR maziva nesoucí již zmiňované označení HEADLUB, jsou výrobky švýcarské společnosti IGRALUB. Níže uvedené informace pochází z webových stránek společnosti [41]. Rozdíly mezi jednotlivými variantami produktů jsou v jejich způsobu aplikace (off-board/on-board) a v jejich konzistenci. Všechny HEADLUB produkty jsou na bázi esterového oleje. Obsahují vybrané, chemicky ošetřené pevné částice, které díky svému sklonu ke slučování a iontovým činidlům urychlují zjemňování povrchu mezi temenem hlavy kolejnice a povrchem kola. Mohou být použita v rozmezí teplot -30 C do +100 C. HEADLUB je TOR tekuté mazivo o NLGI třídě 0/00. Může být aplikováno ručně nebo nástřikem pomocí on-board jednotek. HEADLUB 90 je TOR plastické mazivo NLGI třídy 0. Vzhledově se jedná o šedou pastu s vysokým obsahem hliníku (30 % váhy). Je určen pro on-board aplikaci postřikem hlavy kolejnice. Aplikované množství je udáváno 0,5 cm 3 / 67 m. Výrobce uvádí bezpečnost i při desetinásobném předávkování. HEADLUB TS-1-1 je TOR plastické mazivo NLGI třídy 1 určené pro off-board jednotky. Udávané aplikované množství je 0,3 l / 1000 náprav a vzdálenost roznesu je více než 1 km. Společnost WHITMORE nabízí produkty, které označuje jako TOR-MT, avšak podle složení se jedná o TOR maziva. Všechny tyto produkty jsou určeny pro off-board aplikaci. PF-35 je TOR tekuté mazivo. Neobsahuje žádné rozpouštědla, vodu ani kovová aditiva. Jeho základ tvoří rafinovaný bílý minerální olej. [42] RAILGUARD je TOR plastické mazivo. Nabízí se ve třech variantách (lehká, střední, těžká) pro různé druhy kolejové dopravy. Vzhledově se jedná o viskózní černou tekutinu. Výrobce uvádí použitelnost již od -18 C a vzdálenost roznesení 1,5 km. [43] TOR ARMOUR vybočuje z řady ostatních TOR maziv, protože jde o mazivo na bázi glykolu a vody. Jedná se tedy o TOR hybridní mazivo. [18] Vzhledově jde o šedou pastu (obr.27). Může se používat při teplotách mezi -10 C až 60 C. Vzdálenost roznesení uvádí výrobce až 5 km. Aplikované množství se liší v závislosti na druhu dopravy. Pro nákladní dopravu je uváděna hodnota 0,3 l / 1000 náprav a pro osobní dopravu 0,175 l / 1000 náprav. [44] Obr. 27 TOR ARMOUR po aplikaci [14] 33

34 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Německá společnost FUCHS má ve své nabídce rovněž dvě TOR maziva. TRAM SILENCE je TOR plastické mazivo. Jedná se o vysoce viskózní šedočernou pastu na bázi rostlinného oleje. Je určeno především pro snížení hluku a aplikaci pomocí off-board jednotek. [45] TRAM SILENCE 00 je tekutá varianta předchozí pasty. Může být použita v on-board i off-board jednotkách. Aplikované množství se udává mg / m koleje. [45] Další společností nabízející TOR maziva je texaský LORAM, který má ve svém portfoliu pouze jeden produkt. TOR-CL je TOR tekuté mazivo na bázi synteticko-organického oleje. Vzhledově se jedná o bezbarevnou tekutinu. Jedna aplikační dávka činí 0,120 l / 60 náprav. Je určen pro aplikaci pomocí on-board jednotky. Redukuje hluk až o 20db. [46] Další německá společnost LUBCON nabízí produkt pro TOR aplikaci. I zde se vyskytuje chyba výrobce, který tento produkt nesprávně označuje jako TOR-MT. SINTONO TERRA HLK je TOR tekuté mazivo na bázi esterového oleje s příměsí pevných kovových částic. [47] Benefity Aplikací TOR maziv může být dosaženo snížení hlukové emise. Důkazem jsou např. data o měření hluku v nejproblémovějších úsecích v Praze před a po projetí mazací tramvaje (obr.28). V průměru se v těchto úsecích snížila hluková emise až o 14 db. TOR mazivo zde bylo aplikováno současně v TOR oblasti i na okolcích. Obr. 28 Data o měření hluku v problémových úsecích v Praze [54] 34

35 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Další zprávy z Německa od Hamburger Hochbahn AG potvrzují snížení hlukové emise při použití produktu TRAMSILENCE 00, ovšem konkrétní hodnoty nejsou k dispozici. [48] Jiné výsledky uvádí již zmiňovaná publikaci [40], kde při použití množství (1 g / kolej) blíže nespecifikovaného TOR maziva, nebylo dosaženo výraznějšího snížení hlukové emise. Snížení se projevilo až při větších dávkách, které již ovšem měly negativní vliv na brzdění. O vlivu TOR maziv na snížení opotřebení a vlnkovitosti, nejsou bohužel k dispozici téměř žádné informace. Samotné poskytování pozitivního tření není u TOR maziv prokázáno. V publikaci [49] byl sice po aplikaci TOR maziva výskyt pozitivního tření zaznamenán, jednalo se však pouze o laboratorní test na dvojdiskovém zařízení a pozitivní tření bylo posléze zjištěno i bez přítomnosti TOR maziva. Tento test proto nemůže být brán jako průkazný. Dále je nutné zmínit, že další laboratorní testy prokázaly, že TOR maziva mají negativní vliv na únavové opotřebení kolejnic (obr.29). [18] Tyto výsledky jsou v souladu s teorií, že tekutá třecí vrstva, kterou TOR maziva vytváří, může urychlovat růst únavových trhlin. Obr. 29 bez TOR maziva po cyklů (vlevo), s TOR mazivem po cyklů (vpravo) [18] 35

36 DISKUZE 4 DISKUZE Ze získaných poznatků plyne, že modifikací tření na střední úroveň v TOR oblasti lze redukovat hlukovou emisi a opotřebení. Střední úrovně tření se dosahuje aplikací HPF látek, které dělíme do tří skupin. TOR-MT (modifikátory tření) TOR maziva TOR tuhé kompozice Zásadní rozdíl mezi TOR mazivy a TOR-MT spočívá v tom, že TOR-MT jsou schnoucí produkty na vodní bázi, kdežto TOR maziva jsou produkty s olejovým základem, které vytváří tenký tekutý mazací film. [4] V tomto rozdělení se často vyskytují nesrovnalosti mezi výrobci a akademickou obcí. Výsledkem toho je, že poměrně velké množství produktů je nesprávně označováno výrobci jako TOR-MT, i když se podle složení jedná o TOR maziva. Může to být způsobeno neznalostí výrobců anebo se může jednat o marketingový tah. Mezi špatně označené produkty patří např. RAILGUARD, TOR ARMOUR, PF-35 (WHITMORE) a SINTONO TERRA HLK (LUBCON). [42,43,44,47] Vlastnosti HPF látek (i konkrétních produktů) se odvíjí od jejich složení. Jedinými zdroji popisující obecné složení těchto látek jsou online dostupné patenty. [20,35,38,50] Bohužel o složení konkrétních komerčně dostupných produktů nejsou k dispozici žádné podrobnější informace. TOR maziva i TOR-MT prokazatelně snižují hlukovou emisi. [32,48,54] Zajímavým poznatkem zde také je, že pro efektivnější snížení hlukové emise se je vyplatí aplikovat současně v TOR oblasti i na okolcích. [32,54] Pouze však jen u TOR-MT je prokázáno poskytování pozitivního tření, které zabraňuje vlnkovitosti kolejnic. [19,23,33] Zdali i TOR maziva poskytují pozitivní tření prokázáno není. [49] Navíc nejsou k dispozici žádné dostupné informace o vlivu TOR maziv na opotřebení a vlnkovitost kolejnic. U TOR maziv bylo také zjištěno, že mohou díky vytváření tekuté třecí vrstvy (mazacího filmu) způsobovat urychlení růstu únavových trhlin. [18] Naopak TOR-MT růst únavových trhlin nezpůsobuje a prokazatelně snižuje adhezivní i abrazivní opotřebení kol i kolejnic. [27,18] TOR-MT TOR maziva TOR tuhé kompozice Hluková emise ANO (10dBA) ANO (14dBA) ANO (10dBA) Opotřebení Vlnkovitost Adhezivní Abrazivní Únavové ANO ANO ANO ANO NE?? NE ANO ANO NE ANO Tab. 2 Snížení různých problémových aspektů kontaktu kola a kolejnice pro jednotlivé HPF látky HPF látky se aplikují dvěma způsoby: On-board (zařízení je umístěno na palubě vozidla) Off-board (zařízení je umístěno stacionárně v problémovém úseku tratě) 36

37 DISKUZE Jaký způsob aplikace je vhodnější, závisí především na druhu kolejové dopravy (obr.30). [1] Efektivita on-board aplikace se odvíjí od počtu přejetých náprav (počet vozidel), doby výdrže látky na povrchu kolejnic (doba efektivní modifikace tření) a délky intervalu (doba nebo počet přejetých náprav), po kterém je modifikovaná třecí vrstva znovuobnovena. [25] On-board aplikace se tedy využívá s oblibou u linkové dopravy (tramvaje, metro), kde stačí on-board jednotkami vybavit pouze některé soupravy. Dalšími výhodami je servis v depu, ochrana jednotky i látky před vlivy okolního prostředí a možnost bezpečné regulace aplikovaného množství. [1,4,26] Obr. 30 Způsoby aplikace pro jednotlivé druhy kolejové dopravy [1] Off-board aplikace je vhodná pro modifikaci tření v jednom problémovém úseku tratě. Díky způsobu aplikace (např. dávka 0,75 s na každých 8 projetých náprav) nezávisí efektivita off-board aplikace na počtu přejetých náprav (vozidel). [28] To je vhodné zejména pro problémové úseky hlavních koridorů, kterými projíždí dlouhé nákladní vlaky (velký počet náprav, velké vertikální síly). Efektivita off-board aplikace se odvíjí především od vzdálenosti, po kterou je látka roznesena. [28] Výrobci uvádí pro své produkty hodnoty vzdáleností roznesení, kterých by mělo být při doporučeném dávkování dosaženo (tab. 3). V praxi se však tyto hodnoty mohou výrazně lišit. Při použití KELTRACKU (pravděpodobně šlo o KELTRACK TRANSIT) byly zjištěny stopy produktu 400 m od místa aplikace, což odpovídá hodnotě udávané výrobcem. [28] Ovšem při aplikaci KELTRACK FREIGHT ER nebyly 70 m od místa aplikace nalezeny žádné chemické stopy produktu. Navíc bylo aplikováno 2x větším množství, než uvádí výrobce. [29] Je proto pravděpodobné, že zde byl TOR-MT ovlivněn nízkou okolní teplotou. On-board Produkt Množství Produkt Off-board Množství l / náprav Tab. 3 Aplikované množství pro konkrétní produkty udávané výrobci (fialová TOR-MT, Oranžová TOR maziva) [24,41,44,45,46] Vzdálenost roznesení Keltrack Hirail 0,35 l / 1,6km Kelt. Freight 0,5/1000 1,6-3,2 km Headlub90 0,5 cm 3 / 67 m Kelt. Freight ER 0,25/1000 3,2-6,4 km TOR-CL 0,12 l / 60 Kelt. Transit 0,5/1000 0,2-0,5 km Tramsilence 00 náprav. 1 g / 100 m Tor Armour 0,3/1000 < 5km 37