Rychlá železniční osobní doprava

Transkript

1 Ing. Jiří Pohl Rychlá železniční osobní doprava Obsah: 1. Realita konvenčních železnic. Příležitost pro železnice 3. Tratě pro rychlou osobní dopravu 4. Vozidla pro rychlou osobní dopravu Siemens Kolejová vozidla s.r.o., Realita konvenčních železnic 1

2 Rychlá osobní doprava 1. století: Konvenční železnice nestačí konkurovat automobilům a letadlům (důsledek: železnice zajišťuje v ČR jen 6% přepravních výkonů osobní dopravy) Vývoj dopravy v 19. a 0. století Přepravní výkony Letecká doprava Silniční doprava? Železniční doprava ?

3 Česká republika roční přeprava cestujících (mil.) přeprava v ČR mil. osob / rok % frekvence jízd občana jízd / den Železnice 183,0 3,7 0,05 Autobusy 387,7 7,8 0,11 Letadla 6,7 0,13 0,0018 Lodě 1,1 0,0 0,0003 MHD 38,0 45,0 0,61 IAD 160,0 43,4 0, , ,36 Železnice Autobusy Letadla Lodě MHD IAD Česká republika roční přepravní výkon (mil.os km) přepravní výkon v ČR mil. os km / rok % délka jízdy občana za den km / den Železnice 6 9 6,3 1,9 Autobusy ,7,6 Letadla ,3,8 Lodě 13 0,01 0,004 MHD ,3 3,7 IAD , ,1 Železnice Autobusy Letadla Lodě MHD IAD 3

4 Česká republika Železnice v roce 004 (celostátní průměr) na jeden vlak připadá 60 cestujících průměrný traťový dopravní tok je 80 osob/h na 1 cestujícího připadá 5 míst k sezení s 1 cestujícím je přepravováno,7t hmotnosti vozidla každé místo v osobním voze je denně obsazeno cestujícím jen 1, hodiny jízdné kryje jen ⅓ nákladů dopravce => železnice pracuje pod optimem svých možností Závislost nákladů na výkonech Náklady [Kč] Letecká doprava Silniční doprava Železniční doprava Železnice: nízké variabilní náklady vysoké fixní náklady => náležité vytížení je nutnou podmínkou hospodárnosti Tržby [Kč] Přepravní výkony 4

5 Efektivita dopravního systému Náklady Efektivita Efektivita = Výkony Náklady Náklady Oblast optima Tržby, Přepravní výkony Realita 1. století - intenzivní kvalitativní a kvantitativní rozvoj silniční dopravy, - intenzivní kvalitativní a kvantitativní rozvoj letecké dopravy v rychlé meziměstské (dálkové) osobní dopravě nedokáže železnice s vozidly ze 0. století a na tratích s 19. století konkurovat silniční a letecké dopravě s technologiemi 1. století 5

6 ale jde to i jinak: příklad Izrael růst přepravy cestujících od roku 1990 do současnosti na více než desítinásobek 35 Přepravní výkony v osobní přepravě odhadováno 34 miliónů cestujících 007 p oč e t c e s t u j íc íc h v m il ió n e c h Příklad úspěšné železnice Příčiny úspěchu železnic v Izraeli: oddělení současnosti od minulosti (staré zaniklo, nové vzniklo): - nové tratě odpovídající současným potřebám, - nová vozidla odpovídající současným potřebám. 6

7 . Příležitost pro železnice Evropské železnice ve 1. století Dvě možnosti: A) Útlumový scénář Železnice s infrastrukturou z 19. století a s vozidly ze 0. století neobstojí v konkurenčním střetu se silniční a leteckou dopravou 1. století. B) Rozvojový scénář Železnice s infrastrukturou 1. století a s vozidly 1. století má svoji pozici na přepravním trhu 7

8 Výzvy pro moderní železnici Nákladní doprava - odlehčit přetížené silnice a dálnice od dálkové nákladní dopravy - šetřit energii (železniční nákladní doprava je 3 až 4krát energeticky hospodárnější než silniční doprava) - nahradit spotřebu uhlovodíkových paliv (automobily, lodě) elektřinou Osobní doprava orientace na pravidelné a silné přepravní směry: - příměstská doprava - regionální doprava - meziměstská doprava (slabé a nepravidelné dopravy přenechat operativnějším automobilům) Dopravní politika Evropské unie negativní vlivy Silnice Požadovaný trend Současnost nehody poškozování přírody obtěžování obyvatelstva efektivita Současnost Železnice Požadovaný trend zatížení zatížení Výchozí stav: Síť je přetížena Síť je nevyužita => negativní vlivy => nízká efektivita Cílový stav: Rozumně zatížené silnice Rozumně zatížené železnice zatížit nevyužité železnice, odlehčit přetížené silnice a dálnice 8

9 Potenciál železnice Možnosti železniční dopravy: snížit energetickou náročnost dopravy (mobility) snížit závislost mobility na kapalných uhlovodíkových palivech (náhrada ropy snáze zajistitelnou elektrickou energií) Mobilita společnosti (nevnímání prostoru) Člověk je ochoten denně cestovat tam a zpět zhruba x 1 hodinu - cca 5 km po městě (IAD, MHD) v = 5 km/h (1) - cca 50 km v rámci regionu (vlak, autobus) v = 50 km/h () - cca 100 km mezi dvěma městy (vlak, IAD) v = 100 km/h (3) - cca 1000 km po Evropě (letadlo) v = 1000 km/h (4) vzdálenostem přizpůsobujeme rychlost přepravy Rychlost (km/h) ,1h 1h (4) (1) () (3) 10h Vzdálenost (km) 9

10 Vliv odporu prostředí Vysoká rychlost pohybu vyvolává vysokou energetickou náročnost Spotřeba energie k překonání odporu prostředí je úměrná. mocnině rychlosti 1 Fa = ρ Cx S. v Dalším důležitým faktorem je specifická hmotnost prostředí: ρ = 1, kg/m 3 F a lodě ρ = 1000 kg/m 3 osobní automobil autobus krátký vlak vysokorychlostní jednotka letadlo ρ = 0,3 kg/m 3 0 Předností letadel je pohyb ve vysokých letových hladinách, tedy v prostředí se řídkým vzduchem v Aerodynamika Základní energetické přednosti kolejové dopravy: - ocelová kolej a ocelová kolejnice nízký valivý odpor (má význam zejména u pomalých vlaků) - schopnost tvořit vlak (více vozidel za sebou) nízký aerodynamický odpor (má význam zejména u rychlých vlaků). 10

11 Aerodynamika Výhoda železnice proti automobilu: schopnost tvořit vlak za jednou čelní plochou je dopravováno mnoho řad cestujících Letadla Nevýhoda letectví na krátké vzdálenosti Vlivem velkých ztrátových časů před odletem a po příletu je výsledná střední přepravní rychlost výrazně menší než rychlost letu. Ztráty však odpovídají druhé mocnině rychlosti letu. A A = f(v stř ) A = f(v letu ) v stř vletu = vletu T0 1+ L v stř v letu v 11

12 Letecká doprava na krátké vzdálenosti Lety na krátké vzdálenosti: výsledná cestovní rychlost je na úrovni pozemních dopravních prostředků, ale spotřeba paliva je úměrná rychlosti letu (900 km/h) letadlo - krátké lety F a lodě ρ = 1000 kg/m 3 osobní automobil autobus krátký vlak vysokorychlostní jednotka letadlo dlouhé lety 0 v Energetická náročnost mobilty Vlivem odporu prostředí roste energetická náročnost mobility s rychlostí dopravy porovnání dopravních systémů kwh místo km Měrná spotřeba energie Loď Automobil Letadlo (přepravní rychlost centrum centrum, krátké lety) Železnice Vysokorychlostní železnice k g ( a + cv ) e = m1 η 3, Rychlost v [km/h] 1

13 Závislost dopravy na kapalných uhlovodíkových palivech doprava jako celek lodě letadla 95% kapalná uhlovodíková paliva jen kolejová doprava má alternativu za kapalná uhlovodíková paliva (58% těžby) automobily kolejová doprava elektřina Výhled do blízké budoucnosti Přichází druhá polovina ropného věku intenzita těžby limituje intenzitu spotřeby vzniká eskalace cen kapalných paliv, která je nutná k vytvoření rovnováhy k vyrovnání nabídky s poptávkou Intenzita spotřeby [Gb/a] 30 snížení poptávky vysokou cenou spotřeba cena 0 10 těžba zvýšení těžby vysokou cenou 0 13

14 Vývoj trhu s ropou USD/barel Mb/d leden 04 duben 04 červenec 04 říjen 04 leden 05 duben 05 červenec 05 říjen 05 leden 06 duben 06 červenec 06 říjen 06 leden 07 duben 07 červenec 07 říjen 07 leden 08 Měsíc Cena v USD Těžba Spotřeba Přírodní ropa 1 barel (159 litrů) ropy: náklady na těžbu USD prodejní cena (008) USD (cca 10 Kč/litr) Úhel pohledu na těžbu ropy: kvůli ropě se lže, krade a zabíjí A) očima ekonoma B) očima geologa (Hubert, 1955) C) očima historika t t t 14

15 Systematika dopravních úloh v (km/h) 300 Meziměstská - nové tratě Max. rychlost 00 Příměstská Meziměstská - konvenční tratě 100 Metro Regionální Kyvadlová 0 Tram 0, L (km) Střední vzdálenost zastávek Oblasti osobní kolejové dopravy Doprava maximální rychlost v MAX [km/h] vzdálenost zastávek L Z [km] měrný výkon k [kw/t] pohon bezbariérovost Pouliční (tramvaj) 50 0,5 15 E ano Městská dráha (metro) E ano Příměstská E ano Regionální D (E) ano Kyvadlová E (D) ano Meziměstská E (D) ne Vysokorychlostní E ne 15

16 Moderní železniční osobní doprava - příměstská doprava pro železnici zvládnutelná úloha (železnice má výhodu rychlého průjezdu předměstím, neboť zástavba respektovala její trasu město obklopilo železnici) - regionální doprava pro železnici zvládnutelná úloha (železnice má výhodu početné klientely let formovala urbanizaci regionu, nyní proto prochází osou osídlení) - zvládne však železnice (v konkurenci se silniční a leteckou dopravou) i rychlou dálkovou (meziměstskou) přepravu osob? Má co nabídnout? Dostupnost dopravního prostředku (terminálu) Ztrátový čas před jízdou (letem) a po jízdě (letu) bude z objektivních důvodů vždy v relaci: T z silnice < T z železnice < T z letectví (nádraží je dál než parkoviště, ale blíž než letiště) To určuje strategii železnice na přepravním trhu: cestovní rychlost železniční dopravy musí být výrazně vyšší, než rychlost silniční dopravy, aby železnice vyrovnala svoji horší dostupnost čím vyšší bude rychlost železniční dopravy, tím bude větší vzdálenost, kterou zvládne železnice dříve než letadlo (nepříznivě ovlivněné svojí ještě horší dostupností) 16

17 Rychlá meziměstská doprava Kratší vzdálenosti: vlaky na železnici musí jezdit rychleji, než automobily na dálnicích - to aby kompenzovaly horší dostupnost nádraží, než parkoviště. A také proto, aby nabídly cestujícím něco navíc cestující musí mít motiv, proč nepoužít automobil. Delší vzdálenosti: vlaky na železnici musí jezdit co nejrychleji, aby nepromarnily své objektivní výhody ve srovnání s letectvím těmi jsou snazší dostupnost nádraží ve srovnání s letištěm a jednodušší procedury před odletem. T (h) Tradiční železnice: Kritérium: doba přepravy dlouhá základní doba (dlouhé intervaly) nízká rychlost Moderní železnice: krátká základní doba (krátké intervaly) vysoká rychlost tradiční železnice silnice T p... celková doba přepravy T z... základní doba T d... doba dosažitelnosti místa odjezdu T T j... doba jízdy T i... interval L... vzdálenost v... rychlost Ti = Tz + T j = Td + p + L v letadlo dt = (100km/h) dl 1 moderní železnice dt = (300km / h) dl 1 oblast optimálního použití železnice L (km) 17

18 Kritérium: doba přepravy Výsledná doba přepravy 10 8 čas (h) vzdálenost (km) automobil na silnici automobil na dálnici autobus na silnici autobus na dálnicii rychlík na konvenční železnici rychlík na modernizované železnici rychlík na vysokorychlostní trati letadlo (krátké lety) Rychlá dálková (meziměstská) železniční doprava Dálková doprava: železnice musí jezdit rychle. - Dokáží to tratě? - Dokáží to vozidla? 18

19 3. Tratě pro rychlou osobní dopravu Tradiční železniční tratě Současné hlavní tratě byly postaveny před zhruba 150 lety. V té době: - nebylo mnoho finančních prostředků, - nebyly k dispozici moderní stavební technologie a technika, - byly nízké nároky ze strany vozidel (vozidla byla z dnešního pohledu nevýkonná a pomalá). trať se přizpůsobila terénu oblouky o malém poloměru (tehdy rychlost neomezovaly a proto provoz nijak nekomplikovaly) 19

20 Osobní železniční doprava dopravní cesta Konkurence (silniční doprava, letecká doprava): soudobá technika (1. století) Železnice: tratě postavené v letech Trasování železnic bylo v 19. století podmíněno vlastnostmi tehdejších vozidel velmi malé podélné sklony (slabé lokomotivy) oblouky o malém poloměru (dříve nevadilo tehdy se jezdilo pomalu) Dnešní situace: tratě mají (zejména z hlediska osobní dopravy) zbytečně malé sklony malé poloměry oblouků nepříjemně limitují rychlost jízdy Železnice s traťovými oblouky z 19. století poloměr 00 sáhů (380 m) mezní rychlost: bez převýšení v = 3,6 an R = 3,6 0, = 57 km/h s maximálním převýšením h = 150 mm (a = a p + a n = 0,98 + 0,65 = 1,63 m/s v = 3,6 a R = 3,6 1, = 90km/h To je pro hlavní trať velmi málo 0

21 Konvenční hlavní trať R > 400 m, s 10 Pokud možno: železnice objíždí přírodní překážky základní pravidlo: nepřekročit dovolený sklon nástroj: mnohé oblouky výsledek: nízká rychlost, dlouhá trasa Konvenční tratě (stavěny před 150 lety s minimální mechanizací) Nejsou všechny stejné, záleží na konfiguraci terénu: rovinaté tratě v údolích velkých řek => velké poloměry oblouků, po modernizaci je možná rychlost až 00 km/h v prakticky původní ose trati tratě v pahorkatinách => oblouky o poloměru cca 400 m limitují rychlost jízdy na cca 100 km/h Modernizace a odstranění oblouků je nákladná (v podstatě se části trati staví znovu) 1

22 Rychlosti v obloucích V = 3,6. (a. R ) 0,5 v [ k m / h ] bez převýšení převýšení 100 mm převýšení 180 mm a zvýšené nevyrovnané zrychlení R [m] převýšení 150 mm převýšení 150 mm a zvýšené nevyrovnané zrychlení převýšení 150 mm a naklápění vozových skříní Traťové oblouky Železniční trať lze uvést do výborného stavu (kvalitní železniční svršek, přesná geometrie koleje včetně vybroušení do úplné roviny, vyšším rychlostem odpovídající zabezpečovací zařízení, odstranění úrovňových silničních přejezdů, úprava nástupišť, ). Ale co s oblouky? Na cestující, na vozidlo i na trať působí při průjezdu oblouky odstředivá síla, odpovídající odstředivému zrychlení: a o = v / R Roste s druhou mocninou rychlosti (tedy progresivně) a lze ji snížit: - větším poloměrem oblouku (R), - kompenzací (naklopením roviny koleje stavebním převýšením) a n = a o - a h

23 Limity příčného nevyrovnaného zrychlení - pohodlí cestujícího, - namáhání vozidla příčnými silami, - namáhání tratě příčnými silami, - bezpečnost proti překlopení (zejména v kombinaci s bočním větrem), - bezpečnost proti vykolejení (Y/Q), - náklon vozidla dodržení obrysu. Vozidlo v oblouku - bez převýšení a o = a n v a n = konst g 0 R odstředivé zrychlení působí na cestujícího, není vyrovnáváno příčné nevyrovnané zrychlení: v an = ao = R dovolená rychlost pro průjezd obloukem: železnice a = 0,65m / s v = 3,6. 0,65. R =,90 R tramvaje a = 0,80m / s v = 3,6. 0,80. R = 3, R železnice (nový trend)... a = 0,98m / s v = 3,6. 0,98. R = 3,56 R 3

24 Vozidlo na koleji bez převýšení a p g Vozidlo v oblouku s převýšením a n s a o a p h rozchod: e = mm vzdálenost styčných kružnic:. s = mm maximální přípustné převýšení: h MAX = 150 mm v a o = R převýšení kompenzuje část odstředivého zrychlení, na vozidlo a trať působí jen nevyrovnaná složka: a n = a o a h 150 příčné převýšením vyrovnané zrychlení: a p =. g =.9,81 = 0,98m / s. s 1500 dovolená rychlost pro průjezd obloukem: v = 3,6. a. R = 3,6. ( an + a p ). R p 4

25 Železnice v p = ( an + a p ). R = 3,6. (0,65 + 0,98). R = 3,6. 1,63. R = 4, 6 R převýšení o 150 mm umožňuje zvýšit rychlost jízdy o 58% v v p 4,6. =,9. R R = 1,58 POZOR: NE VŽDY JE MOŽNO POUŽÍT PŘEVÝŠENÍ 150 MM: vlaky jezdí do stoupání pomaleji než po spádu nákladní vlaky jezdí pomaleji než osobní Na stojící vlak působí složka: h a p =. g = 0,98m / s s! a p g Vozidlo v oblouku s převýšením - rychlost průjezdu je menší než optimální: výsledná síla naklání vůz dovnitř do oblouku - rychlost průjezdu je optimální: převýšení kompenzuje příčné zrychlení výsledná síla směřuje kolmo k podlaze vozu - rychlost průjezdu je větší než optimální výsledná síla naklání vůz ven z oblouku 5

26 Volba převýšení: kompromis Stavební převýšení v obloucích musí vyhovovat všem vlakům, které v daném úseku jezdí nejen rychlým, ale i pomalým. Důsledek: Pokud je trať projížděna i pomalými vlaky, nemůže být stavební převýšení voleno tak, aby optimálně vyhovovalo nejrychlejším vlakům (pak by byly pomalu jedoucí vlaky příliš nakloněny dovnitř do oblouku). rychlost jízdy rychlých vlaků je omezena nízkou dovolenou rychlostí v obloucích (v důsledku nevyužití plných hodnot převýšení), při stavbě trati musí být pro umožnění jízdy určitou traťovou rychlostí požity oblouky o větším poloměru, než jakby tomu bylo v případě využití plných hodnot převýšení. Rychlost v oblouku s převýšením v h = 150 mm h = 100 mm h = 50 mm h = 0 mm 0 00 R h a p a n a v MAX mm m/s m/s m/s km/h (R=00m) km/h (R=400m) % 0 0 0,65 0, % 50 0,33 0,65 0, % 100 0,65 0,65 1, % 150 0,98 0,65 1, % 6

27 Zvýšení rychlosti při průjezdu obloukem o 30% R = 380 m v = km/h 1. řešení zvýšení poloměru oblouku v v R = = R = 1,3 380 = 1, = 640m a v R 1,69 R Výhoda: pro všechna vozidla trvale Nevýhoda: drahé prostorové (územní) problémy Zvýšení rychlosti při průjezdu obloukem o 30% R = 380 m v = km/h. řešení náklon skříně naklápěcí zařízení nakloní příčník o 8 do oblouku deformace pružin nakloní skříň o 1,5 z oblouku výsledek: 6,5 náklon kompenzuje uvnitř vozu boční zrychlení x ( α ) = 9,81 tg( 8 1,5 ) = 9,81 tg6,5 1,1m / s a = g tg β = β výsledné boční zrychlení: a = a + a + a = 1,1 + 0,98 + 0,65 =,75m / s x p n α rychlost průjezdu obloukem: v = 3,6 a R = 3,6, = 116km / h 7

28 Aktivní naklápění Výhody: osa koleje se nemění zvýšení rychlosti při průjezdu obloukem (až o 30%) Nevýhody: týká se jen takto vybavených vozidel užší skříň (méně prostoru pro cestující) nutno vychylovat sběrač zpět pod trolej silové působení kolo / kolejnice F = m Σa n Tradiční vozidlo : F = m a = m 0,65m / s n,7krát víc Vozidlo s naklápěcí skříní : F ( a + a ) = m ( 1,1 + 0,65 ) = m 1,77m / s = m n α vozidlo musí být lehké (ne t, ale zhruba jen 14 až 16 t na dvojkolí) trať musí odolávat zvýšeným bočním silám Naklápění vozové skříně Zvýšení rychlosti průjezdu obloukem naklápění vozové skříně Princip: přímá trať oblouk 1) Přirozené (α = 3,5 ) závěs skříně nad těžištěm (řetízkový kolotoč) ) Nucené hydraulické elektrické (podobná úloha: stabilizátor hlavně tanku) - naklápěcí zařízení nakloní příčník o 8 do oblouku - deformace pružin nakloní skříň o 1,5 z oblouku celkové naklopení skříně do oblouku 6,5 Naklopením vyrovnaná složka zrychlení: α = 6,5 a = g. tgα = 9,81. tg6,5 = 1,1m / s α α 8

29 Vozidlo s naklápěním v oblouku s převýšením a α a p g a n s a o a α a p α a h celkové odstředivé zrychlení: = α an + a p + a = 0,65 + 0,98 + 1,1 =,75m / s v dovolená rychlost: = α v a. R = 3,6. ( an + a p + a = 5, % 05% 158% 100% R h = 150 mm α = 6,5 h = 150 mm h = 0 mm 00 R Výhody: - osa koleje se nemění - Zvýšení rychlosti při průjezdu obloukem (až o 30%) Nevýhody: Efekt naklápění působí pouze uvnitř vozu (na cestujícího), nikoliv ve styku kolo/kolejnice. výsledné nekompenzované zrychlení (namáhání vozidla a tratě): a ' a + a = 0,65 + 1,1 1,77 m / s n = n α = tato síla namáhá trať musí odolávat zvýšeným bočním silám štěrk F = m. a n ' vozidlo musí být lehké most hmotnost na nápravu: m 1 14 až 15 t nikoliv lokomotivy, ale jednotky s distribuovanou elektrickou výzbrojí 9

30 Aktivní naklápěcí technika Požadavky / nevýhody: náležitě silné a rychlé servopohony regulace reagující na právě projížděnou trať aktivní příčné vypružení ( vrací vůz do osy koleje ) zamezení naklápění sběrače (propojení s podvozkem nebo opačně naklápěný suport) část naklápění se spotřebuje na kompenzaci náklonu vozu odstředivou silou (náklon kolébky o 8 se projeví náklonem skříně jen 6,5 ) 1,5 8 Vozidlo s naklápěním v oblouku s převýšením - rychlost průjezdu optimální převýšení a naklopení kompenzuje příčné zrychlení působící uvnitř vozu výsledná síla směřuje kolmo k podlaze vozu - rychlost průjezdu vyšší než optimální výsledná síla naklání vůz ven z oblouku 30

31 Aktivní naklápěcí technika Skříň vozu zúžena (aby nepřesahovala přes obrys) Vliv četnosti oblouků na zvýšení technické rychlosti vozidel s naklápěcími skříněmi v r /v [%] Vedlejší tratě 130% Hlavní tratě 100% Teoretická hodnota: v n k. v = λ + k.(1 + λ) =L R /L [%] λ 31

32 Přínosy: je-li v oblouku rychlost o 30% větší, pak se celková doba jízdy zkrátí o: 0% na rovných tratích, 5% na tratích převážně rovinatých, 10-15% na tratích horských (s mnoha oblouky) Trať je však více namáhána, neboť vyšší rychlosti odpovídá (účinkem druhé mocniny) větší odstředivé zrychlení. Vlastní naklápění nemá na síly mezi vozidlem a tratí žádný vliv. Nepříznivý dopad velkých příčných zrychlení zmírňuje jen nižší hmotnost vozidla (F = m. a) Řešení dálkové dopravy na konvenčních tratích Převažují rovinaté úseky Jednotky bez naklápění vozových skříní Převažují úseky s oblouky Jednotky s naklápěcí skříní Přednosti: vyšší rychlost v obloucích Nedostatky: - dražší - hmotnější (zhruba 1,1 t/sedadlo při jen 10 kw/t) a jen 0,4 m/s ) - více namáhají tratě - složitější, náročnější na údržbu - užší skříň (méně prostorný interiér) 3

33 Hodnocení jednotek s naklápěcími skříněmi Ano tam, kde přinesou nějaký významnější efekt: a) Podstatné zkrácení výsledné jízdní doby, b) Zkrácení systémové jízdní doby na hodnotu umožňující pravidelný takt (T i = k. 60 minut). Jejich užití nemá logiku tam, kde nepřinesou znatelný efekt (na tratích s převažujícími přímými úseky) Nový trend Projíždění oblouků poněkud vyšší rychlostí i bez použití naklápěcí techniky základem je skutečnost, že cestující (zejména sedící v pohodlném sedadle) vydrží více, než tradičních 0,65 m/s (100 mm chybějícího převýšení). zvýšení příčného nevyrovnaného zrychlení až na 0,98 m/s (150 mm chybějícího převýšení) v ČR nyní na 0,85 m/s (130 mm chybějícího převýšení), zvýšeným silám přizpůsobit trať, zvýšenému zrychlení přizpůsobit vozidlo (silové působení, obrys zvýšený náklon) 33

34 Průjezd obloukem Oblouk o poloměru 300 m s převýšením 150 mm (a k = 0,98 m/s ) Konvenční vozidlo: v = 3,6. a. R = 3,6. (0,98 + 0,65).300 = 80km / h (100%) Moderní vozidla a tratě: v = 3,6. a. R = 3,6. (0,98 + 0,98).300 = 88km / h Jednotka s naklápěcí skříní: (110%) (100 %) v = 3,6. a. R = 3,6. (0,98 + 0,65 + 1,1).300 = 103km / h (130%) (118 %) Zvýšení bočního nevyrovnaného zrychlení u konvenčních vozidel z 0,65 na 0,95 m/s snižuje přínos naklápěcí techniky ze 30 na 18 %. Průjezd obloukem Vyšší rychlost při průjezdu obloukem Konvenční vozidla: a n = 0,65 m/s (h n = 100 mm) Moderní podvozky: a n = 0,98 m/s (h n = 150 mm) Naklápěcí technika (8/6,5 ): a n = 0,65 + 1,1 = 1,77 m/s (h n = 70 mm) Z důvodu omezení namáhání tratě příčnými silami: F = a r. m 1 musí být vozidla lehká (nízká hmotnost na dvojkolí) => jednotky s distribuovaným trakčním pohonem (rovnoměrně rozložená hmotnost) a trať zesílena, neboť pokles hmotnosti není tak velký, jako nárůst příčného zrychlení dochází ke zvýšenému silovému namáhání 34

35 Tunely Pozitivum: Tunel umožňuje vést trať přímo a rovně i ve zvlněném terénu to je zjevný přínos pro vysoké traťové rychlosti. Negativa: - Vysoké náklady na výstavbu, - zvyšování nebezpečnosti mimořádných situací, - zvyšování aerodynamické složky jízdního odporu a tím i spotřeby energie, - zvýšené namáhání vozidel tlakovými vlnami, - zvýšená úroveň vnitřního hluku, - potíže s ventilací prostoru pro cestující i technických zařízení. Bezpečný stav Vývoj názorů na bezpečný stav 1. Tradiční železnice: Vlak musí spolehlivě zastavit okamžitým (rychločinným) brzděním Záchranná brzda (absolutně fungující),. Vysokorychlostní železnice (1990) Cestující má možnost použít záchrannou brzdu, ale strojvedoucí má možnost jeho povel negovat a vlak zastavit až na bezpečném místě (vně tunelu, mostu, ), 3. Vysokorychlostní železnice (008) Vozidlo musí být řešeno tak, aby dokázalo dojet do bezpečí a přitom aby byly zajištěny jeho základní funkce (využití redundance) Analogie: v letadle též není záchranná brzda. Bezpečné není letadlo v průběhu letu zastavit, bezpečné je s letadlem správně přistát na letišti. 35

36 Zvýšení aerodynamické složky jízdního odporu v tunelu k tunelový faktor Otevřená trať: k t = 1 Tunel: k t = f(s v / S t ) p o ( ) 0 tunel otevřená trať p ot = a + k t c v p o = a + c v v (km/h) nevratná ztráta energie CEN TS Požární ochrana kolejových vozidel Provozní třída 1 Vozidla nejsou řešena pro provoz v tunelu - max. délka tunelu 1 km, - tunely činí max. 10 % délky tratě, - boční evakuace je kdykoliv možná. Provozní třída Vozidla jsou řešena pro provoz v tunelu s boční evakuací a s dosažením bezpečného místa v krátkém čase - vlak dosáhne místo, kde lze provést evakuaci do max. 4 minut a max. 5 km, - boční evakuace je kdykoliv možná. Provozní třída 3 Vozidla jsou řešena pro provoz v tunelu s boční evakuací a s dosažením bezpečného místa v dlouhém čase - vlak dosáhne místo, kde lze provést evakuaci do max. 15 minut a max. 0 km, - boční evakuace je kdykoliv možná. Provozní třída 4 Vozidla jsou řešena pro provoz v tunelu bez boční evakuace, ale s dosažením bezpečného místa v krátkém čase 36

37 CEN TS Požární ochrana kolejových vozidel Úroveň rizika Kategorie standardní automatický dvoupodlažní lůžkové vozidla N A provoz D S Provozní třída 1 HL 1 HL 1 HL 1 HL HL HL HL HL 3 HL HL HL HL 3 4 HL 3 HL 3 HL 3 HL 3 Úroveň rizika HL 1 až HL 3 určuje požadavky na konstrukční materiály (hořlavost, kouřivost, toxicita, ) i na konstrukční řešení (konstrukční uspořádání, evakuační opatření, vytvoření požárních úseků, zachování funkcí, elektrická zařízení, ) Tlakové vlny Jedoucí vlak způsobuje tlakové vlny zejména čelní a koncovou. Okolní vzduch uvádí vlak do stavu proudění vzduch dostává indukovanou rychlost. Tyto jevy ohrožují osoby a předměty kolem tratě, proto musí být zachován určitý bezpečný odstup od rychle jedoucího vlaku. Tlaková vlna působí na protijedoucí míjené vlaky. V otevřené krajině se tlaková vlna rozptyluje do stran, v tunelu nikoliv, proto je výrazně vydatnější. 37

38 Tlakové vlny v tunelu Rychle jedoucí vlak vyvolává tlakovou vlnu V otevřené krajině se tlaková vlna rozptyluje do stran V tunelu se nemůže tlaková vlna šířit do stran a proto se pohybuje podélně kmitá mezi oběma portály Grafikon průjezdu vlaku a tlakových vln tunelem konec tunelu L délka tunelu přetlaková vlna podtlaková vlna čelo vlaku konec vlaku začátek v v v = 0, v zv zv tunelu 0 čas T 38

39 Tlakotěsnost a tlakopevnost Při míjení vlaků (i na otevřené trati) a při průjezdu tunelem vzniká přetlaková a podtlaková vlna (zhruba Pa při 50 km/h). Vlak vyvolá tlakovou vlnu, která v tunelu kmitá rychlostí zvuku mezi oběma jeho portály. V průběhu jízdy tunelem ji vlak několikrát potká. Nejhorší případ je potkávání vlaků ve dvoukolejném tunelu amplitud talkové vlny je až +/ Pa Cestující snáší tlakové změny do 500 Pa za sekundu, před strmějšími změnami tlaku je nutno cestující chránit => tlakotěsný vůz Tlakotěsnost vyvolává vysoké namáhání vozové skříně, oken a dveří. Například při míjení vlaků v tunelu (p = 7 kpa) působí síly: - bočnice (70 m ): F = p. S = = 490 kn (50 t), - okno (1 m ): F = p. S = 7. 1 = 7 kn (700 kg), - dveře ( m ): F = p. S = 7. = 14 kn (1 400 kg), Namáhání vozové skříně tlakotěsného vozu +p p e p i 0 t - p Tlakotěsnost vyvolává tlakopevnost a tlakotuhost 39

40 Tlaková ochrana Normální atmosférický tlak 760 mm Hg ~ mm H O ~ 1 atm ~ Pa ~ hpa Člověk je přizpůsobivý poměrně širokému rozmezí tlaku, ale nesnáší prudké změny. Mezní hodnoty změny tlaku ve voze: 500 Pa (0,5%) za 1 s 800 Pa (0,8%) za 3 s Pa (1%) za 10 s Tlakové rázy: vjezd do tunelu míjení vlaků Nepříjemné jsou při rychlostech nad 160 km/h Tlaková ochrana Pasivní Při náhlé změněn tlaku se uzavírají vstupy a výstupy vzduchu z interiéru do okolí. => ventilační systém přechází na 100% recirkulaci => ve voze stoupá koncentrace CO Aktivní Činností vstupního a výstupního ventilátoru je ve voze udržován stálý tlak. Pro oba způsoby je podmínkou tlakotěsná vozová skříň skříň je řešena jako tlaková nádoba (pro přetlak respektive podtlak například Pa) a musí mít pevná okna, dokonale těsněné dveře (stlačeným vzduchem rozpínané těsnění), utěsněné průchody kabelů a potrubí, vakuové WC, sifonové uzávěry v odpadní vodě a zmíněnou tlakovou ochranu systému klimatizace. 40

41 Člověk vydechuje CO : Q CO = 0,0 m 3 /h Člověk - produkce CO Potřeba čerstvého vzduchu: komfort: 0,1% koncentrace QCO 0,0 3 Qč = = = 0m / h k 0,001 mezní stav: % koncentrace QCO 0,0 3 Qč = = = 1m / h k 0,0 Vliv bočního větru zejména na vysokých náspech a mostech - tlak větru na bočnici - vztlak větru na střechu zhoršují stabilitu vozidla vůči překlopení V oblouku působí v superpozici s odstředivou silou Paradox druhé mocniny ( F 1. v ~ ρ c S y y.. ) => roste průmět síly v příčném směru => rychle jedoucí vozidlo je horší než stojící => šikmý vítr je horší než kolmý v = v x + v y Nejméně příznivé: - vysoký násep nebo most v oblouku Řešení: - ochranné stěny - monitorování rychlosti větru => omezení rychlosti jízdy 41

42 Náhrada tunelu otevřenou tratí snížení investičních nákladů snížení požárních rizik (CEN TS ) snížení rizik při ostatních mimořádných situacích zrychlení výstavby snížení spotřeby energie snížení vnitřního hluku Zvládnutí velkých sklonů staticky velkým měrným výkonem k = 0 kw/t p o = 1 + 0,0001 v v = 00 km/h 3,6 k s = f p = v g v 3, ( a + c ) = ( 1+ 0, ) = 36,7 5, ,81 00 F s ( ) F=m.g.s F t (v 1 ) F t (v )=F o (v ) F o (v 1 ) 0 v 1 v v v (km/h) 4

43 Zvládnutí velkých sklonů staticky velkým měrným výkonem Skutečné hodnoty vysokorychlostní jednotky sv diagram vysokorychlostní jednotky na ote vře né trati 40 stoupání (promile) rychlost (km /h) Náhrada tunelu trasou přes vrchol (dlouhé stoupání) standardní trasa Zvýšení aerodynamických ztrát tunelem je nevratné vysokorychlostní trasa 00 km/h potenciální energii lze rekuperovat 30 43

44 Schopnost vlaku překonávat rozdíly výšky měrný výkon 0kW/t k 0 v = = = g 9,81 m / s v h = 00 m T = 100s vlak jedoucí rychlostí 300 km/h má energii odpovídající výšce: 0,5 ξ v 0,5 1,1 300 h = = = 389m g 3,6 9,81 Virtuální výška jedoucího vlaku výška (m) rychlost (km/h) 44

45 Úspora nákladů při stavbě trati univerzální trať (s max 10 ) trať pro vysokorychlostní vozidla (s max 40 ) 40 Periodické změny kinetické a potenciální energie Zvládnutí velkých sklonů dynamicky náběhem (kinetickou energií) 1 1 Ek = ξ. m. v1 Ek = ξ. m. v 1 1 Ek = Ek Ek = ξ. m.( v1 v ) 1 E = m. g. h = m. g. s. L p v = 300km / h 1 ξ ( v1 v h = g h L = = s 74 0,04 v = 1850m = 70km / h ) 1,1.( = 3,6..9,81 ) = 74m => kinetická energie umožňuje vlaku překonat terénní vlny s = 40 s = -40 v 300 km/h 70 km/h m + m ξ = r = 1, 1 m t 45

46 Vysokorychlostní trať R > m, s 40 Velké sklony umožňují zkrátit délku drahých staveb: mostů a tunelů přímé vedení terénem základní pravidlo: žádné oblouky o malém poloměru nástroj: velké sklony výsledek: vysoká rychlost, krátká trasa Tlakotěsné vozidlo (odolné rázům ± 7kPa) optimalizace průřezu tunelů Optimalizovaná trať ICE 3 na vysokorychlostní trati Köln - Frankfurt 46

47 Rychlostní profil trati Köln - Frankfurt Úspora náročnosti staveb použitím velkého sklonu Trať s maximálním sklonem 1,5 => převládají mosty a tunely Trať s maximálním sklonem 40 => méně mostů a tunelů 47

48 Poloměr oblouku (v = 300 km/h) Smíšený provoz konvenční vlaky h s = 100 mm h n = 100 mm h + h e s n a g 9,81 = = = 1,31 m / s v 300 = = = 5300 m a 3,6 1,31 R Vysokorychlostní provoz speciální vlaky h s = 170 mm h n = 150 mm h + h e v 300 = = = 3350 m a 3,6,09 R s n a = g = 9,81 =,09 m / s Optimalizace trati a vozidel Potenciál úspor investičních nákladů na výstavbu tratí použitím moderních vozidel, speciálněřešených pro provoz na vysokorychlostních tratích: menší zatížení dvojkolí menší poloměry oblouků větší sklony kratší mosty kratší tunely úspornější průřez tunelu (tlaková odolnost vozidla) úspornější protipožární opatření na straně tunelu (požární odolnost vozidla) 48

49 Společné řešení Trať Napájení Zabezpečení Vozidlo Dopravní hledisko Dopravní výkonnost: Původní trať Smíšený provoz Původní a nová trať Příčina poklesu dopravní výkonnosti: Souběh rychlých a pomalých vlaků (nerovnoběžný grafikon) 49

50 Investiční hledisko Náklady na výstavbu: Smíšený provoz Vysokorychlostní provoz Úspory výhradně vysokorychlostním provozem: menší poloměry oblouků větší sklony kratší mosty kratší tunely méně dopraven redundance Konkurenceschopnost s automobilovou dopravou Zajištění atraktivity osobní železniční dopravy: vlak musí jet podstatně rychleji než automobil - Je nutno kompenzovat horší dostupnost nádraží a menší operativnost hromadné dopravy - Je nutno vytvořit (a nabídnout cestujícím) bonus navíc Standard automobilové dopravy na dálnicích: Cestovní rychlost km/h Konvenční železniční tratě (traťová rychlost km/h): Lze dosáhnout cestovní rychlosti km/h, tedy vyrovnat, ale nikoli výrazně překonat silniční dopravu Vysokorychlostní železniční tratě (traťová rychlost km/h): Lze dosáhnout cestovní rychlosti kolem 00 km/h, tedy výrazněji překonat silniční dopravu 50

51 Evropská síť rychlých železnic Evropská železniční síť vzniká zespoda s nejvyšší prioritou vznikají vnitrostátně důležité tratě s velkou poptávkou po přepravě, až následně jsou propojovány mezi sousedními státy. To je opačné pojetí, než myšlenka tranzitních koridorů některých evropských struktur úkolem státu je zajistit cestující ze svého území, ne jen převážet cizí. Evropská síť rychlých železnic výhled pro r Umeå Helsinki Oslo Stockholm Tallinn St.Petersburg Göteborg Riga Glasgow Edinburgh Moskva København Vilnius Gdansk Hamburg Dublin Minsk Amsterdam Hannover Berlin W arszawa London Bruxelles Köln Praha Katowice Lviv Lviv Kiev Kiev Luxembourg Frankfurt Paris Nürnberg Rennes München M W ien ien Bratislava Budapest Zürich Chisinau Ljubljana Genève M Milano Lyon Lyon Zagreb Beograd Bordeaux Bologna Genova Bucuresti Sarajevo Marseille Sofia Roma Skopje Porto Istanbul Barcelona Tirana Napoli Madrid Bari Bari Ankara Valencia Nové tratě Modernizované tratě Lisboa Athinai Málaga km km All All rights reserved. UIC UIC

52 Proč nová trať? a) Ve směru, kde je poptávka po přepravě chybí železniční spojení (dosud žádná trať není), b) Původní (historická, konvenční) trať nevyhovuje kapacitně (typický případ: souběh dálkové a příměstské dopravy v okolí velkých měst), c) Původní (historická, konvenční) trať nevyhovuje svými parametry (je příliš pomalá). Typická kombinace ve střední Evropě: b) a c) oba problémy řešit společně místo dalších traťových kolejí v téže (historické) stopě postavit trať v jiné poloze (s většími poloměry oblouků vhodnou pro vysoké rychlosti). Jaká nová trať? Vysokorychlostní trati lze postavit dvěma způsoby: a) Univerzální (kromě speciálně řešených rychlých vlaků ji mohou pojíždět i pomalejší konvenční vlaky), b) Speciální výhradně jen pro speciální vlaky. Zkušenost: - Společný provoz rychlých a pomalých vlaků na jedné trati je problematický, - Univerzální trať je dražší, než speciální. Novou vysokorychlostní trať má smysl stavět jako speciální, původní trať nechat pro místní dopravu 150 let formovala urbanizaci regionu a pro nákladní dopravu. 5

53 4. Vozidla pro rychlou osobní dopravu Typické charakteristiky železničních tratí Trať rok stavby minimální poloměr oblouku [m] maximální sklon [ ] maximální rychlost [km/h] Hlavní Hlavní - horská Lokální Vysokorychlostní

54 Dálková osobní doprava po konvenčních tratích v MAX 00 km/h Tratě určené pro smíšený provoz (vysokorychlostní vlaky v souběhu s dalšími vlaky) po nových vysokorychlostních tratích v MAX 50 km/h Tratě určené jen pro vysokorychlostní vlaky Potřebný měrný výkon 1) Jízda ustálenou rychlostí - aerodynamika F 0 k = cv p m ) Rozjezd = cv 3 3 v v v L = dl = dv = dv a = k 3k 3 p v k = = m L potřebný měrný výkon je úměrný třetí mocnině rychlosti (rychlost roste se třetí odmocninou měrného výkonu) 54

55 Vysokorychlostní vozidla potřebný trakční výkon Aerodynamická síla (odpor prostředí) roste s druhou mocninou rychlosti (při zvýšení rychlosti ze 100 km/h na 300 km/h vzroste 9 krát): F = 0,5. C x. S. ρ. v Trakční výkon pro překonání aerodynamického odporu roste se třetí mocninou rychlosti (při zvýšení rychlosti ze 100 km/h na 300 km/h vzroste 7 krát): P = F. v = 0,5. C x. S. ρ. v. v = 0,5. C x. S. ρ. v 3 Při zachování běžného tvaru vlaků by tento postup by vedl k nereálně velkým výkonům vozidla musí mít vhodný aerodynamický tvar (výrazně menší C x ) Porovnání parametrů tradičních vlaků s lokomotivou a vysokorychlostních jednotek N F 0 loko v P tn vl h P t m L m Z k tm F t a b Cv x F a F dv/dt E 1 km/h kw km/h kw t t kw/t kn N/kN kn kn m/s kwh/km ,3 37 1,3 0,005 8, , ,3 58 1,3 0,005 8, , (DC) ,6 76 1,3 0,005 9, , ,9 88 1,3 0,005 9, , tradiční ,6 93 1,3 0,005 10, ,050 7 tradiční ,8 17 1,3 0,005 11, , tradiční , ,3 0,005 1, , tradiční ,3 16 1,3 0,005 13, , tradiční , ,3 0, , , tradiční , ,3 0, , , tradiční ,8 93 1,3 0, , , tradiční ,4 66 1,3 0, , ,050 VR ,3 45 0,8 0,00 5 1, ,050 8 VR ,3 53 0,8 0,00 6 1,1 6 0, VR ,7 66 0,8 0,00 6 1, , VR ,4 81 0,8 0,00 6 1, ,050 VR , ,8 0,00 7 1, ,

56 Porovnání parametrů tradičních vlaků s lokomotivou a vysokorychlostních jednotek jmenovitý výkon (kw) rychlost (km/h) tradiční vozidla tradiční vozidla - více lokomotiv tradiční vozidla - jedna lokomotiva vysokorychlostní vozidla Trakční charakteristika, jízdní odpory a spotřeba energie Tažná síla, jízdní odpor (kn) Spotřeba energie je úměrná tažné síle, tedy jízdnímu odporu. Ten vlivem lepší aerodynamiky nestoupá u vysokorychlostních vozidel s rostoucí rychlostí tak strmě, jako u vozidel konvenčních rychlost (km/h) tažná síla - konvenční lokomotiva 4 MW tažná síla - vysokorychlostní jednotka 8,8 MW jízdní odpor - konvenční vlak jízdní odpor - vysokorychlostní jednotka Energetický důsledek: aerodynamicky řešená vysokorychlostní jednotka jedoucí rychlostí 70 km/h má stejnou spotřebu energie, jako tradiční vlak jedoucí rychlostí 160 km/h. 56

57 Trakční výkon Konvenční vozidla nejsou vhodná pro vysokorychlostní dopravu. Bez zásadního snížení jejich jízdního odporu (zejména jeho aerodynamické složky) by byla potřeba trakčního výkonu pro jízdu vyššími rychlostmi nereálně vysoká (měrný výkon kolem 60 kw/t). Nutností je u vlaků délky zhruba 00m (osm vozů) snížit tvarovou konstantu C x z hodnoty kolem: C x = , + 0,6 = 3 na hodnotu přibližně: C x = 1. Pak postačuje pro rychlost 300 km/h měrný výkon kolem 0 kw /t, což již je reálně dosažitelné. Díky výrazně lepší aerodynamice je zvýšení rychlosti provázeno jen nevelkým nárůstem spotřeby energie! Oblast použitelnosti jednotlivých systémů Diesel Elektrická trakce 3 kv DC Elektrická trakce 15 a 5 kv AC km/h Limity použitelnosti: vozidla se spalovacím motorem kritický je měrný výkon (kw/t) DC vozidla kritický je odběr velkých proudů ve velké rychlosti 57

58 A) Jednotlivá vozidla (lokomotiva + vozy) vlaky pro velký počet cestujících (zhruba 400 a více míst) Výhody: - variabilita - univerzálnost - jednoduché vozy neovlivněné trakčním pohonem - strukturovaná údržba - komfort ve vozidlech méně starostí s hlukem a vibracemi Nevýhody: - ne vždy optimální parametry (horší aerodynamika) - ne vždy splňuje požadavky - vysoké hmotnosti trakčních vozidel - nízké zrychlení - malý podíl EDB (velké nevratné ztráty energie brzděním) - propojitelnost je nutností trvale působí vazba na staré principy - Při nízké poptávce po přepravě nehospodárné B) Ucelené jednotky Výhody: - optimální konfigurace - hospodárné i při menším počtu cestujících - aerodynamika - optimální dimenzování pohonu - optimální zrychlení - rovnoměrné využití limitu hmotnosti na dvojkolí - optimální technickéřešení bez návaznosti na zastaralé systémy tradičních vozidel - významný podíl elektrodynamického (rekuperačního) brzdění - moderní a účelnější řešení (odpadá nežádoucí vazba na tradiční vozidla) Nevýhody: - neměnná konfigurace - údržba všech vozů jednotky společně 58

59 Ucelené elektrické a motorové jednotky Trendy v železniční osobní dopravě 0. století: lokomotiva plus vozy motorový vůz plus přípojné vozy 1. století: ucelené jednotky Důvody: hospodárné i při dopravě menšího množství osob investičně úsporné provozně úsporné technicky na výši Systematika ucelených jednotek Dvě základní skupiny: příměstská a regionální doprava Komfort a cenová úroveň je určena konkurencí silniční dopravou (tedy snaha o nepříliš vysokou cenu) dálková vysokorychlostní doprava Komfort a cenová úroveň je určena konkurencí letecká doprava (tedy prvořadá snaha o pohodlí a kvalitu) 59

60 Trakční mechanika a energetika ucelených jednotek příměstské a regionální jednotky Typický provozní režim:rozjezdy a brzdění v krátkém sledu zastávek Pro dimenzování pohonu i pro spotřebu energie má zásadní význam hmotnost (časté vytváření kinetické energie E = 1/ mv ) vysokorychlostní jednotky Typický provozní režim: ustálená jízda vyšší rychlostí Pro dimenzování pohonu i pro spotřebu energie má zásadní význam aerodynamika, nikoliv hmotnost. Pro C x = 1 ( Velaro 8x5 = 00 m) F300 = ρcxsv = 1, ,6 F v P = = = 3830kW 3,6 3,6 = 46kN Důvody k použití ucelených jednotek 1) Hospodárnost i při přepravě menšího počtu osob (přirozený důsledek taktové dopravy s krátkým intervalem) - relevantní zejména pro regionální spoje, případně i pro příměstské a meziměstské spoje ) Vysoký podíl poháněných (a dynamicky brzděných) dvojkolí - relevantní pro příměstské a regionální jednotky (vysoká akcelerace, velký podíl rekuperačního brzdění, vysoký hmotný výkon) - relevantní pro vysokorychlostní jednotky (vysoký hmotný výkon vysoký brzdný výkon, nízké nároky na adhezi) 60

61 3) Aerodynamika - relevantní v celém spektru jednotek (od regionálních až po vysokorychlostní) energetické důvody. U vysokorychlostních je rozhodující vlastností. 4) Distribuovaný pohon rovnoměrné zatížení všech dvojkolí - relevantní u jednotek s naklápěcí skříní přijatelné příčné síly v rychleji projížděných obloucích (limit: m 1 15 t / dvojkolí) - relevantní u vysokorychlostních jednotek přijatelné dynamické síly (limit: m 1 17 t / dvojkolí) - relevantní pro příměstské a vysokorychlostní jednotky (vysoký hmotný výkon, vysoký brzdný výkon, nízké nároky na adhezi) 4) Distribuovaný pohon rovnoměrné zatížení všech dvojkolí - relevantní u jednotek s naklápěcí skříní přijatelné příčné síly v rychleji projížděných obloucích (limit: m 1 15 t / dvojkolí) - relevantní u vysokorychlostních jednotek přijatelné dynamické síly (limit: m 1 17 t / dvojkolí) - relevantní pro příměstské a vysokorychlostní jednotky (vysoký hmotný výkon, vysoký brzdný výkon, nízké nároky na adhezi) 61

62 Trend: distribuovaný pohon konvenční řešení: 88t 50t 50t 50t 50t čelní trakční vozidlo distribuovaný pohon: osobní vozy 68t 68t 68t 64t trakční motory transformátor pomocné měniče nižší limit hmotnosti na dvojkolí vyšší trakční výkon vyšší podíl elektrodynamické (rekuperační) brzdy vyšší akcelerace 5) Racionální řešení pomocných sítí (společné a s redundancí) - relevantní v celém spektru jednotek (od regionálních po vysokorychlostní) hospodárnost a vysoká spolehlivost (redundance) 6) Odklon od technicky překonaných řešení jen omezená kompatibilita se staršími vozidly - relevantní v celém rozsahu jednotek od regionálních až po vysokorychlostní (elektropneumatická brzda přímočinného typu místo pneumatické samočinné, náhrada standardního tažného a narážecího ústrojí automatickým spřáhlem, náhrada přechodů s návalky dvojitými měchy, mezivozové propojení silových, ovládacích i komunikačních obvodů, ) 6

63 Rychlé meziměstské jednotky pro upravené tratě - Jde o vozidla určená pro pracovní cesty i pro privátní cestování mezi nejdůležitějšími městy, respektive sídelními aglomeracemi, uskutečňované po modernizovaných (zvlášť upravených) tratích. Svojí vyšší přepravní kapacitou odpovídají poměrně silným přepravním proudům mezi nejdůležitějšími místy. - Jejich technickéřešení i jejich trakční parametry odpovídají provozu na tratích schopných odolávat zvýšeným rychlostem v obloucích: - aktivní naklápění vozových skříní, - přísný limit nápravové hmotnosti (cca 14 až 15 t) z důvodu redukce příčných sil, - elektrizace AC či DC systémem. - Typickými produkty pro tento druh služby jsou vícevozové elektrické jednotky s aktivním naklápěním vozových skříní, které se vyznačují trakčními parametry: - maximální rychlost 00 až 30 km/h, - měrný výkon (jen) 10 kw/t, - rozjezdové zrychlení (jen) 0,4 m/s. Rychlá meziměstské jednotky pro nově budované tratě - Jde o vozidla určená pro pracovní cesty i pro privátní cestování mezi nejdůležitějšími městy, respektive sídelními aglomeracemi, uskutečňované po nově budovaných vysokorychlostních tratích. - Svojí vyšší přepravní kapacitou odpovídají poměrně silným přepravním proudům mezi nejdůležitějšími místy. - Jejich technickéřešení i jejich trakční parametry odpovídají provozu na vysokorychlostních tratích s oblouky o velmi velkých poloměrech. - Z důvodu minimalizace dynamických sil respektují limit nápravové hmotnosti 17 t, z důvodu velmi vysokých výkonů vyžadují elektrizaci AC systémem. - Typickými produkty pro tento druh služby jsou vícevozové vysokorychlostní elektrické jednotky, které se vyznačují trakčními parametry: - maximální rychlost 350 km/h, - měrný výkon 0 kw/t, - rozjezdové zrychlení 0,6 m/s. 63

64 Intervalová doprava v krátkém taktu Zkracuje se doba dosažení cíle T Ti = Td + p + L v Nový standard: T i = 1 hodina (v regionální i dálkové dopravě) => klesá počet cestujících připadající na jeden vlak Q N v = T i => kromě nejzatíženějších relací není hospodárné používat v osobní dopravě lokomotivy => prakticky celé spektrum osobní dopravy přebírají ucelené jednotky (výjimky: - silněji zatížené meziměstské spoje na konvenčních tratích - noční vlaky s lůžkovými vozy) Ukazatel dveřnatost šířky dveří d = délka bočnice Celková světlá šířka dveří příměstské regionální meziměstské vysokorychlostní d velké Urychlení výměny cestujících na zastávkách (spolu s bezbariérovitostí) cíl: omezit počet cestujících připadajících na jedno dveřní křídlo d malé Nenarušování interiéru dveřmi (co největší nabídka míst k sezení) Ale pozor na evakuaci (viz pren )! 64

65 Uspořádání trakčního pohonu ucelených jednotek A) Konvenční řešení - Soustředěný pohon (TGV, ICE1, ICE) čelní trakční vozidlo osobní vozy Oblast použití: meziměstské jednotky pro větší počet osob (do 00 km/h, bez naklápěcích skříní) B) Distribuovaný pohon (ICE3, Velaro, ICT, 680, ) Oblast použití: příměstské, regionální, naklápěcí a vysokorychlostní jednotky Výhody Distribuovaný trakční pohon nízký nápravový tlak => jediné možnéřešení pro jízdu obloukem vyššími rychlostmi (s naklápěcími skříněmi) m 1 < 14 až 15 t... z důvodu minimalizace příčných sil => jediné možnéřešení pro nejvyšší rychlosti ( km/h), náležitý výkon, náležitá adhezní hmotnost m 1 <17 t... z důvodu minimalizace dynamických sil vysoký podíl poháněných dvojkolí => náležitá akcelerace při špatných adhezních podmínkách => vysoký podíl dynamického brzdění (včetně rekuperace) 65

66 Nevýhody Distribuovaný trakční pohon horší přístupnost k agregátům (podpodlahové nebo střešní umístění) rozsáhlá a složitá kabeláž nové nároky na infrastrukturu pro údržbu porucha jednoho vozu způsobí prostoj celé jednotky Eliminace nevýhod bezúdržbové komponenty komunikace po sběrnici diagnostika vysoká spolehlivost, zálohování výměnné bloky (modulární uspořádání) Zkrácení zábrzdných drah Zvýšení technické rychlosti intenzivnějším brzděním. dynamické brzdy na velkém počtu dvojkolí (50 %) kotoučové brzdy (3 kotouče na dvojkolí) elektropneumatická přímočinná brzda elektromagnetická třecí kolejnicová brzda (do 00 km/h) elektromagnetická vířivá kolejnicová brzda (nad 00 km/h) řízení brzdícího účinku podle obsazení kvalitní protismyk (včetně mezivozové komunikace) 66

67 Přínosy rekuperační brzdy odlehčení brzdových kotoučů od tepelného zatížení žádné opotřebení možnost energii vracet zpět do sítě => snaha brzdit co nejvíce dvojkolí elektrodynamicky Aerodynamika Dokonalejší aerodynamika => úspory instalovaného výkonu a spotřeby energie C X = 0,7 0, 0,5 C X =1,4 C X = 0,4 0,1 0, v = 160 km / h : 1 P =. ρ. cx. s. v 1 P' =. ρ. cx. s. v =.1,.1,4.1. 3, =.1,.0,7.1. 3,6 3 3 = 880kW = 440kW C X = 0,7 67

68 Energetická náročnost vysokorychlostní dopravy Vliv valení je zanedbatelný, rozhodující je aerodynamika Spotřeba energie k překonání odporu prostředí je úměrná druhé mocnině rychlosti 1 e (Wh/os km) automobil (za čelní plochou jsou jen řady cestujících) Fa = ρ Cx v spotřeba energie autobus (za čelní plochou jsou je 15 řad cestujících) letadlo v přepočtu na střední rychlost (krátké lety) vlak h = 0 ρ = 1, kg/m 3 letadlo h = m ρ = 0,4 kg/m 3 0 rychlost v [km/h] Elektrická trakce je strategickou konkurenční předností kolejové dopravy Též je výhodná z hlediska lokální ekologie (ne tak zcela z hlediska úplné ekologie) Elektrárna měnírna V místě provozu čisté a tiché Cíl: nejen náhrada kapalných paliv elektřinou, ale absolutní úspory energie. v místě výroby elektrické energie problematické. 68

69 Důsledky mezinárodního provozu vozidel v osobní dopravě => interoperabilita (propojitelnost) železničního systému Odlišné pojetí kompatibility: Infrastruktura Je nutno plně respektovat technickou jednotnost rozhraní (geometrie koleje, obrys, přípustná hmotnost, elektrické napájení, zabezpečovací zařízení, sdělovací zařízení, ) Vozidla Samostatná vozidla Je nutno plně respektovat technickou jednotnost rozhraní mezi vozidly (spřáhla, brzdy, elektrické napojení, přechody, ) Ucelené jednotky Není nutno respektovat technickou jednotnost rozhraní mezi vozidly (lze volit modernější zařízení) Kompatibilita moderních elektrických a motorových jednotek s infrastrukturou plnohodnotná (i mezinárodně - interoperabilita) na hranicích lze vyměnit lokomotivu, ale ne ucelenou jednotku s vozidly jen částečná (pouze pro nouzové jízdy) Řada dílčích systémů je z funkčních i ekonomických důvodů u moderních ucelených jednotek řešena jinak, než jak je pravidlem u konvenčních jednotek. Konvenční vozidla: libovolná lokomotiva musí být schopna dopravovat libovolný vůz => drahá univerzálnost Moderní jednotky: racionální účelovost 69