Vědeckotechnický sborník ČD

Transkript

1 Vědeckotechnický sborník ČD č. 07/1999

2 VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1999 ČÍSLO 7 Václav Chudáček, Libor Lochman Komentář: Vlakový zabezpečovací systém ERTMS/ETCS (2. část) Klíčová slova: vlakové zabezpečovací zařízení, radioblok, balíza, projekt ERTMS/ETCS. Úvodní článek, uveřejněný v čísle 5 Vědeckotechnického sborníku ČD, se zabýval základními informacemi o účelu, funkci, koncepci a možnostech aplikace nového evropského vlakového zabezpečovacího zařízení vzniklého v projektu ERTMS/ETCS. Zopakujme, že cílem projektu je : dosažení optimální bezpečnosti a spolehlivosti systému, možnost jeho aplikace podle potřeb uživatele, umožnění postupné výstavby (bezkonfliktní přechod k vyšším aplikačním úrovním v budoucnosti), kooperace s existujícími národními systémy (prostřednictvím speciálních modulů, které umožní příjem informací z národního systému a zajistí překlad do formátu dat ERTMS/ETCS), nezbytná normalizace (řídících funkcí, komunikačních prostředků a důležitých stykových míst), dosažení optimální efektivnosti řešení (značně nižší souhrn investičních, montážních a provozních nákladů v porovnání s jinými existujícími systémy), zajištění bezproblémového překračování hranic (z hlediska zabezpečovací techniky), tedy jde přesně o ty atributy, které ČD nezbytně potřebují pro řešení svých problémů v této oblasti. Tato část doplňuje základní informaci o některé bližší údaje o řešení klíčových míst. Ing. Václav Chudáček, CSc., * 1943, absolvent VŠD 1965, pracovník ČD-VÚŽ Ing. Libor Lochman, * 1963, absolvent VŠD 1986, pracovník ČD-VÚŽ 13

3 1.Základní funkce Zjednodušeně lze říci, že funkce systému spočívá v odpovídající reakci na dvojice informací cílová vzdálenost - cílová rychlost a to vzhledem k okamžité poloze vlaku. K tomu je ovšem třeba lokalizovat polohu vlaku a udávat cílové vzdálenosti ve vzájemně kompatibilních souřadnicích. Systém se přitom opírá o lokalizační funkci, založenou na unikátně identifikovatelném a přesně detekovatelném přenosovém zařízení na trati - referenční balíze. Další funkci zařízení lze rozdělit na řadu elementárních funkcí, které zařízení vykonává. V následujícím jsou uvedeny nejdůležitější. Komentář: 1.1 Lokalizace polohy vlaku Odometr na vozidle při pohybu vlaku odměřuje neustále ujetou dráhu a jeho údaj za normálního provozu není nikdy resetován. Při minutí referenční balízy je příjem její informace doplněn okamžitým časovým a odometrickým údajem z modulu TOU. Kdykoliv později lze tak okamžitou vzdálenost vlaku od této balízy určit odečtením okamžitého údaje odometru a údaje odometru připojeného k informaci přijaté při míjení balízy (obr. 1-1). Balízový souřadný systém Vzdálenosti se definují vždy od referenčního bodu, kterým může být kterákoliv balíza nacházející se (s ohledem na nejhorší očekávané vlastnosti vlaku) dostatečně před místem, k němuž se informace vztahuje. Veškeré údaje o vzdálenostech jsou tedy balízově orientované, tj. v souřadném systému příslušné referenční Obr. 1-1 balízy, která pak tvoří počátek svého souřadného systému. Systém ovšem nevystačí jen s jedinou vzdáleností. Předpokládejme situaci podle obr. 1-2, na kterém je zobrazena situace pro vlak brzdící na dva oddíly, tedy případ, kdy zábrzdná vzdálenost vlaku je větší než vzdálenost hlavních návěstidel. Cílová vzdálenost d T (Target Distance) je z hlediska balízy u návěstidla Lo1 složena z tzv. základní vzdálenosti d B (Basic Distance) a dodatečné vzdálenosti d D (Deferment Distance). V tomto případě vzdálenost d B tvoří zároveň tzv. spojovací vzdálenost d L (Linking Distance), tj. takovou vzdálenost v níž je umístěna další informace. Pokud by se v této vzdálenosti neuskutečnil další přenos, bude vlak zastaven, protože hrozí, že byla ztracena další informace (informace z balízy u návěstidla Lo2), mající význam pro další bezpečný pohyb vlaku. Přenosem této spojovací vzdálenosti dojde k řetězení důležitých balíz (balízových skupin), což je důležitý předpoklad pro zajištění bezpečnosti v moderních bodových přenosových systémech. Jak patrno, jsou všechny vzdálenosti jednorozměrné a při přenosu musí být u nich vyjádřeno, ke kterému počátku se vztahují, tedy ke kterému balízovému koordinačnímu systému patří. To je provedeno připojením unikátního identifikačního označení referenční balízy. Transformace mezi souřadným systémem odometru na vozidle a souřadným balízovým systémem nečiní podstatných potíží, pokud bude zachována konvence, že kladné hodnoty balízově orientovaných souřadnic jsou ve stejném směru, jako nominální směr balíz (např. od první balízy ve skupině k balíze druhé atd.). Pro vzdálenosti je použita lineární stupnice. Stejným počtem bitů (15 bitů) lze popsat krátké vzdálenosti (do 3,2 km) s přesností 10 cm, delší vzdálenosti (do 32 km) s přesností 1 m a dlouhé vzdálenosti (do 320 km) s přesností 10 m (samozřejmě, že současně musí být přenesen kvalifikátor měřítka - 2 bity). 22

4 1.2 Výpočet statického rychlostního profilu Tato funkce je skokovou funkcí rychlosti v závislosti na dráze a obvykle udává maximální rychlost, Statický rychlostní profil 0 základní statický rychlostní profil Popis 1 profil pro vlaky s nebezpečným nákladem A 2 profil pro vlaky s nebezpečným nákladem B 3 profil pro vlaky s nebezpečným nákladem C 4 profil pro vlaky s nízkou absorpční schopností brzd 5 profil pro vlaky s obtížným průjezdem oblouků a výhybek 6-11 rezerva 12 profil pro vlaky s pasivním naklápěním 13 profil pro vlaky s aktivním naklápěním rezerva kterou strojvedoucí může jet bez jakékoliv intervence zařízení (tzv. nominální statický rychlostní profil). Obr. 1-2 Parametry vlaku, ovlivňující rychlostní limit, se týkají složení vlaku, kvality podvozků, zavěšení skříně atd. a podle nich lze vypočítávat individuální rychlostní profil, pokud budou známy všechny relevantní traťové parametry. Tento obecně nejsprávnější, ale na přenos dat nejnáročnější postup, lze modifikovat zavedením jistého počtu vlakových tříd. Aby se tento přístup co nejvíce přiblížil stávající praxi u různých železnic, je systém schopen pracovat s třemi rozdílnými pakety statických rychlostních profilů : mezinárodní základní a přídavné profily podle rozdílných charakteristik vlaku, národní profily podle národní klasifikace vlaků, profily podle nápravového tlaku. V tabulce na str. 16 je jako příklad uvedeno přiřazení rychlostních profilů podle mezinárodní klasifikace, která může zahrnout až 16 kategorií. Bude třeba pečlivě zvážit, zda je možné se přidržet této mezinárodní klasifikace, nebo zda jsou dostatečné důvody proto, aby ČD do systému zavedly klasifikaci národní. Statický rychlostní profil je v paketu ukládán jako dvojice hodnot určujících úroveň rychlosti a dráhu po kterou platí (vzdálenosti jsou dány přírůstkově). Popis obvykle začíná v referenčním místě, tj. v místě referenční balízy, ale může začínat i v jakémkoliv jiném místě, pokud první hodnota rychlosti V_STATIC(0) obsahuje speciální hodnotu 1022 (viz obr. 1-3). Pak hodnota D_STATIC(1) znamená vzdálenost od referenčního bodu k místu, kde popis začíná. Obdobně bude-li hodnota V_STATIC(n) = 1023, je v bodě určeném D_STATIC(n) konec popisu. Každý jednotlivý statický rychlostní profil předávaný na hnací vozidlo tedy obsahuje : totožnost referenční balízy, soubor dvojic statických rychlostí a míst diskontinuit, 22

5 kvalifikátor, indikující zda se rychlostní omezení aplikuje na čelo vlaku nebo celý vlak. Ve vyšších aplikačních úrovních, kde je známa charakteristika vlaku v traťových zařízeních, může být pro určitý vlak vybrán příslušný profil v traťové části zařízení a vlaku je vyslán pouze příslušný profil. Tam, kde to zařízení neumožňuje (např. v aplikační úrovni 1), je vlakům vysílán celý soubor profilů a v mobilním zařízení je vybrán odpovídající profil podle charakteristik vlaku. Rychlostní profil je pak na vozidle korigován podle délky vlaku a kvalifikátoru rychlostního omezení, popř. maximálně možnou odometrickou chybou (pomocí tzv. konfidenčního intervalu odometru - lze provést u statického profilu nebo kdykoliv později až do okamžiku srovnání skutečné rychlosti s brzdovou křivkou). 1.3 Dočasná omezení rychlosti Dočasná omezení rychlosti mohou být přenesena balízou třemi způsoby: přidáním informace manuálně do již existující řetězené balízy, vložením odkazu do existující balízy na balízu, nesoucí informaci o dočasném omezení rychlosti, použitím neřetězené balízy s identifikací, že jde o dočasnou balízu. Hodnoty rychlostního statického profilu v takto označené balíze pak mají přednost před ostatními přijatými rychlostními profily. Při radiovém přenosu informací je možné informovat RBC, aby omezení zahrnul do statického rychlostního profilu vysílaného vlaku. 1.4 Výběr nejvíce omezujícího statického rychlostního profilu Tato funkce vybírá nejvíce omezující rychlostní profil mezi různými statickými rychlostními profily, předzpracovanými funkcí Výpočet statického rychlostního profilu. Situace, kdy bude třeba vytvořit souhrnný rychlostní profil nastanou v případě, kdy do daného úseku zasahuje konec povolení k jízdě nebo jízda přes přejezd, který pro poruchu není zabezpečen atd. Nejvíce omezující rychlostní profil pak sestává z nejvíce omezujících segmentů ze všech individuálních statických rychlostních profilů, kterým vlak musí vyhovět (obr. 1-4). Ke každému segmentu nejvíce omezujícího rychlostního profilu se ukládá informace, která určí rychlostní profil, z něhož pochází. Tak lze i dodatečně rekonstruovat důvod, který k omezení vedl. Všechny výpočtu musí být opět prováděny dočasné omezení povolení k jízdě základní rychlostní profil nejvíce omezující rychlostní profil Obr. 1-4 Obr

6 s uvažováním nejhorších podmínek a tolerancí z hlediska bezpečnosti. 1.5 Výpočet dynamického rychlostního profilu Na základě nejvíce omezujícího statického rychlostního profilu a brzdných schopností vlaku lze vypočítat křivky, které jsou použity pro dohled a řízení vlaku. Existuje řada různých křivek, z nichž nejdůležitější jsou (obr. 1-5): intervenční křivka nouzového brzdění, intervenční křivka provozního brzdění, varovná křivka, přípustná křivka, předpovědní křivka. První dvě křivky jsou použity pro aktivaci brzd a tady zajišťují, že vlak vyhoví rychlostním omezením. Jestliže vlak překročí některou z těchto křivek, spustí se automaticky brzdění. Ostatní křivky jsou použity pro signalizaci strojvedoucímu a nemají na jízdu vlaku přímý vliv. Bezpečné zpracování pak vyžaduje pouze intervenční křivka nouzového brzdění. Okamžik inicializace nouzové brzdy musí brát na vědomí bezpečným způsobem: parametry pro matematický model brzdění zadané v módu Zadání dat, dobu pro přerušení trakce, možnost, že vlak maximálně akceleruje v okamžiku iniciace nouzové brzdy, sklony s odpovídající přesností a vlastnostmi vlaku (váha, délka atd.), nepřesnost odometru, skutečnou adhesi. Při jízdě za normálních okolností, za úplného dohledu, přípustná křivka ukazuje strojvedoucímu dovolenou rychlost. Když jede příliš rychle (rychlost je vyšší než rychlost určovaná přípustnou křivkou v daném místě) je tato skutečnost strojvedoucímu indikována na MMI (opticky). Pokud to ignoruje a je následně překročena varovná křivka, je strojvedoucí prostřednictvím MMI varován, že vlak jede příliš rychle. Jestliže strojvedoucí nereaguje na varování (akustické i optické) a dojde k překročení intervenční křivky provozního brzdění, bude spuštěna provozní brzda. Jestliže provozní brzdění selže, bude překročena intervenční křivka Obr. 1-5 nouzového brzdění a automaticky bude aplikována nouzová brzda. (Pokud poruchu provozního brzdění lze detekovat jinými prostředky dříve, bude nouzová brzda aplikována přiměřeně dříve.) Předpovědní křivka znázorňuje očekávaný vývoj rychlosti v závislosti na poloze vlaku v blízké budoucnosti, vycházeje z momentálních příkazů strojvedoucího. (Předpovědní křivka závisí tedy na činnosti strojvedoucího a proto musí být trvale přepočítávaná, kdežto ostatní křivky je třeba přepočítávat pouze při příjmu nové informace z tratě, nebo když se změní charakteristika vlaku.) Křivka tedy upozorňuje na vývoj rychlosti vlaku a slouží k včasnému upozornění strojvedoucího nebo jako pomůcka strojvedoucího ve výběru vhodného odrychlení. Všechny křivky dynamického rychlostního profilu mají dvě části : část s konstantní rychlostí, která zajišťuje, že vlak v příslušném segmentu rychlostního profilu nepřekročí dovolenou rychlost a část přechodovou, která zajišťuje, že vlak do více omezující sekce nepřijede příliš rychle.tvar křivek při přechodech z vyšší rychlostní úrovně na úroveň nižší (opačný přechod je z hlediska bezpečnosti nezajímavý a je tedy ponechán jako skokový) je závislý na vlastnostech brzdy vlaku a sklonu, ale i odporu vzduchu, jízdních odporech atd. Systém může spolupracovat s dvěmi brzdami - provozní brzdou a nouzovou brzdou. Provozní brzda dovoluje komfortní brzdění, poskytuje nejvyšší hodnotu decelerace ale nelze u ní garantovat bezpečnou funkci. Provozní brzdění může strojvedoucí přerušit (obsluhou MMI), pokud je rychlost vlaku nižší než rychlost dovolená. Nouzová brzda je považována za fail-safe a předpokládá se, že bude aplikována pouze v mimořádných případech, kdy provozní brzda spuštěná systémem řádně nepracuje; možnost jejího uvolnění 22

7 (odbrzdění) závisí na konstrukci a předpisových zvyklostech dané železnice. Problémy vzniknou, když tato nouzová brzda bude dosahovat výrazně nižší decelerace než brzda provozní. Řada vlaků užívá elektropneumatickou brzdu a elektrickou brzdu jako brzdu provozní a jednoduchou pneumatickou brzdu jako brzdu nouzovou. Dosažené odrychlení i aplikační doba nouzové brzdy pak může být výrazně horší než u brzdy provozní. Logické řešení spočívá buď ve využití prokluzových vzdáleností (znázorněno na obr EOA je konec povolení k jízdě, prokluzová vzdálenost je v naznačeném případě dráha mezi EOA a bodem ohrožení) nebo v takové konstrukci nouzové brzdy, která zajistí (třeba jen jednorázově) stejné nebo dokonce vyšší odrychlení než brzda provozní. Pokud ani jedno řešení není možné, je nutné do systému zanést relativně velké rezervy, tj. všechny křivky posunout odpovídajícím způsobem dolů podle vlastností nouzové brzdy. Také k této otázce musí ČD zaujmout jasné a pro další léta neměnné stanovisko. U brzdového procesu lze rozlišit několik fází. Pokud je vlak v tahu (nebyla předem vypnuta trakce), aktivuje se současně s brzdou proces odpojení trakce. V přechodové fázi, po uplynutí doby reakce, začnou brzdy nabíhat (např. tlak v hlavním potrubí klesá, postupně se aktivují brzdy všech vozidel a vozidla postupně dosahují maximální decelerace). Od tohoto okamžiku jsou brzdy v ustálené fázi (obr. 1-6). Systém ERTMS/ETCS pracuje se zjednodušeným modelem; pro obě brzdy předpokládá, že po době reakce nabíhá odrychlení lineárně na ustálenou hodnotu. Pro vlak je nutné znát oba časové údaje (reakční doba brzdy a doba za kterou naběhne plné odrychlení) a velikost dosahovaného ustáleného odrychlení. a 0 t doba odpojení trakce doba reakce brzdy doba náběhu brzdy ustálený stav Obr. 1-6 Druhým výrazným činitelem při brzdění je sklon. Ten se k výpočtu předává jako pole bodů délky a gradientu (záporný gradient je klesání) obdobně jako body statického rychlostního profilu. Sklonový profil se upraví podle odometrické chyby, délky vlaku a případně rozložení hmoty ve vlaku. Pak lze pro každý bod určit přídavné tíhové zrychlení (odrychlení) podle jednoduchého vztahu kde a g (i) je akcelerace způsobená sklonem v bodě i, ag () i = g( i) g g(i) je sklon v bodě i - záporné hodnoty při spádu, kladné při stoupání, g = - 9,8 m/s 2. Výpočet křivek Křivky jsou obecně počítány zpětně, tj. začíná se v cílovém bodě a pokračuje se ve směru proti vlaku. Nejdříve se vypočítává tzv. základní křivka, kdy se předpokládá, že brzdy mají nulovou reakční a aplikační dobu, tj. případ, kdy vlak brzdí a brzdy se nachází již v ustáleném stavu. Z cílového bodu (obvykle z místa konce povolení k jízdě) se postupuje zpětně dokud se nenarazí na křivku statického rychlostního profilu. Pak se 22

8 sleduje statický rychlostní profil pokud nedojde ke změně na vyšší úroveň rychlosti. V tomto místě diskontinuity statického rychlostního profilu začne nový výpočet, s novými hodnotami cílového bodu. Podle základní křivky lze vypočítat křivku intervence brzdy beroucí v úvahu přechodovou fázi brzdění. Tato intervenční křivka je pak množinou bodů v nichž je nutné zahájit brzdění, aby nebyla překročena základní křivka. Obě křivky, základní a intervenční, se vypočítávají zvlášť pro provozní a nouzovou brzdu, protože obvykle mají rozdílné parametry. Varovná křivka je v principu křivka intervence provozní brzdy posunutá o jistou rychlost směrem dolů. Iniciuje se vždy, když dojde k jejímu prvnímu překročení a když decelerace zůstává po jistou dobu neměnná a varování trvá dokud rychlost vlaku neklesne pod přípustnou rychlost. Obdobně je vypočítána křivka přípustná s tím rozdílem, že rychlostní diference od křivky intervence provozní brzdy je větší. Diference se pro varovnou křivku uvažuje 5 km/h, pro přípustnou křivku 8 km/h. Aby význam těchto křivek zůstal zachován i při nízkých rychlostech, tyto diference se od určité hraniční rychlosti (cca menší než 20 km/h) dolů redukují vztahem RD = D V H, kde RD je redukovaná diference, D je stanovená diference, H je hraniční rychlost a V je okamžitá rychlost. Uvolňovací rychlost Intervenční křivka nouzové brzdy musí být inicializovaná co nejpozději, ale bezpečně tak, aby vlak nepřekročil cílové místo (za předpokladu, že cílová rychlost je nulová). Výsledkem tady bude, že vlak zastaví v nějaké vzdálenosti před cílovým místem a přesné dosažení cílového místa bude nemožné, protože mu bude zařízení bránit. To by bylo nepraktické ve dvou případech: když vlak potřebuje dosáhnout skutečného cílového místa (např. při dojíždění dlouhého vlaku těsně k odjezdovému návěstidlu, aby byl uvolněn vzadu ležící námezník) nebo v případě, že cílovým místem je místo dalšího přenosu informací na vozidlo (tato situace nastane u zařízení s aplikační úrovní 1 vždy, když vlak zastaví před návěstidlem v poloze stůj ). Pro tyto případy musí být vlaku umožněno dosáhnout cílového bodu s jistou tzv. uvolňovací rychlostí. Teoreticky vzato je to maximálně taková rychlost, která zajistí, že při přejetí skutečného cílového místa bude vlak zastaven tak včas, aby nepřejel hranice určené prokluzovou vzdáleností (pokud je zavedena) nebo aby nedosáhl místa skutečného možného ohrožení (např. jazyk nebo námezník výměny). Tuto rychlost je možné buď pro daný vlak vypočítat na základě přenesených výše uvedených údajů nebo ji na vozidlo pro danou situaci přímo přenést nebo ji do systému uložit jako obecně platnou např. národní hodnotu. 2. Technická řešení 2.1 Traťová část Pro přenos informací z tratě na vozidlo a naopak jsou v systému použité tři kompatibilní a takřka libovolně mísitelné subsystémy: EUROLOOP - nesouvislý (přerušovaný) přenosový systém realizovaný krátkou smyčkou (řádu desítek metrů), střední smyčkou (řádu stovek až tisíců metrů, ale nepřesahující délku traťového oddílu), nebo - kontinuální přenosový systém realizovaný dlouhou smyčkou (tzv. CETS - Continuous Euroloop Transmission System). EURORADIO - kvasikontinuální systém realizovaný digitálním rádiem typu GSM-R. 22

9 Ze všech těchto subsystémů pouze subsystém první - balíza - obsahuje prostředek pro lokalizaci polohy vlaku. Do subsystémů samozřejmě patří i odpovídající část na vozidle. Eurobalise Balíza si zachovává některé rysy svého výchozího vzoru ze systému JZG 700. V průběhu společného vývoje konsorciem evropských zabezpečovacích firem byly však výrazně vylepšeny její vlastnosti. Balíza nyní může přenášet alternativně telegram délky 1023 bit nebo 341 bit (bezpečná koexistence a rozlišitelnost dvou formátů v systému), přičemž poskytuje prokazatelnou bezpečnost proti různým typům přenosových poruch (viz obr. 2-5), přenos nemusí začínat na počátku telegramu (detekční procedura je zcela transparentní ve vztahu k cyklickému posunu telegramu), rozpoznatelná je i inverze všech bitů telegramu (přičemž je možné ji vyhodnotit jako chybu, nebo ji opravit reverzí). Přenosový systém tak zajišťuje bezpečný a spolehlivý přenos informací až do rychlosti 500 km/h. Obecné blokové schéma traťové části balízy je na obr. 2-1, na obr. 2-2 je blokové schéma přijímací části na vozidle. Pro balízu je definován interface A, který určuje podobu přenášené zprávy a napájení mezi traťovou a vozidlovou částí a tedy zajišťuje kompatibilitu balíz různých výrobců. S přepínatelnou balízou na trati koresponduje traťová elektronická jednotka LEU (lineside electronic unit), která zprostředkovává vstupy do balízy z traťového (staničního) Kabel (interface S) Kabel (interface C) Vzduchová mezera (interface A) Informace pro vlak Informace trať-vlak Informace z vlaku LEU BEU Balíza Informace vlak-trať Napájení Napájení Programovací interface Obr. 2-1 zabezpečovacího zařízení. Nepřepínatelné balízy (tj. balízy, které přenášejí pouze fixní informace) LEU nepotřebují, protože fixní informace jsou uloženy přímo v balíze - v BEU (balise electronic unit). Naprogramování BEU a kontrola jeho obsahu je dostupná pomocí utěsněného konektoru na balíze (alternativně bezkontaktní induktivní vazbou programovacího a kontrolního zařízení s balízou). Kabel mezi přepínatelnou balízou a LEU může být za určitých okolností až 3000 m dlouhý. 22

10 Telegram z balízy Lokalizace balízy Telegram pro trať Varování: porucha příjmu Varování: neúplný tg. Varování: neúplný tg. Interface B (přijímacího modulu) CTODL 27 MHz Test balízy Hledání kompletního telegramu Lokalizační funkce Kompletace telegramu pro trať Test Napájení Interface A Anténa Obr. 2-2 Anténa umístěná pod vlakem (v porovnání se systémem JZG 700 podstatně menší a lehčí a alternativně umístitelná na skříni nebo na podvozku) vysílá obdobně jako u systému JZG 700 signál 27,115 MHz ± 5 khz, kterým aktivuje balízu na trati, takže balíza nepotřebuje žádné vlastní napájení. Balíza odpovídá tentokrát frekvenčně klíčovaným (FSK) signálem, který v pásmu 3,9-4,5 MHz (přesně 3,954 MHz pro logickou 0 a 4,519 MHz pro logickou 1) přenáší na vozidlo telegram rychlostí 564 kbit/s. Anténa tento signál přijme a prostřednictvím přijímacího modulu balízy (BMT) zpracuje a výsledek postoupí ostatním částem mobilního systému. Jak patrno z obr. 2-2, systém pracuje se všemi dostupnými (i částečnými) informacemi a zahrnuje v sobě i diagnostiku. Balíza i přijímací část na vozidle jsou upraveny i pro případný přenos informací v opačném směru =913 nebo 21.11=231 bit 3 bit 22 bit 85 bit tvarovaná data cb esb kontrolní bity Obr. 2-3 Formát telegramu je znázorněn na obr. 2-3, telegram je vysílán v pořadí zleva doprava podle obrázku. Začíná blokem tvarovaných dat, který obsahuje uživatelská data, podrobená jistému dále uvedenému tvarování. V dlouhém formátu obsahuje tento blok 83 jedenáctibitových slov, v krátkém 21 slov. Tvarování zabírá určité množství bitů, takže počet aktuálních uživatelských bitů je menší (892 resp. 225 bit). Zbytek telegramu tvoří v obou formátech 10 jedenáctibitových slov. Nejdříve následují tři řídící bity (cb - control bits), z nichž první je tzv. inverzní bit, který musí být vždy nastaven na nulu a zbylé dva zatím nejsou využity (předpokládá se pozdější využití pro účely dalších variant formátu - zatím musí být nastaveny též na nulu). Následujících 22 bitů jsou zvláštní tvarovací bity (esb - extra shaping bits), které jsou určeny pro tvarování kontrolních bitů. Zbývajících 85 kontrolních bitů (check bits) se skládá ze 75 paritních bitů detekčního kódu a 10 bitů synchronizačních. 22

11 Za normálních okolností jsou telegramy vysílány opakovaně po celou dobu, kdy vlak balízu míjí. Je však také možné, že během vysílání dojde ke změně telegramu (tato okolnost bude diskutována později). Kódová slova jsou určena generačními polynomy (řádu 75); pro dlouhý formát je použit generační polynom g 1 (x), pro krátký formát g 2 (x). Kódová slova cyklických kódů jsou bezezbytku dělitelná jejich generačním polynomem. Polynomy g 1 (x) a g 2 (x) jsou voleny tak, že třikrát opakované kódové slovo krátkého formátu tvoří kódové slovo dlouhého formátu. Tato vlastnost zjednodušuje rozlišení obou formátů. Tvarování zajišťuje (kromě jiného), že se v telegramu nevyskytují úseky s více než 8mi po sobě jdoucími jedničkami či nulami a že každý blok 75ti po sobě jdoucích bitů bude obsahovat nejméně 13 nul, 13 jedniček a 13 přechodů (0-1 nebo 1-0). Kódování celkem sestává ze tří kroků (viz obr. 2-4): tvarování dat - transformace uživatelských dat do jedenáctibitových slov, která vyhovují shora uvedeným podmínkám, výpočet kontrolních bitů, vedoucích k platnému synchronizovanému kódovému slovu, vynucení tvarovacích požadavků pro řídící bity (cb), zvláštní tvarovací bity (esb) a kontrolní bity modifikací bitů esb. uživatelská data tvarování dat formování prozatímních kontrolních bitů tvarování kontrolních bitů platný telegram Obr. 2-4 Klíčovým problémem tradičních formátů je bloková synchronizace při detekci - ochrana detekčními kódy je podmíněna správnou synchronizací a je obtížné potlačit pravděpodobnost špatné synchronizace pod potřebnou mez. V tomto případě je zvolen opačný postup - přijatá zpráva je nejprve detekována na chybu a teprve potom synchronizována. Využívá se přitom skutečnosti, že cyklicky posunuté kódové slovo vytvořené polynomem g(x) je také dělitelné (bezezbytku) polynomem g(x). Po detekci takového cyklicky posunutého slovo je ovšem nutné vypočítat počet kroků, o které je nutno dekódovaný telegram cyklicky posunout, aby souhlasil s originálem. K tomu účelu slouží synchronizační polynom zvláštních vlastností, pro každý formát jiný. Typ chyby Počet chybných bitů pro 1023/341 bitů náhodná chyba < 15/17 bitů shluk chyb < 75 bitů Obr. 2-5 Zmínili jsme již možnost, že během přenosu dojde ke změně vysílané informace. Taková změna uprostřed vysílaného telegramu by zcela narušila předpoklady platné pro cyklické kódy - nejde o náhodnou chybu - a jejím výsledkem by mohlo být vyhodnocení falešné zprávy. Tento problém je řešen tak, že v případě 22

12 změny telegramu se do toku dat (mezi starý a nový telegram) vkládá string složený ze samých jedniček o délce nejméně 75 bit. Kromě vlastní přenosové funkce zajišťuje balíza i funkci lokalizační. Jejím smyslem je co nejpřesněji určit polohu vlaku v momentě, kdy míjí elektrický střed balízy. Tato funkce se provádí hodnocením úrovně signálu v přijímači mobilní části. Euroloop Krátké a střední smyčky co do přenosových vlastností korespondují s balízou (skupinou balíz) a budou přenášet prakticky tytéž informace; smyčky ovšem nejsou pasivní, ale mají své vlastní napájení ze zdroje na trati a vysílají trvale, bez ohledu na přítomnost vlaku. Jejich logické uplatnění je zejména v aplikační úrovni 1, kde mohou plnit funkce dodatečné informace. Podle prozatímních úvah o aplikaci systému ERTMS/ETCS u ČD se nepočítá s jejich uplatněním ani pro tento účel. Dlouhá smyčka byla uvažována na přání některých železnic, které již zařízení orientovaná na tento druh přenosového média využívají. Zdá se však, že nakonec ani ony nebudou toto médium nadále používat a dají přednost rádiovému systému. Euroradio Na rozdíl od předchozího média se rádiový přenosový systém nyní považuje za víceúčelový perspektivní komunikační a přenosový systém, který do budoucna bude u všech evropských železnic tvořit univerzální spojení stacionárních center na trati se všemi mobilními jednotkami v oblasti (tj. s vlaky, ale také např.s posunovači, údržbářskými a pracovními četami atd.) a podle potřeby i mezi mobilními jednotkami navzájem. Jako jedna z prvních aplikací datového přenosu na tomto přenosovém systému je právě aplikace pro systém ERTMS/ETCS úrovně 3. RBC Euroradio vrstva bezpečné komunikace GSM-R Euroradio vrstva bezpečné komunikace ERTMS mobilní část Obr. 2-6 Tento přenosový systém, označovaný jako GSM-R, vychází ze standardu digitálního mobilního rádia GSM, který rozšiřuje o speciální vlastnosti potřebné pro železnice. Umožňuje splnit na úrovni veškeré požadavky železnic na mobilní hlasovou i datovou komunikaci efektivněji než doposud používané roztříštěné rádiové komunikace. Požadavky byly definovány skupinou EIRENE, realizace pilotních projektů je náplní konsorcia výrobců a železničních provozovatelů s označením MORANE. Specifické železniční požadavky zahrnují možnost skupinového volání (např. skupina posunu, staničního rádia, údržby atd. pro hlasová volání a skupiny VZ, dálkového ovládání atd. pro datová volání), všeobecného volání, zavedení víceúrovňových priorit, funkční adresaci, adresaci závislou na poloze atd. Spojení probíhá v pásmech vyhrazených pro železnici, tj (890) MHz (uplink) a (935) MHz (downlink), na rozdíl od veřejného pásma, které je MHz a MHz. U datového přenosu lze dnes uvažovat s přenosovou rychlostí 9,6 kb/s (max. 14,4 kb/s), se zavedením služeb GPRS (GSM Packed Radio Services) se očekává zvýšení na cca 120 kb/s (zavedení cca v r. 2000). Logické rozvrstvení systémů použitých v ERTMS/ETCS úrovně 3 je znázorněno na obr Jak patrno, GSM-R nemá samo o sobě žádné přímé bezpečnostně relevantní úkoly. Tuto oblast řeší prostřednictvím logické vrstvy bezpečné komunikace až aplikace. 2.2 Mobilní část Mobilní část řeší typické zabezpečovací problémy dnes již dostatečně prozkoumanými multiprocesorovými prostředky. Přitom je mobilní část, stejně jako celý systém, řešena jako otevřená struktura, která je schopna pojmout do sebe v budoucnu případně vzniklá nová a lepší řešení dílčích problémů. Technicky zajímavá jsou zejména řešení přesné lokalizace vlaku, zajištění aktuálnosti dat, styku s obsluhou (MMI) a zvláštních přenosových modulů (STM). K těmto tématům snad někdy příště. 22

13 3. Situace u ČD ČD používá od počátku šedesátých let vlastní liniový čtyřpojmový vlakový zabezpečovač typ LS II-IV. Zařízením tohoto typu jsou vybaveny téměř všechny lokomotivy (cca 2200 ks) a všechny dnes autoblokované tratě (cca 1500 km převážně dvojkolejných tratí). Tento vlakový zabezpečovač (kvalitní v době svého vzniku) nepřenáší informace o stupni návěštěného omezení rychlosti a nedohlíží na skutečnou rychlost vlaku, pouze vyžaduje periodické potvrzování bdělosti strojvedoucího v oblasti zábrzdné vzdálenosti před hlavními návěstidly omezujícími jízdu vlaku. Zařízení se také žádným způsobem nepodílí na dohledu nad dodržováním ostatních omezení rychlosti - z titulu stavby tratě, charakteristik vlaku atd. Na ostatních tratích (tj. na zhruba 85 % tratí) ČD neprovozuje žádné vlakové zabezpečovací zařízení. Vzhledem k přetrvávajícím problémům s podvědomou obsluhou tlačítka bdělosti současného vlakového zabezpečovače a k ostatním uvedeným okolnostem je nutné konstatovat, že úroveň bezpečnosti a ostatních služeb, které poskytuje současný vlakový zabezpečovač ČD, jsou z dnešního pohledu nedostatečné. V 80-tých letech byly podniknuty určité kroky, jejichž cílem bylo zlepšit úroveň vlakového zabezpečovače ČD. Po důkladných rozborech byl navržen a částečně ověřen systém kombinující mírně inovovaný stávající liniový VZ ČD s kvalitním systémem bodovým. Získané zkušenosti z poloprovozních zkoušek potvrdily, že tato kombinace představuje správný směr, ale v kritické fázi, kdy mělo dojít k definitivní volbě přídavného bodového systému, vznikl na půdě UIC projekt nového panevropského vlakového zabezpečovacího systému (ETCS) jako prostředku, který umožní vlakům bezproblémový přechod hranic. ČD konstatovaly, že koncepce ETCS v zásadě odpovídá poznatkům z dosavadních prací u ČD a rozhodly se změnu vlastního systému vést kompatibilně s ETCS, aktivně se podílet na jeho přípravě v rámci UIC a učinit vše, aby bylo možné výsledky co nejdříve u ČD uplatnit. ČD až do jisté doby skutečně tento záměr plnily. V provozu ČD se uplatnily pouze technologické úpravy jednotlivých částí stávajícího vlakového zabezpečovače (mobilní část LS-90, elektronický kodér atd.), funkční vlastnosti nebyly podstatně modifikovány. Na společných pracích na novém systému (ve většině případů řízených ERRI) se v různých fázích a na různé úrovni aktivně podílelo (a i nadále podílí) několik pracovníků ČD-VÚŽ. U ČD, na železničním zkušebním okruhu Velim, jsme pro ERRI provedli poloprovozní srovnávací měření tří typů balíz, připravených třemi konsorcii evropských zabezpečovacích firem. Kromě toho probíhaly i určité přípravné práce doma na aplikaci zařízení pro ČD. Tak mohl být již v první polovině roku 1995, po předchozí dohodě s ERRI/A200, EU/DG VII a S14 DDC předložen podrobný program Pre-study for pilot installation of ERTMS/ETCS on railway line Praha-Dresden (prakticky jen o málo později než byly předloženy materiály pro první pilotní projekt ERTMS/ETCS Vídeň-Budapešť) a získány prostředky z PHARE. Projekt se měl stát jedním z klíčových projektů systému ERTMS/ETCS. Uskutečnila se řada jednání mezi MD, ČD, EU DG VII, EU DG I a představiteli PHARE, kde se však plně projevila neschopnost české strany rychle, pružně a se znalostí věci reagovat, zvládnout administrativu vyžadovanou orgány EU, PHARE atd. Tyto průtahy, které pokračují do dnešních dnů, již znamenaly vyřazení ČD z první vlny pilotních instalací a tedy ztrátu pozic, které jsme v projektu získali, snižují naše možnosti ovlivňovat řešení systému směrem výhodným pro ČD, zmenšují ochotu nadnárodních institucí přispívat k finančnímu krytí našich nákladů atd. Důsledkem administrativní neschopnosti tedy budou vyšší náklady ČD při aplikaci systému, k níž stejně dříve či později dojít musí a co horšího - průtahy způsobují prodlužování nevyhovujícího stavu v zajišťované úrovni bezpečnosti provozu. Situace je o to komplikovanější, že odvětví lokomotivního hospodářství ČD již od 70 tých let cílevědomě pracuje na aplikacích v oblasti automatického vedení vlaku. Na některých hnacích vozidlech jsou již v provozu regulátory rychlosti a připraveny jsou další významné a pro moderní provoz dráhy důležité části (regulátor cílového brzdění, optimalizátor jízdy atd.). I když návrh těchto zařízení předpokládá jistou míru kontroly existujícím vlakovým zabezpečovačem [1], jde z povahy věci o úroveň nedostatečnou. Odpovídající kontrolu může poskytnout pouze moderní vlakové zabezpečovací zařízení úrovně systému ERTMS/ETCS. Bez něj by provoz těchto automatizačních prvků v navržené úrovni byl nebezpečný a bylo by krajně nezodpovědné s ním souhlasit. Tento závěr implikuje i pochybnosti o smysluplnosti zavádění speciálních přenosových zařízení (traťové informační body MIB6, dodatečný rádiový přenos) pro účely automatického vedení vlaku, když totožné informace (a v bezpečné a vysoce spolehlivé verzi) jsou součástí přenosových kanálů ERTMS/ETCS a prostřednictvím TIU mohou být bez problémů předány kterémukoliv dalšímu systému. I zde tedy průtahy v aplikaci systému ERTMS/ETCS u ČD mají své nepříznivé důsledky a jen znovu potvrzují, že DDC dlouhodobě podceňuje jednu ze svých výsostných úloh, tj. starat se o bezpečnost provozu ČD. Obdobně neutěšená situace je v nekoncepčním přístupu DDC k zavádění EURORADIA, které je podmínkou vyšších aplikačních stupňů systému ERTMS/ETCS. 22

14 Aby vina za zdržování aplikace nebyla tak zřejmá, připouští se mlžení situace vypouštěním nekompetentních zpráv, jakoby alternativou k zavedení systému ERTMS/ETCS byla jiná zařízení. Jednou se uvádí vlakový zabezpečovací systém ZUB 100 i když jde o dnes již zastaralý systém, podruhé polohovací systém, založený na GPS (satelitní navigační systém), i když jde o zařízení sice v budoucnosti snad použitelné, ale řešící jen jednu z řady úloh, které má systém ERTMS/ETCS na starosti, jindy systém AVV, i když ve skutečnosti jde o systém, který je pouze (byť pravděpodobně vysoce kvalitní) nástavbou vlakového zabezpečovacího zařízení. Tají se, že systém ERTMS/ETCS se v budoucnu stane samozřejmou podmínkou pro jakoukoliv spolupráci s okolními železnicemi v oblasti přepravy. ČD-VÚŽ připravil a vedení DDC opakovaně předkládal program aplikace systému ERTMS/ETCS, který ČD umožní : výrazně zvýšit úroveň bezpečnosti poskytovanou na tratích ČD postupnou výstavbou systému ERTMS/ETCS podle ekonomických možností dráhy, vytvořit základ pro moderní řízení a zabezpečení železniční dopravy na hlavních tratích při významně nižších investičních a provozních nákladech (radioblok, prvky automatického vedení vlaku - časová a energetické optimalizace atd.), vytvořit základ pro výrazné zvýšení úrovně zabezpečení a modernizaci řízení provozu i na vedlejších tratích, postupně odstraňovat problémy plynoucí z nekompatibilnosti zařízení se sousedními železnicemi, protože sousedící dráhy se projektu aktivně účastní, osvojit si zabezpečovací systém vhodný i pro případné budoucí vysokorychlostní tratě. Aplikace jednoznačně směřuje k řešení existujících bezpečnostních a dalších problémů ČD, vytváří předpoklady pro přechod ČD k modernímu a ekonomičtějšímu řízení železniční dopravy. Chceme věřit, že nové vedení DDC ji vezme za vlastní a prioritní. Zatím tomu tak stále není. Literatura [1] Myslivec I., Špaček P., Šula B.: Automatické vedení vlaku AVV. Vědeckotechnický sborník ČD č. 5, 1998 [2] Materiály ERRI A200 [3] Chudáček V., Lochman L.: Vlakový zabezpečovací systém ERTMS/ETCS. Vědeckotechnický sborník ČD č. 5, 1998 V Praze, únor 1999 Lektoroval: Ing. Vladislav Kyjovský 22

15 VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1999 ČÍSLO 7 Hynek Šertler Stanovení spolehlivosti stávajících železničních mostů Klíčová slova: spolehlivost, pravděpodobnostní přístup, provozní zatížitelnost, diagnostika, pravděpodobnost poruchy, index spolehlivosti. 1. Úvod Současný stav zejména ocelových mostních konstrukcí v důsledku zanedbanosti údržby je neradostný [2]. I když se podařilo v rámci rekonstrukce prvního koridoru přestavět celou řadu přestárlých a nevyhovujících mostů, je počet nevyhovujících mostů v síti ČD tak velký, že to vede stále k většímu rozsahu pomalých jízd a tím ke zpomalování dopravy a ke snižování výkonnosti tratí. Se špatným stavem mostů bezprostředně souvisí i bezpečnost provozu. Skutečnost, že zatím nedošlo z titulu špatného stavu mostů k vážnějším haváriím, vede někdy méně zasvěcenou veřejnost k nebezpečnému optimizmu o značných rezervách v únosnosti mostů. Některé případy vážných poruch, které se v poslední době vyskytly a které jen díky včasným zásahům udržovacích složek DDC nevedly k vážnějším nehodám, jsou varující. Nedostatek finančních prostředků neumožní ani v blízké budoucnosti tento problém řešit. Bude proto třeba hledat cesty, jak prodloužit životnost stávajících mostů, aniž by tím byla ohrožena bezpečnost.provozu. Prvním předpokladem pro splnění tohoto úkolu je určit spolehlivost provozovaných mostů s ohledem na jejich udržovací stav, stáří i vytížení provozem. Dalším úkolem je zjistit zbytkovou životnost konstrukcí, popřípadě rozsah oprav, nutných k jejímu prodloužení. Ve snaze pomoci správním orgánům ČD řešit tento problém, pracuje tým pracovníků katedry dopravní infrastruktury Dopravní fakulty Jana Pernera ve spolupráci s ÚTAM ČAV Praha na výzkumné úloze Spolehlivost konstrukcí dopravních staveb, pro kterou se podařilo získat finanční podporu v rámci GA ČR. Hynek Šertler, Prof. Ing. DrSc., nar Absolvent VUT Brno, Stavební fakulta, obor konstruktivně dopravní. Prof. mostů na DFJP Univerzity Pardubice, vedoucí katedry dopravní infrastruktury. 2. Současný stav Stanovení únosnosti stávajících mostních konstrukcí podle platných předpisů [11] je založeno na deterministickém přístupu. I když tyto předpisy formálně vycházejí z metodiky mezních stavů, má ve skutečnosti určení jak materiálových, tak i zatěžovacích a geometrických vlastností charakter deterministických hodnot. Podklady k této normě byly zpracovány kolektivem pracovníků katedry mostů a stavebních konstrukcí Stavební fakulty Vysoké školy dopravy a spojů v Žilině, jejímž členem autor tohoto příspěvku tehdy byl. Při tvorbě tohoto předpisu se vycházelo z údajů a koncepce tehdy platné normy pro navrhování [4] a zatížení [3] s určitými korekcemi, stanovenými odborným odhadem. Pokud se týče mezního stavu únosnosti, směřuje přepočtová norma především k výpočtu zatížitelnosti jednotlivých konstrukčních prvků a spojů, přičemž 29

16 zatížitelnost konstrukce je dána nejmenší zatížitelností jejích prvků. Zatížitelností se rozumí poměr rezervy únosnosti konstrukce pro nahodilé krátkodobé zatížení k účinkům smluvního krátkodobého nahodilého zatížení, kterým je zpravidla zatěžovací vlak UIC 71. Ve starších přepočtech je tímto smluvním zatížením zatěžovací vlak C. Potřebné vztahy pro zatížitelnost jsou v [11].Proti normě pro navrhování mostních konstrukcí zohledňuje norma pro přepočet vliv aktuální hladiny zatížení na velikost redukčních součinitelů prvků, namáhaných na tlak. Při stanovení výpočtových pevností starších mostních konstrukcí se vycházelo z údajů v mostních řádech, platných v době navrhování konstrukce. Dovolená namáhání tam uvedená byla převedena na výpočtové pevnosti v poměru stupňů bezpečnosti. tehdejší a současné (v době tvorby[11] ) normy. Zatížitelnost sloužila pro zatřídění mostů a pro stanovení přechodnosti aktuálního provozního zatížení po mostě. Konkrétní zatížení je charakterizováno účinností, t.j. poměrem účinků aktuálního zatížení k účinkům smluvního zatěžovacího vlaku (např. UIC 71). Účinnostní tabulky, popř. grafy byly na tehdejších Správách drah pro běžné dopravní prostředky k dispozici. Dnes je výpočet přechodnosti plně zautomatizován pomocí výpočtové techniky programem CASANDRA, vytvořeným pracovníky SUDOP Praha [6]. Hlavním přínosem ON v době jejího zrodu bylo postavení tohoto dokumentu na metodice mezních stavů, na které byla založena norma pro navrhování. V současné době došlo k totální revizi normy pro navrhování i zatížení mostních konstrukcí a prohloubil se teoretický základ metodiky mezních stavů, založený na pravděpodobnostním pojetí. Současně se otevřela možnost masového použití výpočtové techniky při přepočtech konstrukcí. Z tohoto úhlu pohledu se jeví současná norma pro přepočty mostních konstrukcí jako zastaralá. 3. Nové trendy v posuzování spolehlivosti 3.1.Pravděpodobnostní koncepce Jakoukoliv konstrukci navrhujeme z materiálů, jejichž charakteristické vlastnosti můžeme stanovit jen s určitou pravděpodobností a které se budou měnit s časem, budou podléhat degradaci v důsledku koroze, únavy, atd. Ještě obtížnější je to s odhadem návrhového zatížení. Jeho intenzita kolísá v průběhu dne, ročních období, ale i roků. Změny v minulosti i současnosti můžeme měřit a analyzovat pomocí matematické statistiky. Změny v budoucnosti můžeme jen předpokládat a přesnost odhadu bude záviset na časovém horizontu předpokládané životnosti..to vše nás vede k tomu, že se budeme muset spokojit při návrhu i posuzování konstrukcí s tím, že spolehlivost je náhodně proměnná veličina, kterou můžeme stanovit jen s určitou pravděpodobností. Toto poznání vedlo k nutnosti opustit deterministické metody při posuzování konstrukcí a nahradit je metodami pravděpodobnostními. Základem pravděpodobnostní koncepce je tedy nahrazení součinitelů bezpečnosti,které byly stanoveny na základě zkušeností a byly ovlivněny teoretickou fundovaností a konstrukčním citem odborníků, návrhovou pravděpodobností poruchy,popřípadě návrhovým indexem spolehlivosti.spolehlivost konstrukce v moderním pojetí je funkcí množiny náhodně proměnných parametrů a je proto též náhodně proměnnou veličinou.její návrhovou hodnotu můžeme určit z míry rizika porušení konstrukce,kterou při návrhu konstrukce připustíme.. Základy teorie spolehlivosti lze najít v četných publikacích např.[8]. Konkrétní aplikace metody najde čtenář v [7] Podrobněji o teorii spolehlivosti při aplikaci na posuzování stávajících konstrukcí pojednává [18]. Konstrukci označujeme za spolehlivou, pokud plní bezchybně funkci, pro kterou byla navržena po celou předpokládanou dobu životnosti.mírou spolehlivosti je tzv. rezerva spolehlivosti G (t), která je funkcí času a má charakter náhodně proměnné veličiny, závislé na vektoru náhodně proměnných parametrů.pravděpodobnostní metoda první úrovně, která je základem dnešní verze koncepce mezních stavů, kodifikované v normách pro navrhování, redukuje počet parametrů na dva G(t) = R(t) - S(t) 0 (1) Zatížení jemuž je konstrukce vystavena, reprezentované parametrem S(t) má zpravidla několik složek různé intenzity, rozptylu a významnosti. Např. u mostních konstrukcí je můžeme roztřídit na zatížení stálé s velmi malým rozptylem, zatížení nahodilé dlouhodobé, jehož rozptyl je větší, zatížení nahodilé krátkodobé (vozidla) a zatížení vyplývající z působení vnějšího prostředí (sníh, vítr, tepelné změny) s rozptylem značně větším. U železničních mostů převládá co do intenzity zatížení krátkodobé nahodilé S T (t), které proto můžeme vydělit z ostatního zatížení. Potom můžeme psát S(t) = ΣS i (t) + S T (t) (2) 30

17 Odolnost R(t) závisí na pevnostních charakteristikách, geometrických charakteristikách příčného řezu konstrukčních prvků, na degradaci materiálu vlivem prostředí a na udržovacím stavu konstrukce.u tlačených prvků v případě, že snížení odolnosti v důsledku vzpěru a lokálního boulení dílčích stěn vyjadřujeme redukčními součiniteli je odolnost funkcí náhodně proměnných geometrických i strukturálních imperfekcí. Je ji možno regulovat údržbou a opravami. Dosadíme-li (2) do (1), dostaneme po úpravě z T = [R(t) - Σ S i (t)] / S T (t) 1 (3) Tento výraz, který je základní charakteristikou při posuzování stávajících konstrukcí je v (Šertler, l996) označen jako provozní zatížitelnost a jeho podrobnou analýzou se zabývá výzkumný tým katedry dopravní infrastruktury DFJP Univerzity Pardubice. Tento pojem je nutno odlišit od zatížitelnosti obvykle užívané v normách, která je založena na deterministickém přístupu a je vztažena k normalizovanému zatížení, např. zatěžovacímu vlaku UIC 71. Jako míra spolehlivost se standardně používá pravděpodobnost poruchy, nebo index spolehlivosti. Vycházíme-li z (1), je pravděpodobnost poruchy dána vztahem: P f = P (G < 0 ) (4) Vycházíme-li z (3), je pravděpodobnost poruchy dána vztahem: P f = P (z T < 1 ) Kritériem spolehlivosti je v tomto případě podmínka (4a) P f < P fd (5) kde P fd je návrhová pravděpodobnost poruchy, závisející na významnosti konstrukce a důsledcích případné havárie, na plánované době života, popř. zbytkové životnosti, na druhu poruchy u stávajících konstrukcí a na hustotě a kvalitě prohlídek. Stanovení návrhové pravděpodobnosti poruchy je jedním z nejcitlivějších a nejobtížnějších problémů použití pravděpodobnostní koncepce v praxi. Podrobně je tato otázka analyzována v [1] a v.[12]. Index spolehlivosti β Je dán podílem střední hodnoty rezervy spolehlivosti a směrodatné odchylky této funkce. Pokud použijeme pro rezervu rozdílový tvar podle (1) dostaneme ( mr ms) / ( sr ss) β = (6a) kde indexy označují příslušnost k jednotlivým parametrům ve výrazu (1). Pokud jsou náhodně proměnné veličiny dány v log-normálním rozdělení, uvádí se pro β tvar β =ln(m R /m S )/(v R 2 +v S 2 ) 1/2 (6b) zde v R a v S jsou variační koeficienty odolnosti a odezvy na zatížení Kritérium spolehlivosti je potom vyjádřeno tvarem β β d (7) 31

18 kde β d je návrhový index spolehlivosti, závisející na podobných okolnostech, jako návrhová pravděpodobnost poruchy. Je zpravidla nultého řádu. Index spolehlivosti nemá všeobecnou platnost. Platí jen ze předpokladu, že rezerva spolehlivosti má normální rozdělení. Přesto se ho v publikovaných návrhových postupech používá častěji než pravděpodobnosti poruchy pro svou názornost a praktičnost. Pro vlastní simulaci rezervy spolehlivosti podle výrazu (1), popř.(3) se nejčastěji používá metoda MONTE-CARLO. Tu také používá ve svých pracích autor tohoto příspěvku. Její nevýhodou je fakt, že vyžaduje značně velké množství simulací, což může činit potíže při složitějších výpočetních modelech a při velmi malých hodnotách pravděpodobnosti poruchy. Mírou přesnosti a spolehlivosti této metody v závislosti na kvalitě statistických souborů vstupních parametrů se zabývá[19]. Výhodnější je pro tyto případy metoda LHS (Latin Hypercube Sampling), publikovaná např.[15]. Plně pravděpodobnostní metody tvoří vyšší úroveň teorie spolehlivosti, tak jak je výše popsáno. Pro výpočet spolehlivosti potom potřebujeme softwarové vybavení a výkonný počítač. Je možno dosáhnout úspornějšího návrhu, protože polopravděpodobnostní metody dále popsané jsou vždy na straně bezpečné. K dokonalosti tyto metody dovedl Marek [7] a jeho spolupracovníci. Podle druhu porušení prokazujeme spolehlivost porušení houževnatým lomem s předcházejícími značnými trvalými deformacemi, porušení vysokocyklovou popř. nízkocyklovou únavou, porušení křehkým lomem. Bezpečnost proti porušení houževnatým lomem prokazujeme při výpočtu prvního mezního stavu, t.j. mezního stavu únosnosti a při stanovení provozní zatížitelnosti. Pro výpočet životnosti, popř. zbytkové životnosti a intervaly prohlídek vycházíme zpravidla z porušení únavou [16]. 3.2 Metoda dílčích součinitelů spolehlivosti Polopravděpodobnostní metody tvoří přechod mezi deterministickými a plně pravděpodobnostními metodami. Využívají formální postup a některé pojmy, známé z deterministických metod. Jsou tedy výhodné zvláště pro inženýrskou praxi. Polopravděpodobnostní přístup byl všeobecně akceptován pře tvorbě euronorem a je znám jako metoda parciálních součinitelů spolehlivosti. Jednotlivé náhodně proměnné parametry se zpracovávají statisticky odděleně. Návrhové hodnoty těchto parametrů se určí jako kvantily, stanovené s parciální návrhovou pravděpodobností, odvozené návrhové z pravděpodobnosti poruchy P fd podle vztahu (4). Parciální součinitele spolehlivosti, vyjadřující odchylky extrémních hodnot náhodně proměnných parametrů od nominálních hodnot, jsou zpravidla v normách tabelizovány a formálně se tak výpočet přibližuje k deterministickému pojetí. Normy pro navrhování uvádějí parciální součinitele spolehlivosti zatížení, dále označovány součinitele zatížení γ F,i, diferencované podle druhu zatížení a parciální součinitele spolehlivosti materiálu γ M, diferencované podle způsobu namáhání a míry přípustné plastifikace průřezu. Některé výpočtové postupy, ve snaze co nejvíce zjednodušit výpočet, redukují počet součinitelů spolehlivosti na jeden, čímž se formálně výpočet převádí na výpočet podle stupně bezpečnosti. Součinitel spolehlivosti má ale v tomto případě kvalitativně vyšší úroveň, protože byl určen s využitím pravděpodobnostních metod Bayley [20] např. uvádí polopravděpodobnostní způsob výpočtu, užívaný ve Švýcarsku a v Belgii pro evaluaci stávajících konstrukcí. V zásadě se konstrukce počítá podle platných norem např. [5] a náhodná proměnnost se vyjádří korekčním součinitelem zatížení. Kalibrace se provede tak, aby pravděpodobnost poruchy zůstala stejná jako při normovém zatížení. Podmínka spolehlivosti se potom dá vyjádřit vztahem S( γ Q. Qr) Sd = S( γ G. Gm) + α Q R γ R (8) Zde γ G, γ Q, γ R jsou součinitele spolehlivosti stálého a nahodilého zatížení a součinitel spolehlivosti materiálu podle norem,α Q je korekční součinitel, vyjadřující odlišnosti od normových předpokladů. 4. Zvláštnosti stávajících mostních konstrukcí 32

19 Při návrhu nových konstrukcí je míra nejistoty mnohem větší než u konstrukci v provozu. Hlavní odlišnosti přepočtů stávajících konstrukcí od návrhu nových konstrukcí jsou tyto: Jejich materiálové vlastnosti i udržovací stav, odezvu na zatížení, jakož i provozní podmínky můžeme určit mnohem přesněji diagnostikou a inspekcemi. Zde je rozhodující kvalita inspekcí a časový interval mezi jednotlivými prohlídkami, což musíme při přepočtu zohlednit. Při náročnějších přepočtech můžeme odebrat vzorky materiálu a stanovit zkouškami jejich mechanické vlastnosti. Pokud známe rok výroby a výrobce mostní konstrukce, můžeme využít výsledky zkoušek z analogických, dříve sledovaných objektů. Můžeme zjistit případné trhliny, zjistit jejich charakter a rychlost šíření. Postup degradace materiálových vlastností, změny geometrie konstrukce a průřezových hodnot můžeme při přepočtech průběžně sledovat, změny zavádět do výpočtu a korigovat tak předpoklady, za kterých byl proveden návrh konstrukce. Časový interval, na který konstrukci posuzujeme, je mnohem kratší než návrhová životnost u nových konstrukcí. Zatím co nové konstrukce navrhujeme ve smyslu (ENV,1993) na dobu 100 roků, přepočet provádíme na dobu omezenou. Zpravidla je to doba mezi dvěma hlavními prohlídkami tak, abychom mohli výsledky přepočtu aktualizovat na základě výsledků inspekce. Rozptyl návrhových parametrů za celou dobu životnosti konstrukce bude tedy mnohem větší než pro dobu platnosti přepočtu. 5. Diagnostika mostních konstrukcí Jak je z předchozí kapitoly patrné, má diagnostika pro správné určení spolehlivosti prvořadý význam. Předmětem tohoto příspěvku není vyčerpávajícím způsobem popsat problematiku diagnostiky. Potřebné informace jsou např. v publikaci [17].Chci jen upozornit na některé zásady,které mohou podstatně ovlivnit spolehlivost výsledků diagnostiky a stanovení spolehlivosti vůbec. Diagnostika je součástí systému správcovské činnosti provozních složek DDC, jehož účelem je dodržet předpoklady, za kterých byla konstrukce navržena, popř. provádět jejich korekci v případě změněných podmínek. Patří sem periodické prohlídky, hlavní prohlídky, zatěžovací zkoušky, analýza výsledků diagnostiky, přepočet se zapracováním výsledků diagnostiky, údržba a rekonstrukce. V tomto globálním systému se jednotlivé položky navzájem podmiňují, zanedbání jednoho článku se projeví na zvýšených nákladech v článku druhém. Tak např. zanedbání diagnostiky a údržby systému proti korozní ochrany se projeví nejen oslabením průřezových ploch korozí napadených prvků a následným snížením jejích zatížitelnosti, ale v případě důlkové koroze i snížením únavové pevnosti v důsledku iniciace vrubů.to má za následek zkrácení doby života. Obnovení spolehlivosti na požadovanou míru, popřípadě opětovné prodloužení doby života si zpravidla vyžádá enormní zvýšení nákladů na opravy a rekonstrukce. Kvalita diagnostiky záleží především na lidském činiteli, to jest na odborné vyspělosti a zkušenosti členů týmů, provádějících revizi. Zejména vedoucí takových týmů by měli být na takové odborné úrovni, aby rozuměli konstrukci, byli schopni vystihnout neuralgické body konstrukce a zaměřit na ně při revizi zvýšenou pozornost. Zkušenosti z vykonaných prohlídek ukazují, že únavové trhliny jsou zpravidla zjištěny až v druhé polovině fáze jejich růstu, popřípadě v jejich konečné fázi, těsně před nezadržitelným rychlým růstem s následnou havárií. Kvalita diagnostiky závisí dále na úrovni diagnostického zařízení. Kromě běžných diagnostických prostředků na mechanické čištění, zvýrazňovačů případných trhlin, měřidel geometrických rozměrů a tlouštěk by měly mít diagnostické týmy k dispozici přístroje na detekci vnitřních vad, jako je ultrazvuková defektoskopie a rentgen. Vhodné jsou sonární metody, schopné indikovat vnitřní vady konstrukce. Metoda akustické emise se s úspěchem používá pro diagnostiku tlakových potrubí a ve Francii i pro diagnostiku mostů. Součástí moderního diagnostického zařízení je i přenosný počítač s patřičným softwarovým vybavením pro přímé ukládání výsledků prohlídky. Úspěch diagnostiky podstatně ovlivní důkladná příprava před její realizací. Projekt diagnostiky by měl obsahovat náčrtek konstrukce s vyznačením míst potenciálních závad. Mělo by předcházet též prostudování výsledků předcházejících prohlídek zejména v případě trhlin, aby bylo možno sledovat a analyzovat jejich růst. Důležitý je správný a přesný záznam závad. Program CASANDRA poskytuje možnost ukládat přímo při revizi závady do databanky závad. V budoucnu bude tato databanka důležitým pomocníkem pro predikci potenciálních závad. Jako velmi prospěšné se jeví provést roztřídění závad podle jejich četnosti a lokalizace a na základě této analýzy provést kategorizace detailů, avizující potenciálního nebezpečí závad. 33

20 6. Modelování stávajících mostních konstrukcí 6.1 Modelování dynamické odezvy Účinky provozního zatížení na mostní konstrukce mají výrazně dynamický charakter. Matematická simulace těchto účinků si proto vyžaduje výpočetní modely, které co nejvěrněji vyjadřují skutečnost. Tomu nejlépe vyhovují dynamické modely, ve kterých dochází k interakci vozidel a mostní konstrukce. Přitom třeba modelovat pojíždějící dopravní prostředky a dopravní konstrukce včetně podpěr a podloží jako systém To vyžaduje týmovou práci odborníků z oboru dopravních prostředků a dopravní infrastruktury. Předpoklady pro takovou spolupráci jsou na Dopravní fakultě Jana Pernera Univerzity Pardubice vytvořeny a problematika interakce dopravních prostředků a dopravní infrastruktury je náplní institucionálního výzkumného úkolu, který je od r na fakultě řešen. Interaktivní dynamické výpočtové modely, které by vystihovaly věrně dynamickou odezvu i v detailech konstrukce, vyžadující zpravidla použití metody konečných prvků nebo jiné finitní metody, mohou být pro účely spolehlivostní analýzy s velkým počtem simulací příliš časově náročné a mohou být pro aplikaci pravděpodobnostní spolehlivostní analýzy vážnou překážkou. Zůstanou proto i nadále kvazistatické výpočetní modely aktuální. Přitom je třeba věnovat velkou pozornost dynamickému součiniteli. Ten musí zohlednit okrajové podmínky vyšetřovaných prvků, t.j. vazby na sousední prvky v konstrukci a vliv rychlosti vlaků. Vzorce pro dynamické součinitele uváděné v normách pro zatížení mostů, zohledňující pouze rozpětí konstrukčního prvku nejsou dostatečně přesné. Jisté potíže při užití kvazistatických výpočtů činí modelování prvků, které při použití prostorových výpočetních modelů zastávají více funkcí. Příkladem jsou nosníky mostovky u mostů s prvkovými mostovkami, které spolupůsobí s hlavními nosníky. Zpravidla se účinky spolupůsobení zavádí s dynamickým součinitelem hlavních nosníků. 6.2 Rovinné výpočetní modely Statické systémy mostních konstrukcí a s tím související konstrukční řešení obrážejí stav teorie konstrukcí v době, ve které byly navrženy. Ve starších konstrukcích je konstrukce pojata jako množina převážně prutových a nosníkových prvků, z nichž každý zastává zcela jedinečnou funkci. Vzájemné vazby byly zpravidla pojaty velmi zjednodušeně a ne vždy byly při konstrukčním řešení zohledněny. Tak například připojení výplňových prutů hlavních nosníků na pásové pruty v důsledku velkého počtu nýtů, potřebných pro připojení, činilo z předpokládaného kloubového připojení prutu připojení tuhé. Excentricity připojení prutů, které vznikaly ve snaze vyhnout se styčníkovým plechům a připojit pruty přímo na pásy zpravidla tvaru T se při výpočtu zanedbávaly. To dnes při přepočtech ve snaze dodatečně tyto vlivy zohlednit činí jisté potíže, protože dodatečná napětí z toho plynoucí jsou značná. Dnešní normy proto připouští při zavedení těchto účinků zvýšenou návrhovou pevnost. Jiným příkladem je připojení podélníků na příčníky, které se staticky považovalo za kloubové, přenášející pouze posouvající sílu. Z toho důvodu nebývaly pásy podélníků v místech příčníků propojeny. Relativně vysoké přípoje stojiny podélníků však evokují sekundární ohybové momenty, které musí přenést značně zeslabený průřez. Tuhost připojení se ještě zvyšuje při použití vysokopevnostních šroubů. Vyskytlo se i takové připojení, kde byly navrženy ve směru vodorovném oválné otvory ve stojině, aby byl umožněn vodorovný posun v místě jednotlivých spojovacích prostředků, dotažení šroubů bylo však tak tuhé, že žádný posun neumožnilo. Složená, značně vysoká napjatost z toho plynoucí spolu s konstrukčními vruby potom vedla k únavovým lomům. I přes tyto nepřesnosti dávají zpravidla rovinné výpočtové modely uspokojivé výsledky a jsou vhodné tam, kde to značně zkrátí strojový čas, což může být při citlivostních analýzách důležité. Je tomu například u roštových soustav nebo u složitějších příhradových, rámových nebo obloukových konstrukcí. Vždy je však třeba věnovat velkou péči vzájemným vazbám jednotlivých rovinných soustav. 6.3 Prostorové výpočetní modely Dnešní výpočtová technika a dostupné softwarové vybavení umožňují modelovat konstrukce jako prostorové a tím se více přiblížit jejich skutečnému působení. Ale i to má svá úskalí. Velkou pozornost je třeba věnovat modelování uzlů. Většina výpočetních programů umožňuje modelovat vzájemné připojení prvků buď jako kloubové nebo tuhé. Ve skutečnosti většinu přípojů je možno klasifikovat jako polotuhé spoje s nelineárním vztahem sil a deformací. Většina programů není pro nelineární výpočet vybavena a když je, vyžaduje to tak velký strojový čas, že tento způsob není pro mnohonásobně opakované simulační výpočty použitelný. V budoucnosti bude třeba věnovat tomuto problému pozornost, experimentálně stanovit pracovní diagramy charakteristických detailů a na základě ověřovacích výpočtů a citlivostních analýz a parametrických 34

21 studií provést zatřídění jednotlivých detailů tak, aby se minimalizovaly. při použití lineárního výpočtu nepřesnosti Důležité je prostorové modelování pro výpočet tlačených prutových popřípadě plošných systémů pro výpočet kritického stavu konstrukce, z něhož lze ve smyslu nových norem pro navrhování mostů určit redukční součinitele jednotlivých tlačených prvků. Programové produkty by za tímto účelem měly být vybaveny stabilitními moduly a moduly pro výpočet podle teorie II. řádu. 6.4 Modelování poruch Nepříznivý vliv provozu se může projevit změnou celkové geometrie a úložných podmínek konstrukce, což je třeba respektovat při konstrukci výpočetních modelů pro globální analýzu. Ke změně geometrie dochází často v poddolovaném území, popřípadě v důsledku přírodních katastrof. Změna geometrie se nepříznivě projeví například u torzně tuhých konstrukcí nárůstem sekundárních kroutících momentů a uvolňováním ložisek u tlačených prvků nárůstem geometrických imperfekcí, snižujících odolnost. Tyto vlivy je možno zavést do výpočtu použitím teorie druhého řádu. Oslabení korozí je nutno při globální analýze respektovat jen při plošné korozi, postihující větší část vyšetřovaného prvku. Lokální oslabení korozí je naopak nutno respektovat při vyšetřování napjatosti. Podstatně mohou ovlivnit tvorbu výpočetních modelů změny v uložení konstrukcí. Nepříznivě se může projevit omezení volného pohybu u pohyblivých ložisek, popřípadě dosednutí čela konstrukce na závěrné zídky. V tomto případě je při modelování nutno začlenit i vliv interakce konstrukce a podpěr. Při výpočtu konstrukcí na únavu a zbytkovou životnost je třeba věnovat mimořádnou pozornost modelování lokálních poruch, zvláště při použití teorie mechaniky lomu Verifikace výpočetních modelů O správnosti volby výpočetního modelu se můžeme přesvědčit měřením na skutečné konstrukci. Zatěžovací zkoušky poskytují jen obraz o chování konstrukce jako celku a i to v omezené míře, často není možno použít zatížení s dostatečně velikou účinností. U svařovaných konstrukcí tak nedochází k odbourání vnitřních pnutí. K němu pak dochází postupně v důsledku provozu, což se projevuje nárůstem, popřípadě redistribucí napětí i deformací v čase. Pro spolehlivostní analýzu je nutno dát přednost dynamickým zatěžovacím zkouškám, kterými verifikujeme modelování dynamické odezvy zvláště při kvazistatických výpočtech. Pro ověření napjatosti a únavy je nutno měřit i poměrné deformace ve vybraných detailech. Nejspolehlivější verifikací jsou dlouhodobá měření odezvy mostů na provozní zatížení. Popis takového měření je v [18]. Podrobný popis a vyhodnocení tohoto měření je v diplomové práci Ing. B. Culka z r.1998, která je k nahlédnutí na katedře dopravní infrastruktury DFJP Univerzity Pardubice. 7. Evaluace stávajících mostů Zatímco pro návrh nových konstrukcí je pravděpodobnostní přístup dostatečně rozvinut, pro posuzování stávajících konstrukcí je teprve v počátcích. Dále uvádíme některé výpočtové postupy, publikované v poslední době: Nowak [9] publikoval výsledky grandiózního výzkumu provedeného v USA, jehož cílem bylo stanovit provozní spolehlivost stávajících dálničních mostů. Omezil se na trámové mosty ocelové, spřažené, železobetonové a předpjaté železobetonové mosty. Provedl statistickou analýzu všech základních náhodně proměnných veličin. Tabelizované jsou bias faktory λ (poměr průměrné a nominální hodnoty sledované veličiny) a variační koeficienty v. Rozlišuje se mezi stálým zatížením u prvků vyrobených v dílně a na staveništi a dlouhodobým nahodilým zatížením. Při výpočtu statistických charakteristik nahodilého zatížení provozem se zohledňuje rozpětí a časová perioda, pro kterou je analýza provedena. Výsledky jsou uvedeny pro rozpětí 3 až 60 m Vyšetřování bylo provedeno pro různé časové periody (1 rok, 5 a 75 roků). Nominální zatížení bylo bráno 35

22 podle AASHTO; λ s rozpětím stoupá (1,37 až 1,78 pro časovou periodu 1 rok), v se s rozpětím prakticky nemění (1,14); λ s prodlužováním časové periody stoupá. Odolnost je určena podle vztahu R=R n MFP (9) kde R n je nominální pevnost, M vyjadřuje pevnostní odchylky, F rozměrové odchylky a P vliv přesnosti analýzy. Je zajímavé, že vliv přesnosti analýzy je větší než vliv rozptylu pevnosti. Při spolehlivostní analýze se vycházelo ze vztahu (1) a (6b). Spolehlivost stávajících mostních konstrukcí se stala námětem řešení výzkumné úlohy v rámci GA ČR, zpracovávané kolektivem pracovníků katedry dopravní infrastruktury DFJP Univerzity Pardubice. Výsledky byly prezentovány na jiných fórech [13], jsou zde proto uvedeny jen některé hlavní výsledky. Byly specifikovány zvláštnosti pravděpodobnostního přístupu při posuzování stávajících konstrukcí, bylo analyzováno provozní zatížení na vybrané železniční trati snímkováním skutečného zatížení v období jednoho týdne, přičemž byl využit systém CEVIS, používaný u ČD, byla provedena matematická simulace provozní zatížitelnosti podle (3) s využitím metody MONTE-CARLO. Byla provedena analýza návrhové pravděpodobnosti poruchy a návrhové indexy spolehlivosti s ohledem na věk konstrukce, způsob prohlídek a její udržovací stav jak pro silniční, tak i pro železniční mosty a byly provedeny kontrolní výpočty. Bylo zjištěno, že v určitých případech je možno novým přístupem oproti dosavadnímu deterministickému pojetí dosáhnout úspor až 20 %. Úskalím metody je zatím nedostatečná databáze vstupních údajů pro statistické vyhodnocení. Po dlouhém váhání zvláště ze strany západoevropských zemí je dnes při tvorbě norem pravděpodobností přístup všeobecně akceptován a tvoří základ nově vznikajících euronorem (ENV, l993). Zajímavým pokusem o použití pravděpodobnostního přístupu při posouzení dálničních mostů v Kanadě je kanadská norma pro přepočet dálničních mostů [1] Návrhový index spolehlivosti β d je zde funkcí významnosti posuzovaného prvku pro selhání celého systému, způsobu poruchy, druhu inspekce a zatížení. 8. Závěr V důsledku nedostatku finančních prostředků na investice a rekonstrukce objektů dopravní infrastruktury nabývá posouzení stávajících konstrukcí v poslední době na významu. Deterministické metody jsou již zastaralé, neodpovídají duchu dnešních norem pro navrhování a neumožňují plně využít všechny rezervy konstrukcí. Posouzení stávajících konstrukcí má svoje specifika, která je nutno při výpočtu zohlednit. Pravděpodobnostní metody umožňují přiléhavější a přesnější stanovení spolehlivosti konstrukcí. Pro jejich aplikaci v praxi však bude třeba především, naplnit databáze statistických parametrů, vstupujících do výpočtu. Je třeba říci, že použití moderních výpočtových metod umožňuje jen přesnější stanovení spolehlivosti provozovaných mostních konstrukcí a odhalení skrytých rezerv,v žádném případě však neopravňuje k tomu,aby nebyla prováděna potřebná údržba a rekonstrukce mostů,,které jsou v dezolátním stavu, nebo které svým konstrukčním řešením nevyhovují novým provozním podmínkám. Příkladem může být přestavba některých mostů s mostnicemi na prvním železničním koridoru,které i přes svoji relativně vysokou zatížitelnost ohrožovaly bezpečnost jízdy při vysokých rychlostech. Příspěvek vyplynul z řešení výzkumné úlohy č. 103/97/0139s podporou GAČR. Literatura: [1] ALLEN, D. E.: Canadian highway bridge evaluation: reliability index. Canadian Journal of Civil Engineering l992, str l [2] ČERMÁK, M.: Stav mostů ve správě ČD. In: Mosty 1998, sborník ze 3. mezinárodního sympózia, Brno 1998, str [3] ČSN : Zatížení mostů. Vydavatelství ÚNM Praha, 1986 [4] ČSN : Navrhování ocelových mostních konstrukcí. vydavetelství ÚNM Praha, 36

23 1984 [5] ENV l993-l-l EUROCODE 3. Design of steel structures. Part l.l: General rules and rules for buildings. Brussels, CEN l992 [6] KRÁSA, D.: Programový systém CASANDRA. In: Železniční mosty - správa a výstavba. Sborník příspěvků. Vydala SUPOP Praha a.s., l995, s. 27-3l [7] MAREK, P.et al.(1995): Simulatiom-Based Reliability Assessment for Structural Engineers. CRC Press, Boca Raton, Florida [8] MRÁZIK, A.: Teória spolahlivosti ocelových konštruckcií, nakl. VEDA, Bratislava 1998 [9] NOWAK, A: Reliability-based EVALUATION of existing Bridges.In IABSE Colloqium Copenhagen 1993, Remaining Structural Capacity, str [10] NOWAK, S.: Calibration of LRFD Bridge Code. Journal of Structural Engineering, august l995, p.l245-l251 [11] ČD SR 5(S):Určování zatížitelnosti železničních mostů [12] ŠERTLER, H.-VIČAN, J.-SLAVÍK, J.: Spolehlivost stávajících mostních konstrukcí. In: Nové požadavky na stavby a jejich spolehlivost, l994 [13] ŠERTLER, H.-VIČAN, J.-SLAVÍK, J.: Compression Resistance of Sted Structure Members. In: Stability of Steel Structure Vol. I. Ed. Miklós Iványs, Budapest l995, str. I/7l-I/77 [14] ŠERTLER, H.-VIČAN, J.: Nové přístupy k hodnocení stávajících železničních mostů. Nová železniční technika 1996, č. 1, s [15] TEPLÝ, B. - NOVÁK, D.: Consequence of uncertainity of input data on engineering software reliability. Software for Engineering Workstations, l989, Volume 5, January p [16] TOMICA, V: Intervaly prohlídek konstrukcí se zaměřením na únavové trhliny. In: Sborník z konf. Ocelové konstrukce a mosty 97, str [17] TOMICA, V.-SOKOLÍK, A.-ZEMKO, Š.: Údržba a rekonštrukcia mostov. Alfa Bratislava, 1992 [18] VIČAN, J. - ŠERTLER, H : Hodnocení nosných konstrukcí stávajících železničních mostů. In: Sborník z konf. 18 th Czecho-Slovak Internacional Conference on Steel Bridges 97, str [19] MENČÍK,J:Analýza a vytváření spolehlivosti konstrukcí.in Sborník z konference Engineering Mechanics 97 (Svratka 97) ÚTAM AV ČR,Praha,díl I, str [20] BAILEY, F: Traffic Action Effect Reduction Factors for Bridges Evaluation. In :IABSE WORKSHOP LAUSANNE 1997 Evaluation of Existing Steel and Composite Bridges.IABSE Reports-,Volum 76,1997, Zürich, str V Pardubicích, prosinec 1998 Lektoroval: Ing. Josef Sláma, CSc. ČD TÚDC S 13 37

24 Josef Konvičný, Jiří Kaštura, Petr Sedláček Měřicí vůz pro měření trakčního vedení Klíčová slova: klikatost trolejového drátu, výška trolejového drátu, sklon trolejového drátu, celková přítlačná síla, dynamické rázy. 1. Úvod Provozování dopravní cesty vyžaduje kromě údržby i diagnostiku drážních zařízení a konstrukcí, mj. i trakčního vedení. Tato povinnost vyplývá ze zákona o drahách č. 266/1994 Sb. a vyhlášky MD č. 177/1995 Sb., stavebního a technického řádu drah. Současným jediným diagnostickým prostředkem pro trakční vedení, který umožňuje plnit tyto úkoly na síti Českých drah, je měřicí vůz pro pevná trakční zařízení ČD MV ( ). Vůz je dislokován v Bohumíně ve zdejším středisku Technické ústředny dopravní cesty (TÚDC), sekce elektrotechniky a energetiky. Na obr. č.1 je zobrazen typový list měřícího vozu. Převážná část měření probíhá dvakrát ročně při pravidelných cyklických jízdách na hlavních elektrizovaných tratích celé sítě Českých drah. Kromě toho jsou měřeny úseky nových a nově rekonstruovaných úseků trakčních vedení, zejména na koridorech při rychlostech až do 160 km/h. Výsledky těchto měření jsou nezbytným podkladem pro vydání průkazu způsobilosti drážním úřadem. Trakční vedení se rovněž kontroluje v pohraničních přechodových stanicích v intencích příslušných pohraničních ujednání a vystavují se protokoly pro styčná místa se sousedními železničními správami. Měřicí vůz je vybaven vlastní technologií měření, která byla vyvinuta již u dřívějšího Elektroúseku Ostrava. Po delimitaci Měřicího střediska Bohumín k TÚDC v roce 1993 byla zmíněná technologie s využitím výpočetní techniky zdokonalena a přizpůsobena pro celosíťové použití. Umožňuje získat přehledné výsledky v tabulkové i grafické podobě ihned po ukončení měření daného úseku. Ing. Josef Konvičný, nar. 1943, absolvent VŠD Žilina, specializace elektrická trakce a energetika v dopravě. Vedoucí oddělení diagnostiky a provozních měření ČD - Technické ústředny dopravní cesty. Ing. Jiří Kaštura, nar. 1955, absolvent VUT Brno, specializace sdělovací elektrotechnika. Systémový specialista ČD - Technická ústředna dopravní cesty. Ing. Petr Sedláček, nar. 1962, absolvent VŠDS Žilina, specializace sdělovací a zabezpečovací technika v dopravě. Vedoucí střediska MV - Technická ústředna dopravní cesty.

25 Obr. č. 1 Typový list měřicího vozu trakčního vedení Cílem měření je zjištění skutečného stavu geometrické polohy trolejového drátu (GPT), jako je například jeho výška, klikatost a sklony. Měřeny jsou také dynamické účinky na sběrač jako je například

26 dynamická přítlačná síla na sběrač a zrychlující síly v rovinách x, y, z na ližině sběrače. K tomu se využívá speciální měřicí smykadlo. Tato měření probíhají při rychlostech nad 120 km/h. 2. Měření geometrických parametrů trakčního vedení Základní pojmy Měření trakčního vedení je diagnostický postup, při kterém se určují vlastnosti trakčního vedení pro účely uvedení nové tratě do provozu a údržby stávajících tratí. Sledují se dvě hlavní skupiny parametrů trakčního vedení: statické dynamické Mezi statické parametry patří: výška trolejového drátu nad temenem kolejnice klikatost trolejového drátu vzhledem k ose kolejnicových pásů závady na trakčním vedení Mezi dynamické parametry, jejichž účinek se projevuje při rychlosti nad 120 km/h, patří: dynamické rázy na ližině sběrače celková přítlačná síla Měřicí vůz je určen pro měření obou skupin parametrů trakčního vedení do rychlosti 160km/hod. Měření se provádí za jízdy měřicího vozu na tratích: stejnosměrné trakce 3 kv střídavé trakce 25 kv, 50 Hz střídavé trakce 15 kv, 16 2 / 3 Hz Měření výšky trolejového drátu je odvozeno od svislé polohy sběrače, měření klikatosti se provádí snímačem polohy umístěném na ližině sběrače. Protože skříň měřicího vozu je pružně uložena na podvozku, je nutné korigovat hodnoty výšky a klikatosti s ohledem na pohyb skříně vozu. K určení výkyvu je určena skupina snímačů polohy umístěných na podvozku. Závady na trakčním vedení, jako utržený věšák, vadný izolátor apod. zjišťuje obsluha pozorováním z prohlížecí kabiny měřicího vozu. Měření se provádí po tzv. úsecích, které jsou tvořeny úseky tratí v rámci stanice tj. staniční úseky a úseky mezi sousedními stanicemi tj. mezistaniční úsek. Hodnoty klikatosti a výšky jsou snímány v pravidelných délkových intervalech 0,45 m. Orientace na trati se provádí pomocí tzv. map úseků, které obsahují čísla trakčních podpěr, vzdálenosti mezi nimi, název měřeného úseku a některé další informace.

27 Snímač klikatosti TV monitor a videorekordér Snímač výšky Tlačítková sada povelů a závad videokamera Snímače výkyvu Snímač ujeté dráhy Průmyslové PC s monitorem TV monitor a videorekordér Měřicí ústředna Obr. č. 2 Rozmístění měřícího zařízení na měřicím voze Měřící systém je elektronický - digitální, jeho centrální jednotkou je osobní počítač v průmyslovém provedení. Vzhledem k vysokému napětí trakčního vedení a vysoké intenzitě elektromagnetického a elektrostatického rušení, zejména při měření na střídavé trakci 25 kv, jsou klíčové přenosové cesty systému provedeny optickými kabely a připojení snímačů realizováno optickým oddělením optočleny. Pro získání maximálního množství informací v průběhu jízdy měřicího vozu je oblast sběrače a trakčního vedení snímána videokamerou. Do takto vzniklého obrazu jsou promítnuty některé měřené údaje a celek je pak nahráván dvěma videorekordéry, které jsou součástí měřícího systému. Na obr. č. 2 je zobrazeno rozmístění měřicího zařízení na měřicím voze. Snímač klikatosti trolejového drátu Snímač klikatosti trolejového drátu na měřicí ližině pracuje na indukčním principu. Na sběrači je umístěno 31 prvků na levé straně a 31 prvků na pravé straně s rozlišením 20 mm. Prvek snímače je aktivní v blízkosti vodiče. Za normálních podmínek je aktivní pouze jeden prvek.

28 Aktivní prvek Obr. č. 3 Umístění indukčních snímačů na měřicí ližině měřicího vozu Signály z jednotlivých prvků jsou přivedeny do VN kobky a zpracovány dvěma kodéry. Každý kodér obsluhuje jednu skupinu snímačů. Výstupem z kodéru je sériová linka RS 232, na níž je přenos dat iniciován změnou polohy trolejového drátu. Přenášenou informací je jeden byte, který obsahuje hodnotu polohy trolejového drátu vzhledem ke středu sběrače. Údaj je v kódu BCD. Napájení systému je z baterie 12 V umístěné ve VN kobce. Snímač výšky trolejového drátu Snímač výšky je realizován jako svislá izolační tyč, spojená se sběračem na jednom konci, na druhém konci je spojená s čidlem délky, umístěným ve VN kobce. Tento snímač produkuje osmi bitový BCD kód, jehož hodnota je dána výškovou polohou sběrače. Rozlišení tohoto snímače je 10mm a rozsah 0 až 1600 mm tj. 160 hodnot. Skutečná výška trolejového drátu nad temenem kolejnice je pak dána součtem této změřené hodnoty a klidové polohy měřicí ližiny (stažený sběrač) nad temenem kolejnice. Snímač výkyvu skříně vozu Protože naměřené hodnoty klikatosti a výšky v sobě zahrnují chování skříně měřicího vozu vůči dvojkolí, musí být naměřené hodnoty klikatosti a výšky korigovány o tyto vlivy. Rám skříně je s dvojkolím svázán přes kolébku a navíc je nutné korigovat i příčné výchylky kolébka - rám vozu. Systém korekcí měřené klikatosti a výšky sestává celkem ze 7 snímačů. Ke snímaní hodnot výchylek skříně měřicího vozu jsou použity snímače polohy v Grayově kódu. Snímané hodnoty výchylek skříně měřicího vozu jsou zpracovávány samostatným počítačem. Výstupem jsou hodnoty korekcí klikatosti a výšky (v mm) a natočení podvozku. Tyto hodnoty jsou dále zpracovávány centrálním počítačem a jsou vzorkovány spolu s ostatními měřenými veličinami. Snímač dráhových impulsů Dráhové impulsy informují měřicí zařízení o okamžité poloze měřicího vozu na trati. Snímač dráhových impulsů je vlastní konstrukce. Jedná se o inkrementální čidlo na optickém principu umístěné na ložiskovém domku dvojkolí. Obvodu kola (cca 3 m) odpovídá 60 impulsů. Měřící ústředna Je umístěna v ocelové skříni s proskleným čelem. Obsahuje elektroniku sběru dat, kromě měřicího počítače a prvků videa. Skříň měřicí ústředny obsahuje: počítač a obvody pro zpracování výkyvů skříně vozu záložní zdroj UPS s výkonem 1 kva vanu elektroniky se zásuvnými moduly

29 napájecí zdroje některá pomocná zařízení, která přímo nesouvisí s měřicím zařízením Videosystém Výsledkem měření trakčního vedení je kromě změřených data zaznamenaných na pevném disku počítače také videozáznam jízdy. V něm je na pozadí pohledu na sběrač měřicího vozu promítnuta část grafického uživatelského rozhraní programu měřicího počítače s některými důležitými údaji o měření. Datum a čas Ujetá dráha od počátku aktuálního úseku Poloha trolejového drátu Název měřeného úseku Číslo koleje Okamžitá rychlost Výška trolejového drátu Číslo předchozí a následující trakční podpěry Režim identifikace trakční podpěry Následující obr. č. 4 ukazuje propojení jednotlivých prvků videosystému měřicího vozu. Propojení videosignálů je provedeno koaxiálním kabelem s impedancí 50 Ω. K projekci obrazu grafického rozhraní programu běžícího na měřicím počítači slouží ISA karta AVer instalovaná v měřicím počítači.videorekordér a TV monitor v laboratoři slouží k záznamu a prohlížení průběhu měření pro potřeby dalšího zpracování naměřených dat, videorekordér a TV monitor v prohlížecí kabině slouží k záznamu a prohlížení průběhu měření pro mistra traťového úseku, který je obvykle přítomen měření a vyžaduje kopii videozáznamu ihned po ukončení měření na daném úseku.

30 Prohlížecí kabina TV Monitor Videorekordér TV monitor Videorekordér Měřicí PC AVer Laboratoř Obr. č. 4 Uspořádání videosystému měřicího vozu Do okruhu dálkového ovládání videorekordéru v laboratoři je včleněn modul, který na základě přicházejících dráhových pulsů uvádí videorekordér do stavu PAUSE nebo zpět do režimu nahrávání.pokud dráhové impulsy nepřicházejí (vůz stojí), je nahrávání přerušeno, pokud se dráhové impulsy objeví (vůz se rozjede), nahrávání se obnoví. Tato úprava zvyšuje komfort obsluhy - není třeba při každém zastavení vypínat nahrávání, aby se zbytečně nezaznamenával neměnný obraz. Měřicí počítač Měřicí počítač je průmyslový počítač PC s procesorem Intel 486 vybavený bezdrátovou myší, klávesnicí a 15 LCD TFT barevným monitorem. Ve skříni počítače se kromě procesorové karty a běžných doplňků (videoadaptér, řadiče) nacházejí čtyři speciální karty: Modul osmi optických přijímačů a vysílačů - převádí optické spoje přivedené z měřicí ústředny na klasické rozhraní RS 232 vlastní konstrukce ISA karta osmi sériových portů RS 232 propojena s modulem optických přijímačů a vysílačů Specializovaný grafický adaptér firmy ADDA Technologies, VGA-AVer umožňující projekci vybrané části grafického výstupu počítače do externího televizního signálu, v tomto případě z videokamery sledující sběrač měřicího vozu. ISA karta pro zpracování signálu ujeté dráhy. Obsahuje: obvody pro dělení frekvence dráhových impulsů, aby přerušení pro vlastní měření bylo vyvoláno po ujetí každých 0,45 metru

31 obvody pro měření okamžité rychlosti měřicího vozu obvod pro generování akustického signálu signalizujícího průjezd měřicí ližiny v místě úchytu bočního držáku, tj. identifikace trakční podpěry obvody pro režim automatické identifikace polohy trakčních podpěr Počítač pracuje pod operačním systémem MS DOS, programové vybavení pro vlastní měření je vytvořeno ve vývojovém prostředí LabWindows/DOS od firmy National Instruments. V průběhu měření provádí počítač tyto činnosti: Příjem měřených data z měřicí ústředny Určení okamžiku měření na základě dráhových impulsů Ukládání změřených dat na pevný disk Orientace na trati na základě map úseků Poskytuje uživateli rozhraní (ukazatele, tlačítka...) Zpracovává zásahy obsluhy při měření Základ vlastního algoritmu měření spočívá ve vzorkování měřených hodnot každých 45 cm ujeté dráhy měřicím vozem. V takto nasnímaných datech je v místě trakční podpěry vytvořena orientační značka. Její poloha je dána dráhovými impulsy mezi stožáry. Informace o poloze trakčních podpěr je dána tzv. mapou, což je předem připravený soubor. Tyto značky jsou pouze orientační, nemusí být přesně v místě trakčních podpěr. Obsluha je průběžně informována o přesnosti identifikace trakčních podpěr akusticky. V případě větší odchylky se tato opraví stiskem příslušného tlačítka v okamžiku, kdy se nachází měřicí ližina v místě trakční podpěry. Kromě této občasné "manuální" opravy, probíhá měření zcela automaticky, tj. změřením úseku se uloží naměřené hodnoty a nastaví se nový úsek a probíhá měření v dalším úseku. Naměřená data obsahují údaje o výšce trolejového drátu, jeho klikatosti, hodnoty korekce výšky a klikatosti, hodnoty rychlosti měřicího vozu při kterých byly parametry trakčního vedení naměřeny a další údaje o případných závadách na trakčním vedení. Z naměřených dat je možno graficky znázornit průběh naměřených veličin, k čemuž slouží zvláštní programové vybavení. Soubory dat je možné zpracovávat databázovými programy a vytvořit protokol parametrů v požadovaných místech popřípadě výpisy dle různých kritérií - výpis snížených výšek, hodnoty mimo toleranci ap. 3. Měření dynamických parametrů Pro spolehlivý přenos proudu s trakčního vedení na hnací vozidlo je nutno zajistit co nejlepší kontakt mezi trolejovým drátem a sběračem proudu v celém rozsahu pojížděných rychlostí. Spolupráce mezi sběračem a trolejovým drátem je závislá jak na vlastnostech sběrače, tak na vlastnostech trakčního vedení, neboť se jedná o kmitavý systém. Cílem bezchybné spolupráce je dosáhnout minimálních změn přítlačné síly vůči statickému přítlaku a minimálních vibrací na smykadle, což má příznivý vliv i na opotřebení trolejového drátu a vlastního smykadla sběrače proudu. Moderní sběrače proudu, které dnes nabízejí přední evropští výrobci, jsou konstrukčně optimalizovány tak, aby bylo dosaženo co nejlepšího kontaktu s trolejovým drátem až do rychlosti 350 km/h i více. Druhou složkou je samotné trakční vedení. Tady jde o typ trakčního vedení (tzv. sestavu) a jeho mechanické nastavení. K extrémním dynamickým účinkům dochází především v místech s chybnou regulací, např. výměnné pole trolejového drátu, strmá změna výšky a dále nerovnoměrnosti a deformace trolejového drátu. Velikost těchto dynamických účinků měříme speciálně upravenou ližinou na sběrači měřicího vozu. Technický popis V místech, kde jsou upevněny kluzné lišty smykadla k sekundárnímu vypružení, jsou vloženy celkem čtyři snímače sil. Jsou to standardní ohybové snímače s rozsahem 200 N. Dále je na jedné kluzné liště v jejím středu umístěna trojice piezoelektrických snímačů zrychlení s rozsahem ±50 g (g = 9.81 ms -2 ), která je určena pro měření vibrací. Výstupní signál snímačů je upraven pomocí převodníku napětí - proud a kabely přiveden do centrální jednotky ve vysokonapěťové kobce. Centrální jednotka zabezpečuje napájení systému z akumulátorové baterie 12 V pomocí napěťových měničů a dále vlastní zpracování signálů ze snímačů, to znamená převod z proudového signálu na napěťový a kmitočtovou úpravu. Mikropočítačový modul jednotky zajišťuje vzorkování dat, jejich částečné zpracování a komunikaci s nadřízeným průmyslovým počítačem měřicího vozu.

32 Snímače spolu s centrální jednotkou pracují na elektrickém potenciálu trakčního vedení. Spojení s nadřízeným průmyslovým počítačem zabezpečuje dvojice optických vláken, která zároveň F1 U/I F2 U/I F3 F4 U/I U/I µp optický kabel k průmyslovému počítači gx U/I gy U/I gz U/I sběrač vn kobka Obr. č. 5 Blokové schéma jednotky pro měření dynamických parametrů zajišťuje galvanické oddělení měřicího systému. Vlastní komunikace probíhá v standardním sériovém formátu rychlostí 9600 bit/s. Měření probíhá podobně jako u měření geometrických parametrů trolejového drátu s tím rozdílem, že na místo klikatosti mikropočítačový modul po navzorkování n vzorků dat vyšle po optické sériové lince soubor hodnot ze snímačů. Program nadřízeného průmyslového počítače zajistí jejich převod na fyzikální hodnoty a zápis do datového souboru pevného disku. Naměřená data obsahují tyto údaje: síly F1 až F4, zrychlení gx, gy, gz, výšku trolejového drátu, hodnoty korekce výšky, hodnoty rychlosti měřicího vozu, údaje o trakčních podpěrách a další doplňkové hodnoty. Současně se provádí videozáznam, kde se do obrazu vkládají hlavní měřené údaje. Po měření je možné datový soubor prohlížet speciálním programem. Z grafického průběhu pak lze analyzovat měřený úsek tratě, lokalizovat vadná místa, ta potom vykreslit do grafů a předat správci zařízení. Dosavadní zkušenosti a výsledky Měření dynamických parametrů se začalo provádět v souvislosti s výstavbou železničních koridorů. Vzájemné působení sběrače a trolejového vedení se začíná citelně projevovat u rychlostí vyšších než 120 km/h. Jen výjimečně se projeví špatné dynamické vlastnosti při nižší rychlosti, a to jenom při velmi hrubých závadách na trakčním vedení. Během dosavadního dvouletého ověřování systému byly proměřeny úseky těchto železničních tratí: Železniční zkušební okruh v Cerhenicích max. rychlost 160 km/h Choceň - Zámrsk - Uhersko max. rychlost 160 km/h Hněvice - Roudnice - Hrobce max. rychlost 140 km/h Česká Třebová - Brno max. rychlost 130 km/h Dosavadní zkušenosti ukazují, že nejkritičtější místa na trolejovém vedení jsou:

33 výměnná pole trolejového drátu, tzv. mechanická a elektrická dělení, která musí být přesně nastavena místa s prudkou změnou výšky trolejového drátu místa, kde je spojen starý a nový trolejový drát nerovnosti trolejového drátu a jiná tvrdá místa na trolejovém drátu zrychlení ve svislém směru výška trolejového drátu celková přítlačná síla Obr. č. 6 Mezi stožáry 47 a 45 je mechanické dělení. Celková přítlačná síla dosahuje hodnotu až 186 N. Současně hodnota zrychlení ve svislém směru dosahuje 28 g. Rychlost dosáhla 145 km/h.

34 celková přítlačná síla výška trolejového drátu Obr. č. 7 Průběh přítlačné síly pod silničním nadjezdem, kde je snížená výška trakčního vedení. Jedná se zde o tvrdé místo, kde dosahuje maximum přítlačné síly 240 N a minimum -8 N. Rychlost dosáhla 112 km/h. 4. Závěr Dnešní stav v oblasti technických prostředků pro mobilní diagnostiku, pokrývaných organizacemi ČD, lze označit stavem připravenosti. V současné době se již projevuje naléhavá potřeba měření i při vyšších rychlostech než 160 km/h, především na koridorových tratích. To zatím provozovaný měřicí vůz neumožňuje zejména z hlediska jeho stavební konstrukce. Divize dopravní cesty se již řešením této situace zabývá. Jedinou překážkou rychlého řešení je nedostatek finančních prostředků ČD. V Bohumíně, únor 1999 Lektoroval: Ing. Karel Hlava, CSc. ČD TÚDC S 24 Ing. Vladivoj Výkruta, CSc. ČD DDC O14

35 VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1999 ČÍSLO 7 Pavel Štolcbart Diagnostika signálu vlakového zabezpečovače Klíčová slova: vlakový zabezpečovač (VZ), mobilní část vlakového zabezpečovače, traťová část vlakového zabezpečovače, převodník signálu VZ, amplituda signálu VZ, frekvence signálu VZ, přepínací frekvence signálu VZ, poměr impulsu k periodě klíčování VZ, vzorkovací kmitočet, kombinovaný graf, graf odchylky mezery, graf přepínací frekvence, kmitočtové spektrum signálu, kalibrace vstupní citlivosti. Úvod Zajištění přenosu kódů vlakového zabezpečovače na hnací vozidlo je jedním z důležitých prostředků pro vedení vlaku. Tyto informace jsou důležité nejen pro strojvedoucího, ale i pro automatické vedení vlaku. U Českých drah se tento přenos uskutečňuje kódovaným proudem v koleji, tedy pomocí kolejového obvodu, jehož činnost je závislá na řadě parametrů, které jsou v provozních podmínkách často narušeny (např. asymetrií trakčního proudu, vodivostí kolejové lože apod.). Proto byla vyvinuta a prakticky ověřena metoda diagnostiky signálu vlakového zabezpečovače přijímaného na hnacím vozidle, která umožňuje nejen sledovat průběh tohoto signálu, ale i analyzovat a určit kritická místa jeho příjmu. Soubor diagnostického zařízení a programového vybavení se umístí na hnací vozidlo v blízkosti mobilní části vlakového zabezpečovače. Snímaný signál se registruje a následně vyhodnocuje přenosným počítačem. Metoda umožňuje snímání signálu na tratích s trakční napájecí soustavou stejnosměrnou o napětí 3kV, jednofázovou 25kV/50Hz a na tratích s nezávislou trakcí. 1. Sestava a uspořádání pracoviště měřicí soupravy Signál vlakového zabezpečovače je snímám prostřednictvím převodníku, který je paralelně připojen ke vstupu provozované mobilní části vlakového zabezpečovače. Sejmutý signál je přiveden na vstup zvukové karty přenosného počítače. Viz obrázek č. 1. Vysoká vstupní impedance převodníku zaručuje normální funkci mobilní části vlakového zabezpečovače. Ing. Pavel Štolcbart, absolvent Vysoké školy dopravní v Žilině, katedra bloky a spoje, vedoucí oddělení zabezpečovací techniky Technické ústředny dopravní cesty v Praze. 53

36 V). Převodník signálu a přenosný počítač se napájí z vnitřních baterií nebo ze zdrojů hnacího vozidla (48 Nízkofrekvenční signál (50 nebo 75 Hz) je zpracován a uložen do databází programového vybavení. Současně jsou do databází uloženy i další informační konstanty charakterizující polohu měřicí soupravy na trati. Pro další zpracování jsou využity změřené amplitudy a frekvence nosného kmitočtu signálu. Současně je vyhodnocována i přepínací frekvence signálu. Amplitudy jednotlivých signálů lze měřit s přesností na 1%, frekvenci jednotlivých signálů 0,5% a přepínací frekvence 1 až 2%. 2. SW a HW požadavky na konfiguraci počítače Pro instalaci programu pro nahrávání a vyhodnocování signálu vlakového zabezpečovače musí být v počítači nainstalován systém WINDOWS 95 (98) a prostředí programu PMS. Program PMS je programový produkt vyvinutý pro sestavování konfigurací určených k monitorování a řízení technologických procesů. Je svými vlastnostmi určen ke krátkodobému i dlouhodobému sledování měřených veličin, jejich ukládání a následnému zpracování. Na základě měřených veličin a zvoleného algoritmu umožňuje i řízení vybraných procesů. Naměřená a uložená data lze kdykoliv prohlížet podle jejich povahy v tabulkách, grafech nebo oscilogramech. Z těchto dat lze v programu sestavit a vytisknout libovolný počet protokolů. Grafy, oscilogramy i tabulky lze tisknout samostatně. V konfiguraci programu PMS pro nahrávání a vyhodnocování signálu vlakového zabezpečovače jsou využity objekty pro zpracování a zobrazování akustických signálů. Pro spolehlivou funkci programu je nezbytný počítač s touto konfigurací : a) procesor b) paměť c) HDD minimálně 486 DX 4/100, doporučeno PENTIUM P100, minimálně 16 MB, doporučeno 32 MB, volné místo pro instalaci 5 MB pro každou hodinu nahrávání 8 MB d) zvuková karta pro WINDOWS 95 se 16-ti bitovým převodníkem. 3. Nahrávané veličiny signálu vlakového zabezpečovače V režimu nahrávání program sleduje ty veličiny, které pomohou při pozdějším zpracování přehledně vyhledávat kritická místa ve sledovaném úseku trati. Signály požadované do protokolu se vypočítávají z úplného sejmutého signálu při jeho vyhodnocování. Program nahrává kompletní průběh signálu tak, aby mohl být kdykoliv zobrazen a vyhodnocen pro další zpracování. Vzhledem k nízkým hodnotám kmitočtu nahrávaného signálu je zvolen vzorkovací kmitočet 1500 Hz. Při snímání kompletního signálu sleduje program současně tyto veličiny : celkovou amplitudu signálu, amplitudu nosné frekvence vlakového zabezpečovače (50 nebo 75 Hz), amplitudu parazitních frekvencí (50 nebo 600 Hz), přepínací frekvenci vlakového zabezpečovače, poměr impulsu k periodě klíčování vlakového zabezpečovače, 54

37 informační konstanty označující : mezistaniční úsek, stanici, návěstidlo, druh trakční soustavy, čas průjezdu jednotlivými úseky, pořadové číslo měřeného úseku. Kontrola nahrávání signálu vlakového zabezpečovače, viz obrázek č. 2, se uskutečňuje na ploše osciloskopu zobrazeného na monitoru počítače. V části monitoru pro osciloskop je viditelný jeho oscilografický průběh. V indikaci návěstního opakovače se zobrazuje poloha návěstidla před vlakovou soupravou. Volba trakčního napájení, resp. volba nosné frekvence signálu vlakového zabezpečovače, je možná kdykoliv a to pro hodnoty 50, 75 a 600 Hz v jejich libovolné kombinaci. Nahrávání signálu se uskutečňuje v 6 nebo 12 vteřinových blocích. Vlastní nahrávání lze kdykoliv přerušit a opětovně obnovit, například z důvodů zastavení vlakové soupravy. Vzhledem k tomu, že měření se provádí kontinuálně na standardní nebo i nestandardní trase, je potřeba současně s naměřenými hodnotami ukládat i informační konstanty orientační body o poloze měřicí soupravy. Jména orientačních bodů zadává operátor za jízdy. 4. Vyhodnocované veličiny signálu vlakového zabezpečovače V režimu přehrávání je možno sledovat vybrané grafy nebo oscilogramy, viz obrázek č. 3. Oscilogramy slouží k rychlé orientaci v uložených datech. Přesné údaje o veličinách lze sledovat v synchronizované tabulce a na analogových a digitálních displejích. Při vyhodnocování signálu program zobrazuje tyto veličiny : celkovou amplitudu signálu, amplitudu nosné frekvence vlakového zabezpečovače (50 nebo 75 Hz), amplitudu parazitních frekvencí (50 nebo 600 Hz), velikost změny odchylky doby nízké úrovně nosné frekvence, přepínací frekvenci vlakového zabezpečovače, poměr impulsu k periodě klíčování vlakového zabezpečovače, orientační číslo měřeného úseku, informační konstanty označující : mezistaniční úsek, stanici, návěstidlo, čas měření úseku, úplný signál v úseku, signál nosné frekvence (50 nebo 75 Hz), signál parazitních frekvencí (50 nebo 600 Hz). Z celkové sledované trasy lze výběrem zvolit libovolný úsek vyhodnocování. Uživatelská volba vzhledu obrazovky umožňuje zobrazit dialog pro výběr grafů nebo oscilogramů. 55

38 Nabídka grafů nebo oscilogramů nabízí tyto objekty : kombinovaný graf, graf odchylky mezery, graf přepínací frekvence, osciloskop. V kombinované grafu jsou současně zobrazovány veličiny : celková amplituda signálu, amplituda nosné frekvence vlakového zabezpečovacího zařízení (50 nebo 75 Hz), amplituda parazitních frekvencí (50 nebo 600 Hz). Graf odchylky mezery slouží k vyhledávání míst přerušení signálu vlakového zabezpečovače. Využívá se stavu, kdy při přejezdu z jednoho úseku do druhého úseku se projeví : změna amplitudy signálu, nebo změna přepínací frekvence, nebo porucha při příjmu tohoto signálu. Výběr místa umožňuje zjistit okamžité hodnoty zvoleného úseku. Z oscilografického záznamu lze zjistit, který ze tří výše uvedených důvodů odchylku způsobil. Graf přepínací frekvence zobrazuje přehledně střídání přepínacích frekvencí signálu vlakového zabezpečovače v závislosti na návěstních znacích traťových návěstidel. Osciloskop zobrazuje průběh signálu vlakového zabezpečovače. Volbou lze zobrazit : průběh úplného signálu (průběh sejmutý z obvodu snímačů), průběh nosné frekvence vlakového zabezpečovače (50 nebo 75 Hz), průběh parazitních frekvencí (50 nebo 600 Hz), kmitočtové spektrum signálu, viz obrázek č. 4 - příklad Grafy jsou vybaveny kurzorem, který lze přesunovat na požadované místo v libovolném grafu. Kurzor se synchronně posouvá i na ostatních grafech. Součástí osciloskopu je nabídka pro intuitivní volbu zobrazeného oscilogramu a pravítko pro výběr části oscilogramu k jeho podrobnému zpracování. Aplikace zobrazuje hodnoty v tabulce a na displejích, které odpovídají zvolenému místu. Na displejích se zobrazují analogové hodnoty amplitudy : úplného signálu, nosné frekvence vlakového zabezpečovače, parazitní frekvence. 5. Výběr kritických míst K rychlému vyhledávání kritických míst slouží grafy. K výběru jsou k dispozici místa : s vysokou úrovní parazitních frekvencí, s nízkou úrovní nosného proudu vlakového zabezpečovače, s velkou odchylkou mezery, místa s nestabilním nebo nesprávným přepínacím kmitočtem. 56

39 6. Zpracování uložených dat Uložená data se mohou zpracovávat okamžitě po jejich uložení nebo kdykoliv podle vlastního uvážení. K předem připravenému a vyplněnému protokolu lze jako přílohy vytisknout oscilogramy ve tvaru jejich výběru a uložení. Současně je umožněn tisk průvodních grafů. 7. Kalibrace vstupní citlivosti Před měřením je potřeba provést kalibraci signálu prostřednictvím kompenzační konstanty, která udává poměr mezi skutečným a změřeným proudem, např. ve zkušební smyčce vlakového zabezpečovače. Závěr V příspěvku je uvedena nová metoda pro sledování a analýzu kvality kódu liniového vlakového zabezpečovače, který je přenášen z tratě na hnací vozidlo. Metoda umožňuje určení kritických míst a příčin poruch. Literatura: 0Ing. Oldřich Poupě, DrSc.: Liniový vlakový zabezpečovač, NADAS 1965 V Praze, únor 1999 Lektoroval: Ing. Karel Ptáček ČD DDC O14 57

40 Jiří Izer Vozidlo a kolej Klíčová slova: charakteristiky kontaktní geometrie dvojkolí kolej, neklidný a nestabilní chod vozidel, změněné podmínky jízdy vozidel na modernizovaných tratích a problematika technického stavu vedení dvojkolí. 1. Úvod Vzájemný vztah vozidla a koleje byl a patrně stále je, kromě vedení v obloucích koleje, vnímán jako problém odezvy jízdy po koleji v jejích účincích na skříň vozidla a cestující. Takovéto chápání u té části odborné veřejnosti, která je profesně spojena s provozem vozidel, vedla k posuzování chodových vlastností vozidel zpravidla při prototypovém řízení jízdní zkouškou na vybrané koleji, povětšinou ŽZO, porovnáním se stanovenými kritérii. Jednalo se přitom samozřejmě o zkoušení vozidla v novém stavu. V provozu potom mělo být vozidlo udržováno ve stavu, který byl stanoven předpisy, jejichž ustanovení zpravidla vycházela z doporučení výrobce, nebo ze zkušeností. Není třeba zvlášť zdůrazňovat, že v souvislosti s chodovými vlastnostmi se jednalo o problematiku údržby pojezdové části vozidel. Stále více omezované prostředky na údržbu vozidel a bohužel nejen ty, vedly ke stavu, že v mnohých případech nebyla ustanovení zmíněných předpisů údržby respektována. Často z toho důvodu, že jejich znění nebylo pro další provoz vozidel vždy jednoznačné. Skutečné chodové vlastnosti, které se od vlastností zjištěných při zkouškách velmi často lišily, samozřejmě, že směrem k horšímu, byly připisovány, mírně řečeno, neuspokojivému stavu kolejí. U druhé části odborné veřejnosti, která se zabývá stavbou a údržbou koleje, byl vzájemný vztah s vozidly vnímán spíše z pohledu možností dosáhnout udržení provozu při trvale omezovaných a minimálních časových a finančních nákladech. Ačkoliv sám nejsem v této části odbornosti činný, měl jsem částečně možnost se s touto problematikou seznámit jednak v době mého počátečního působení u ČSD, jednak při vypracovávání řady posudků souvisejících s vyšetřováním nehod vykolejením. Geometrická poloha koleje byla udržována podle ustanovení známé normy ČSN , která v provozu umožňovala při chápání odchylek od její jmenovité polohy, uváděných jako nemá být větší než, značnou benevolenci. Kolej, uváděnou do provozu po větších opravách na hranici stanovených odchylek, potom vozidla velmi rychle degradovala svými pochopitelně zvýšenými silovými účinky. To vyvolávalo další a častější potřebu zásahu údržby do koleje. Ne nadarmo již začátkem 70. let zástupci francouzských železnic na jimi organizovaném semináři v Praze prohlásili, že nejsou tak bohatí, aby si mohli dovolit provozovat kolej ve špatném stavu. Špatná kolej přitom nebyla jenom vozidly intenzivněji destruována, nýbrž byla i příčinou rychlejší degradace parametrů vozidel. Až dosud zjednodušeně popsaná situace odráží období, kdy neexistovaly dnešní technické možnosti popisu koleje i vozidel ve vztahu ke koleji. Tyto možnosti od té doby pokročily nejen ve vyspělém světě, ale i u ČD. Objevily se nové souvislosti ve vzájemném vztahu vozidla a koleje a tudíž i nové požadavky na jeho hodnocení v souvislosti s přípustností vozidel do provozu a s kvalitativními parametry koleje. V nedávné době byla v tomto duchu přepracována i zmíněná norma ČSN , která svými ustanoveními již přesněji definuje a garantuje i provozní stav koleje. Proces jejího plného uplatnění je však ihned možný jen na modernizovaných úsecích. Prof. Ing. Jiří Izer, CSc., nar. 1937, Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice, katedra dopravních prostředků, dislokované pracoviště Česká Třebová. Profesor v oboru dopravní prostředky a infrastruktura, zabývá se problematikou provozu a konstrukce kolejových vozidel zejména s ohledem na interakci vozidlo kolej.

41 V teorii vozidel byly učiněny též značné pokroky jak u jednotlivých železničních správ, tak i v mezinárodní spolupráci. V následujícím pojednání, bez nároku na úplné vyčerpání problematiky, se pokusím objasnit v čem se podstatně liší poměry dnešní od výše uvedených poměrů z nedávné minulosti. 2. Geometrický vztah dvojkolí - kolej Vzájemný vztah mezi vozidlem a kolejí se především v příčném směru odvíjí od stanovených a samozřejmě i provozovaných geometrických charakteristik obou komponentů, tedy železničního dvojkolí a koleje. V procesu vývoje železniční dopravy už v minulém století byly ve vzájemné spolupráci vzdělaných techniků vytvořeny základní rozměry obou komponentů, které byly důležité pro vedení vozidla kolejí nejen na přímé, ale také v obloucích a zejména ve výhybkách. Bylo tak postupně rozhodnuto: a) u koleje o: - definici a hodnotě rozchodu koleje v přímé, obloucích a výhybkách, (1435 mm), - tolerancích v rozchodu a jejich změnách podél dráhy, - tolerancích v křivosti oblouků, - vzájemné výškové poloze kolejnicových pásů a jejích tolerancích v přímé a obloucích, - přesné definici kolejových útvarů jako jsou přechodnice, vzestupnice, komponenty výhybek, - definici tvaru hlav kolejnicových pásů vypuklého charakteru. b) u dvojkolí o: - umístění okolků mezi kolejnicovými pásy, - hodnotě rozkolí, tedy vzájemné vzdálenosti vnitřních čel kol a jeho tolerancích (1360 mm), - rozchodu okolků nového dvojkolí, tedy předpokládané maximální vzájemné vzdálenosti vnějších čel okolků měřené 10 mm pod styčnou kružnicí (1426 mm), - tloušťce a výšce okolků v novém stavu jízdního obrysu i o jejich mezních provozních hodnotách, - definici tvaru jízdního obrysu dvojkolí, tedy o tvaru plochy, jejímž prostřednictvím se kola valí po kolejnicích i o tvaru okolku, jímž je omezován příčný pohyb dvojkolí vůči koleji a zajišťován průjezd výhybkami (do tohoto tvaru se dvojkolí upravuje při výrobě i následných reprofilacích), - průměrech kol železničních dvojkolí a jejich rozdílu na jedné nápravě. Všechny z uvedených parametrů dvojkolí byly odvozeny především s ohledem na zajištění průjezdnosti výhybkami jak z hlediska spolehlivosti vedení vozidla tak i z hlediska minimalizace opotřebení jejich dílů. Je proto pochopitelné, že jakákoliv změna, k níž může vývoj v té či oné oblasti dospět, musí být oběma složkami železniční dopravy pečlivě posuzována. Pokusme se nyní problematiku geometrického vztahu dvojkolí a koleje zhodnotit z pohledu uplynulých let vývoje. Rozdíl v rozchodu koleje a dvojkolí záměrně vytvořil možnost určité pohyblivosti dvojkolí vůči koleji v rámci tzv. rozchodového kanálu. Profily hlav kolejnic se ustálily na téměř shodném tvaru až na nevýznamné odchylky šířky podle jejich hlavních parametrů (hmotnost na bm, výška, šířka paty). Kolejnice byly a jsou ukládány s určitým úklonem vůči rovině pražců (1:20, 1:40, 1: ). Jízdní obrys dvojkolí byl původně tvořen dvojitou kuželovou plochou 1:20/1:10 nebo 1:40/1:20. Tento tvar zajišťoval na přímé koleji samočinné středění dvojkolí kolem polohy odpovídající stejným průměrům obou kol, a to u zcela volného dvojkolí kinematickým vynucením tzv. sinusového pohybu v rámci vůlí 56

42 v rozchodovém kanálu koleje. V případě malého rozdílu v průměrech obou kol (do 0.5 mm) si dvojkolí totiž samo novou centrovanou polohu vytvořilo. Při jízdě oblouky se příčným posunutím nabíhajícího dvojkolí k vnějšímu kolejnicovému pásu a významným rozšířením rozchodu koleje vytvořil určitý rozdíl v okamžitých poloměrech kol valení po koleji, který je pro průjezd obloukem potřebný. Vytvářený rozdíl v poloměrech kol při jízdě oblouky byl nedostatečný pro většinu poloměrů oblouků, což bylo příčinou značného opotřebení okolků i jízdní plochy. O výše uvedeném fenoménu vedení dvojkolí kolejí rozhodovalo jenom samotné dvojkolí kuželovitostí své jízdní plochy bez ohledu na nepřesnosti tvaru profilů hlav kolejnic, na jejich úklon, na rozchod koleje. Dvojkolí, vázané významně tuhou vazbou k rámu vozidla a vystavené setrvačným silám a momentům při reálných rychlostech jízdy, bylo nuceno ke klouzavým pohybům po kolejnicích spojeným se vznikem skluzových sil, jejichž účinkem se vlnivý pohyb v koleji tlumil. S dotykem kuželové plochy kola s vypouklým povrchem hlavy kolejnice byl spojen vznik malé kontaktní plošky s vysokou koncentrací namáhání, s plastickými deformacemi a opotřebením jízdní plochy. Uvedeným opotřebováváním jízdního obrysu se významně měnily podmínky vedení dvojkolí kolejí v přímé i v oblouku koleje, což bylo příčinou velmi odlišných (zhoršených) chodových vlastností proti stavu při zkoušení vozidla s kuželovým jízdním obrysem. Obr. 1 Grafické znázornění výpočtů s opotřebeným a rekonstruovaným vedením dvojkolí. Síly na 4. nápravě. Pracovníci železničního výzkumu si uvědomili, že postupná změna tvaru jízdní plochy se s kilometrickým proběhem velké části vozidel na kolejích, charakterizovaných úklonem kolejnic, stabilizovala do určitého křivkového tvaru. Po letech výzkumu tento poznatek vyústil u německých drah do návrhu tzv. opotřebeného jízdního obrysu S 1002 UIC-ORE, jehož tvar byl přenesen ze statisticky vyhodnoceného opotřebeného jízdního obrysu na kolejích DB s úklonem kolejnic 1:40. Cílem tohoto návrhu bylo docílit podstatně vyšších kilometrických výkonů dvojkolí bez potřeby reprofilace, zlepšení vodicích vlastností v oblouku a zvýšení bezpečnosti proti vykolejení (úhel sklonu okolku opotřebeného je větší než určoval kuželový obrys). Konstrukce pojezdů byla již tomuto tvaru jízdního obrysu přizpůsobena tak, aby vozidla vykazovala požadované kvalitní chodové vlastnosti při rychlostech tehdy provozovaných tj. do 200 km/h. ČSD jízdní obrys S1002 UIC-ORE nekriticky převzaly bez ohledu na odlišný úklon kolejnic (1:20) používaný v celé síti. Tento jízdní obrys se v nekompatibilních podmínkách velmi rychle měnil zejména změnou tvaru jízdní plochy (valením po kolejnicích s úklonem 1:20), aniž by tomu technické složky vozby přikládaly větší význam. Současné zavedení mazání okolků u hnacích vozidel totiž pomohlo splnit hlavní očekávaný přínos tj. snížení opotřebení okolků a zvýšení kilometrických proběhů dvojkolí vozidel. S významnou změnou tvaru jízdní plochy však u podstatné části vozidel, zejména osobních vozů, vznikly zcela odlišné podmínky pro vedení dvojkolí v koleji, než pro které byly pojezdy vozidel původně koncipovány. V neklidnosti chodu nebyly spatřovány důsledky těchto tvarových změn jízdních obrysů, nýbrž jen po léta vnímaný důsledek nepříliš kvalitní polohy koleje. Přitom vůbec nebylo sledováno, že se nedůsledně prováděnou údržbou zejména pojezdových částí některých vozidel zásadním způsobem změnila koncepce například jejich vedení dvojkolí. Vedení dvojkolí, které mělo malé, případně předpisem omezené vůle a které bylo původně s celým podvozkem do provozu schválené, se postupně stalo vedením s vůlemi velkými, takže dvojkolí je v rámu podvozku vedeno jen vodorovnou poddajností pružin prvotního vypružení. Nelze se pak divit, že vozidla s touto novou provozem vytvořenou koncepcí, nejsou v nových výše uvedených podmínkách schopna zajistit zejména na modernizovaných tratích klidný chod, který nejenže zhoršuje pohodlí cestování, ale i postupně degraduje zejména směrovou polohu koleje. Obr. 1 na dílčích výsledcích simulačního výpočtu jízdy osobního vozu ř. B s podvozky Görlitz V, který při jízdě ve vlaku vykazoval velmi neklidný chod, ukazuje vznikající rozdíl v účincích podvozku na trať ve srovnání s účinky jiného vozu, jehož vedení dvojkolí bylo v pořádku. Jejich dvojkolí jsou s konkrétně změřenými jízdními obrysy, vedena s konkrétně změřenými vůlemi ve vedení a konkrétně změřenou příčnou tuhostí pružin prvotního vypružení. Podrobnějším rozborem bylo možné učinit poznatek, že vzniká až šestinásobný příčný silový účinek vozidla na kolej při vedení dvojkolí opotřebeném. Mezitím pokročil stupeň poznání a možnosti měřicí techniky tak, že je možné velmi podrobně hodnotit i kontaktní poměry mezi dvojkolím a kolejí v jejich reálném tvaru zejména po stránce geometrických charakteristik, které jsou pro vedení vozidla kolejí určující. Lze bez nadsázky konstatovat, že přínos nové měřicí a výpočetní techniky znamenal pro tuto problematiku obdobnou změnu, jako kdysi proé medicínu rentgen. Již v dřívějších publikacích [1, 2] byly definovány zmíněné charakteristiky, a to: 57

43 - ekvivalentní kuželovitost v závislosti na amplitudě y o vlnivého pohybu dvojkolí v koleji, - delta-r funkce jako rozdíl poloměrů okamžitých valivých kružnic kol v závislosti na příčném vychýlení y d dvojkolí z centrované polohy v ose koleje, tangens-gama funkce jako rozdíl hodnot tangent úhlů dotykových rovin kol s kolejnicemi (nebo normál k těmto rovinám) opět v závislosti na příčném posuvu y d dvojkolí z osy koleje. Na Obr. 2 jsou ukázky uvedených funkčních závislostí pro jmenovitý jízdní obrys a novou kolejnici vedle případu jízdního obrysu změřeného na konkrétním vozidle a kolejnice, jejíž profil byl změřen na trati. Vedle ukázek názorného přiřazení bodů dotyku kol s kolejnicemi v závislosti na příčném posunutí dvojkolí z centrované polohy v koleji (y [mm]) jsou v obrázcích znázorněny průběhy jednotlivých charakteristik, které se ve vztahu dvojkolí vozidel a koleje projevují takto: 1. Zvětšující se hodnota ekvivalentní kuželovitosti (λ ekv ) zkracuje délku vlny pohybu volného dvojkolí a tím zvyšuje frekvenci tohoto pohybu, setrvačné účinky dvojkolí při určité rychlosti jízdy a tendenci k neklidnému až tzv. nestabilnímu chodu. Obecně však větší hodnota λ ekv vyjadřuje větší kinematickou vazbu dvojkolí k ose koleje, jednoduše řečeno, dvojkolí je vedeno k důraznějšímu sledování směrových nerovností koleje. 2. Průběh delta-r funkce ukazuje, jak se zvětšuje rozdíl poloměrů okamžitých valivých kružnic dvojkolí s příčným posunem dvojkolí. Strmé omezení na obou stranách příčného posunutí dvojkolí ukazuje na vymezení rozchodového kanálu koleje okolky dvojkolí. Jsou-li oba poloměry kol dvojkolí stejné, má delta-r funkce nulovou hodnotu v ose koleje, respektive dvojkolí je v obecném případě různých poloměrů a profilů jak kol tak i kolejnic kinematicky středěno svým vlnivým pohybem do té polohy v koleji, ve které mají obě kola stejný poloměr valení. 3. Zvětšující se hodnota tangens-gama funkce vyjadřuje, jak roste vratný silový účinek koleje na dvojkolí s jeho příčným vychýlením z osy koleje. Tato funkce představuje v podstatě pružnou vazbu dvojkolí ke koleji vyvolanou tíhou spočívající z dvojkolí na koleji. Tato vazba středí dvojkolí do té polohy v koleji, při níž má tangens-gama funkce nulovou hodnotu. U stejných jízdních obrysů kol na obou stranách dvojkolí s nulovou diferencí mezi poloměry kol a při stejných příčných profilech hlav kolejnic je tato funkce symetrická kolem osy koleje a dvojkolí je tudíž středěno do této osy. Tato funkce je jedinečným důsledkem křivkových a tedy z přirozeného opotřebení vycházejících jízdních obrysů. Poznámka: Z bodů 2 a 3 vyplývá, že v provozu se může stát, že účinkem obou funkcí kontaktní geometrie ( pokud jsou nesymetrické) může být dvojkolí současně středěno kolem dvou poloh v ose koleje, což vede zajisté k neklidu dvojkolí a ke zhoršení chodových vlastností vozidla a ke zvýšení opotřebení jak jízdních ploch kol, tak i hlav kolejnic [3]. Ukazuje se, že hodnoty těchto charakteristik jsou velmi závislé na těch parametrech koleje a dvojkolí, o nichž bylo pojednáno v úvodu příspěvku. Protože se vzájemný vztah dvojkolí a koleje velmi důležitou měrou uplatňuje na chodových a vodicích vlastnostech pojezdů vozidel, je nutné si uvědomit, že k dosažení cíle, tedy ke zvětšenému kilometrickému výkonu vozidel a sníženým nákladům na údržbu vozidel i tratí, vede jedině důsledné dodržování těch rozměrových parametrů koleje a dvojkolí, které ovlivňují uvedené charakteristiky vztahu této dvojice. Přitom hodnoty těchto charakteristik závisí na: Obr. 2 Charakteristiky kontaktní geometrie dvojkolí-kolej a) Jízdní obrys: jmenovitý ORE S1002, kolejnice: jmenovitá UIC60 1:40 b) Jízdní obrys: opotřebený na lok , kolejnice: UIC60 po broušení Sedlišťka - vztahu ke konkrétní koleji, na jejich vzájemných odlišnostech u jednoho dvojkolí vzniklých buď při výrobě reprofilaci), nebo provozním nesymetrickým opotřebením. Tyto odlišnosti vytvářejí nesymetrii v charakteristikách kontaktní geometrie, - rozchodu dvojkolí (okolků), tedy na hodnotě rozkolí a tloušťkách okolků, protože s růstem této hodnoty roste λ ekv, delta-r funkce i tangens-gama funkce a dvojkolí je silněji středěno, má tendenci zvyšovat frekvenci vlnivého pohybu zkracováním její délky vlny. To za určitých podmínek ve vazbě dvojkolí k rámu např. podvozku může vést k nežádoucímu velmi neklidnému až k tzv. nestabilnímu pohybu dvojkolí, 58

44 - na rozdílu v poloměrech kol, který způsobuje v obou charakteristikách kontaktní geometrie nesymetrii ovlivňující středění dvojkolí v koleji a zvyšuje hodnotu λ ekv. Důsledek je stejný jako v předchozím, - na rozchodu koleje tak, že záporné tolerance rozchodu zvětšují hodnoty výše uvedených charakteristik kontaktní geometrie zmenšením rozchodového kanálu koleje se stejnými důsledky jako má zvětšení rozchodu dvojkolí, - na tvarech profilů hlav kolejnic včetně jejich úklonu a vzájemné symetrie, neboť jejich poloha vzhledem k rovině kolejnicových pásů stejnou měrou jako jízdní obrysy určují všechny charakteristiky kontaktní geometrie dvojkolí-kolej. Na rozdíl od jednoduššího chápání vzájemného vztahu dvojkolí a koleje v období kuželových jízdních obrysů, dokazované zkoušením jízdních vlastností vozidel v novém stavu, je podle výše uvedených skutečností pochopitelné, že v podmínkách křivkových jízdních obrysů dvojkolí a s tím spojených dříve nedosažitelných kilometrických výkonů vozidel, musí být věnována zvýšená pozornost všem parametrům, které mohou ovlivnit jejich jízdní a vodicí vlastnosti, včetně tedy i uzlu vedení dvojkolí. Dokazuje to i postupný vývoj vyhlášky UIC 518, která stále přesněji určuje podmínky, za nichž musí být vozidlo zkoušeno a jimž musí vyhovět, aby mohlo být schváleno do železničního provozu, často i do provozu mezinárodního. 3.Vztahy dvojkolí a koleje v podmínkách ČD Při stupni poznání problematiky, která byla výše rozvedena a které se již řadu let intenzívně věnují v ČR také pracovníci Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice (původně na VŠDS v Žilině), lze situaci, jak se postupně vyvinula s hlediska diskutované problematiky na tratích ČD, charakterizovat takto: Většinu tratí ČD tvoří koleje s kolejnicemi různých typů (R65, S49, UIC60) s úklonem 1:20. Kvalita geometrické polohy kolejí je vzhledem k podmínkám, které zde panovaly a panují minimálně 50 let, velmi rozdílná, na regionálních tratích většinou spíše špatná. To vědí nejlépe pracovníci DDC. Modernizované tratě jsou tvořeny kolejnicemi UIC60 s úklonem 1:40, od roku 1996 důsledně přebroušenými do tvaru UIC60 lots 136 (ze 7.89), který se používá při broušení kolejí u DB AG. Výsledkem je profil hlavy, který bez ohledu na samotný úklon v uložení kolejnic, vykazuje s jízdním obrysem S1002 UIC- ORE nižší hodnotu λ ekv (kolem 0.1) a s jízdními obrysy většiny dvojkolí (zejména vozů) v provozu opotřebenými hodnotu menší než λ ekv = 0.5. To je mezní hodnota, při níž musí vozidla schvalovaná do provozu Drážním úřadem podle zmíněné UIC 518 pro rychlost do 140 km/h (zkušební 154 km/h) splňovat kritéria chodu a silového působení na trať. Porovnání tvarů obrysů hlav kolejnic UIC 60 původních a po uvedeném přebroušení je zřejmé z obr. 6. Modernizované tratě jsou zatím v takové kvalitě, že splňují podmínky pro kvalitu podle UIC 518 QN1 (to je pro dané rychlostní pásmo nejvyšší kvalita). Určité problémy tvoří jen úseky v bezprostředním okolí nešťastně zachovaných úrovňových přejezdů. Profily hlav kolejnic odpovídají svým tvarem v úzkém tolerančním pásmu jmenovitému profilu. Na těchto tratích se pohybují vozidla v různém až špatném technickém stavu pojezdu charakterizovaném např. u podvozků Görlitz V: Nadměrně opotřebeným vedením dvojkolí, viz obr. 3 (větším než hodnoty schváleného typu), - nefunkčními tlumiči ve vypružení, jízdními obrysy opotřebenými při pojíždění kolejnic s úklonem 1:20 a profilem jejich hlavy odpovídajícím mnohaletému provozu, takže λ ekv = i více, - s většími rozdíly v průměrech kol jednoho dvojkolí než výrobních 0.5 mm ( v provozu se připouští maximálně 2 mm). Totéž se týká pojezdů, jejichž vedení podléhá značnému opotřebení, jako jsou u elektrických jednotek ř. 460, 560, 470. Při periodických prohlídkách vozů byla z výše uvedených hledisek věnována pojezdu až dosud minimální pozornost, nejdříve při revizích v ŽOS, dnes z úsporných důvodů v DKV. Svědčí o tom i skutečnost, že se v dřívější době zavedla do oprav vedení dvojkolí podvozků Görlitz V renovovaná textgumoidová pouzdra, která vydržela provozní namáhání jen několik týdnů. 59

45 V takovémto stavu se část vozů s podvozky typu Görlitz V dostává při jízdě na modernizovaných tratích rychlostí 100 až 120 km/h zcela zákonitě do velmi neklidného až nestabilního chodu [4]. Byly a stále jsou v provozu zjišťovány vozy, které již po několika týdnech od prohlídky v DKV vykazují velmi neklidný chod. Obdobná situace s neklidným a současně výrazně periodickým chodem na modernizovaných tratích byla měřením zjištěna i na některých elektrických lokomotivách ř. 163 a 150 [4]. V tomto případě nebyla shledána jako příčina opotřebení vedení dvojkolí, ale patrně zvětšená axiální vůle v nápravových ložiskách spolu se značnou změnou tvaru jízdního obrysu. U některých vozidel (téměř výhradně u el. lokomotiv) byla zjištěna tendence zvětšování tloušťky okolků, které má za následek zvětšení rozchodu dvojkolí přes dovolenou hodnotu 1426 mm. To se velmi negativně odráží nejen v nárůstu λ ekv, ale i při velmi nepříznivém postavení dvojkolí ve výhybkách. Měřením jízdních obrysů dvojkolí čtyřnápravových elektrických lokomotiv v závislosti na kilometrickém proběhu bylo zjištěno, že hodnoty λ ekv se v provozu značně vzájemně liší, a to od hodnot zcela nežádoucích, zejména z hlediska výhybek a nejen z hlediska chodových vlastností, až po hodnoty, na kterých se vývoj tvaru obrysu stabilizuje. Obr. 4 toto dokazuje. Přitom se hodnoty λ ekv poněkud liší i v závislosti na traťovém úseku podle toho, s jakou tolerancí bylo prováděno broušení kolejnic. V tomto obrázku jsou pro informaci zvýrazněny hodnoty λ ekv pro jmenovité jízdní obrysy S 1002 UIC-ORE a KKVMZ. Přes větší úklon kolejnic na širé trati (1:20) jsou ve výhybkách kolejnice uloženy s úklonem 1:, což při tvaru převážné části opotřebených jízdních obrysů dvojkolí vede k velmi odlišnému kontaktu s kolejnicemi s tendencí pojíždět téměř po vnitřní zaoblené části hlavy a jazyků. Obr. 5 tuto situaci znázorňuje. Zjištěné okolnosti, vedoucí k neklidnému chodu vozidel, je na tomto místě vhodné alespoň částečně posoudit z hlediska zmíněné vyhlášky UIC Vozidla musí na koleji s průměrným rozchodem do 1432 mm pro rychlost do 140 km/h splňovat kriteria pro chodové a vodicí vlastnosti změřením na koleji kvality QN1, QN2 a částečně i QN3, která je ve vyhlášce přesně definována směrodatnými odchylkami ve směru i výšce jednotlivých kolejnicových pásů i jejich maximálními odchylkami. - Při uvedených zkouškách musí jízdní obrysy dvojkolí odpovídat stavu opotřebení, k němuž se v provozu na tratích příslušné železniční správy dvojkolí přibližují (pokud se jedná o vozidlo pro vnitrostátní provoz). - Vozidlo musí být zkoušeno v takovém technickém stavu, aby jeho parametry (tuhosti, tlumení, moment odporu proti natáčení podvozku) byly v obvyklých udržovacích tolerancích. - Pokud při zkouškách vozidlo nevyhoví a zjistí se, že na daném úseku byla překročena hodnota λ ekv = 0.5 (pro uvedené rychlostní pásmo do 140 km/h), pak se tento úsek nezařadí do hodnocení, ale musí být součástí protokolu ke schválení vozidla do provozu. - Vozidlo se zkouší i v obloucích s různými poloměry a sledují se stejně jako při jízdě v přímé velikosti vodicích a kolových sil, zrychlení na podvozcích i skříni. - Nestabilní chod vozidla je definován jako výrazně periodický děj spojený s velkými příčnými silami mezi dvojkolím a kolejí (ΣY) nebo silami rámovými H. Jako kriterium nestability je stanovena hodnota rovnající se odmocnině ze střední kvadratické odchylky těchto sil, která dosáhla poloviční hodnotu mezní síly podle Prud homa. Pro představu lze uvést, že při případném harmonickém průběhu naměřené síly je za hranici nestabilního chodu považováno dosažení sil s amplitudou rovnající se 70% síly podle Prud homa, tj. síly schopné pod tíhou působící z vozidla na trať vyvolat její příčné posunutí. - Vozidlo je zkoušeno jak v prázdném stavu, tak i ve stavu obsazeném. 4. Závěr Z uvedeného vyplývá, že na kolejích s velmi dobrou kvalitou, o níž zatím může být na modernizovaných úsecích tratí ČD řeč, nemají vozidla při dnes provozovaných rychlostech důvod k neklidnému chodu. Pokud k němu dochází, pak především proto, že technický stav jejich pojezdu neodpovídá podmínkám, pro které byla tato do provozu odsouhlasena. Na modernizovaných tratích s velmi dobrou výškovou a směrovou polohou se u ČD poprvé v poválečné historii setkáváme u některých vozidel s velmi periodickým intenzivním vlnivým pohybem 60

46 podvozků, jehož příčiny jsou u všech železničních správ s velmi dobrou a výbornou kvalitou koleje a provozujících zvýšené a vysoké rychlosti teoreticky plně známy. Jejich vedoucí techničtí pracovníci si jsou vědomi vážnosti tohoto jevu a činí proti němu účinná opatření. Bohužel ČD jsou v této situaci, když konečně začaly modernizovat své tratě, zastiženy s koncepčně nevhodnými a poměrně starými pojezdy některých vozidel. Situace je o to vážnější, že tato vozidla pojíždějí na mnoha místech po kolejnicích, jejichž tvar nejen úklonem, ale i ojetím neodpovídá novým podmínkám a jízdní obrysy dvojkolí se na nich přetvářejí do tvarů, které mají na kolejnicích modernizovaných tratí vysoké hodnoty λ ekv. Nezbývá nic jiného, než vytvořit v údržbě těchto pojezdů taková nezbytná opatření, aby se jejich provozem nenávratně neničily prostředky vložené do modernizace tratí. Náklady na jejich údržbu musí být, při pochopitelných racionalizačních opatřeních, úměrné tomu v jakém stavu tratě a zejména vozidla a jejich koncepce jsou. Velký význam této problematiky chápou např. u SBB, které se potýkají s problémem nestabilního chodu i u nákladních podvozků včetně Y 25 v důsledku značných hodnot ekvivalentní kuželovitosti (λ ekv = ). Ty se vytvářejí opotřebením na obloukovitých tratích zejména u nákladních vozů pro tranzitní dopravu přes Gotthard při kilometrických výkonech až km za rok. U ostatních železničních správ se problematikou zabývají při provozu vysokými rychlostmi, neboť jejich pojezdy byly s rychlostmi do 160 km/h uvedeny již dávno do souladu s požadavky na stabilní chod. Literatura: [1] Izer, J., Zelenka, J., Doležel, P.: Příspěvek k problematice charakteristik kontaktní geometrie ve vztahu dvojkolí-kolej. Vědeckotechnický sborník Českých drah, č. 1 (1995), str [2] Izer, J., Zelenka, J.: Charakteristiky kontaktní geometrie. Scientific Papers of the Univesity of Pardubice, Series B, The Jan Perner Transport Faculty, č. 2 (1996), Univerzita Pardubice, str [3] Müller, R.: Veränderungen von Radlaufflächen im Betriebseinsatz und deren Auswirkungen auf das Fahrzeugverhalten, Teil 1, Teil 2, ZEV+DET Glasers Annalen 11/98, 12/98, str , str [4] Izer, J., Zelenka, J. Lata, M.: Analýza příčin nestabilního chodu podvozků Görlitz V, Nová železniční technika, 1998/2, str V České Třebové, leden 1999 Lektoroval: Ing. Zdenek Maruna CD DOP O12 61

47 VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1999 ČÍSLO 7 Antonín Vaněček Oblouky Malého železničního zkušebního okruhu jako zkušební trať exponovaných zkušebních úseků podle vyhlášky UIC 518 Klíčová slova: Vyhláška UIC 518, zkušební rychlost, zkušební nedostatek převýšení. V současné době se mnoho diskutuje o připravované vyhlášce UIC 518, která má v nejbližší době vstoupit v platnost a která svým novým pojetím do značné míry pozmění stávající zkušební postupy. Navrhovaná vyhláška řeší především tři základní problémy dynamických vlastností železničních vozidel, a to: bezpečnost jízdy železničních vozidel namáhání materiálu tratí pojížděných těmito vozidly jízdní vlastnosti železničních vozidel. Oproti doposud používané vyhlášce UIC 432 nově navrhovaná vyhláška ještě ve větší míře klade důraz na rozsáhlejší experimentální práce a na větší množství zkušebních úseků. Rovněž statistická zpracování zjištěných posuzovacích veličin v sobě nese známku současné vysoké úrovně měřicí a vyhodnocovací techniky. Ve vyhlášce je jednoznačně konstatováno, že připuštění železničního vozidla do provozu z hlediska jeho dynamických vlastností musí být provedeno na základě jízdních zkoušek na tratích a nikoliv na základě výpočetních modelů. Rozsah jízdních zkoušek i způsob získání posuzovacích veličin je pro jednotlivé případy dán vyhláškou. Vyhláška definuje dva základní měřicí postupy: 1. Normální měřicí postup v sobě zahrnuje měření následujících fyzikálních veličin: - síly mezi kolem a kolejnicí Y (příčný směr) - síly mezi kolem a kolejnicí Q (svislý směr) - zrychlení skříně vozidla v příčném směru y * a ve svislém směru &z * nad vnějšími dvojkolími nepodvozkových vozidel nebo nad středy otočných čepů u podvozkových vozidel - zrychlení rámu podvozku nad dvojkolími nebo zrychlení dvojkolí na ložiskové skříni v příčném směru y. AntonínVaněček, nar. 1940, absolvent Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci, promován 1964, postgraduální studium VŠD Žilina v letech Do roku 1969 zaměstnán ve výpočetním středisku Aritma-analogová technika. Od roku 1969 zaměstnán ve VÚD, později VÚŽ. Z uvedených měřených fyzikálních veličin se stanoví posuzovací veličiny (dle přílohy F vyhlášky UIC 518, a to - suma vodicích sil pro jednotlivá dvojkolí ΣY - podíl vodicí a kolové síly Y/Q nabíhajícího kola - svislé síly mezi kolem a kolejnicí Q - zrychlení skříně vozu v příčném i svislém směru y *, &z * - zrychlení rámu podvozku nebo dvojkolí v příčném směru y. 2. Zjednodušený postup v sobě zahrnuje měření následujících fyzikálních veličin: 81

48 - příčnou rámovou sílu H nebo síly Y, ze kterých se stanoví síla H - zrychlení skříně vozu ve směru příčném ÿ * i svislém &z * (jako u normálního měřicího postupu) - zrychlení podvozku nebo dvojkolí v příčném směru (jako u normálního měřicího postupu) Použití postupu měření vyplyne ze síťového grafu uvedeného v příloze A vyhlášky UIC 518. Největších změn ve vyhlášce UIC 518 dosáhly zkušební podmínky. Především je nutné vozidlo zkoušet na kolejích o úklonu kolejnic 1:20 i úklonu 1:40. Zkoušky je nutné provádět na tratích přímých a v obloucích. Délky měřicích úseků jsou pro přímé trati většinou dlouhé 250 m, jejich počet však musí být takový, aby součtová délka byla větší než 10 km. Oblouky jsou rozděleny do tří kategorií, a to: I II - oblouky s poloměrem 600 R m - oblouky s poloměrem 400 R 600 m III - oblouky s poloměrem 250 R 400 m. Úseky pro kategorii I musí být dlouhé 100 m a jejich počet musí být takový, aby celková délka (přechodnice se do tohoto součtu nezapočítávají) byla větší než 10 km. Úseky kategorie II musí být dlouhé 100 m a jejich počet je minimálně 60. Úseky kategorie III musí být dlouhé 70 m a jejich počet je minimálně 30. Kromě délek jednotlivých úseků, jejich počtu anebo celkové součtové délky v jednotlivých kategoriích, přistupuje další upřesnění, týkající se zkušební rychlosti a u oblouků též nedostatku převýšení. Ve vyhlášce UIC 518 je zaveden pojem - nejvyšší přípustná provozní rychlost V zul - přípustná míra nedostatku převýšení uf zul Následující tabulka 1 (příloha C vyhlášky UIC 518) je určující pro stanovení zkušebních nedostatků převýšení. Druh vlaku Rychlost [kmh -1 ] uf zul [mm] Ia - Nákladní vlak (vozy klasické konstrukce) V Ib - Nákladní vlak (vozy odpovídající konstrukce) 120 V Ic - Rychlý nákladní vlak 140 V II - Osobní vlak dosavadního typu V 230 (1) 150 III - Motorový osobní vlak bez Dosavadní 0 V naklápění vozové skříně traťové úseky 160 V se zvl. vlastnostmi (např. snížené těžiště, nižší nápravové hmotnosti...) Vysokorychlostní 200 V traťové úseky 250 V (2) IV - Motorový osobní vlak, nebo skříní vozidlo s naklápěcí vozovou 0 V 300 (3) Tab. 1 82

49 (1) Při V > 200 kmh -1 a u vlaků tažených lokomotivou musí mít lokomotivy podobné vlastnosti jako čelní vozy motorových jednotek skupiny III. (2) Pro vlaky, používané na traťových úsecích pro nejvyšší rychlosti s tuhou (betonové desky) jízdní dráhou, činí příslušná míra nedostatku převýšení uf zul = 150mm. (3) Jestliže nedostatek převýšení je větší než je uváděn u vozidel skupiny II a III, nesmí být toto vozidlo na základě této vyhlášky provozováno. Zkušební rychlosti V pro dané zkoušené vozidlo se stanoví - pro úseky přímé V = 1,1 V zul ± 5 km /h minimálně však V = V zul + 10 km /h - pro úseky poloměrů kategorie I V zul - 5 V 1,1 V zul + 5 km /h - pro úseky poloměrů kategorie II a III je zkušební rychlost funkcí poloměru oblouku a zkušebního nedostatku převýšení. Zkušební nedostatek převýšení v obloucích Pro každou kategorii oblouku je stanoven zkušební nedostatek převýšení, a to intervalově a ve dvou stupních, přičemž zkušební nedostatek převýšení s vyššími hodnotami musí být pro zadaný minimální počet zkoušek dodržen. Pro úseky poloměrů kategorie I musí zkušební převýšení ležet v intervalu 0,7 uf zul uf 1,15 uf zul. přičemž minimálně 5 úseků musí mít zkušební převýšení v intervalu 1,05 uf zul uf 1,15 uf zul. Jak již bylo uvedeno, délky zkušebních úseků jsou pro maximální rychlost vozidla do 140 km/h dlouhé 100 m. Pro rychlost vozidla od 140 do 200 km/h jsou měřicí úseky dlouhé 250 m a pro rychlost vozidla vyšší než 200 km/h jsou měřicí úseky dlouhé 500 m. Součtová délka všech zkušebních úseků musí být nejméně 10 km. Tím, že pro oblouky kategorie I je dán interval pro zkušební rychlost a zároveň interval pro zkušební převýšení je značně omezen výběr zkušebních oblouků. Pro úseky poloměrů kategorie II a III rovněž platí, že zkušební nedostatečné převýšení musí ležet v intervalu 0,7 uf zul uf 1,15 uf zul.. Počet zkušebních úseků v obloucích s poloměry R ležícími v intervalu 400 R 600 m musí být větší než 60, přičemž 10 úseků musí mít zkušební nedostatek převýšení 1,05 uf zul uf 1,15 uf zul. Počet zkušebních úseků v obloucích s poloměry R ležícími v intervalu 250 R 400 m musí být větší než 30, přičemž 5 úseků musí mít zkušební nedostatek převýšení 1,05 uf zul uf 1,15 uf zul. Z uvedeného výčtu je zřejmé, že provádění zkoušek železničních vozidel podle vyhlášky UIC 518 klade značné nároky právě na výběr tratí vhodných ke zkušebním jízdám. Ve Výzkumném ústavu železničním byla přijata myšlenka provádět zkoušky s nedostatky převýšení 1,05 uf zul uf 1,15 uf zul na Železničním zkušebním okruhu. Jak je z předešlého zřejmé, jedná se jen o velmi malou část zkušebních úseků Z celkového počtu všech zkušebních úseků (těch je přibližně 200) to představuje cca 10 %. 83

50 Výzkumný ústav železniční do přípravy měřicích úseků vložil finanční prostředky (kotvení pražců v oblouku o poloměru 300 m, změnu převýšení v oblouku R 800 m, svaření kolejnic), které umožňují v následujících letech provádět z hlediska tratí bezpečně zkoušky s větší hodnotou nedostatku převýšení, tak jak to požaduje vyhláška UIC 518. Pro potřeby vyhlášky UIC 518 byly uzpůsobeny oblouky ŽZO. Jejich přehled je v následující tabulce. Označení úseku Kategorie oblouku podle UIC 518 Poloměr oblouku R Stavební převýšení p Zkušební rychlost pro zkušební převýšení 137 mm / 150 mm Délka oblouku m mm km/h m --- A III ,2 86, B II ,2 104, C II povolená rychlost 115 km/h. 480 D I ,7 130, E I ,3 118, F III ,8 56, Počet zkuš. úseků Tab. 2 Tento oblouk je použitelný pouze k úpravě rychlosti do dalšího zkušebního oblouku. Poloha měřicích úseků na Železničním zkušebním okruhu je zřejmá z následujícího obrázku č.1. Měřicí úseky jsou na obrázku shodně označeny písmeny A až F jako v předešlé tabulce č. 2. Pro jednotlivé oblouky byly v grafické formě vyneseny závislosti nedostatků převýšení v závislosti na rychlosti jízdy. Na obrázcích č. 2, 3 a 4 jsou vyznačeny limitní hodnoty zkušebních nedostatků převýšení pro kategorii vlaku Ia, tedy pro přípustnou míru nedostatku převýšení 130 mm - viz Tab. 1. Jednotlivé oblouky jsou opět shodně označeny písmeny A až F. Pro zkušební jízdy byla vypracována technologie zkoušek tak, aby bylo možno oblouky projíždět požadovanými rychlostmi a přitom byla zajištěna bezpečnost zkušebního týmu. Uvedené zkušební oblouky vytváří na zkušební základně VÚŽ podmínky pro provádění exponovaných zkoušek podle vyhlášky UIC 518. Úseky přímé a oblouky všech tří kategorií u nichž je zkušební nedostatek převýšení v intervalu 0,7 uf zul 1,05 uf zul je třeba vyhledat na tratích ČD. Zkušební nedostatek převýšení leží v intervalu mm pro kategorii vlaku Ia, Ib tabulky č. 1 (přílohy C vyhlášky UIC 518). Pro úplnost je třeba dodat, že uvedeným hodnotám zkušebního nedostatku převýšení odpovídají hodnoty nevyrovnaného příčného zrychlení 0,6 0,9 m/s 2. V Praze, únor 1999 Lektoroval: Ing. František Petr, CSc. VÚŽ Praha 84

51 Schéma zkušebních úseků na experimentální základně Výzkumného ústavu železničního Obr. 1 85

52 Nedostatek převýšení v obloucích R 250 m a R 300 m na MŽZO F - oblouk R = 250 m, převýšení p = 0 mm A - oblouk R = 300 m, převýšení p = 142 mm limita 150 mm F A 140 limita 137 mm Nedostatek převýšení np [mm] limita 91 mm Rychlost jízdy V [kmh -1 ] Obr. 2 86

53 Nedostatek převýšení v obloucích R 450 m a R 600 m na MŽZO 170 B - oblouk R = 450 m, převýšení p = 137 mm C - oblouk R = 600 m, převýšení p = 133 mm limita 150 mm B C 140 limita 137 mm Nedostatek převýšení np [mm] limita 91 mm Rychlost jízdy V [kmh -1 ] Obr. 3 87

54 Nedostatek převýšení v obloucích R 800 m na MŽZO E - oblouk R = 800 m, převýšení p = 56 mm D - oblouk R = 800 m, převýšení p = 100 mm limita 150 mm E D 140 limita 137 mm Nedostatek převýšení np [mm] limita 91 mm Rychlost jízdy V [kmh -1 ] Obr. 4 88

55 VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1999 ČÍSLO 7 Jiří Vlachý Diagnostika železničního spodku využitím radarové metody Klíčová slova : diagnostika železničního spodku, radarová metoda (georadar), permitivita, interface, geotechnický průzkum. Úvod Nepříznivý stav železničního spodku, zejména nedostatečná únosnost pražcového podloží včetně zemní pláně, je jednou z hlavních příčin závad v geometrické poloze koleje (GPK), a to v odchylkách podélné výšky kolejnicových pasů a jejich vzájemné polohy. Železniční trať je nutné považovat za vícevrstvý systém, sestávající z železničního svršku a železničního spodku. Únosný železniční spodek je základním předpokladem pro stabilitu GPK ve stanovených parametrech vyplývajících z povolené traťové rychlosti a hmotnosti na nápravu železničních vozidel. Zásadní význam má řádná úprava zemní pláně a pláně tělesa železničního spodku na únosnost stanovenou předpisem ČD-S4 a s tím úzce související stav odvodnění železničního tělesa. Současný stav na síti ČD je takový, že v řadě případů mají tratě málo únosný železniční spodek, jako důsledek nedostatečné údržby a obnovy, které nebyly adekvátní dřívějšímu vysokému provoznímu zatížení tratí, zejména tzv. hlavních tahů. Příčiny tohoto stavu lze spatřovat především v tom, že nebylo možno z důvodu velmi omezeného časového trvání výluk provádět potřebné sanační práce zvyšující únosnost železničního spodku, nebo také nedostatkem finančních prostředků. Obnovy nebo rekonstrukce tratí spočívaly, až na výjimky, pouze v obnově nebo rekonstrukci železničního svršku. Kolejové lože bylo zpravidla zřízeno přímo na zemní pláni bez konstrukčních vrstev. Sanace a rekonstrukce železničního spodku v dnešním pojetí byly dříve prováděny jen ojediněle. Zvyšující se požadavky na zavádění vyšších traťových rychlostí a zvyšování hmotností na nápravu, vyvolávají kromě použití technicky dokonalejších a provozně odolnějších konstrukcí železničního svršku, také potřebu rekonstrukce železničního spodku. Ta musí být provedena tak, aby: - nedošlo ke vzájemnému promísení materiálu konstrukčních vrstev pražcového podloží, - nedošlo k zatlačování konstrukčních vrstev do zemní pláně, - Ing. Jiří Vlachý, nar Absolvent VŠD Žilina 1963, specializace rekonstrukce a údržba tratí. Zaměstnání: ČD - Traťová distance, Traťová strojní stanice, Mostní obvod, TÚDC - S13. 91

56 - těleso železničního spodku bylo řádně odvodněno odvodňovacím systémem (zařízení otevřená a krytá), zachycujícím a odvádějícím povrchové a podzemní vody mimo něj. To se nyní uplatňuje v souvislosti s modernizací nebo optimalizací tratí na koridorech, kde se odehrává největší část provozního zatížení sítě ČD rychlostmi až do 160 km/h. Požadovaná funkčnost a trvanlivost vybudovaného odvodňovacího systému je samozřejmě podmíněna jeho následnou údržbou. Zatímco pořizovací náklady na nový železniční svršek lze do jisté míry označit jako fixní, finanční náročnost oprav nebo rekonstrukcí železničního spodku je značně variabilní. Pro racionální použití investovaných finančních prostředků vystupuje do popředí kvalita přípravy stavby - co nejpřesnější zjištění skutečného stavu železničního spodku. Radarová metoda jako součást geotechnického průzkumu železničního spodku V systému diagnostiky železničního spodku, zaměřené na kontinuální zjištění jeho složení a stavu, mají nezastupitelné místo nedestruktivní geofyzikální metody. Dopravní stavby jsou konstrukce náročné na zatěžovací podmínky. Pro tyto stavby (tedy i železniční tratě) zařazené do třetí geotechnické kategorie, se geotechnický průzkum provádí ve 3 etapách : Předběžný průzkum: Jeho výsledky jsou podkladem pro stanovení metodiky a rozsahu prací, které budou prováděny v rámci podrobného geotechnického průzkumu. Použití nedestruktivní radarové metody pro předběžný průzkum je možno provést kontinuálně, a tak zkvalitnit doposud obvykle prováděné místní šetření prováděné bodově, zpravidla jen podle znalostí správce trati o místech vyskytujících se poruch v železničním spodku. Tento subjektivně pojatý průzkum, i když může být určitým vodítkem, nemůže však být dostatečný pro základní podrobnější poznání poměrů v železničním spodku v souvislých úsecích. Na základě vyhodnocení předběžného průzkumu lze označit v železničním spodku místa s podobnou charakteristikou. Zkoumaný úsek železničního spodku se tak rozdělí na tzv. kvazihomogenní bloky a doporučí nebo určí místa, kam zaměřit průzkum podrobný. Jedná se o primární stupeň stupeň diagnostiky železničního spodku, tzv. hrubou diagnostiku nebo také nepřímou metodu. Její uplatnění je proto přínosem pouze ve spojení s klasickými metodami destruktivními, kterých je používáno při průzkumu podrobném. Chceme-li šetřit na takto prováděném geotechnickém průzkumu, pak můžeme dojít naopak ke značné ztrátě z titulu špatně či nepřesně stanoveného sanačního rozsahu a metody provedení, ať již pro jeho předimenzování (neúčelně vynaložené finanční prostředky) nebo naopak. Podrobný průzkum: Sem patří sondy, vrty, odběry vzorků zemin, laboratorní zkoušky, penetrační zkoušky, zkoušky únosnosti apod., ke zjištění fyzikálních a mechanických vlastností zemin zemní pláně a tělesa železničního spodku. 92

57 Kontrolní doplňující průzkum: Tímto se podle případných požadavků projektanta zpřesňují výsledky podrobného průzkumu. Výsledky geotechnického průzkumu a jeho doporučení pro opravné (sanační) práce na železničním spodku je nutné respektovat při zpracování příslušné části projektové dokumentace stavby. Spolupráce projektanta s geotechnikem by měla být samozřejmostí. Pečlivě provedeným geotechnickým průzkumem lze minimalizovat výskyt nepředvídaných situací při stavbě samé. Na rozhodnutí a řešení změny projektu v průběhu stavby již bývá zpravidla málo času a důsledky se později projeví spíše negativně (snížení trvanlivosti stability geometrických polohy koleje). Na základě výsledku úkolu technického rozvoje (dále jen TR) řešeného Výzkumným ústavem železničním v Praze a provozního ověření u ČD, byla pro diagnostiku železničního spodku v rámci předběžného průzkumu přijata a zavedena radarová metoda (georadar). Na řešení a provozním ověření kooperovaly ČD-TÚDC a firma G Impuls s.r.o. Praha. Byl použit radar typu SIR 10. Princip radarové metody Je založena na opakovaném vysílání elektromagnetických impulzů vysoké frekvence ( MHz) anténním systémem do zkoumaného prostředí (v našem případě železničního spodku) a přijímání jejich odezvy. Vlastnosti, charakterizující prostředí kterým prostupuje elektromagnetické vlnění, nazýváme permitivitou. To umožňuje zaznamenat hranice jednotlivých vrstev zemin, dutin, zvodnělých míst, tras inženýrských sítí apod. Kontinuální záznam odrazu vysílaných impulzů při pohybující se anténě vytváří průběžný časový snímek, zobrazuje se průběžně na monitoru aparatury a současně jsou tato data ukládána na magnetickou pásku. Tento záznam se nazývá radarogram. Je prvotním výsledkem radarového měření. Permitivita je bezrozměrná veličina. Její velikost je ovlivněna zejména množstvím mezer mezi materiálovými zrny a obsahem vody ve vrstvách pražcového podloží. U rekonstruovaných tratí můžeme předpokládat, především pro štěrkové lože, že materiál je co do druhu konstantní a obsah vody v něm zanedbatelný. V tomto smyslu je relativní permitivita také funkcí mezerovitosti, a tím nepřímo můžeme usuzovat na stupeň či rovnoměrnost zhutnění. Přibližně platí: čím nižší permitivita štěrkového lože, tím nižší stupeň jeho zhutnění. Data naměřená v terénu se převádí ze záznamové magnetické pásky do PC. Po kontrole jejich kvality mohou být bez dalších úprav uložena na CD disk pro jejich další uchování (ochrana proti poškození) a tak je možnost jejich pozdějšího využití (např. pro sledování změn v pražcovém podloží v čase). Zpracování dat určených ke kvantitativní interpretaci spočívá v potlačení zkreslujících vlivů (např. vliv pražců) a v sečtení a zprůměrování sousedních impulzů. Grafická úprava výsledku radarového měření spočívá v interpretaci dat pomocí příslušného softwaru do výstupního dokumentu - podélného řezu pražcovým podložím. V řezu jsou vyznačena rozhraní, a tedy tloušťky štěrkového lože, konstrukčních vrstev pod 93

58 štěrkovým ložem a zemní pláně. Tloušťky těchto konstrukčních vrstev jsou vyhodnoceny s přesností přibližně 5 cm. Zjednodušené schéma principu odrazu impulzů od vrstev v pražcovém podloží je znázorněno na obr. č. 1: kontinuální pohyb radarové antény niveleta koleje hranice vrstev vrstva 1 odražené impulzy radaru vrstva 2 vrstva 3 vrstva 4 ns doba pronikání impulzu /tlouštka vrstev/ Poznámka: odražený impulz je od určité síly registrován, takže se při pohybu antény vytváří průběžný časový snímek /radarogram/. Radarová metoda neumožňuje: - určit druh materiálů zemin tělesa železničního spodku a vyhodnotit jejich fyzikálněmechanické vlastnosti, - stanovení jejich modulu přetvárnosti a z něho odvození únosnosti zemní pláně a příslušné konstrukční vrstvy, jak je stanoveno předpisem ČD - S4 Železniční spodek. Uplatňování radarové metody u ČD v rámci geotechnického průzkumu tělesa železničního spodku je podrobně popsáno v Pokynech pro používání nedestruktivní radarové metody v diagnostice železničního spodku na tratích ČD, vydaných ČD-DDC O13 pod č.j /96 s účinností od Pokyny obsahují zásady použití metody, sjednocují a stanoví postupy při přípravě, vlastním provádění a vyhodnocení výsledků měření. Pro tento způsob měření bylo pro umístění jednotlivých částí radarové aparatury použito traťového motorového vozíku typu MUV a speciálně vyrobeného přívěsného vozíku (instalace aparatury je zřejmá z přiložené fotografie). Rychlost a kontinuálnost měření je v tomto případě limitována překážkami v trase měření, jako jsou např. nástupiště přesypané (nadvýšené štěrkové lože za hlavami pražců) a případně další překážky pro plynulou jízdu. Zejména však také konstrukcí přívěsného vozíku, který je nosičem anténního systému za tažným vozidlem. Možná rychlost měření je proto do 10 km/h a optimální krok měření 20 až 50 cm. (Krokem měření se rozumí interval vysílání elektromagnetických impulzů.) Vzhledem 94

59 k této rychlosti měření se u ČD vžil u tohoto způsobu použití georadaru název pomalý radar. Využití georadaru pro komplexní diagnostiku tratí Poznatky získané s využitím pomalého radaru při provádění geotechnického průzkumu byly využity při řešení další části této problematiky, a to spojení diagnostiky železničního svršku prováděnou měřícím vozem pro železniční svršek se současným monitorováním železničního spodku georadarem. To umožňuje komplexní kontinuální diagnostiku železničního svršku a železničního spodku při jedné jízdě měřícího vozu. Za tím účelem byly provedeny a provozně odzkoušeny potřebné technické úpravy na měřícím voze pro zapojení radarové aparatury a umístění anténního systému. Bylo využito přednosti používaného radarového přístroje SIR 10, což je možnost souběžné registrace více kanálů při jednom pojezdu zařazením druhé antény. Umístění antén je v tomto případě vyřešeno pomocí speciálně zhotovených závěsů pod podlahou měřícího vozu tak, aby byl v každém ohledu dodržen průjezdný profil. Použit byl anténní systém frekvence 500 MHz. Spodní hrana anténního systému je 35 cm nad temenem kolejnice. Doba instalace radarového zařízení včetně montáže antén na měřící vůz železničního svršku činí přibližně 0,5 h, je tedy velmi operativní. Pro připojení radaru do sestavy měřícího vozu bylo pracovníky TÚDC ve Středisku měřících vozů Jaroměř vyrobeno zařízení (interface), které přenáší počítačové pulzy kilometráže měřícího vozu železničního svršku do radarového záznamu a dále korekce na skutečnou polohu hektometrovníků. Tím je zaručeno, že kilometráž radarového záznamu je stejná jako kilometráž záznamového zařízení GPK a oba výstupy v měřítku délek 1:2000 je možno mezi sebou porovnávat a stanovit lokálně identické souvislosti a změny. Provozní zkoušky tohoto komplexního způsobu diagnostiky tratí byly prováděny mj. také na několika modernizovaných nebo optimalizovaných traťových úsecích koridorových tratí při rychlosti jízdy měřícího vozu 70 km/h. 95

60 Schéma zařazení radarové aparatury do měřícího vozu železničního svršku je znázorněno na obr. č. 2 pulzy IRC čidlo pulzy Vyhodnocovací mikropočítač GPK korekce polohy hm Interface Korekce hm SIR 10 anténní systém 500 MHz Podle výsledku můžeme konstatovat, že při této rychlosti je možno zvolit krok měření radarem po 0,5 m. To znamená, že každých 100 bm je vysláno anténním systémem radaru 200 impulzů do železničního spodku. Při této frekvenci je zajištěna dostatečná rozlišovací schopnost radaru pro kvalitní interpretaci pořízeného záznamu. Lze vyhodnotit nehomogenity (změny) v délce od 5 m výše. V případě speciálního požadavku na vyhodnocení radarových záznamů je možné snížením maximální rychlosti při průjezdu měřeného úseku získat detailnější záznam a vyhodnotit z něj i podrobnější údaje. Hloubková rozlišovací schopnost při frekvenci anténního systému 500 MHz je do 1,50 m pod horní plochou pražců. Pokud se měření provádí, jak se předpokládá, v celé délce traťových nebo definičních úseků je třeba zdůraznit, aby tyto úseky byly osazeny magnetickými značkami, které jsou měřícím vozem (speciálním snímačem) detekovány. Kvalita a přesnost vyhodnocení monitorování závisí na přesné registraci začátku a konce kontrolovaného úseku. Srovnávání kontrolních měření podle kilometráže pevných bodů v trati ( např. mostní objekty, úrovňová křížení apod.) je sice možné ale značně pracné. Dosažení požadovaného výstupu je pak časově náročné a částečně se i přesnost vyhodnocení snižuje. Vyuźití radaru ke kontrole provedených staveb Spojení diagnostiky geometrických parametrů koleje a železničního spodku je kvalitativním přínosem pro provozní potřeby správců dopravní cesty a také investorských složek. Umožňuje rychlé a adresné zhodnocení závad v železničním spodku pro účely : Kontroly technologické kázně při rekonstrukcích tratí Provést porovnání údajů kvantitativní interpretace radarového měření se skutečným provedením stavby. To může odhalit nedodržení prováděcího projektu stavby, tedy závady v kvalitě provedení. Je žádoucí, aby monitorování a vyhodnocení skutečného stavu provedené rekonstrukce na železničním spodku se stalo součástí technické dokumentace stavby podle skutečného provedení, kterou předkládá zhotovitel objednateli prací při přejímce díla. (Podobně jako je tomu u dokladů požadovaných pro železniční svršek.) 96

61 Ukázka kvantitativní interpretace: Legenda (Interpretace) mezivrstva ve št. loži štěrkové lože podkladní vrstva lomový kámen pláň rozhraní v pláni porucha vodič technické dílo Sledování stavu železničního spodku z hlediska časových změn po dobu záruční lhůty Tato možnost je velmi významným přínosem pro správce trati po převzetí stavby. V případě, že železniční spodek nebyl proveden v souladu s projektovanými parametry (např. nedostatečné hutnění technologických vrstev pražcového podloží), dochází v pražcovém podloží ke změnám (promísení vrstev, zatlačování vrstev, průnik spodní vody apod.). Ty odhalí časové monitorování radarovým měřením a počítačové odečtení rozdílů obou měření. Radarem detekované nehomogenity se projeví v první fázi zpravidla ve změně tloušťky jednotlivých konstrukčních vrstev pražcového podloží. Vzájemným porovnáním výsledků (vyhodnocení) měření železničního svršku a spodku současně získá správce trati další důležité informace: - Radarové měření signalizuje poruchu (anomálii) v pražcovém podloží. Přitom geometrická poloha koleje, vyjádřená dovolenými odchylkami parametrů koleje (dle ČSN ) pro dané rychlostní pásmo závady nevykazuje. To znamená, že v tomto místě lze později očekávat závady i v geometrické poloze železničního svršku, které se budou zřejmě periodicky opakovat pokud se jejich příčina v železničním spodku neodstraní. - Porucha je zjištěna jak v pražcovém podloží, tak i v geometrické poloze koleje (GPK). To znamená, že vlivem poruchy v železničním spodku je již porušena i GPK. Pokud nebude příčina, tj. porucha v železničním spodku odstraněna, lze očekávat periodické opakování závad v GPK, především v podélné výšce kolejových pásů a zborcení. 97

62 Výsledky měření radarem jsou objednatelům měření předány (podle požadovaného rozsahu) v interpretované grafické formě s příslušnými závěry a doporučeními. Vlastní měření, jeho vyhodnocení a interpretace vyžaduje příslušné přístrojové a programové vybavení a speciální znalosti a praxi v oboru geotechniky jako takové. Pro ČD proto mohou měření a jeho interpretaci provádět jen fyzické nebo právnické osoby, které pro tuto činnost mají osvědčení vydané ČD. V současné době je toto osvědčení vydáno firmě G Impuls Praha s. r. o. Závěr Použití georadaru je dalším přínosem pro komplexní diagnostiku železničních tratí. Je možné ho využít i při dalších úlohách, jako např. k posuzování přechodových oblastí mezi mostní konstrukcí a tělesem železničního spodku, prozkoumání a určení pravděpodobných příčin svážlivých míst násypů, zářezů a dalších. Literatura [1] Göbel, Hellmann: Georadar - nová metoda hrubé diagnostiky pro zajišťování a vyhodnocování stavu železničního spodku. Mezinárodní konference o železničním spodku, Žilina, březen [2] ČD-DDC Praha: Pokyny pro používání radarové metody v diagnostice železničního spodku na tratích ČD. Č.j /96-S13 z [3] ČD-DDC Praha: Pokyny pro použití georadaru v meřícím voze pro železniční svršek. Č.j /98-S13 z V Olomouci, únor 1999 Lektoroval: Ing. Josef Mynář ČD DDC O 13 98

63 VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1999 ČÍSLO 7 Gustav Koutník Současnost a výhled defektoskopické kontroly kolejnic na koridorových tratích Klíčová slova: defektoskopická kontrola, defektoskopický vůz, koridor Při úvahách o zajišťování defektoskopické kontroly kolejnic, srdcovek a jazyků výhybek na koridorových tratích je třeba vycházet z doposud získaných zkušeností a vzít na vědomí i skutečnost, že nově dostupná, byť relativně drahá defektoskopická technika, umožňuje velice produktivní, objektivní a kvalitní kontrolu. Zároveň je nutné počítat s následným využitím výpočetní techniky, která urychlí a zpřehlední zpracování výsledků def. kontroly. Důležité je i zajištění bezpečnosti samotných defektoskopických pracovníků, kteří budou muset vykonávat def. kontrolu na tratích, pojížděných vysokými rychlostmi. Význam defektoskopické kontroly je znásoben možností předcházení vzniku nehodových událostí z titulu vady kolejnice nebo jazyka výhybky a jejich následků při rychlosti jízdy vlaků do 160 km/h. Četnost kontrol Při rychlosti pojíždění vyšší než 140 km/h musí být pravidelné kontroly materiálu kolejnic, srdcovek a jazyků výhybek vykonávány v souladu s vyhláškou Ministerstva dopravy č. 177 (tj. Stavební a technický řád drah) s četností základních kontrol 3x ročně. Interní předpis ČD S 3/4 "Nedestruktivní zkoušení kolejnic" dokonce zpřísňuje četnost kontrol jazyků výhybek na 4x ročně. Dodržování stanovených četností kontrol podléhá dozoru Drážního úřadu. Předpis ČD S 3/4 navíc umožňuje přednostům Správ tratí jednotlivých Správ dopravní cesty (SDC) nařídit další kontroly kolejnic a jazyků výhybek s přihlédnutím ke stavu železničního svršku, provoznímu zatížení a jakosti kolejnicového materiálu. Ruční ultrazvukové přístroje Základní kontrola je v současnosti vykonávána pomocí jednoúčelových ultrazvukových kolejnicových defektoskopů. I v případě, že by pro základní kontrolu byl po kompletním dokončení koridoru nasazen defektoskopický vůz, bude následné použití jednoúčelových kolejnicových defektoskopů nutné pro přesné určení polohy vady v trati a také pro kontrolu srdcovek a jazyků výhybek. Je totiž třeba mít na zřeteli, že ne každý def. vůz může výhybky kontrolovat a pokud ano, pak vždy zkontroluje pouze jeden jazyk a jenom část srdcovky. Kolejnicovými defektoskopy by se kontrolovaly i ty úseky trati, které by def. vůz z technických nebo i provozních důvodů nezkontroloval Gustav Koutník Ing., * 1951, Vzdělání: ČVUT - fakulta strojní Praha. Pracoviště: Technická ústředna dopravní cesty - vedoucí Hlavního defektoskopického střediska Divize dopravní cesty. 99

64 V současné době je na koridorových tratích nově nasazeno prvních 10 ks defektoskopů české firmy STARMANS typ DIO 562-2CH, vyvinutých ve spolupráci s Technickou ústřednou dopravní cesty na základě specifických požadavků Divize dopravní cesty. Hlavní výhodou přístroje je sloučení funkce jednoúčelového kolejnicového defektoskopu s defektoskopem univerzálním ( dva přístroje v jednom ). Kromě toho je přístroj pro funkci kolejnicového defektoskopu osazen speciální čtyřměničovou kombinovanou sondou, která umožňuje spolehlivé zjišťování příčně orientovaných vad v hlavě kolejnice, srdcovky nebo jazyku výhybky a rovněž vnitřních vad jejich svarů (trhliny, studené spoje), což doposud používané přístroje nebyly schopny zjistit. Vizualizace všech indikací pomocí obrazovky je další předností tohoto přístroje. Předpokládá se, že těmito přístroji budou postupně vybaveny všechny SDC, neboť dnes používané kolejnicové defektoskopy KD-72 jsou již fyzicky zastaralé a i přes pravidelnou údržbu není možné jejich životnost prodlužovat donekonečna. Nasazením uvedeného přístroje je rovněž vyřešena potřebná inovace doposud používaných polských univerzálních ultrazvukových defektoskopů s obrazovkou typové řady DI-5 a DI-6, určených pro podrobnou kontrolu. Bezpečnost defektoskopických pracovníků Budoucnost bude zřejmě patřit defektoskopickým vozům. Důvodem pro takové tvrzení je skutečnost, že defektoskopický vůz řeší jeden zásadní problém, kterým je zajištění bezpečnosti pracovníků při práci na širé trati. Jedná se zejména o úseky pojížděné rychlostí vyšší než 120 km/h, na kterých se za provozu pracovníci nebudou smět vůbec pohybovat. V těchto případech by bylo nutné po dobu ručně vykonávané základní (tj. kontinuální) kontroly zavádět na kontrolované koleji pomalou jízdu nebo výluku. Obě tyto možnosti jsou však z hlediska provozu dosti komplikované a jejich využití ve svém důsledku vždy znamená omezení provozu. Další možností je přidělit def. skupině bezpečnostní hlídku, což ovšem vyžaduje další dva pracovníky navíc. Pro dohledávací defektoskopické skupiny, pracující na koridorových tratích, je přínosem zmíněného defektoskopu DIO, řízeného mikroprocesorem, možnost okamžitého nastavení všech potřebných parametrů pomocí v paměti uložených údajů pro jednotlivé typy vad a použité sondy. To značně urychluje práci a tím i zkracuje dobu pobytu v kolejišti. Kromě toho výsledky kontroly mohou být uchovány v paměti přístroje a je tak umožněno jejich dodatečné zpracování a vyhodnocení, opět mimo kolejiště, což má podstatný význam z hlediska bezpečnosti. Defektoskopické vozy Obecně lze říci, že kolejnicové defektoskopické vozy umožňují relativně rychlou kontrolu obou kolejnicových pásů současně, vyhodnocení výsledků v reálném nebo v co nejkratším čase a minimalizují vliv lidského činitele na hodnocení zjištěných vad, čímž zaručují poměrně vysokou reprodukovatelnost a objektivitu výsledků kontroly. Všechny pracují na principu metody ultrazvukové, některé jsou doplněny zařízením pro metodu magnetickou nebo vířivých proudů, umožňující zjištění pouze povrchových vad (trhlin). V současné době existuje ve světě celá řada def. vozů, které se liší svojí základní koncepcí (ucelený vlak, drezína, automobil s přídavným železničním podvozkem), konstrukcí měřicího podvozku (pevný, zdvihatelný, bez nebo s možností přejezdu výhybek), počtem a typem použitých sond (kluzné, valivé), způsobem a metodikou hodnocení výsledků kontroly a dalším přídavným zařízením (např. magnetická nebo laserová identifikace svarů a styků 100

65 kolejnic). Obvykle rozhodující součástí vozu bývá měřicí podvozek a sondový systém, kdy jeho případně nedokonalá konstrukce nezajistí spolehlivé vysílání ani příjem ultrazvukových signálů a tento nedostatek nenapraví sebedokonalejší počítačové zpracování. Je však třeba zdůraznit, že technicky zdánlivě nejdokonalejší vůz nemusí být tím, který nejspolehlivěji zjišťuje vady a v tomto smyslu je třeba brát s rezervou i prospekty některých provozovatelů či výrobců. V následujícím přehledu jsou stručně uvedeny základní informace o def. vozech, které by pro případný pronájem nebo koupi mohly u ČD přicházet v úvahu. U všech navštívených vozů byla jejich osádkou potvrzena nutnost ručního dohledávání vad a lze se oprávněně domnívat, že nutnost ručního dohledávání vad existuje i u ostatních vozů, ačkoliv tato skutečnost není v prospektech výslovně uvedena. Defektoskopická drezína SPENO US6 - Švýcarsko (údaje zjištěny při návštěvě vozu a zkušebním měření na speciální testovací koleji ÖBB v Linci): samostatný vůz s vlastním pohonem měřicí podvozek vlastní konstrukce; sondový systém: 8 kluzných sond na jednu kolejnici, z toho jedna sonda pouze zajišťuje vedení sond v ose kolejnice; zajímavě řešené zjišťování vertikálních vad (zdvojení) v hlavě kolejnice (speciální úhlová sonda 55 o ), výsledky kontroly zpracovány a zobrazeny v reálném čase graficky na monitoru počítače a to včetně výpisu vad pomocí aparatury ST-3000; veškeré údaje z kontroly zůstávají v počítači uložené pro případnou další analýzu, rychlost při měření 60 km/h (na koleji běžné kvality); rychlost bez měření 100 km/h, US6 je určena pouze k pronájmu; na prodej jsou drezíny US1 (pro rychlost měření do 30 km/h), US2 (pro rychlost měření do 40 km/hod) a US3 (pro rychlost měření do 60 km/h); všechny typy jsou osazeny aparaturou ST-3000 (kterou lze rovněž včetně měřicího podvozku samostatně zakoupit), počet sond závisí na přání zákazníka, podstatnou nevýhodou všech uvedených typů drezín SPENO je konstrukce sondového systému, kdy sondy jsou v přímém kontaktu s kolejnicí a jejich životnost se pohybuje v rozmezí 10 až 1000 km; firma pracuje na vývoji nového systému, kde sondy budou chráněny nekonečným gumovým pásem. Defektoskopický vlak DB - Schienenprüfexpreß SPE Německo (údaje dle prospektu): souprava s třemi vozy s vlastním pohonem, sondový systém: 5 kluzných sond na kolejnici + 1 sonda pouze pro měření výšky kolejnice; konstrukce a výroba měřicího podvozku firma SPENO, základní vyhodnocení výsledků kontroly přímo na voze, další vyhodnocení ve středisku v Mindenu, konečné výsledky (hlášenky) předávány do 10 dnů faxem příslušné "výkonné jednotce", rychlost při měření až 100 km/h (!?); rychlost bez měření 160 km/h. Defektoskopický vůz NS - UST 96 - Nizozemí 101

66 (údaje zjištěny při návštěvě vozu a zkušebním měření na tratích ČD): samostatný vůz s vlastním pohonem, měřicí podvozek na bázi francouzské firmy MATIX; sondový systém se sedmi kluznými sondami na kolejnici, z toho dvě sondy pro zjišťování příčných trhlin z vad typu shelling, výsledky kontroly zobrazovány v reálném čase na monitoru počítače pouze ve formě informativních údajů o průběhu měření (tedy bez možnosti okamžité registrace alespoň závažných vad), všechny údaje zaznamenávány do počítače; během a po ukončení měření zpracovávány formou grafického výstupu; následuje jejich hodnocení a ruční zápis hlášenek operátorem (poměrně těžkopádný systém s velikým vlivem operátora); kompletní výsledky měření (tj. včetně hodnocení vad operátorem) jsou archivovány na CD ROM, rychlost při měření max. 75 km/h; rychlost bez měření 140 km/h. Defektoskopický vůz PKP - Polsko (údaje zjištěny při návštěvě vozu a zkušebním měření na trati PKP): samostatný vůz bez vlastního pohonu (jezdí v soupravě s obytným vozem a hnacím vozidlem), měřicí podvozek sovětské konstrukce (neumožňuje zdvihání a omezuje tak rychlost bez měření); sondový systém se šesti kluznými sondami na kolejnici, výsledky kontroly v reálném čase tištěny ve formě zjednodušené hlášenky pro potřebu operátora; všechny údaje zároveň ukládány do paměti počítače a po ukončení kontroly analyzovány, vady klasifikovány a je vytištěna konečná hlášenka, nutnost ručního měření staničních (průběžných) kolejí a úseků 100 m před a za výměnou, které vůz z technických důvodů neměří, rychlost při měření max. 40 km/h; rychlost bez měření pouze 60 km/h, v r.1997 měl být dokončen nový vůz s využitím osvědčených prvků z vozu stávajícího; podle posledních informací PKP však byla pro nedostatek finančních prostředků postavena pouze drezína s měřicí rychlostí 40 km/h, která ovšem prozatím měří pouze při rychlosti 20 km/h. Defektoskopický vůz MÁV - Maďarsko (údaje dle prospektu): samostatný vůz bez vlastního pohonu (jezdí v soupravě s hnacím vozidlem na obou stranách měřicího vozu), měřicí podvozek vlastní konstrukce; sondový systém s pěti kluznými sondami na kolejnici; speciální senzor pro rozlišení styků a svarových spojů kolejnic, výsledky kontroly jsou v reálném čase tištěny ve formě hlášenky včetně klasifikace vad; veškeré údaje jsou zároveň ukládány do paměti počítače a poté archivovány na CD ROM, max. rychlost při měření 50 km/h. Existují samozřejmě i další nabídky defektoskopických vozů ze zahraničí. Rýsuje se rovněž možnost vývoje a výroby defektoskopické drezíny tuzemskými firmami MTH Praha a STARMANS, která by pro ČD mohla být zřejmě finančně zajímavá. 102

67 Zpracování výsledků defektoskopické kontroly V současné době jsou výsledky kontroly kolejnic a jazyků výhybek mnoha defektoskopickými skupinami zaznamenávány pomocí kapesního počítače PSION s následným přenesením, zpracováním a archivací těchto dat v počítači PC programem SORUT ( Systém operativního řízení údržby tratí ). Hlavními výhodami tohoto způsobu záznamu je nemožnost chybného zápisu polohy vady v koleji, jednoduché sledování odstranění případných vad podle termínů a v neposlední řadě neustálý přehled o celém traťovém úseku z hlediska zjištěných vad, tedy i těch, které jsou určeny pouze k pozorování. Po nasazení def. vozu bude situace složitější, neboť způsob zpracování výsledků základní kontroly závisí na třech faktorech, které jsou dány konstrukcí vozu. Těmi jsou: a) forma výsledků kontroly - může být grafická nebo ve formě tištěné hlášenky, případně kombinace obou způsobů. U vozu NS se dokonce jedná o kombinaci grafického výstupu z počítače a ručně psané hlášenky (na předtištěném formuláři). Významný je i způsob ukládání výsledků v paměti počítače, kdy mohou být ukládány průběžně všechny údaje nebo pouze údaje o vadách, b) metodika klasifikace vad - vady jsou klasifikovány vlastními symboly nebo číselnými kódy, případně číselné kódy vad odpovídají alespoň u některých indikací číslům podle katalogu UIC, c) technická vyspělost vozu - tou je dáno, zda je nutné dohledávat všechny zjištěné vady nebo pouze vady s nejasnou či nejednoznačnou indikací. Jakým způsobem by byly výsledky kontroly z vozu předávány a následně archivovány na příslušných SDC, závisí pouze na typu nasazeného vozu. V zásadě lze říci, že výsledky z def. vozu by byly předávány buď ve formě tištěných hlášenek a tak také archivovány nebo by byly předávány formou databáze na disketě a následně archivovány v PC. Druhá uvedená alternativa je pro potřeby SDC jednoznačně výhodnější, neboť umožňuje operativní práci s pořízenými údaji a rovněž umožňuje jejich zpracování v dalších navazujících programech (např. ECOTRACK). V případě, že by všechny zjištěné vady bylo nutné dohledávat, obdržela by dohledávací skupina hlášenku z vozu a při dohledávání jednotlivých vad by o nich pořizovala údaje pomocí PSIONu s následným zpracováním jako v současnosti. Pronájem či zakoupení defektoskopického vozu Základní otázkou při úvahách o nasazení def. vozu je, zda je výhodnější def. vůz najímat nebo jej vlastnit. Informace k tomuto problému jsou shrnuty v následující tabulce. Porovnání výhod a nevýhod plynoucích z vlastnictví či pronájmu def. vozu 103

68 Def. vůz vlastní pronajatý výhody nevýhody - operativnost v nasazení - použití pro celou síť ČD (zajištění max. objektivity kontroly) - možnost úpravy technických parametrů podle specifických potřeb ČD - značná úspora def. pracovníků - úspory při obnově ručních def. přístrojů - možnost práce u jiných železničních správ - velká investice (řádově desítky mil. Kč) - nutnost vlastní osádky (3 až 4 vysoce kvalifikovaní pracovníci), svépomocné údržby a oprav zařízení vozu, revizí vozu - není nutná velká investice - odpadá nutnost vlastní osádky, údržby a oprav zařízení vozu, revizí vozu - neoperativnost v nasazení (problém se zajištěním pronájmu vozu 3x ročně v přesných termínech) - poměrně vysoké každoroční náklady na pronájem vozu (řádově mil. Kč) - nutnost využívat nabízené technické parametry (mj. nekompatibilita s počítačovým zpracováním a hodnocením vad u ČD) - pouze minimální úspora def. pracovníků a nákladů na novou přístrojovou techniku - možnost případných právních problémů po nehodě z titulu vozem nezjištěné vady Z tabulky vyplývá, že jednoznačně výhodnější pro ČD je mít k dispozici vlastní defektoskopický vůz. Nákup vozu je samozřejmě finančně velice náročnou záležitostí, ale z podrobné analýzy vyplývá, že návratnost této investice může být (podle typu, resp. výrobce vozu či ultrazvukového zařízení) již také 6 let. Organizace defektoskopické kontroly V zásadě je třeba při organizaci defektoskopie vycházet z toho, zda základní kontrolu bude či nebude zajišťovat defektoskopický vůz. Předpokládáme-li, že v první fázi, kdy budou uváděny do provozu jednotlivé zrekonstruované úseky koridoru, nebude def. vůz k dispozici, zůstane organizace stejná jako doposud s tím, že příslušné SDC budou pro kontrolu používat výhradně ruční defektoskopy DIO 562-2CH. 104

69 Po kompletním dokončení koridoru by měl být nasazen defektoskopický vůz, který zajistí základní kontrolu kolejnic. Ručními přístroji pak bude třeba dohledávat zjištěné vady, kontrolovat případně vozem neproměřené úseky a samozřejmě zajistit kontrolu srdcovek a jazyků výhybek. Současně se zavedením def. vozu by měly být vytvořeny speciální skupiny, sestavené ze zkušených defektoskopických pracovníků, vybavené defektoskopy DIO 562-2CH. Samozřejmostí musí být mobilita skupiny, která bude zaručena pouze terénním automobilem tak, aby skupina nebyla závislá na dojíždění vlakem s následnou pěší docházkou na místo kontroly. Pochopitelně se tak ušetří čas rovněž při přejezdech mezi železničními stanicemi při kontrole srdcovek a jazyků výhybek a také při předávání výsledků def. kontroly na příslušnou výkonnou jednotku, což výrazně zvýší produktivitu práce. V případě, že defektoskopický vůz bude ve vlastnictví ČD a budou jím tedy kontrolovány nejen koridorové tratě, lze vytvoření speciálních skupin doporučit všeobecně. V Praze, leden 1999 Kopsa Lektoroval: Ing. Ladislav ČD DDC O13 105

70 VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1999 ČÍSLO 7 Petr Sychrovský Nové diagnostické prostředky pro měření železničního svršku u Českých drah Klíčová slova: nové prostředky pro diagnostiku železničního svršku. 1. Úvod Technická ústředna dopravní cesty Praha zahajuje v roce 1999 provoz nově vyvinutých diagnostických prostředků měřicího vozu pro železniční svršek a měřicí drezíny. Oba prostředky jsou určeny především pro měření geometrických parametrů koleje. Měřicí vůz pro železniční svršek je dále vybaven systémy pro měření příčného profilu kolejnic, mikrogeometrie povrchu kolejnic a hodnocení odezvy vozidla. Tyto nové měřicí prostředky nahradí již morálně a fyzicky zastaralý měřicí vůz sovětské výroby, který tuto činnost na tratích Českých drah zajišťoval od 2. poloviny 80. let. Měření těmito prostředky se uskutečňuje dle předpisu SR 103/4.1(S) Využívání měřicího vozu pro železniční svršek a SR 103/4.2(S) Využívání měřicí drezíny pro železniční svršek, v souladu s vyhláškou č. 177/95 Sb., ČSN a předpisem ČD S 2/3. Vývoj těchto prostředků realizoval Výzkumný ústav železniční, pracoviště Pardubice ve spolupráci s tuzemskými a zahraničními dodavateli a Technickou ústřednou dopravní cesty. 2. Měřicí drezína MD-1 Měřicí drezína ( MD ) je určena k měření geometrických parametrů koleje traťových a staničních kolejí na vedlejších a regionálních tratích. Měřicí drezína je řešena jako dvounápravový traťový stroj lehké stavby s jednou hnací nápravou, opatřený narážecím a tahadlovým ústrojím. Měřicí zařízení se skládá ze tří měřicích vozíků s teleskopickou osou připojených pomocí táhel k ložiskovým domkům náprav MD, a to dvou vozíků k přední a jednoho vozíku k zadní nápravě (nákres měřicí drezíny viz obr.1). Petr Sychrovský Ing., 34 let, VŠDS Žilina, obor stavba a obnova železnic. V současnosti pracuje na TÚDC Praha - vedoucí Střediska měřicích vozů Jaroměř. 107

71 Obrázek č Základní technické parametry: typ stroje: MD délka přes nárazníky: mm rozvor náprav: 6400 mm min. poloměr: 150 m omezenou rychlostí: 100 m max. stoupání: 40 rozchod: 1435 mm maximální hmotnost na nápravu: 16 t rychlost při přepravě: 80 km/hod. měřicí rychlost: km/h pracovní teplota: -5 až +40 C 2.2. Měřené parametry: rozsah rozchod koleje: mm převýšení koleje: max. 180 mm zborcení koleje: až 1 : 150 (základna 1,8 m, 6 m, 12 m) směr koleje: min. poloměr r = 100m podélná výška: až 60 mm přesnost měření: ± 1 mm 108

72 2.3. Měřicí systém GPK Pro snímání jednotlivých veličin geometrických parametrů koleje jsou na vozících, na pákách táhel vozíků a na ložiskových domcích umístěny délkové snímače. Délkové snímače zaznamenávají jednotlivé délkové rozměry, které se elektrickou cestou přenášejí do řídícího počítače a po vyhodnocení se zobrazují na výstupní sestavě jako grafický záznam průběhu GPK. Samostatný systém řídí v průběhu měření spouštění a zvedání měřicích vozíků. Okamžitý zdvih měřicích vozíků je v průběhu měření zajištěn automaticky při havárii některého z měřicích podvozků a ručně tlačítkem ze stanoviště vedoucího MD.. Způsob hodnocení GPK vychází ze zásad, které jsou dále podrobněji popsány Princip snímání jednotlivých parametrů Směr koleje Směr koleje je charakterizován měřením vzepětí excentrické tětivy délky 10m, vytvořené třemi měřícími vozíky (trojbodový systém) s umístěním středního vozíku 4,2 m od vozíku předního. Vzepětí se měří pomocí snímačů délky, které snímají odchylky vzdáleností rámu měřicí drezíny od levého kolejnicového pásu ve směru stoupající hodnoty staničení. Směr pravého kolejnicového pásu je získán přepočtem přes rozchod koleje. Pro stanovení poloměru z grafického záznamu platí vztah: kde R je poloměr oblouku ( m ) f je odečtené vzepětí ( mm ) z grafického záznamu Rozchod koleje Rozchod koleje je měřen středním vozíkem 14 mm pod temenem kolejnice. Teleskopické dvojkolí měřicího vozíku je pneumatickým válcem přitlačováno ve svislém směru na temena kolejnic a dalším vodorovným válcem rozpínáno tak, aby byl dosažen průběžný kontakt měřicích kol s hlavou kolejnic. Hodnota rozchodu je vyhodnocena lineárním délkovým snímačem Převýšení koleje Převýšení koleje je na měřicí drezíně měřeno nepřímou metodou. Pomocí t.z. náklonoměru umístěného na podlaze v ose měřicí drezíny se zjišťuje celkový úhel pootočení rámu vůči horizontální poloze a délkovými snímači umístěnými po obou stranách mezi nápravou a rámem se zjišťuje náklon skříně vůči koleji. Převýšení je vypočteno z uvedených údajů Zborcení koleje Zborcení koleje je stanoveno výpočtem z celkové hodnoty převýšení a je počítáno pro tři základny (1,8 m, 6 m, 12 m) dle ČSN Na výpise lokálních závad je zborcení koleje 109

73 vyhodnoceno na těchto třech základnách, na grafu měřicí drezíny je zaznamenáno zborcení na základně šesti metrů Podélná výška koleje Odchylky v podélné výšce kolejnicových pasů se měří pomocí systému pák umístěných na předním a prostředním měřicím podvozku. V podstatě se měří vzájemná výšková poloha pojezdového kola přední nápravy drezíny a kol středního a předního měřicího vozíku na základně mm s excentricky uloženou osou přední pojezdové nápravy mm od osy předního měřicího vozíku. Měření probíhá pro každý kolejnicový pás samostatně. Pro převod na elektrický signál jsou použity lineární délkové snímače. Z jejich údajů je po zpracování získána hodnota převýšení levého a pravého kolejnicového pásu Hodnocení GPK Metodika hodnocení GPK vychází ze statistické analýzy hodnot směrodatných odchylek jednotlivých základních veličin pro 200 m úseky trati v síti ČD. Pro digitální výstup jsou místo směrodatných odchylek GPK použity bezrozměrné parametry, t.z. známky kvality, které převádějí hodnoty SDO na číselné hodnoty se stejným významem pro libovolnou třídu nebo kategorii trati, libovolné rychlostní pásmo a libovolný parametr koleje. Hodnocení lokálních závad vychází z faktu, že měřené parametry MD jsou přepočteny na tzv. skutečnou geometrii, což je dáno matematickým modelem, který zabezpečuje jednotkovou přenosovou funkci. Pro všechna rychlostní pásma je definováno dvouúrovňové hodnocení odchylek za provozu Hodnocení lokálních závad Měřicí drezína provádí hodnocení lokálních závad u těchto parametrů koleje: Směr koleje - SK Podélná výška - VP, VL Převýšení koleje PK Rozchod koleje RK Zborcení koleje ZK Změna rozchodu - ZR v pásmu vlnových délek 1-25 m v pásmu vlnových délek 1-25 m v pásmu vlnových délek 1-25 m (jen při hodnocení provozních odchylek) v pásmu vlnových délek 1 m - počítaného z převýšení v pásmu vlnových délek 1 m - na tři základny počítaného z absolutního rozchodu na bázi 1 m Mezní hladiny jsou odstupňovány podle rychlosti do příslušných rychlostních pásem ( RP ), ve vztahu k normě ČSN Úsekové hodnocení GPK V úsekovém hodnocení jsou SDO nahrazeny bezrozměrnými parametry, které jsou nazvány známkami úsekového hodnocení. Známky úsekového hodnocení jsou rozděleny do tří skupin: - známky kvality ZKV - celková známka kvality CZK - známka podbíjení ZP 110

74 Známky jsou navrženy tak, aby pro dané rychlostní pásmo měly normální rozdělení pravděpodobnosti v průměru 3 a směrodatnou odchylku, která zabezpečuje, že 80% všech hodnot kterékoli ze známek bude menší než 4 pro vyhovující trať. Známka kvality jednotlivých měřených parametrů (dynamického směru, rozchodu, převýšení a výšky) je dána logaritmickým transformačním vztahem: ZKV = SDO Ln ( ) b m kde hodnota směrodatné odchylky příslušné veličiny je dána vztahem: SDO = 1 n - 1 n i=1 xij kde n je počet vzorků měření x i je odchylka od střednice geometrické hodnocené veličiny a číselné konstanty b a m jsou stanoveny na základě statistik SDO příslušné veličiny a příslušného rychlostního pásma a jsou uvedeny v následující tabulce č.1. Směr Rozchod Převýšení Výška m b' m b' m b' m b' RP1 0,38 0,64 0,35 0,63 0,23 0,90 0,26 1,10 RP2 0,31 0,66 0,32 0,58 0,22 0,79 0,25 0,97 RP3 0,24 0,65 0,29 0,52 0,21 0,67 0,23 0,83 RP4 0,17 0,59 0,27 0,45 0,20 0,54 0,22 0,67 Tabulka č.1 Celková známka kvality CZK a známka podbíjení ZP je z jednotlivých známek kvality ZKV stanovena na základě tzv. hybridního kriteria ze vzorce: CZK,ZP = 1,1 max{(w SK.ZKV SK +w RK.ZKV RK ),(w PK.ZKV PK +w VK.ZKV VK )} - 0,75 kde váhy w jednotlivých veličin, stanovené na základě korelační analýzy, jsou uvedeny v tabulce č.2 a jsou pro CZK a ZP rozdílné. 111

75 w SK w RK w PK w VK ZP 1,00 0 0,4 0,6 CZK 0,5 0,5 0,4 0,6 Tabulka č. 2 Hodnoty uvedené v tabulce č. 1 a č. 2 jsou výchozí pro zahájení provozu MD a budou postupně upřesňovány Výstupy z měření. Při měření GPK jsou na měřicí drezíně tištěny tyto sestavy: - graf ( příloha č. 1 ) - výpis lokálních závad a úsekového hodnocení ( příloha č. 2 ). Naměřená data jsou dále ukládána na HDD pro další zpracování ve vyhodnocovacím středisku. 3. Měřicí vůz pro železniční svršek 3.1. Stručný popis koncepce měřicího vozu Měřicí vůz byl vyroben rekonstrukcí železničního vagónu řady Bymee s podvozky GP 200 (obr.2) a je určen pro: - měření geometrických parametrů koleje - měření vertikální mikrogeometrie kolejnic - měření příčného profilu kolejnic - hodnocení odezvy vozidla V průběhu měřicí jízdy je rovněž snímán reálný obraz trati za měřicím vozem na video kazetu. Měřicí systémy byly převzaty od zahraničních dodavatelů. Obrázek č

76 3.2. Základní technické údaje - typ vozu Bymee - délka přes nárazníky mm - vzdálenost otočných čepů mm - jmen. hmotnost kg - max. hmotnost na nápravu kg - přepravní rychlost 160 km.h -1 - měřicí rychlost km.h -1 - minimální jmenovitý poloměr oblouku koleje 190 m - minimální jmenovitý průjezdný poloměr oblouku 150 m - maximální převýšení 200 mm - rozmezí pracovních teplot -10º + 35 o C - vyhybky projíždí bez omezení - v místě přídržnice neměří rozchod a směr 3.3. Měřené geometrické parametry koleje (GPK) dynamické v pásmu vlnových délek 1 25 m (max.traťová rychlost 160km.h -1 ) nebo v pásmu vlnových délek 1 70 m (traťová rychlost 160 km.h -1 a) rozchod (využívá se pro výpočet směrodatné odchylky SDO) b) směr (využívá se pro hodnocení okamžitých závad a SDO) c) převýšení (využívá se pro hodnocení okamžitých závad a SDO) d) podélná výška (využívá se pro hodnocení okamžitých závad, SDO a graf) kvazistatické v pásmu vlnových délek 70 m - a) rozchod b) křivost c)převýšení celkové v pásmu vlnových délek 1 m - a)rozchod (využívá se pro grafický záznam) b)křivost nefiltrovaná (využívá se pro grafický záznam) c)převýšení (využívá se pro grafický záznam) d)zborcení (využívá se pro hodnocení okamžitých závad a graf) - vzorkovací interval 0,25 m - hodnocený základní úsek délky 200 m, m 3.4. Vertikální mikrogeometrie kolejnic V pásmu vlnových délek 0,03-0,3 m, vyjádřená SDO ve volitelné délce hodnoceného úseku m s identifikací vad kolejnic v oblasti svarů a styků Příčný profil kolejnic 113

77 Vyjádřený vykresleným profilem příslušného tvaru kolejnice s vyhodnocením ojetí a převalků v intervalu vzorkování 5 m a výše Popis systémů měřicího vozu Měřicí systém GPK TMS (Track measuring system ) je bezkontaktní měřicí systém pro měření geometrických parametrů koleje. Měřené parametry jsou prezentovány ve dvou vlnových pásmech jako dynamické a kvazistatické Princip snímání veličin Princip snímání vychází z inerční metody využívající Newtonových zákonů síly a setrvačnosti. Pro realizaci systému jsou použity snímače zrychlení, úhlové rychlosti, indukční snímače posunutí, laserové zdroje světla a kamery s řádkovými snímači. Projetá dráha vozu je snímána inkrementálním snímačem z jedné osy měřicího podvozku. Při rychlosti jízdy měřicího vozu menší než 40 km.h -1 nelze z principu zajistit měření GPK. Přesnost systému je určena reprodukovatelností směrodatných odchylek v délce dvěstěmetrových úseků měřené trati. Z naměřených hodnot jednotlivých snímačů vypočítá počítačový systém kvazistatické (dlouhovlnné) a dynamické (krátkovlnné) geometrické parametry koleje Kvazistatické parametry (veličiny dlouhovlnné o délce vlny λ=70 m - ): Měření křivosti koleje: Křivost koleje je snímána pomocí délkových lineárních snímačů umístěných na obou podvozcích měřícího vozu. Snímače měří úhel natočení podvozků vůči podélné ose skříně vozu. Poloměr měřeného oblouku se vypočítá ze vztahu: R = K [mm] kde R je poloměr měřeného oblouku v metrech K pořadnice nefiltrované křivosti v mm Měření převýšení koleje: Převýšení koleje je vyhodnoceno z údajů snímače nevyrovnaného příčného zrychlení měřeného na podlaze vozu, křivosti, náklonu skříně vozu vzhledem ke spojnici temene kolejnicových pasů a rychlosti vozu. Vliv rychlosti, náklonu skříně a křivosti je ve výpočtu kompenzován. Měření rozchodu koleje: Rozchod koleje je snímán bezkontaktně pomocí kamer s řádkovými snímači umístěnými nad kolejnicemi. Kolejnice jsou osvětleny bodovým laserovým zdrojem světla 14 mm pod temenem kolejnice. Rozchod je určen rozdílem údajů snímačů kamer a konstantou definující upevnění kamer na měřicím rámu. 114

78 Dynamické parametry (veličiny krátkovlnné o délce vlny λ=1 25m): Měření dynamické složky převýšení koleje: Převýšení koleje je snímáno snímačem úhlové rychlosti, který měří úhel náklonu vozové skříně v místě podlahy vozu. Pomocí délkových snímačů je v místě osy dvojkolí měřicího podvozku změřen úhel náklonu skříně vůči podvozku. Výsledná hodnota dynamického převýšení koleje je dána rozdílem celkového náklonu skříně vozu a náklonu vozu vůči podvozku. Měření podélné výšky koleje: Podélná výška koleje je měřena v ose koleje vertikálním snímačem zrychlení umístěným na podlaze vozu a lineárními snímači délky mezi podlahou vozu a dvojkolím. Podélná výška koleje levé a pravé kolejnice je vypočtena z podélné výšky koleje v ose koleje a dynamické složky převýšení koleje. Měření směru koleje: Směr koleje je měřen v ose koleje horizontálním snímačem zrychlení umístěným na podlaze vozu. Výsledná hodnota je korigována náklonem skříně a horizontálním posunem mezi podvozkem a kolejnicí a podvozkem a vozovou skříní. Měření rozchodu koleje: Dynamická složka rozchodu koleje je vyhodnocena z údajů kamer s řádkovými snímači měřícími polohu kolejnic vůči pevnému uložení kamer na rámu podvozku. Získání všech statických a dynamických veličin probíhá on-line, přičemž všechny nutné operace se signály jednotlivých snímačů, jako například integrace zrychlení, filtrace, korekce a opravy fází se provádějí digitálně, v palubním počítači měřicího vozu. Přesnost polohové identifikace závad GPK je dána jednak přesností snímání dráhy vozu a dále přesností určení polohy MV v síti ČD (dosažitelná přesnost 1m na 1 km). Pro dosažení požadované přesnosti a reprodukovatelnosti při opakovaném měření jsou v části sítě ČD osazeny začátky a konce definičních úseků magnetickými značkami, které umožňují automatickou korekci dráhy během měřicí jízdy vozu Hodnocení jednotlivých parametrů Hodnocení jednotlivých parametrů koleje je realizováno dvouúrovňovým posouzením závad okamžitých odchylek v definovaném místě koleje při překročení stanovené mezní hladiny pro příslušné rychlostní pásmo dle Dále je hodnocení jednotlivých parametrů koleje vyjádřeno známkou kvality v úsecích 200 m a 1000 m, celkový stav parametrů koleje je vyjádřen celkovou známkou kvality CZK a známkou podbíjení ZP Měřicí systém vertikální mikrogeometrie kolejnic (CMS) (Corrugation measuring systém) 115

79 Na měřicím voze je systém CMS určen pro orientační měření vertikální mikrogeometrie (vlnkovitosti) hlavy kolejnice a k lokalizaci geometricky vadných svarů, při měřicí rychlosti větší něž 36 km.h -1. Vlnkovitost je definována jako nerovnost povrchu kolejnice ve vlnové délce 0,03 až 3,0 m, při amplitudě nerovnosti menší než 0,3 mm. Uvedené nerovnosti vyvolávají dynamické síly mezi kolem a kolejnicí závislé na vlnové délce nerovnosti, její amplitudě, konstrukci tratě a podvozku. Výsledky měření jsou určeny jako podklad pro plánování broušení kolejnic a lokalizaci geometricky vadných svarů a styků Princip měření Princip systému je založen na měření vertikální složky zrychlení ložiskových domků dvojkolí měřicího podvozku. Získaný signál je v počítači přepočítán na vlastní geometrii. Systém CMS měřicího vozu produkuje výstupní signál ve vlnovém pásmu 0,03-0,3 m. Pro uvedené pásmo jsou systémem CMS vypočítány směrodatné odchylky signálu zrychlení a geometrie, přepočtené na srovnávací úroveň pro rychlost 90 km.h -1 z rychlosti při které se měří. Směrodatné odchylky lze počítat na volitelnou délku základního úseku m. Zrychlení je dále přepočteno na energii, která je použita pro posouzení výskytu vad převážně v oblasti svarů a styků Hodnocení vertikální mikrogeometrie kolejnic Výstup měřicího systému CMS pro měření povrchových vad kolejnic a identifikaci geometricky vadných svarů umožňuje prostřednictvím systémů pro měření hodnocení GPK zaznamenat na měřicím voze na grafické výstupní sestavě GPK dvě stopy SDO geometrie pro oba kolejnicové pásy. Délka bloku SDO je volena 20 m, tak aby zachytila výskyt právě jednoho svaru (styku). Hodnocení vertikální mikrogeometrie kolejnic vychází z poznatků ERRI D 185 a ze zkušeností a výsledků prací DB. Mezní hladiny pro posouzení závažnosti závad byly stanoveny pro SDO mikrogeometrie ve vlnovém pásmu 0,03 0,3 m, energie svarů v pásmu 0,03 0,3 m a energie styků v pásmu vlnových délek 0,3 3m. V tabulce č. 3 jsou uvedeny hodnoty mezních úrovní pro jednotlivé parametry. Veličina Vlnové pásmo Mezní hodnota (m) mikrogeom. SDO [mm] 0,03-0,3 0,075 svar energie [(m.s -2 ) 2 ] 0,03-0, styk energie [(m.s -2 ) 2 ] 0, Tabulka č Měřicí systém příčného profilu kolejnic (ORIAN) ORIAN je optický systém pro měření a posuzování příčného profilu kolejnice v reálném čase. Z naměřených a vyhodnocených dat jsou stanoveny především hodnoty opotřebení kolejnic Princip měření 116

80 Systém pro svoji činnost využívá vestavěného zdroje světla (laserového), kterým je příčný profil kolejnice osvětlen a pomocí videokamery je obraz sejmut a zaznamenán. Pomocí počítače je následně provedena analýza obrazu a vypočteny příslušné parametry kolejnice. Zdrojem světla pro osvit kolejnice je laser s vychylovacím zrcátkem, kterým se vytváří potřebný světelný řez. Použitím neviditelného infračerveného světla se dosahuje necitlivosti vůči vlivům rušivého okolního světla. Na měřicím voze jsou měřicím systémem ORIAN v reálném čase zpracovány výsledky měření profilu kolejnic. Naměřená data jsou zpracována ve zvoleném režimu a výsledky jsou uloženy do systémem definovaných souborů Hodnocení profilu kolejnic Hodnocení příčného profilu kolejnic v průběhu měřicí jízdy spočívá: - ve vyhodnocení tvaru kolejnice podle rozměrů příslušného tvaru (UIC 60, R 65, S 49, A) - ve vyhodnocení svislého ojetí hlavy kolejnic - ve vyhodnocení bočního ojetí hlavy kolejnic - ve vyhodnocení šířky převalku (vnitřního, vnějšího) a jeho délky - ve vyhodnocení úklonu kolejnic - ve stanovení rozchodu v místě měřených profilů kolejnic O výsledcích měření se tiskne formulář výpisu překročení předem stanovených a nastavených mezních hladin Hodnocení odezvy vozidla VRA je programový produkt systému, který pracuje v reálném čase v průběhu měřicí jízdy vozu. Jeho účelem je počítat odezvy různých vozidel (vybraných typů) na jízdu po trati, jejíž parametry jsou měřeny měřicím vozem. Poměr sil Y/Q je využit pro hodnocení měřené trati z hlediska bezpečnosti proti vykolejení příslušného typu vozidla a posouzení komfortu jízdy cestujících. Bezpečnost proti vykolejení je dána vztahem: Y Q < HV kde HV je mezní hladina pro veličinu bezpečnost proti vykolejení Y je vodorovná síla mezi kolem vozidla a hlavou kolejnice Q je svislá síla mezi kolem vozidla a hlavou kolejnice. Na základě změřených parametrů koleje tj. rozchodu, směru, převýšení a podélné výšky a matic přenosu prezentujících vybrané typy vozidel probíhá v systému výpočet ve stanoveném základním segmentu délky tratě ve vzorkovacím intervalu 0,25 m. Výpočet probíhá na principu metody přenosových funkcí, založených na Fourierově metodě. Systém produkuje u každého výpočetního případu svislé kolové síly Q(x), vodorovné příčné síly Y(x), svislé zrychlení skříně ä(x) a vodorovné zrychlení y (x), kde x je pořadnice 117

81 dráhy v metrech. Pro praktické využití je systémem počítán poměr sil Y/Q a tzv. Prud hommeovo kriterium (parametr) vybočení koleje, které je dáno vztahem: Σ Y 0,85 [10 + 2Q/3] < HP Výpočet je na měřicím voze realizován pro vozidlo s nejméně příznivými parametry. Výhledově lze výpočet upravit pro jiné řady vytipovaných vozidel Výstupy měření Měření geometrických parametrů koleje: a) graf GPK ( příloha č.3 ) b) výpis okamžitých závad a úsekového hodnocení (příloha č. 6) c) soubory dat pro další zpracování ve vyhodnocovacím středisku Měření vertikální mikrogeometrie kolejnic: a) 2 stopy SDO 20 m na grafu geometrických parametrů koleje b) soubory dat pro zpracování tabulek hodnocení vertikální mikrogeometrie kolejnic a dynamické odezvy svarů a styků (příloha č. 4 ) Měření příčného profilu kolejnic: a) výpis překročení mezních hladin ojetí kolejnic b) soubory dat pro program dodatečného hodnocení výsledků Poznámka: V příloze č. 5 je zobrazen tištěný výstup programu dodatečného hodnocení měřený a vyhodnocený profil. Hodnocení odezvy vozidla: Zaznamenání lokální závady na výpisu lokálních závad a úsekového hodnocení GPK. V Jaroměři, únor 1999 Lektoroval: Ing. Ladislav Horčička ČD TÚDC Hradec Králové 118

82 119

83 120

84 121

85 122

86 123

87 124

88 Roman Tomek, Antonín Trubák Měření prostorové průchodnosti tratí Klíčová slova: diagnostika, fotogrammetrie, digitální, analogový, průchodnost, prostorový. 1. Úvod Jedním ze základních pojmů na styku činnosti DDC a DOP je přechodnost kolejových vozidel. Kolejová vozidla jsou charakterizována: délkou vozidla nebo vozu, počtem a vzdáleností náprav, hmotností na konkrétní nápravu, hmotností na jednotku délky vozidla včetně nestlačených nárazníků, svými rozměry - u vozů včetně nákladu v rovině kolmé k ose koleje, tj. obrysem pro vozidla nebo ložnou mírou. Konkrétní kolejové vozidlo je po trati přechodné tehdy, pokud jeho charakteristiky jsou v souladu s hlavními parametry tratí. 2. Vymezení základních pojmů Pod pojmem hlavní parametry tratí se rozumí především tyto tři parametry: maximální úroveň smluvního svislého zatížení, prostorová průchodnost tratě, největší traťová rychlost nebo určená rychlost přepravy. 2.1 Průjezdný průřez a prostorové uspořádání Definicí průjezdného průřezu a prostorového uspořádání se sleduje, aby stavby, zařízení a jiné předměty nezasahovaly do dohodnutého průjezdného průřezu. Takto definovaný průjezdný průřez má tedy především význam stavební, tj. vymezuje polohu nově budovaných nebo přestavovaných staveb a zařízení po datu zavedení dohodnutého průjezdného průřezu do norem a předpisů. V červnu 1997 vstoupila v platnost ČSN Průjezdné průřezy na drahách celostátních, drahách regionálních a vlečkách normálního rozchodu. Při výpočtu průjezdných průřezů uvedených v této normě se vychází ze směrnic UIC a zásad kinematického chování vozidla. Nově je zaveden průjezdný průřez vycházející ze vztažného obrysu vozidla GB a GC. Zároveň byla pravidla kinematiky aplikována na obrys Pz. Z normy byl vypuštěn průjezdný průřez 1-SM. Průjezdné průřezy se potom dělí podle obrysu vozidla na základní, jmenovitý a mezní. Základní průjezdný průřez je Ing. Roman Tomek, nar Vzdělání: VŠDS v Žilině, obor stavební údržba a rekonstrukce dopravních staveb se zaměřením na železniční stavby. Současné zaměření činnosti: systémový inženýr - diagnostika železničního svršku, fotogrammetrie. Pracoviště: TÚDC S13 Hradec Králové. Ing. Antonín Trubák, nar Vzdělání: V roce 1977 absolvoval VUT FAST v Brně, obor geodézie a kartografie. Současné zaměření činnosti: vývojový pracovník v oblasti digitálních metod prostorové průchodnosti tratí ČD. Pracoviště: TÚDC Sekce tratí a budov Hradec Králové, Středisko pozemní fotogrammetrie Olomouc.

89 zkonstruován tak, že je neměnný od r 250 m. Tam, kde tento průjezdný průřez nelze na trati aplikovat a to buď z důvodu menšího poloměru oblouku nebo stavby a zařízení zasahují do průjezdného průřezu, se počítá jmenovitý průjezdný průřez podle konkrétních parametrů koleje v daném místě. Tam, kde nevyhoví jmenovitý průjezdný průřez lze se svolením Drážního úřadu použít mezní průjezdný průřez. Mezní průjezdný průřez je stanoven na základě statistického vyhodnocení pravděpodobnosti současného výskytu jednotlivých přirážek Prostorová průchodnost tratě Prostorovou průchodností tratě se rozumí bezpečný prostor pro průjezd vozidla / ložné míře / při největší traťové rychlosti nebo udané rychlosti přepravy. o určitém obrysu 2.3. Měření překážek prostorové průchodnosti tratí u ČD Nejvíce jsou u ČD měřeny překážky pomocí kontaktních metod. Ruční měření pomocí metru a olovnice nebo měření pomocí obrysnice je zdlouhavé, neprůkazné a lze je použít jen lokálně. V současné době nejpoužívanější měřicí postupy vykazují systémové nedostatky, které jsou na úkor přesnosti. Další nevýhodou těchto postupů je, že od výšky cca. 2.5 m nad TK mohou být použity jen podmíněně. Na elektrifikovaných tratích v rozmezí bezpečného odstupu od trakčního vedení. Z nepohodlnosti postupu vyplývají velké nároky na pracovníky a čas. Z výše jmenovaných důvodů bylo přistoupeno k vývoji zařízení na bezkontaktní měření překážek, které bylo určeno jen jako náhrada mechanické obrysnice na trasách pro přepravu komponentů jaderných elektráren. Toto zařízení - fotogrammetrický stroj FS-3 pracuje na principu jednosnímkové fotogrammetrie a bylo uvedeno do provozu v roce Útlumem jaderného programu vznikly snahy toto nákladné zařízení využít pro potřeby ČSD. Od roku 1991 se tímto strojem proměřují tratě v souvislosti s: kombinovanou dopravou, přepravou zásilek s překročením ložné míry, přípravou vybraných tratí na modernizace. 3. Měření a vyhodnocování překážek do roku 1993 Přístrojové vybavení a pracovní postupy odpovídaly své době, požadavkům uživatelů a finančním prostředkům uvolněným pro tuto agendu. 3.1 Středisko pozemní fotogrammetrie V roce 1965 bylo zřízeno pod Geodetickou kanceláří Olomouc dnes SŽG pracoviště pro sledování průchodnosti železničních tunelů metodou světelných řezů, které bylo v roce 1988 rozšířeno o bezkontaktní diagnostiku prostorové průchodností tratí ČSD. V roce 1993 bylo Středisko pozemní fotogrammetrie (dále SPF) převedeno pod TÚDC sekci tratí a budov Hradec Králové. Toto pracoviště zajišťuje provoz stroje FS-3 a zabezpečuje laboratorní zpracování negativních snímků a jejich vyhodnocení Matematický základ metody Pozemní fotogrammetrie je metoda pořizování a vyhodnocení grafických informací o objektech, v našem případě o překážkách, kde prostorový vztah mezi snímkem (centrální projekcí překážky) a skutečností (poloha překážky vztažená ke geometrické ose koleje) je matematicky dán tzv. podmínkou kolinearity, tj. že bod na překážce, jemu odpovídající bod na měřickém snímku a projekční centrum (ohnisko měřického fotoaparátu), leží na jedné přímce. Podmínku kolinearity vyjadřují rovnice : ( x x c X X r Y Y r Z Z r 0) 11 + ( 0) 21 + ( 0) 31 0 = = Fx ( ) ( X X ) r + ( Y Y ) r + ( Z Z ) r

90 ( y y c X X ) r + ( Y Y ) r + ( Z = Z ) r 0 ( X X ) r + ( Y Y ) r + ( Z Z ) r = Gy ( ) kde x a y jsou snímkové souřadnice překážky, X a Y jsou souřadnice překážky vztažené ke geometrické ose koleje a parametry r ij jsou transformační koeficienty. Souřadnice tzv. prvků vnitřní orientace měřického fotoaparátu, nutné pro přesný výpočet tj. polohy ohniska (c k ) měřického fotoaparátu a snímkové souřadnice středu snímku x H, y H, můžeme získat vyrovnáním pomocí metody nejmenších kvadrátů (odchylky od absolutně přesné polohy stanovené výrobcem jsou minimální). Linearizací výše uvedených kolinearity získáme rovnice oprav (pro bod i a snímek j): Hodnoty rozdílů (oprav v ij ) jednotlivých souřadnic bodů překážky, získané linearizací výše uvedených rovnic kolinearity do formátu tzv. rovnic oprav jednotlivých souřadnic, jsou potom exaktně minimální, což zaručuje jejich maximální možnou teoretickou přesnost. Rovnice oprav pro bod i a snímek j vypadají následujícím způsobem: vxij 0 a = a1dx0 j + a2dc j + a3dω j + a4dϕ j + a5dκ j + a6dx 0 j + a7dy0 j + a8dz j + 9 dx i + a 10 dy + a i 11 dz i + ( x 0 ij x m ij v yij 0 a ) = a0dy0 j + a2dc j + a3dω j + a4dϕ j + a5dκ j + a6dx 0 j + a7dy0 j + a8dz j + 9 dx i + a 10 dy + a i 11 dz i + ( y 0 ij y m ij ) F Kde jednotlivé koeficienty a i získáme jako parciální derivací předchozích funkcí F a G. a1 =, atd. x V maticovém zápisu mají rovnice oprav tvar v = A dx + l. Za podmínky v T v = min. získáme normální rovnice 0 = A T A dx + A T l. Jejich řešením získáme neznámé prvky orientace polohy ohniska měřického fotoaparátu (projekčního centra) a vyrovnané teoreticky přesné souřadnice bodů překážky. Metoda umožňuje vyhodnocovat dva a více snímků současně, umožňuje kalibraci kamery v procesu vyhodnocení Pořizování - vyhodnocení dat - historie Do roku 1993 byla u SPF Olomouc využívána semianalytická fotogrammetrická metoda, tj. primárním zdrojem informací o překážce byl negativ, pořízený fotogrammetrickým strojem FS-3 (viz obr 1) resp. měřickou komorou ZEISS UMK 10 / 1318, zpracovaný a digitalizovaný na analogovém překreslovači ZEISS OPTON SEG 6. Výsledkem byly souřadnice překážky v místním rovinném souřadnicovém systému, vztaženém ke geometrické ose koleje. Tyto souřadnice stejně jako údaje o GPK byly měřeny a registrovány ručně a zaváděny do databáze ASE (VÚŽ Líně-Sulkov). Videozáznam v systémech U-matic a VHS byl pořizován pouze pro lepší identifikaci překážek Nevýhody semianalytické fotogrammetrické metody: Jednalo se o ekonomicky náročnou analogovou technologii, nepříliš účinné matematické nástroje pro vyhodnocení (překreslovač SEG 6 byl řízen osmibitovým počítačem HP 85), neexistovala žádná inteligentní vazba mezi grafickými a negrafickými daty, žádná kompatibilita s tvořícím se GIS ČD, velký podíl ruční práce při práci s daty, neproduktivní čas při negativním procesu. Polohová přesnost m pol = ± 25 mm byla ovlivněna zejména: excentricitou mobilního vlícovacího systému vzhledem ke geometrické ose koleje nestandardním snímáním prvků GPK (aparaturou VÚŽ Líně-Sulkov)

91 Obr. 1 Fotogrammetrický stroj FS-3 4. Modernizace systému Negativní zkušenosti předchozí semianalytické metody a nástup výpočetní techniky vedly k modernizaci stávajícího systému měření, vyhodnocení a organizace grafických dat a k automatizované registraci informací o GPK Pořizování - vyhodnocení dat současný stav Od roku 1994 je u SPF nasazena pro zpracování grafických dat semidigitální fotogrammetrická metoda, kdy je měřický snímek převeden do digitální formy přes scanner. Díky výkonné výpočetní technice je nasazen účinný matematický aparát pro vyhodnocení, a to do standardních počítačových formátů (TIF, DGN apod.) který posunul přesnost grafického výstupu na již přijatelnou hodnotu m pol = ± 15 mm a stal se kompatibilním s datovými standardy používanými u ČD. Stále se ovšem jedná o rovinný (2D) výstup jehož kvalita je stále ještě ovlivněná převodem z analogového nosiče (filmu) do digitální formy. Podstatným kvalitativním zlepšením fáze pořizování dat je automatické měření a registrace prvků GPK, které eliminací excentricity mobilního vlícovacího systému fotogrammetrického stroje FS 3 do standardního databázového souboru, vyvinuté pro FS-3 firmou KŽV Praha. Přesnost výstupu se tím opět zvýšila na současných m pol = ± 8 mm, což je z hlediska běžných uživatelů dostačující. 5. Teoretická přesnost prostorových souřadnic překážky Na konkrétním příkladu z testování digitální fotogrammetrické metody na fotogrammetrickém systému ČD FS-3 si ukážeme vliv použití různých druhů měřických fotoaparátů na přesnost v určení konkrétní polohy podrobného bodu překážky : Jelikož konfigurace snímkových dvojic je podobná tzv. normálnímu případu, je možné odhadnout přesnost výsledných souřadnic pomocí Gaussova zákona o přenášení chyb.