Fakulta stavební VŠB TU Ostrava Katedra dopravního stavitelství Tramvajová doprava Doc.Ing.Miloslav Řezáč, Ph.D. Ing. Leopold Hudeček, Ph.D.
Úloha tramvajové dopravy, popis systému tramvajové dopravy Systém tramvajové dopravy je z hlediska svých současných technických parametrů, kapacity vozidel, míry investičních a provozních nákladů optimálním nosným systémem pro města resp. aglomerace s velikostí vyjádřenou počtem obyvatel od 150 tisíc do 700 tisíc.
Úloha tramvajové dopravy, popis systému tramvajové dopravy A. Minulost, přítomnost a budoucnost kolejové dopravy Kolejová doprava je hodnotný a trvanlivý systém Cena [mil. Kč] Životnost Pozn. Kolejové vozidlo Trať (1 km) 50-1 000 30-40 let 150-1 000 (3 000 metro) 100-200 let Náklady po dobu životnosti jen velké a rozumně vynaložené investice dokáží přizpůsobit kolejovou dopravu vyvíjejícím se potřebám společnosti
A. Minulost, přítomnost a budoucnost kolejové dopravy kolejová vozidla mají 3 až 5x delší životnost, než vozidla silniční => v průběhu své životnosti zestárnou více, než automobily Průměrné zpoždění za stavem techniky - 4 roky Průměrné zpoždění za stavem techniky - 20 let
A. Minulost, přítomnost a budoucnost kolejové dopravy Řešení : T. U. T. U. 2000 2030 2000 2030 Nemá-li být vozidlo v průběhu své (dlouhé) životnosti zastaralé, nesmí být kompromisem již v době investice do jeho pořízení, ale musí být na špičce techniky!
A. Minulost, přítomnost a budoucnost kolejové dopravy Včasné modernizace Nikoliv k prodloužení životnosti vozidla, ale ke snížení odstupu jeho stavu od aktuální technické úrovně! Předmět modernizace rychle stárnoucí části: - interiér, - informační systém, 2. generace 1. generace modernizace
B. Trendy v městské dopravě Trend 20. a 21. století : Na venkově obyvatelstvo ubývá, obyvatelstvo se stěhuje do měst (celosvětově již více než 50 %, v ČR 70 % obyvatelstva žije ve městech) v Evropě do měst 0,5-2 mil. obyvatel v Asii do měst 5-20 mil obyvatel Úlohy v osobní dopravě se soustřeďují: - do měst - do okolí měst - do spojnic měst Celoplošná dopravní síť není rovnoměrně zatížena. Poptávka po přepravě (zejména osobní) není po ploše území rovnoměrně rozptýlena.
B. Trendy v městské dopravě Česká republika (2005) průměrná přepravní vzdálenost (km) Železnice km Železnice Železnice 37 Autobusy Autobusy 20 Letadla Letadla 1538 Lodě Lodě 16 MHD MHD 7 IAD IAD 32 Autobusy Letadla Lodě MHD IAD 0 10 20 30 40 50 1400 1600 km
B. Trendy v městské dopravě Mobilita společnosti (nevnímání prostoru) Člověk je ochoten denně cestovat tam a zpět zhruba 2 x 1 hodinu - cca 25 km po městě (IAD, MHD) v = 25 km/h (1) - cca 50 km v rámci regionu (vlak, autobus) v = 50 km/h (2) - cca 100 km mezi dvěma městy (vlak, IAD) v = 100 km/h (3) - cca 1000 km (letadlo) v = 1000 km/h (4) vzdálenostem přizpůsobujeme rychlost přepravy Rychlost (km/h) 1000 (4) 100 10 (1) (2) (3) 1 1 10 100 1000 Vzdálenost (km)
Měrná spotřeba energie 8.2 Úloha tramvajové dopravy, popis systému tramvajové dopravy kwh místo km B. Trendy v městské dopravě Energetická náročnost mobilty Vlivem odporu prostředí roste energetická náročnost mobility s rychlostí dopravy Letadlo (přepravní rychlost centrum centrum, krátké lety) Automobil Loď Železnice e k g a cv η 3,6 0 100 200 300 Rychlost v [km/h] Vysokorychlostní železnice 2 m 1
B. Trendy v městské dopravě Energetická náročnost mobilty Základní energetický nedostatek kolejové dopravy: Kolejová vozidla jsou těžší, než silniční
250 kg autobus B. Trendy v městské dopravě Pro srovnání: Hmotnost vozidel na sedadlo 300 350 osobní automobil motorové a přípojné vozy s nízkým standardem cestování 550 600 600 650 příměstské a regionální jednotky dlouhé vlaky s lokomotivou metro tramvaje 900 1 000 krátké vlaky s lokomotivou vysokorychlostní jednotky
B. Trendy v městské dopravě Elektrická trakce je strategickou konkurenční předností kolejové dopravy Též je výhodná z hlediska lokální ekologie (ne tak zcela z hlediska úplné ekologie) Elektrárna měnírna město - čistý provoz I výroba elektrické energie má své problémy.
B. Trendy v městské dopravě Dopravní politika Evropské unie Technika Ekonomika Ekologie => Preference kolejové dopravy (tam, kde je vytížena a tam, kde odpovídá potřebám a standardům 21. století) před silniční dopravou (tam, kde je přetížená a škodlivá) Principy demokratické společnosti: žádné restrikce (nelze zakázat či nařizovat) dobrovolné rozhodování většiny Jediné možné řešení ke zvýšení podílu kolejové dopravy: Pozitivní motivace cestujících a přepravců nabídkou kvalitních služeb.
C. Tramvaje Tramvajový vůz konce 19. století 500V DC napájecí stanice Werner von Siemens: elektrický pohon (1881) Frank Julian Spraque: tlapový trakční motor (1885) tyčový sběrač s kladkou
C. Tramvaje Spotřeba elektrické energie v závislosti na vzdálenosti zastávek A/L.m (Wh/tkm) 170 Wh/tkm 135 Wh/tkm 95 Wh/tkm odporové řízení pulsní řízení rekuperace 40 Wh/tkm 20 Wh/tkm 0 0,25 0,5 2,5 50 L (km) křižovatky stanice tramvaj železnice
C. Tramvaje Základní vlastnost tramvaje: pouličnost - schopnost být lidem k dispozici v jejich těsné blízkosti (žádné bariery, okamžitá dostupnost) - trať kopíruje teren (s max = 80, R min = 20 m, h = 0 mm) - bezpečné brzdy (dvě nezávislé plnohodnotné plus neadhezní kolejnicová, a ~ 3 m/s 2 ) - nízké napájecí napětí (600 V, 750 V) - rychlý nástup z úrovně vozovky nebo nízkého ostrůvku (180 mm) - vlídná při nehodách (měkké čelo, snadná opravitelnost) až 1% pravděpodobnost účasti na nehodě denně - nízká úroveň hluku - hezký vnější vzhled (tramvaj spoluvytváří image města)
C. Tramvaje 20. století: 90% tramvajových provozů na světě zaniklo N 4 000 3 500 3 000 2 000 1 000 1900 1950 2000 350 bohaté země? chudé země 0
C. Tramvaje 90 % tramvajových provozů nepřežilo 20. století Důvod (?): technická zastaralost (50 let byly systémy bez zásadních inovací a proto neobstály v konkurenčním střetu s automobilovou a autobusovou dopravou) Tento trend pokračuje (v chudší části světa) (Hanoj, Káhira, města v Rusku a na Ukrajině ČR?) V bohatší části světa však pozvolna vznikají nové, velkoryse pojaté, tramvajové systémy
~ 1961 T3 C. Tramvaje Kvalita tramvajové dopravy - pohodlí kontejner pro přepravu pracujících v 6:00 tam a ve 14:30 zpět sedící 24 (jen 15%) 24.0,36* ) = 8,64 m 2 stojící (8/m 2 ) 138 138 / 8 = 17,25 m 2 celkem 162 25,9 m 2 jízdné: 60 haléřů konkurence: 0 ~ 2013: konkurence automobilu standardy kvality MHD h N S *) sedadlo:0,48.0,75 = 0,36m 2 ) výsledná plošná hustota: sedící 43% stojící 2,6/m 2 N 1 h jízdné: 26 Kč S 0,43.0,36 0,57 / 2,6 konkurence: 60% občanů má vlastní automobil 162 6,25osob / m 25,9 výsledná plošná hustota: 43% 2 2,67osob / m 2
C. Tramvaje Prostorové pohodlí velké (dlouhé) vozy Od doby vzniku tramvají T3 se zvýšila kultura cestování. cestující po roce 2000 vyžadují více než dvojnásobnou plochu oproti roku 1960: náhradou za 14 m dlouhý vůz je 30 m dlouhý vůz => Tento trend pokračuje, po tramvajích délky 30 m přišly vozy délek přes 40m, pak 54 m (Budapest) a nejnověji i 72 m
C. Tramvaje Zvýšení cestovní rychlosti A) trakční schopnosti - velké rozjezdové zrychlení (1,8 m/s 2 ) - velký měrný trakční výkon (15 kw/t) - adhezní schopnost - pohon všech dvojkolí - velký měrný brzdný výkon (30 kw/t) - velké zábrzdné zpomalení (1,8 m/s 2 ) B) minimalizace mimořádných zastavení - preference na křižovatkách - ohraničení jízdní dráhy - samostatné těleso C) zkrácení pobytu na zastávkách (T O = 18 s, L = 450 m) (bezbariérový nástup a výstup - všechny dveře) v T c o vt. T 1 L ' 10s o 24 19km/ h 24.18 1 450.3,6 24 vc ' vt. To ' 24.10 1 1 L 450.3,6 21km/ h
C. Tramvaje - Nízkopodlažní tramvaje Nízkopodlažní vozidla MHD jsou starší, než elektrické tramvaje
C. Tramvaje - Nízkopodlažní tramvaje Zástavba elektrického pohonu vedla ke zvýšení úrovně podlahy Elektrický pohon přinesl městským dráhám ve srovnání s animální trakcí vyšší rychlost, výkonnost i vytrvalost. Při každém nástupu do vozidla však museli cestující vystoupat nad prostor, ve kterém byl elektrický pohon instalován, tedy zhruba do výšky 900 mm nad TK. 600V DC
C. Tramvaje - Nízkopodlažní tramvaje Součástí tramvají se na více než sto let staly schůdky
C. Tramvaje - Nízkopodlažní tramvaje Motivace k nízkopodlažnosti : 1. snaha zpřístupnit veřejnou dopravu osobám se sníženou schopností pohybu a orientace - bezbariérovost, 2. snaha zkrátit dobu nástupu a výstupu cestujících na zastávkách a tím zvýšit cestovní rychlost
A) trakční schopnosti C. Tramvaje - Nízkopodlažní tramvaje Motivace k nízkopodlažnosti : Zvýšení cestovní rychlosti - velké rozjezdové zrychlení (1,8 m/s2) - velký měrný trakční výkon (15 kw/t) - adhezní schopnost - pohon všech dvojkolí - velký měrný brzdný výkon (30 kw/t) - velké zábrzdné zpomalení (1,8 m/s2) - nejvyšší provozní rychlost 60 až 70 km/h (ve městě 50 km/h) Dosažení co nejvyšší technické rychlosti volbou trakčních parametrů vozidla již bylo prakticky vyčerpáno koncepcí PCC vozů (parametry na mezích fyzikálních možností a cestovního komfortu) dále je nelze zásadním způsobem zvětšovat
C. Tramvaje - Nízkopodlažní tramvaje Motivace k nízkopodlažnosti : Zvýšení cestovní rychlosti C) zkrácení pobytu na zastávkách odstraněním schodišť Předpoklady: - bezbariérový nástup a výstup, - všechny dveře v úrovni nízké podlahy (300 až 350 mm nad TK) vysokopodlažní (bariérová) tramvaj doba pobytu v zastávce: TO = 18 s, nízkopodlažní (bezbariérová) tramvaj doba pobytu v zastávce: TO = 10 s, zvýšení cestovní rychlosti o 10 % v T c o vt. T 1 L ' 10s o 24 19km/ h 24.18 1 450.3,6 24 vc ' vt. To ' 24.10 1 1 L 450.3,6 21km/ h
900 8.2 Úloha tramvajové dopravy, popis systému tramvajové dopravy C. Tramvaje - Nízkopodlažní tramvaje Standardní tramvaj pohonný systém je pod podlahou podlaha je zhruba 900 mm nad úrovní temene kolejnic spodní schůdek je 350 mm nad úrovní temene kolejnic nástupní ostrůvek (ne vždy) 180 350 Vozidlo je bariérové 1/3 společnosti má potíže s jeho použitím (nástup a výstup) nástup a výstup cestujících je pomalý => dlouhé pobyty v zastávkách, nízká cestovní rychlost
C. Tramvaje - Nízkopodlažní tramvaje Řešení bezbariérovosti (vozidla / infrastruktura) A) nástupiště na úrovni podlahy vozu - lze u metra (h n = 1 100 mm, h p = 1 150 mm) - lze u železnice (h = 550 mm, h np = 600 mm) (v kombinaci s nízkopodlažními vozidly - jedno či dvoupodlažními, nikoliv pro standardní UIC vozy s výškou podlahy 1 250 mm) - nelze u tramvají (ostrůvek o výšce ~ 900 mm by byl bariérou ve vztahu k okolní vozovce a chodníku) B) nízkopodlažní vozidla - bezbariérovost je zajištěna snížením úrovně podlahy k úrovni nástupiště (aplikováno v tramvajové dopravě) =>
C. Tramvaje - Nízkopodlažní tramvaje Slabé stránky (negativa) nízkopodlažních tramvají - Příchod nízkopodlažních tramvají je však v některých případech provázen určitými potížemi: - vysoké opotřebení kol, - vysoké opotřebení kolejnic, - poruchy vozových skříní (trhliny), - zvýšená hlučnost a vibrace, - vysoká teplota ve voze v letních měsících, - nízká disponibilita Tyto nedostatky jsou odstranitelné. Není nutné, aby znehodnocovaly přínos nízkopodlažní techniky.
C. Tramvaje - Nízkopodlažní tramvaje Slabé stránky (negativa) nízkopodlažních tramvají Zvýšené opotřebení kol a kolejnic Intenzita obou těchto jevů je v různých městech odlišná: I. města s nově postavenými respektive zásadně obnovenými tratěmi: - dimenzovanými podle nových technických norem pro těžké vozy s hmotností až 11 t na osu, - vybavených v obloucích přechodnicemi, - nevyužívající oblouky o malém poloměru. Opotřebení profilů kol a kolejnic je i po nasazení běžných nízkopodlažních tramvají s neotočnými podvozky v přijatelných mezích.
C. Tramvaje - Nízkopodlažní tramvaje Slabé stránky (negativa) nízkopodlažních tramvají Zvýšené opotřebení kol a kolejnic Intenzita obou těchto jevů je v různých městech odlišná: II. města s historicky postupně vzniklými tratěmi navrhovanými dávno před vydáním současných technických norem a tedy: - dimenzovanými a udržovanými pro lehké vozy s hmotností do 7 t na osu, - s četnými oblouky bez přechodnic, - s četnými oblouky o malém poloměru. Opotřebení profilů kol a kolejnic je po nasazení běžných nízkopodlažních tramvají s neotočnými podvozky nepříjemně vysoké.
C. Tramvaje - Nízkopodlažní tramvaje Slabé stránky (negativa) nízkopodlažních tramvají Příčiny vyššího opotřebení kol a kolejnic - vysoká hmotnost připadající na jedno dvojkolí / dvojicí kol => vysoké svislé síly mezi kolem a kolejnicí, => vysoké příčné síly mezi kolem a kolejnicí v obloucích, - příliš malý průměr kol, - neotočné podvozky (v kombinaci s chybějícími přechodnicemi), - projíždění oblouků vyššími, než dovolenými rychlostmi, - absence mazání okolků, - nevhodný profil kol.
C. Tramvaje - Nízkopodlažní tramvaje Slabé stránky (negativa) nízkopodlažních tramvají Příčiny vyššího opotřebení kol a kolejnic Tramvaj lze chápat jako nosník: - vlastní hmotnost vozidla cca 1,2 až 1,3 t/m, - hmotnost cestujících při maximálním obsazení cca 0,7 až 0,8 t/m, - celkem (maximálně obsazená tramvaj) cca 2,0 t/m.
C. Tramvaje - Nízkopodlažní tramvaje Slabé stránky (negativa) nízkopodlažních tramvají Příčiny vyššího opotřebení kol a kolejnic Tramvajové tratě byly řešeny pro zatěžování čtyřnápravovými tramvajemi typu T3 o délce 14 m a s maximální hmotností 28 t, tedy s hmotností na nápravu maximálně 7 t: m n = L. m 1 / N = 14 m * 2 t/m / 4 = 7 t u
C. Tramvaje - Nízkopodlažní tramvaje Slabé stránky (negativa) nízkopodlažních tramvají Příčiny vyššího opotřebení kol a kolejnic Nízkopodlažní tramvaje používají vzdálenost dvouosých podvozků až 11 m. To však se sebou přináší hmotnost na dvojkolí / dvojici kol až 11 t, tedy o 57 %, než odpovídalo standardu vozů T3: m n = m 1. u / 2 = 2 t/m. 11 / 2 = 11 t Velká vzdálenost podvozků usnadňuje řešení nízkopodlažnosti (dlouhá vozová skříň mezi podvozky). Ovšem za cenu výrazně vyšší hmotnosti a tedy i svislých a příčných sil mezi koly a kolejnicemi, způsobujících opotřebení. u
C. Tramvaje - Nízkopodlažní tramvaje Slabé stránky (negativa) nízkopodlažních tramvají Chování podvozku při vjezdu do oblouku vůz s otočnými podvozky natáčí se jen podvozek => menší silové působení vůz s neotočnými podvozky natáčí se celý vlastní článek plus nesený článek => větší silové působení Velikost momentu sil, potřebných k uvedení podvozku do rotace, je úměrný momentu setrvačnosti podvozku a s ním spojených částí.
C. Tramvaje - Rychlost jízdy tramvají Tradice v tramvajové dopravě (na rozdíl od železnic): - v obloucích zpravidla není převýšení (vozovka to neumožňuje) odstředivé zrychlení tedy není kompenzováno, - pro většinu oblouků není adresně stanoven limit rychlosti, kterou mohou být pojížděny. Dodržení mezní hodnoty příčného nevyrovnaného zrychlení (normativně určeno 0,8 m/s 2 ) není v provozu zajištěno,
C. Tramvaje - Rychlost jízdy tramvají Tradice v tramvajové dopravě (na rozdíl od železnic): - řidič nemá maturitu, nezná poloměr oblouku kterým projíždí a ve většině případů nemá stanoven limit rychlosti řídí se jen svými fyziologickými pocity. To je klamné zejména při výjezdu dlouhých vozidel z oblouku, - rychlostní profil není detailně předepsán a proto nemůže být kontrolováno jeho dodržení.
8.2 Úloha tramvajové dopravy, popis systému tramvajové dopravy C. Tramvaje - Rychlost jízdy tramvají Tradice v tramvajové dopravě (na rozdíl od železnic): - rychlostní profil není detailně předepsán a proto nemůže být kontrolováno jeho dodržení. V běžném provozu je rychlost jízdy obloukem překračována až na 200 % stanovené hodnoty (odpovídající příčnému nevyrovnanému zrychlení 0,8 m/s2), příčné nevyrovnané zrychlení činí až 400 % mezní hodnoty. To se týká zejména zadní části vozů při výjezdu z oblouku.