Jiří Konečný, Petr Špalek Nová třísystémová lokomotiva řady 380 ČD Klíčová slova: Elektrická třísystémová lokomotiva, podvozek, vypružení, elektrická výzbroj, trakční měnič, čtyřkvadrantový měnič, dvojitá hvězda. Nová čtyřnápravová elektrická lokomotiva řady 380 (typové tovární označení je 109 E) Českých drah, a.s. z produkce Škoda Transportation, s.r.o. umožňuje provoz na třech základních napájecích systémech používaných v Evropě (stejnosměrném 3 kv a dvou střídavých 25 kv, 50 Hz a 15 kv, 16,7 Hz) a její maximální rychlost je 200 km/h. Lokomotiva je určena pro provoz na elektrizovaných tratích na území České republiky, Slovenska, Německa, Rakouska, Polska, Maďarska a na koridorech Evropské unie. Bude sloužit především pro vozbu EC, IC vlaků, expresů a rychlíků. České dráhy, a.s. mají objednáno celkem dvacet těchto lokomotiv. Obr 1 Lokomotiva 380.002 při zkouškách na ZC VUZ Velim Ing. Jiří Konečný Vystudoval ZČU v Plzni fakultu elektrotechnickou v roce 1997. V letech 1997 2002 pracoval jako výzkumný pracovník v Oblasti kolejových vozidel Výzkumného ústavu železničního v Praze. Od roku 2003 pracuje jako systémový specialista v oddělení konstrukce na Odboru kolejových vozidel Generálního ředitelství ČD, a.s. Ing. Petr Špalek Vystudoval ČVUT Praha fakultu strojního inženýrství v roce 1990. Od roku 1990 pracuje jako konstruktér a projektant ve ŠKODA Transportation s.r.o. (dříve Škoda Elektrické lokomotivy resp. Škoda Dopravní technika). Hlavní inženýr projektu 109E resp. 380 ČD. 1
Mechanická část Lokomotiva je skříňového provedení se dvěma kabinami strojvedoucího na obou koncích, mezi nimiž je umístěna průchozí strojovna s uličkou uprostřed. Skříň lokomotivy je svařena z ocelových dílů (hlavní rám, bočnice, kabinové moduly a odnímatelné střešní díly), kdy z pohledu statické pevnosti a odolnosti proti čelnímu nárazu skříň vyhovuje 1. revizi TSI HS RST [1] a ČSN EN 15 227 [2]. Čela lokomotivy mají deformační zónu a konstrukce čela zajišťuje zachování prostoru pro přežití strojvedoucího i při čelní srážce lokomotivy jedoucí rychlostí 110 km/h s patnáctitunovým cisternovým silničním návěsem stojícím napříč přes trať. Na lokomotivě jsou použity také deformační nárazníky a elementy od společnosti EST, které rovněž absorbují energii při čelním nárazu. Vstup do lokomotivy je zajištěn dveřmi z obou boků lokomotivy do kabin strojvedoucího. Dvounápravové podvozky lokomotivy jsou zcela nové konstrukce (jde o podvozky ŠKODA III. generace), kdy jsou ve svařeném ocelovém rámu umístěna dvě dvojkolí s monoblokovými koly o průměru 1250/1170 mm (nová/opotřebená) z produkce společnosti Bonatrans Group a.s. Obr 2 Pohled na podvozek Vypružení lokomotivy je dvoustupňové s tím, že primární vypružení je tvořeno čtyřmi šroubovitými pružinami na jedno dvojkolí a sekundární vypružení rámu podvozku vůči skříni je provedeno čtyřmi šroubovitými pružinami na podvozek, v uspořádání Flexi-coil. Vypružení podvozku je v příčném i svislém směru doplněno hydraulickými tlumiči z produkce společnosti Strojírny Oslavany Spol. s r.o. Vrtivé pohyby podvozku vůči skříni jsou rovněž tlumeny hydraulickými tlumiči. Vedení 2
dvojkolí je provedeno za pomoci jednostranné ojničky a přenos kroutícího momentu z trakčního motoru na dvojkolí je proveden jednostupňovou převodovkou se dvěma ozubenými koly a kloubovým dutým hřídelem. Dutý hřídel pohonu dvojkolí je vyroben z vláknových kompozitů. Trakční motor tvoří spolu s převodovkou pevný celek, který je uchycen v rámu podvozku a tedy plně odpružen. Přenos tažných sil na skříň lokomotivy je zajištěn centrálním čepem a antiparalelogramem resp. lemniskátovým mechanizmem. Na třetí lokomotivě (380.003) bude zkušebně dosazena hydraulická mezipodvozková vazba a bude se zjišťovat její vliv na omezení vodicích sil lokomotivy v obloucích s malým poloměrem. Elektrická část Na stejnosměrném napájecím systému je proud do lokomotivy přiváděn prostřednictvím univerzálního vzduchem ovládaného sběrače typu CX-NG 008 BI 3/15/25 kv od společnosti Faiveley Transport s.r.o. Na lokomotivě jsou použity dva shodné sběrače. Přes elektricky ovládaný hlavní vypínač (typ UR 36-64 DT, Sécheron) a vstupní filtr je napájen stejnosměrný meziobvod o jmenovitém napětí 2 x 1 500 V, ke kterému jsou připojeny čtyři trakční střídače. Každý střídač napájí jeden ze čtyř asynchronních trakčních motorů v zapojení do dvojité hvězdy (typ ML 4550 K/6). Trakční motory mají jmenovitý výkon na hřídeli 1 600 kw a mají vzduchové chlazení s cizí ventilací. Obr 3 Schéma zapojení silových obvodů lokomotivy Na střídavých napájecích systémech je proud přiváděn prostřednictvím univerzálního sběrače typu CX-NG 008 BI 3/15/25 kv přes elektricky ovládaný hlavní vypínač (typ AC Trac, ABB) na hlavní transformátor (typ LOT 8110, ABB Sécheron SA) o celkovém trvalém výstupním výkonu 7944 kva, který má na sekundární straně přepínaní úrovně trolejového napětí 15 kv nebo 25 kv a je umístěn uprostřed 3
lokomotivy mezi podvozky. Součástí trakčního transformátoru jsou i tlumivky, které se využívají i při provozu na stejnosměrném napájecím systému. Dále je proud přiveden na čtyřkvadrantový vstupní měnič, který může pracovat jak v usměrňovačovém, tak střídačovém režimu. Trakční transformátor má pro trakci osm sekundárních vinutí, každé je připojeno k pulznímu usměrňovači. Vždy 2x2 usměrňovače pracují do meziobvodu meničů jednoho podvozku s výstupním napětím 1600 V. Od stejnosměrného meziobvodu je uspořádání trakčního obvodu pro všechny napájecí systémy stejné. Kompletní řetězec trakčního pohonu, včetně 4Q vstupních měničů, trakčních střídačů a trakčních motorů je dodávkou ŠKODA ELECTRIC, s.r.o. Čtyřkvadrantové vstupní měniče i napěťové střídače jsou osazeny vodou chlazenými výkonovými IGBT moduly od společnosti MITSUBISHI. Palubní napětí je 24 V a použité baterie jsou olověné gelové s kapacitou 2x330 Ah. Obr 4 Uspořádání přístrojů ve strojovně Brzdová výstroj Pneumatická brzdová výstroj lokomotivy je od společností DAKO-CZ, a.s. a Knorr-Bremse GmbH, kdy výstroj na podvozcích a bezolejový pístový kompresor typu VV270-T včetně vysoušeče vzduchu typu LTZ 2.2H jsou od společnosti Knorr- Bremse. Lokomotiva je vybavena elektropneumaticky ovládanou kotoučovou brzdou a dále pružinovou zajišťovací brzdou. Brzdové kotouče jsou hliníkové a jsou umístěny z obou stran všech disků kol. Lokomotiva je dále vybavena ovládáním elektropneumatické brzdy vozů soupravy včetně přemostění záchranné brzdy 4
v zapojení jak podle vyhlášky UIC 541-5 [3], tak podle norem DB. Kromě pneumatické brzdy je lokomotiva vybavena započitatelnou elektrodynamickou rekuperační a odporovou brzdou, kdy odporová brzda má výkon 4 700 kw na všech napájecích systémech. Vzduchem chlazené brzdové odporníky typu R9V10B202 dodal MEP Postřelmov. Řízení Řízení lokomotivy je mikroprocesorové, kdy obdobně jako na příměstských jednotkách řady 471, je součástí i automatická regulace rychlosti, cílové brzdění a automatické vedení vlaku (AVV). Lokomotivu je rovněž možné ovládat z řídicího vozu prostřednictvím osmnáctižilového UIC kabelu prostřednictvím WTB. Nadřazené řízení lokomotivy je dodávkou společnosti ŠKODA Transportation, s.r.o. Lokomotiva se ovládá jednou sdruženou řídící pákou, kterou se volí jak směr pohybu, tak následně jízda nebo brzda. Kabina strojvedoucího Kabina strojvedoucího je provedena jako tlakotěsná a je vybavena klimatizací o výkonu 5 kw od společnosti Rexxon GmbH. Čelní sklo je bezpečnostní, nedělené, 17 mm silné, od firmy Glas Trösch AG a je odolné proti průstřelu gumovým projektilem při rychlostí 400 km/h. Na stanovišti je lednička, vařič a umyvadlo. Uspořádání ovládacích prvků na pultu strojvedoucího, který je situován v ose vozidla, plně respektuje poslední návrhy Evropského jednotného pultu strojvedoucího - EUDD. Prototypy lokomotiv (380.001 a 002) jsou vybaveny uprostřed pultu hlavním provozním displejem, který zároveň slouží jako rychloměr a je umístěn nad novou ovládací klávesnicí systému AVV. Vlevo od něj je diagnostický displej a oba displeje jsou vzájemně zálohovatelné. Na pravé straně šikmé plochy pultu vedle tlakoměrů je ponechán zástavbový prostor pro elektronický jízdní řád podle UIC 612-05 [4]. Do budoucna se také předpokládá dosazení velkého displeje radiostanice dle vyhlášky UIC 612-04 a jeho zálohování s displejem elektronického jízdního řádu. Vlastní piktogramy jsou modře podsvícené s tím, že jas je možno plynule regulovat nebo vypnout. 5
Obr 5 Pohled na pult strojvedoucího Zabezpečovací systémy a rádia Lokomotiva je vybavena zabezpečovacími systémy MIREL VZ1 (Česká republika, Slovensko a Maďarsko), LZB 80E - integrující PZB i LZB systém (Německo a Rakousko), SHP (Polsko) a podle dokumentů EU o interoperabilitě evropského železničního systému pro subsystém řízení a zabezpečení je také připravena na zabudování jednotného evropského zabezpečovacího systému ETCS level 2. Na lokomotivě jsou dvě radiostanice a to triální Kapsch ZFM 04 s funkcí rádiostopu (dálkového zastavení vlaku) pracující v režimu GSM-R, v analogové rádiové síti České republiky, Slovenska, Německa, Rakouska a Maďarska v kmitočtovém pásmu 450 MHz a v analogové rádiové síti na území České republiky a Slovenska v kmitočtovém pásmu 160 MHz. Pro provoz v analogové síti v Polsku je na stanovišti osazena ještě radiostanice Pyrylandia typ F-747. Lokomotiva je také vybavena aktivním hasicím zařízením Kidde Deugra a při požáru strojovny zaručuje patnáctiminutovou odolnost předepsanou TSI SRT (Technické specifikace pro interoperabilitu pro subsystém bezpečnost v železničních tunelech). Na lokomotivě je použita celá řada inovačních prvků, z nichž některé byly i patentovány např. koncepce podvozku nebo systém pohonu dvojkolí. V současné době jsou vyrobeny oba prototypy lokomotivy (380.001 a 002). Druhý prototyp (380.002) je od počátku září 2008 podrobován zkouškám ve Zkušebním centru VUZ ve Velimi a první prototyp si odbyl svoji premiéru na mezinárodním veletrhu InnoTrans 2008 v Berlíně (23. až 26. září 2008). Sériová výroba lokomotiv se rozběhne ještě koncem roku 2008 a od jízdního řádu 2009/2010 se předpokládá plné nasazení nejméně šesti lokomotiv i v mezinárodním provozu. 6
Obr 6 Trakční charakteristika Obr 7 Brzdová charakteristika 7
Obr 8 Typový výkres Základní technické údaje: Rozchod Nejvyšší provozní rychlost Zkušební rychlost Hmotnost lokomotivy Maximální šířka Maximální výška Délka přes nárazníky Rozvor drážního vozidla Rozvor podvozku Vzdálenost středů otáčení podvozků Jmenovitý průměr kola Uspořádání dvojkolí Jmenovité trolejové napětí Výkon na háku při trvalé rychlosti Rychlost při trvalém výkonu a trvalé rychlosti Tažná síla na háku při trvalém výkonu Maximální tažná síla na háku 1 435 mm 200 km/h 220 km/h 87,6 t 3 080 mm 4 280 mm 18 000 mm 11 200 mm 2 500 mm 8 700 mm 1 250 mm B o B o 3 kv DC 25 kv AC, 50 Hz 15 kv AC, 16,7 Hz 6 050 kw 102 km/h 213 kn 274 kn Výkon dynamické brzdy (EDB) Výkon na obvodu kol při rekuperaci Výkon na obvodu kol brzdění do odporníku Maximální brzdná síla vyvozená dynamickou brzdou 6 963 kw 4 700 kw 129 kn 8
Literatura: [1] TSI HS RST Technické specifikace pro interoperabilitu subsystému Kolejová vozidla transevropského vysokorychlostního železničního systému, 1. revize [2] ČSN EN 15 227 - Železniční aplikace - Požadavky na odolnost skříní železničních vozidel proti nárazu (červenec 2008) [3] UIC 541-5 Brakes - Electropneumatic brake (ep brake) - Electropneumatic emergency brake override (EBO) [4] UIC 612-05 rev.10 Display Systém Driver s Cab - Februar 2008 [5] Škoda Transportation s.r.o. - konstrukční výkresy a dokumenty lokomotivy 380 [6] Technické podmínky el. lokomotivy ř. 380 Lo 2004-1/TP Revize a Praha, říjen 2008 Lektorský posudek: Ing. Jiří Doubrava vedoucí oddělení konstrukce O12 GŘ ČD 9