Pobierz ten numer w pdf - Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”

Transkrypt

prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz
Poznań University of Technology
Faculty of Working Machines and Transport
dr Włodzimierz Stawecki, prof. IPS
Rail Vehicles Institute „TABOR” in Poznań
Environmental aspects of rail vehicles with combustion engines
This paper covers the environmental issues related to the operation of rail vehicles.
The evaluation of the environmental impact is based in most cases on a comparison
of the current state of the internal combustion engine (its emissivity) with emission
limit values of harmful exhaust components. These values relate to specific emission
tests for engines or vehicles. For the national rail vehicles operating conditions
these requirements take a slightly different form, as having a wide range of rolling
stock markedly alters the environmental impact of these vehicles. Thus it becomes
necessary to consider the issue of the method of evaluation of engine emissions in
rail vehicles in terms of their actual operating conditions. Thus, efforts to assess the
actual level of emissivity for rail vehicles and attempts to improve it are necessary
and justified.
1
INTRODUCTION
Due to their advantages internal combustion
compression ignition (CI) engines with direct injection remained the main source of power for rail vehicles. However, the harmful effect of these engines on
the environment is significant (Fig. 1). Many types of
combustion engine powered traction vehicles are
used in Poland, many of their engines do not meet the
requirements and criteria for exhaust emissions [12,
13].
Ecological evaluation of diesel traction is very
unfavorable compared to the electrical rail traction
(Fig. 2). The amount of environmental damage
caused by combustion engine vehicles of the rail
traction in Poland during freight is 4 times higher
than the damage caused by electric rail vehicles, and
1.8 times higher than for inland waterway vessels,
however, still 5 times lower than the damage caused
by trucks with diesel engines (especially in terms of
particulate emissions [7]). The emissions of harmful
compounds contained in the exhaust of off-road
sources, which include combustion rail vehicles,
represents a significant share with respect to road
vehicles.
Figure 1. The relative environmental impact of different modes of
transport
Effect of diesel locomotives on the environment depends on the nature of their work. The operating conditions of locomotives determine the specific fuel consumption and thus the emission levels.
The share of operating time for a shunting locomotive spent in conditions of idling is 51.6% of the total
operating time, 33% of the total operating time corresponds to 10% of the rated power output, while the
remaining shares are negligible.
POJAZDY SZYNOWE NR 3/2015
Figure 2. The share of diesel and electric locomotives in rail
transport in individual countries
1
2
DIESEL LOCOMOTIVES IN PASSENGER
AND CARGO TRANSPORT IN POLAND
AND IN THE WORLD
A characteristic feature of passenger locomotives is that they are designed to pull passenger and
express trains. They have a source of energy for heating the train in the period of low temperatures (boiler
heating systems, heat generators). Passenger locomotives also have a specific traction characteristic, especially in terms of speed. Freight locomotives do not
have a source of energy for heating the train, and the
traction characteristics should be adjusted to high
loads at low speeds. Universal locomotives have both
the qualities of freight and passenger locomotives.
Shunting locomotives are designed to pull or
push (marshalling) wagons on tracks, sidings and in
hump yards. One can also distinguish industrial locomotives, which are basically shunting locomotives,
only some of which work in specific conditions, such
as very high air pollution (e.g. in steel mills, coal
sorting plants and mines) and elevated temperature
(e.g. in steel mills during the transportation of the
products of metallurgical process). Due to the type of
transmission used, i.e. the method of moving and
adjusting the torque of the internal combustion engine onto the driving wheelsets, three types of locomotives are distinguished: with mechanical transmission, hydraulic (hydrostatic, hydrodynamic) transmission and electric transmission (DC, AC).
The significant share of this type of internal
combustion traction vehicles in the world undoubtedly also stems from the benefits of this mode of
transport. Diesel locomotives have the following
characteristics that are favorable compared to electric
locomotives:
– power supply independent of an external
source, which is important in case of natural disasters, in emergency situations; diesel locomotives can
fully replace electric locomotives,
– the possibility of applying innovations in diesel locomotive drive system, different ways of power
conversion and processing, different types of electric
transmission,
– the ability to operate the locomotives even in
difficult weather conditions, which could pose a significant impediment to electric locomotives,
– higher efficiency of diesel traction (ηo =
0.26) than the electric traction (ηo = 0.21).
The Polish State Railways are currently
operating 12 diesel locomotive series of standard
gauge with combustion engine power outputs from
110 kW to 2200 kW (Fig. 3 and 4). Every year the
number of diesel locomotives, both in the European
Union and in Poland, is decreasing as a result of
being replaced by electric locomotives (which have
lower operating costs on lines with heavy traffic).
2
Figure 3. The rolling stock of combustion engine locomotives in
Poland
Figure 4. Electric and diesel locomotives in Poland
By 2020 the number of locomotives in Europe
will decrease, but the number of diesel multiple units
for the support of local passenger services will increase. UIC (International Union of Railways) analysis shows that by 2020 companies are planning to buy
about 9000 new locomotives and 8500 diesel multiple units.
The characteristics of internal combustion engines of locomotives used on railway lines in the US
is significantly different from their European counterparts. The US currently employs 21 000 diesel
locomotives with a mean power of 3467 HP. The
large majority of locomotives (61%) has engines with
power of 4000–4400 HP installed. Internal combustion engines are built as medium-speed engines with
large a displacement (e.g. GE engine with a capacity
of 4400 HP). Modern European designs are highspeed engines with relatively small displacements.
Engines with power above 2700 HP account for only
9% and engines with low power (to 750 HP) account
for about 28% of the market share. The remaining
63% are medium power engines with the power
range of 750–2700 HP. Due to the larger cylinder
displacements and lower engine speeds of locomotives operating in the US the emission levels from
these engines may be lower. This concerns mainly
the emissions of nitrogen oxides (lower combustion
temperature, in particular the flame front), and the
ability to accurately control fuel delivery (important
aspect is the time required to burn the injected fuel
dose). Despite the favorable working conditions of
locomotive engines in the US attempts to limit their
emissions of particulates began much earlier. The
first attempts to apply filters were imposed by the
EPA through the introduction of strict regulations for
exhaust emissions from off-road vehicles. In Europe,
the first attempts to use particulate filters have been
taken in Switzerland and Germany (2004-2006).
The development of locomotives in the field of
new fuels for combustion engines is in line with the
development trends of combustion drives of road
vehicles and other off-road means of land transport,
and is consistent with changes that are currently observed in the air transport [10]. Their development
will depend on the development of new technologies
in land and air transport, and will follow in the direction of advanced propulsion technology for locomotives, which will ensure the best use of the energy
supplied to the vehicle while maintaining high safety
of completing the transport task and low emission
factors [3, 6, 8, 9]. Trends in the development of diesel locomotives will be characterized by the desire to:
− use modern combustion units in new and currently operated locomotives,
− increase the power output of the engine with
unchanged fuel consumption,
− reduce harmful emissions and noise,
− reduce heat emitted from the diesel engine,
− design optimization of auxiliary engine
equipment with regards to fuel consumption and
manufacturing costs,
− design and develop diesel-electric drives for
locomotives and to adapt these drives to cooperate
with other systems in locomotives,
− develop electric drives with a new generation
of batteries and electric motors,
− design and develop biofuels for use in diesel
and diesel-electric locomotives for different transport
tasks and industrial applications.
The increase in use of microprocessor technology in vehicles indicates that diesel locomotives will
be increasingly equipped with such systems, both for
engine control, security systems as well as locomotive diagnostics which, in the final version, will be
realized by on-board diagnostic systems similar to the
OBD systems used in road vehicles.
European emission regulations concerning rail
traction engines: for locomotives (including shunting
locomotives) and rail buses are outlined in UIC 624.
The emission limit values were established in 2001
and they apply to newly manufactured diesel engines
for rail vehicles. The currently designated test is an
ISO 8178-F. These regulations do not apply to special locomotives (operated at a refinery or a mine)
and traction motors with the power output of less
than 100 kW. It is worth noting that since 2008 the
UIC limits are close to the limits of the Euro Stage IV
standard [1, 2, 11].
3
AIM OF THE RESEARCH
Assessing the impact of vehicles used for national railways requires the knowledge of actual
emissions of harmful components for these vehicles.
This task cannot always be realized in the form of
tests according to relevant provisions, due to the different operating conditions of rail vehicles, because
there are different conditions for the same locomotive
(engine) used for the transport of passengers and
goods.
The aim of the study was to determine the environmental impact of rail vehicles and to set directions for changes that would allow its reduction. The
ecological situation of diesel rail vehicles is not satisfactory. They cause a significant increase in environmental pollution (high emission of harmful components), taking into account the technically outdated
internal combustion engines used in locomotives and
rail vehicles operating on the national railway routes.
Thus, the main task was to determine the directions
of improvement of the environmental impact of diesel rail vehicles (not limited to locomotives only)
using methods such as repairs, re-motorization and
the replacement of rail vehicles with other vehicles
that meet the required criteria.
4
RESEARCH METHODOLOGY
The research subjects were divided into several
groups depending on the stage of research carried
out. For the analysis of the current state of emissions;
tests of presently operated rail vehicles in the form of
diesel locomotives were performed:
−
for passenger transport: locomotives: SP32,
ST43, SU45, SU46 and SP42,
−
for cargo transport: locomotives: ST43,
ST44, M62, M62M, BR231 and BR232,
−
for shunting: locomotive SM42.
The possibilities of using light rail vehicles are
presented on the example of one/two-bodied
DH1/DH2, two-bodied Y, and three-bodied MR railcars. The effects of substituting shunting locomotives
with road-rail vehicles are based on the studies of
road-rail tractor Orion Crystal 13. Research of emissions of light rail vehicles cannot be carried out on a
water resistor due to the hydrokinetic torque converter used in these vehicles. In these cases a mobile
laboratory was used, allowing for emission measurements to be made anywhere on the track.
5 RESULTS
5.1. Analysis of current emissivity and development of new testing methods
Determination of the share of operating time of
parameters for diesel locomotive engines shows that,
in most cases, locomotives working in passenger
transport:
3
a) according to the ISO 8178-F test a substantial
amount of operating time of the locomotive is spent
on idling; therefore, it is appropriate to give point 1
(which indicates idling in the certification and control
tests) a significant share ui of this work phase;
b) in the remaining work phases of the combustion engine it is impossible to determine regions
which could suggest the selection of the point of
maximum power for measurements in tests; evaluation of operating time shares does not confirm the
occurrence of notable shares of the highest settings of
the power controller during passenger transport;
hence replacing that point with several intermediate
points is advisable.
c) intermediate settings of power controller are
close to the certification test; which indicates that the
intermediate points can correctly reproduce real traffic conditions, assuming a larger number of points is
used (the research was not restricted to only one intermediate point).
Observations on the operation of internal combustion engines and their loads in shunting locomotives:
a) prevalence of time spent idling;
b) small shares of operating time at partial loads
indicate a need for adjustments in the engine test, due
to a significant disparity of the certification test results compared with the real engine operating conditions;
c) the absence of maximum engine loads during
shunting operations of the locomotives – which
makes it impossible to match the ISO 8178 test to the
combustion engine’s operating conditions and thus
makes determining the extent of the locomotive’s
environmental performance in real operating conditions impossible.
Analysis of the operation of locomotives in
freight traffic conditions leads to the following conclusions:
a) it is appropriate to consider the idling conditions in engine tests, as the analyzed locomotives will
typically often utilize idling in their operating time
(about 40%);
b) in both cases partial loads are used in a small
operating range, it is thus not necessary to incorporate the results of this testing phase in any significant
proportion;
c) operating time under maximum load is significant for both locomotives; which indicates the
necessity of taking these operating phases into account when constructing engine tests.
Knowledge of the load histograms of individual locomotives allows for the development of tests
and determining the relation of the loads with respect
to the current certification test. Due to the different
traffic conditions for locomotives working in the
movement of people and goods, as well as other traffic maneuvering (with or without hump) it became
4
necessary to arbitrarily choose the selection of work
phases and their operating time share. Due to the
existence of set ranges of engine speed (power
controller setting), as well as their resulting values of
engine power, it is assumed that continuous functions
do not comply with the conditions of selection of
operating points in developing a new test. The
operating conditions of each of the locomotives are
discrete, not continuous. This results in having no
ability to control (choose) the engine speed or power,
which is not allowed due to the method of controlling
the operating parameters of the engine. This analysis
allowed for the establishment of the requirements that
are to be met by a new test, while also complying
with several conditions (Fig. 5):
a) due to different operating conditions the idea
of designing a single engine test for all diesel locomotives was abandoned (such a simplification would
not allow for determining the real working conditions
of diesel locomotives),
b) the number of phases is not limited to three
as it is the case in certification tests; their number
depends on the number of settings available on the
power controller – for the purposes of this research
that number was assumed to be in the range of 3 to 6,
c) the test should take idling phase into account,
because it has a significant share of operation time in
the operating conditions for all types of locomotives
(passenger transport, freight transport and shunting),
d) the choice of test phases should include the
possibility of combining adjacent (or grouped) operating points (settings of the power controller),
e) the share of each operating point included in
the new test should reflect the shares of operating
time for each power controller setting.
Figure 5. Comparison of existing and newly developed engine
tests
A comparison was made for exhaust emissions
of a locomotive, whose histogram is shown above.
The obtained results show that the emission values
obtained by the new test are lower than those in the
standard test. The new test shows the actual values
obtained based on the work of the locomotive.
Emissions from the locomotive (regardless of the
type of test) exceed acceptable limits in terms of
carbon monoxide and hydrocarbons. This indicates a
substantial level of wear of the internal combustion
engine. Lower values of NOx indicate that the
obtained maximum power is lower than stated in the
manufacturer’s catalog data (Fig. 6). A similar
analysis was made for a shunting locomotive.
Emissions of CO and HC are much lower in the new
test than in the standard test [4]. The specificity of
operation for this locomotive is a significant share of
engine operating time spent idling. But even in this
case the emissions significantly exceed the limits
outlined in the UIC 623 standard (Fig. 7).
rotation with the accepted incremental value equal to
∆ α= 2o of crankshaft rotation (Fig. 8). Opportunities
to achieve a reduction in emissions, mainly nitrogen
oxide emission, can be noticed. Additionally, the
emission results at standard settings have been
identified in order to determine the level of emissions
from an engine of a newer design. The results
indicate that in the case of engines whose emissions
are close to current requirements changing the
settings of the injection system is important and
useful [5].
Figure 9. Comparison of emission from different fuels to the
norm for diesel locomotives
Figure 6. Exhaust emissions under real operating conditions of
railway vehicles - a passenger locomotive SP32
Major repairs of diesel locomotives allow for partial
reduction of emissions of hazardous components: the
values obtained meet or exceed the ORE B13 standards, as well as the UIC standard (only for carbon
monoxide emission). This allows for determining
whether the boost pressure is correct or the value is
maintained too high (suggested by the high NOx
emission). HC emissions increase could be caused by
insufficient run-in of the engine, but the result far
exceeds the acceptable limits of the UIC standard.
The injection process (injection timing) has been improved, as evidenced by the lower nitrogen oxide
emission value, allowing compliance with the ORE
B13 standards (Fig. 10).
Figure 7. Exhaust emissions under real operating conditions of
railway vehicles – shunting locomotive SM42
5.2. Possibilities of emission reduction
In order to determine the effect of the set operating
parameters on the environmental indicators for combustion engines of rail vehicles; measurements of
exhaust emissions were performed in relation to the
changes in the crankshaft angle at fuel injection in the
engine of a M62M locomotive. The study of variation
in settings of the fuel injection system was carried out
using discrete changes in the crankshaft angle at the
start of fuel stamping for all twelve cylinders. Exhaust emission measurements were made by increasing and decreasing the angle by α = ±4o of crankshaft
Figure 10. The effects of engine repairs on emissions of freight
locomotive ST44
Changing the engine type leads to significant
environmental benefits. Compared to the standard
14D40 engine, a reduction of hourly emissions of
carbon monoxide by more than 80% was achieved.
Hydrocarbon emissions were reduced by 36%. While
there was a 4% increase in nitrogen oxide emissions
the 645E3B engine has more than 50% more power
than its predecessor (Fig. 11).
5
5.3. Replacing diesel locomotives with light rail
vehicles
The range of regulatory changes in the engines, their
repairs and re-motorization presented in previous
chapters does not exhaust the possibilities of emission reduction for the engines of rail vehicles. Internal combustion engines of diesel locomotives mainly
consist of worn-out high power engines. These engines often do not meet the emission limits for toxic
components. They are often subject to additional
regulations or major repairs aimed at improving their
environmental performance. The situation with regard to the engines of light rail vehicles, including
rail buses, is slightly different. They use heavy duty
types of vehicle engines – loaded diesel engines with
displacement volumes not exceeding 25 dm3.
Due to the possibility of replacing worn-out
diesel locomotives operating in passenger traffic the
environmental indicators of rail buses were presented. The one-, two- or three-bodied traction rail
vehicles currently imported into our country allow for
significant reduction of emission of harmful ingredients. As a result of performed research it is possible
to obtain more than 90% reduction in emissions of
carbon monoxide when using these vehicles. Thanks
to the newer engines used in those vehicles it is possible to reduce emissions of hydrocarbons anywhere
between 70 to over 90%. Emissions of nitrogen oxides would be reduced by almost 50% in the worst
case scenario. It is also possible to reduce it by more
than 95% (Fig. 12).
Figure 12. Emission impact of proposed changes in the rolling
stock
6
SM42 type locomotives, used mainly for
shunting work, could be replaced by road-rail vehicles. Road and rail tractor is a tractor designed to
work in shunting of wagons on tracks (both narrow
and wide).
Emission tests were carried out by comparing
the work of such a shunting locomotive and a roadrail tractor with a capacity of approximately 100 kW.
Due to the different values of tractive force of these
vehicles the exhaust emission analysis was performed
by assuming that the operating time of road-rail tractor would be greatly extended. This analysis indicated the reduction of carbon monoxide emissions by
more than 90%. The hourly hydrocarbon emission is
also more than 90% lower. Emission of nitrogen oxides is reduced under such conditions by more than
80%. Measurements of particulate emissions were
also performed and showed a 70% reduction in
hourly emissions of particulate matter (Fig. 13).
Figure 13. Replacing shunting locomotives with light rail vehicles
Utilizing the possibilities of emission reduction
presented in this paper would require taking ecologically dominant directions in rolling stock development. For this purpose, these proposals are presented
using as an indicator the percentage of change in the
emission of harmful ingredients. The situation concerning the potential use of traction rail vehicles –
railcars seems very advantageous. Their use can offer
nearly 4-fold reduction of the emissions of nitrogen
oxides, 5-fold reduction of hydrocarbons, and up to
10-fold reduction in carbon monoxide emissions (Fig.
14). Thanks to the presented solutions, it is possible
to reduce the negative impact of exhaust emissions of
rail vehicles on the environment.
Figure 14. Environmental benefit: as multiples of ecological
benefits offered by the best available solutions
The economic benefits of utilizing methods
and means of limiting the adverse impact of rail vehicles on the environment include:
− 50% reduction of fuel consumption,
− 70% reduction of engine oil consumption,
− 60% increase in engine power,
− extending locomotive lifespan by at least 20
years,
− extending the time between overhaul,
− fault indicator decreased 2.5-fold,
− return on investment within a 10 year period.
Particularly beneficial are the economic effects
of replacing shunting locomotives with road-rail vehicles (Fig. 15), which include:
− cost of purchase for a road-rail shunting tractor is a third of the price for the cheapest shunting
locomotive,
− exploitation costs for a road-rail tractor are a
sixth of the equivalent costs of a shunting locomotive,
− three-fold improvement in traction properties,
− the ability to drive the tractor without the
need for a train driving license on all owned railway
sidings,
− the possibility of mechanization of cleaning
of the rail and tram infrastructure,
− the possibility of adapting used road vehicles
for road-rail uses,
− the possibility of purchase on appealing financing terms.
Replacement of shunting locomotives with
road-rail vehicles with a two-shift work day provides
a return for the costs of purchase of this vehicle in
less than two years.
Figure 15. Comparison of advantages presented by a road-rail
vehicle over a shunting locomotive
6
CONCLUSIONS
The presented possibilities of changes to the
traditional rail vehicles in the form of modernization,
replacement of internal combustion engines with
more modern units, use of alternative fuels, use of
railcars and special vehicles (road-rail tractors) all
required finding the ecologically dominant directions.
Understanding the impact of rail vehicles on the environment requires an assessment of their real traffic
conditions, as well as the need to define exhaust
emissions under these conditions. This is possible
only after taking into account their specific operation.
This task is made even more complicated by the fact
that the locomotives do not have the same load histogram – dynamic operating conditions generate different emission values. In order to get the full "picture"
of the ecological status of internal combustion engines a mobile testing laboratory for the measurement
of exhaust emissions was developed.
Based on performed research it was found that it is
possible to limit the negative effects of rail vehicles
on the environment, under actual working conditions
of these vehicles, which in turn allows the use of
measures to reduce their environmental impact. The
most effective method to reduce the impact of rail
vehicles on the environment is the replacement of the
engine unit and the replacement of diesel locomotives
with light rail vehicles. Other methods of reducing
emissions such as: engine control, use of alternative
fuels, engine repairs, do not have the desired effect.
Specific conclusions:
1. The use of new tests for diesel locomotives operated in Poland is beneficial because it provides information on the real environmental impact of
these types of locomotives.
2. According to a newly developed test the exhaust
emissions for locomotives used in:
− passenger transport – is 20–40% lower for all
exhaust components,
− shunting – is approx. 50% smaller,
− freight transport – no notable changes.
3. Replacement of diesel locomotives with light rail
vehicles reduces the emissions of:
− carbon monoxide by 90–95%,
− hydrocarbons by 69–94%,
− nitrogen oxides by 47–95%.
4. The use of railcars compared to diesel locomotives
can result in:
− 10-fold carbon monoxide emission reduction,
− 5-fold hydrocarbon emission reduction,
− 4-fold nitrogen oxides emission reduction.
This study did not exhaust the issues related to the
environmental aspects of rail vehicles. Further studies
are to be conducted in the fields of:
− research that determines the load histograms
for new rail vehicles imported from abroad and put
into operation,
− study of environmental pollution in real traffic conditions for rail vehicles (an equivalent of Real
Driving Emissions tests for motor vehicles),
− determining the correlation of emission test
results between both the standard tests and those proposed in this paper and the real exhaust emission
values,
7
− determining the particulate matter emissions
of the remaining types of rail vehicles (especially
locomotives which could be replaced with light rail
vehicles) working in shunting and ancillary service
conditions,
− analysis of uses of oxidation catalysts or
particulate filters in diesel locomotives.
[6]
[7]
[8]
REFERENCES
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
8
Directive 2004/26/EC of the European Parliament
and of the Council amending Directive 97/68/EC on
the approximation of the laws of the Member States
relating to measures against the emission of gaseous
and particulate pollutants from internal combustion
engines to be installed in non-road mobile
machinery, 21.04.2004.
ISO: Reciprocating internal combustion engines –
exhaust emission measurement – Part 1: Test-bed
measurement of gaseous and particulate exhaust
emissions. Draft International Standard ISO/DIS
8178–1.2, 1995.
Kettner J., Moving Towards Sustainable Mobility a
Strategy for 2030 and Beyond for the European
Railway Sector. 12 UIC Sustainability Conference,
Venice 2012.
Marciniak Z., Stawecki W., Merkisz J., Pielecha I.,
Pielecha J., Możliwości modyfikacji taboru
spalinowego
w
celu
zmniejszenia
jego
oddziaływania na środowisko naturalne. Technika
Transportu Szynowego, 3, 2011, 43–48.
Marciniak Z., Stawecki W., Pielecha I., Pielecha J.,
Ekologiczne aspekty
spalinowych
pojazdów
szynowych eksploatowanych na krajowych liniach
kolejowych. Logistyka, 4, 2010.
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
Merkisz J., Pielecha J., Emissions and Fuel
Consumption during Road Test from Diesel and
Hybrid Buses under Real Road Conditions. IEEE
Vehicle Power and Propulsion Conference
(VPPC’10), Lille 2010.
Merkisz J., Pielecha J., Nanoparticle Emissions
from Combustion Engines. Springer Tracts on
Transportation and Traffic, 8, 2015.
Merkisz J., Pielecha J., Fuć P., Emissionsfaktoren
aus PEMS-basierter RDE-Prüfung für Fahrzeuge
aller Gewichtklassen/ LDV and HDV vehicle
exhaust emission indexes in PEMS-based RDE
tests. Fortschritt-Berichte VDI. Rheine 12, Nr 783,
Vol. 1, 240–265.
Merkisz J., Pielecha J., Gis W., Exhaust Emission
Results from Light Duty Diesel in a Road Tests.
Automobiles and Sustainable Mobility, FISITA 2010
World Automotive Congress, F2010-A-045.
Scientific Society for Mechanical Engineering
(GTE), Budapest 2010.
Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S., New Trends
in Emission Control in the European Union.
Springer Tracts on Transportation and Traffic, 1,
2014.
Norma PN-EN ISO 8178-4, Silniki spalinowe
tłokowe. Pomiar emisji spalin. Cykle badawcze
silników o różnym zastosowaniu. Wyd. 1999.
Pielecha I. Marciniak Z., Wpływ silników
spalinowych
pojazdów
trakcyjnych
eksploatowanych w kraju na środowisko – próby i
badania oraz wytyczne dla redukcji emisji
składników szkodliwych. Pojazdy Szynowe, 1, 2009,
34–43.
Pielecha I., Pielecha J., Tendencje w przepisach
dotyczących emisji związków toksycznych przez
silniki spalinowe pojazdów szynowych. Pojazdy
Szynowe, 1, 2005, 52–59.
prof. dr hab. inż. Marianna Jacyna
prof. dr hab. inż. Wojciech Wawrzyński
Politechnika Warszawska
Nowe trendy w rozwoju transportu szynowego
Transport szynowy a zwłaszcza kolejowy to istotny element systemu transportowego. Postrzegany jest on jako rozwiązanie narastających problemów ekologicznych
i przewozowych integrującej się Europy. W artykule szczególny nacisk położono
na transport kolejowy. Wskazano, iż rozwój transportu lotniczego w zakresie połączeń lokalnych (krajowych) oraz dynamiczny rozwój prywatnej komunikacji autobusowej wymusza na transporcie kolejowym wdrażanie innowacyjnych rozwiązań
celem dostosowania się do oczekiwań rynku, w tym przede wszystkim klienta.
Rozwiązania te dotyczą zarówno infrastruktury transportu kolejowego, środków
transportu oraz infrastruktury dodatkowej pozwalającej na kompleksową obsługę
klienta. W artykule przedstawiono problemy związane z wdrażaniem innowacyjnych rozwiązań na kolei w Polsce. Wskazano na problemy wynikające ze strony
popytowej tj. kolei i jej gotowości do wdrażania innowacyjnych rozwiązań oraz
strony podażowej tj. podaży wiedzy i rozwiązań innowacyjnych ze strony przedstawicieli nauki, instytutów badawczych i uczelni.
1
WPROWADZENIE
Jednym z priorytetowych zadań polityki gospodarczej i transportowej państw europejskich jest
ożywienie działalności transportu kolejowego. Postrzegany jest on jako rozwiązanie narastających
problemów ekologicznych i przewozowych integrującej się Europy (np. aby przewieźć 2000 ton towaru
potrzebnych jest 125 samochodów 16t, lub 1-2 składy pociągowe (w zależności od masy). W tym aspekcie głównym celem Komisji Unii Europejskiej staje
się stworzenie wspólnego rynku kolejowego bez
ograniczeń politycznych, gospodarczych i technicznych. Ma to również przełożenie na politykę transportową poszczególnych członków UE. Realizując
postulaty zrównoważonego rozwoju transportu w
Polsce zakłada się, iż kolej powinna dominować w
tych segmentach, gdzie generuje największe korzyści
gospodarcze i społeczne.
Od zawsze transport kolejowy był predysponowany do przewozów przede wszystkim ładunków
masowych (w komunikacji krajowej oraz międzynarodowej między ośrodkami o dużej emisji (jak np.
kopalniami czy rafineriami) i zaniku potoków ładunków (jak np. elektrowniami czy portami) na średnie i
duże odległości) oraz do obsługi pasażerów (w relacjach międzynarodowych (na duże odległości), regionalnych (na średnie odległości) oraz przede
wszystkim na terenach aglomeracyjnych (na małe
odległości). W 2013 roku transportem kolejowym
przewieziono około 233 mln ton ładunków oraz około 270 mln pasażerów, co stanowi wzrost w stosunku
do 2012 roku.
Działania podejmowane przez transport szynowy w ostatnich latach skupiają się przede wszystkim na dostosowaniu oferowanych usług do
oczekiwań rynku. Dotyczy to zwłaszcza decyzji ukierunkowanych na zdobyciu większego zaufania klientów i pasażerów poprzez podnoszenie poprawy jakości usług. Osiągnięcie tych celów jest możliwe dzięki
wykorzystaniu innowacyjnych rozwiązań umożliwiających projektowanie nowoczesnej infrastruktury,
stosowanie technologii informatycznych wspomagającej podejmowanie decyzji w różnych obszarach
funkcjonowania oraz efektywnej alokacji dostępnych
zasobów finansowych. Wszystkie działania sektora
transportu szynowego powinny prowadzić do:
− zapewnienia konkurencyjności kolei w relacji
do innych gałęzi transportu w najbardziej
rozwojowych segmentach rynku,
− zapewnienia warunków do podnoszenia jakości obsługi klientów przez przewoźników kolejowych,
− szybszej i efektywniejszej modernizacji infrastruktury transportu kolejowego,
− efektywnej wymiany taboru na nowoczesny,
− modernizację infrastruktury dodatkowej dostosowanej do nowych trendów i oczekiwań
użytkowników tego sektora, np. zintegrowane węzły przesiadkowe zapewniające integrację różnych środków transportu,
− wprowadzania nowych rozwiązań w komunikacji miejskiej z zastosowaniem nowoczesnych szybkich tramwajów i metra.
Z zapisu w Master Plan opracowanego dla
transportu kolejowego wynika, że spełnienie oczekiwań transportowych, związanych w szczególności z
intensywnym rozwojem społeczno-gospodarczym
kraju, wymaga podjęcia szeregu działań o charakte9
rze organizacyjnym i modernizacyjnym oraz intensywnych działań inwestycyjnych, tak w zakresie linii
kolejowych, taboru, obiektów dworcowych jak i szeroko rozumianych systemów obsługi podróżnych.
Podyktowane to jest znacznym wzrostem przewozów
zwłaszcza aglomeracyjnych i międzyaglomeracyjnych.
2
UWARUNKOWANIA
TECHNICZNE
ZMIAN W INFRASTRUKTURZE TRANSPORTU KOLEJOWEGO
Sprawne przemieszczanie pasażerów czy ładunków między poszczególnymi rodzajami transportu jest możliwe, pod warunkiem odpowiednio rozwiniętej infrastruktury liniowej oraz punktowej (punkty
przeładunkowe, terminale w przewozach towarowych
oraz rozwiniętych zintegrowanych węzłów komunikacyjnych w przewozach pasażerskich). Każda taka
operacja wpływa na zmianę parametrów przewozu
takich jak: czas, koszt czy jakość. Przyjęcie odpowiednich kryteriów umożliwia optymalizowanie procesów przewozowych ze względu na czas, koszt i
jakość oraz wybór najwygodniejszego sposobu organizacji przewozu. Na tej podstawie można także
określać potrzebę dostosowania infrastruktury transportu do nowych zadań przewozowych lub poprawy
kosztu i jakości przewozu. Zatem kształtowanie parametrów infrastruktury wiąże się ściśle z odpowiednim
doborem
parametrów
technicznoeksploatacyjnych taboru używanego do przewozu.
Układ sieci głównych linii kolejowych w
ostatnim okresie ulega ciągłym zmianom. Dla porównania na rys. 1 a) i b) przedstawiono mapę sieci
głównych linii kolejowych Polski z 1996 roku (rys. 1
a)) i z 2015 roku (rys. 1 b)). Analizując dane można
zauważyć, iż w 1996 roku większość linii kolejowych była czynna w ruchu pasażerskim. Do wyjątków należą linia kolejowa 65 (LHS) z Łudina do
Sławkowa Południowego LHS, linia kolejowa 132
Bytom – Wrocław Główny na odcinku Bytom – Pyskowice, linia kolejowa 226 Pruszcz Gdański –
Gdańsk Port Północny, linia kolejowa 275 Wrocław
Muchobór – Gubinek na odcinku Żagań – Gubinek,
linia kolejowa 357 Sulechów – Luboń koło Poznania
na odcinku Sulechów – Wolsztyn oraz linia kolejowa
420 Worowo – Wysoka Kamieńska na odcinku Resko Północne – Wysoka Kamieńska.
Natomiast z danych zamieszczonych na mapie (rys.1 b) wynika, że z mapy zasadniczej sieci
kolejowej Polski niektóre odcinki zniknęły. Oznacza
to, że nie jest prowadzony na nich ani ruch pasażerski
ani ruch towarowy. Są to zazwyczaj linie nieprzejezdne lub fizycznie zlikwidowane. Często też na
niektórych prowadzony jest tylko ruch towarowy.
Zmiany w zakresie struktury sieci linii kolejowych w Polsce (tab. 1) dotyczą nie tylko likwidacji
niektórych odcinków linii ale również budowy no10
Rys. 1. a) - Mapa sieci kolejowej Polski – stan na 1996r
Źródło: http://mapa.bazakolejowa.pl/
b) Mapa sieci kolejowej Polski – stan na 2015 r.
Źródło: http://mapa.bazakolejowa.pl/
wych odcinków linii kolejowej np. linia kolejowa
118 Kraków Mydlniki – Kraków Balice MPL
(planowany termin uruchomienia we wrześniu 2015
r.), linia kolejowa 434 podg Mosty – Goleniów Port
Lotniczy Szczecin, linia kolejowa 440 Warszawa
Okęcie – Warszawa Lotnisko Chopina, linia
kolejowa 581 Świdnik Miasto – Lublin AIRPORT.
Jednym z głównych zadań stojących przed
transportem kolejowym to konieczność dostosowania
infrastruktury do potrzeb rynku – zarówno przewoźników jak i pasażerów. Dotyczy to przede wszystkim
zmian takich parametrów jak: czas, koszt czy jakość
przewozu. W tym aspekcie brakuje linii kolejowych
o prędkości mak. 160 km/h i wyższych. Z prędkością
160 km/h można przemieszczać się tylko po terenie
korytarza drugiego (po liniach kolejowych dedykowanych pociągom pasażerskim), częściowo po liniach kolejowych stanowiących korytarz trzeci (okolice Wrocławia, po liniach kolejowych dedykowanych pociągom pasażerskim) oraz po liniach korytarza transportowego VI (po większej części linii dedykowanych pociągom pasażerskim oraz po części linii
dedykowanych pociągom towarowym) (rys.2).
Dużym wyzwaniem a zarazem poważnym
problemem decyzyjnym jest budowa linii dużych
prędkości. Na chwilę obecną brak jest pociągów kursujących z prędkością wyższą niż 200 km/h.
symalną 220 km/h. Niestety brak taboru, który mógłby osiągnąć taką prędkość nie pozwolił na jazdę z
taką prędkością. Stopniowe zużycie linii spowodowało, że w ostatnich latach pociągi kursowały z prędkością maksymalną 160 km/h. Aktualnie prowadzone są
intensywne prace modernizacyjne i na większej części linii prędkość maksymalna została podniesiona do
200 km/h.
Z aktualnych inwestycji infrastrukturalnych
na szczególną uwagę zasługuje budowa Pomorskiej
Kolei Metropolitalnej Gdańsk Wrzeszcz – Gdańsk
Port Lotniczy – Gdańsk Osowa/Rębiechowo. Jest to
całkowicie nowa linia kolejowa, która ma zostać
oddana do użytku we wrześniu 2015 roku.
Rys. 2 - Sieć kolejowa z dopuszczalnymi prędkościami
Źródło: PTV VISUM - Zakład Logistyki i Systemów
Transportowych Wydział Transportu PW
W Polsce zaplanowano budowę linii „Y”
łączącej Warszawę z Łodzią i dalej z Poznaniem oraz
Wrocławiem, po której pociągi będą się przemieszczać z prędkością 300 km/h (rys. 3).
Dostosowanie linii kolejowych do wyższych
standardów w zakresie jakości infrastruktury wpływa
znacząco na zmniejszenie czasów przejazdów dla
wszystkich kategorii pociągów. Przekładem mogą
być dane ze studium wykonalności dotyczące przystosowania Wrocławskiego Węzła Kolejowego
(WrWK) do obsługi KDP. Analizie w trakcie wykonywania studium poddano cztery opcje:
−
−
−
Rys. 3. Linie dużych prędkości na terenie Polski
Źródło: PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.
Planowana długość linii to około 700 km. Linia miała zostać wybudowana 2025 r. Niestety na
skutek sytuacji gospodarczo-politycznej zaniechano
budowy linii. Dla porównania w Europie [5] w 2009
roku istniało 5566 km linii dużych prędkości, w budowie jest 3474 km linii, natomiast zaplanowano do
wybudowania 8501 km linii.
W 2025 roku sieć linii dużych prędkości w
Europie ma osiągnąć 17541 km. Zaplanowana linia
„Y” stanowiłaby 4% długości linii dużych prędkości
w Europie. Należy zauważyć, że w Polsce były dobre
pomysły na budowę linii dużych prędkości. Oddana
w 1977 roku do użytku CMK (droga kolejowa 4
Grodzisk Mazowiecki – Zawiercie) została zaprojektowana do kursowania pociągów z prędkością makPOJAZDY SZYNOWE NR 3/2015
opcję bezinwestycyjną „0” (tzw. opcja „nic
nie robić”) – dot. ukończenia rozpoczętych
lub zaplanowanych modernizacji elementów
infrastruktury transportowej WrWK oraz
utrzymania linii kolejowych WrWK w ich
obecnym lub uzyskanym (po ukończeniu zaplanowanych prac) stanie. W opcji „0” nie
przewiduje się budowy KDP,
opcję inwestycyjną „1” (tzw. opcja „minimum”) – dot. przeprowadzenia rewitalizacji
linii kolejowych w celu przywrócenia pierwotnych parametrów technicznych i eksploatacyjnych linii kolejowych objętych studium. W opcji „1” przewiduje się budowę linii kolejowej do portu lotniczego oraz budowę KDP,
opcję inwestycyjną „2” oraz opcję inwestycyjną „3”, w których uwzględniono modernizację istniejącej lub budowę nowej infrastruktury kolejowej (w tym budowę lub
przebudowę obiektów i stacji, modernizację
istniejących lub budowę nowych odcinków
linii kolejowych lub nowych linii kolejowych). W opcji „2” i „3”, tak jak w opcji „1”,
założono budowę linii kolejowej do portu
lotniczego oraz budowę KDP.
Zaproponowane prace modernizacyjne i rewitalizacyjne na sieci kolejowej dla Wrocławskiego
Węzła Kolejowego, pozwoliły na ocenę efektów
m.in. w postaci redukcji czasów przejazdu na poszczególnych odcinkach dla poszczególnych kategorii pociągów (rys. 4 - rys.7).
11
Tab. 1. Struktura linii kolejowej w Polsce na przełomie lat 1996 - 2013
Lp.
1
2
3
4
5
6
3
Parametr
Długość linii czynnych [km]
Długość linii magistralnych [km]
Długość linii pierwszorzędnych [km]
Długość linii drugorzędnych [km]
Długość linii znaczenia miejscowego [km]
Długość linii zelektryfikowanych [km]
1996
22285
4075
10784
4167
3259
11626
1998
22113
4075
10821
4115
3102
11614
2002
20223
4252
10297
3492
2182
12005
2006
18964
4249
10103
3408
1204
11871
2010
19267
4245
10282
3396
1353
11916
2013
18533
b.d.
b.d.
b.d.
b.d.
11868
Rys. 4 - Redukcja czasów przejazdu dla pociągów
regionalnych
międzyregionalnych
Źródło: PTV VISUM - Zakład LiST WT PW
kwalifikowanych
towarowych
ZMIANY W STRUKTURZE
TRANSPORTU KOLEJOWEGO
TABORU
Zmiany jakie zachodzą w transporcie szynowym, w zakresie dostosowywania się do oczekiwań
klienta, dotyczą również taboru. Tabor to przede
wszystkim wizerunek przewoźnika. Wpływa on m.in.
na ocenę podróży przez pasażerów. Należy zauważyć, że w ostatnich latach rozpoczęła się rewolucja
taborowa zarówno na kolei jak i ruchu
tramwajowym. Stare pojazdy są modernizowane,
pozyskiwany jest nowy tabor. Strukturę taboru na
przełomie lat 2003-2013 przedstawiono w tab. 2.
Tab. 2. Struktura taboru na przełomie lat 2003 - 2013
Lp.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Typ taboru
Lokomotywy elektryczne
Lokomotywy spalinowe
Lokomotywy parowe
Elektryczne zespoły trakcyjne
Spalinowe wagony silnikowe
Wagony towarowe
Wagony osobowe
Wagony osobowe przystosowane do przewozu osób
niepełnosprawnych
Wagony składające się na zespoły trakcyjne
Zespoły trakcyjne i silnikowe przystosowane do przewozu osób niepełnosprawnych
2003
1 816
2 405
25
1 176
21
111532
5 093
2006
1 848
1 969
1 353
95
103527
4 397
2009
1 887
2 531
1 202
131
95462
3 800
2012
1 849
2 264
1 226
209
91483
3 293
2013
1 838
2 194
1 268
221
87726
3 010
-
-
-
63
73
3 580
4 242
3 817
3 325
3 626
-
-
-
649
769
Źródło: opracowanie własne na podstawie Raportu GUS z 2003, 2006, 2009, 2012 i 2013 r.
12
Należy wspomnieć, iż parowozy obecnie wykorzystywane są jedynie do prowadzenia pociągów
turystycznych i stacjonują w Chabówce, Wolsztynie,
Pyskowicach i Jaworzynie Śląskiej. Poza tym parowozy obsługują ruch turystyczny na kolejach wąskotorowych. Co istotne liczba spalinowych wagonów
silnikowych z roku na rok rośnie. Pojazdy te generują
mniejsze koszty eksploatacyjne, dzięki temu mogą
kursować na liniach mało-obciążonych.
W celu dostosowania do potrzeb rynku, tabor
jest sukcesywnie odnawiany i dostosowywany do
wymagań obowiązujących w UE. Prace modernizacyjne prowadzone są m.in. w zakładach PESA Bydgoszcz, ZNTK Mińsk Mazowiecki, NEWAG w Nowym Sączu i ZNLE Gliwice. Prace modernizacyjne
lokomotyw elektrycznych polegają m.in. na {19]
(rys. 8) zmianach wyglądu zewnętrznego, zmianach
w konstrukcji mechanicznej (silniki, prędkościomierze, przetwornice, szafy napięcia), zainstalowaniu
komputerowego systemu sterowania i diagnostyki,
zabudowaniu klimatyzacji, regulacji oświetlenia,
zmianie urządzeń radiołączności, zmianie pulpitu,
wymianie foteli, montażu wycieraczek sterowanych
elektrycznie, zapewnieniu izolacji termicznej i akustycznej kabiny. Podobnie modernizowane są lokomotywy spalinowe [12], [14] (rys. 9) oraz elektryczne zespoły trakcyjne [18}.
Rys. 8 - Zmodernizowana lokomotywa elektryczna EU07A-495
przez IPS Tabor oraz ZNTK Oleśnica
Źródło: http://www.tabor.com.pl/
Rys. 9 - Zmodernizowana lokomotywa spalinowa ST45-01 przez
IPS Tabor oraz PESĘ Bydgoszcz
Źródło: http://www.tabor.com.pl/
Modernizacja elektrycznych zespołów trakcyjnych polega m.in. na [18]: zmianie wyglądu zewnętrznego, dostosowaniu do potrzeb osób niepełnosprawnych, zamontowaniu stojaków na rowery, zastosowaniu rozruchu impulsowego i silników asynchronicznych, montażu gniazdek elektrycznych, bezprzewodowego dostępu do Internetu, wyposażeniu w
drzwi odskokowo-przesuwne.
Istotną grupę taboru stanowią zespoły trakcyjne napędzane silnikiem spalinowym. W grupie tej
można wyróżnić spalinowe zespoły trakcyjne, wagony spalinowe i autobusy szynowe. Na terenie Polski
największą liczbę poruszających się pojazdów stanowią te, które zostały wyprodukowane w zakładach
PESA Bydgoszcz. Aktualnie produkowane pojazdy
dostosowane są do potrzeb osób niepełnosprawnych
(są nisko-wejściowe). Obowiązkowo wyposażone są
w klimatyzację przestrzeni pasażerskiej oraz stojaki
na rowery. Dodatkowym wyposażeniem montowanym w pojazdach są gniazdka elektryczne oraz bezprzewodowy dostęp do Internetu. Bezpieczeństwo w
pojazdach zapewnia monitoring przestrzeni pasażerskiej, dodatkowo zamontowany jest monitoring
wspomagający pracę maszynisty. Podróż wspomaga
głosowy oraz wizualny system informacji pasażerskiej.
Należy zaznaczyć, że oprócz modernizacji taboru i zakupu spalinowych zespołów trakcyjnych
dokonuje się zakupu nowych pojazdów, jak np. elektrycznych zespołów trakcyjnych serii ED250 (PENDOLINO przez PKP Intercity) czy lokomotyw elektrycznych.
Modernizacje i inwestycje taborowe można
dostrzec także na rynku komunikacji tramwajowej.
Stary tabor jest sukcesywnie wycofywany z eksploatacji (jak np. tramwaje typu 13N w Warszawie).
Niektóre pojazdy są modernizowane w większym (ze
zmianą wyglądu zewnętrznego i dostosowaniem do
potrzeb osób niepełnosprawnych) lub mniejszym
stopniu (bez zmiany wyglądu zewnętrznego). Dzięki
środkom pomocowym z Unii Europejskiej kupowane
są nowe pojazdy. W większości są one wyprodukowane przez polskich producentów, takich jak: PESA
Bydgoszcz, SOLARIS BUS & COACH Bolechowo,
MODERTRANS Poznań czy ALSTOM-KONSTAL
Chorzów. Pojazdy te są na ogół niskopodłogowe,
jednoprzestrzenne i wyposażone w klimatyzację w
przestrzeni pasażerskiej. Co ważne posiadają udogodnienia dla niepełnosprawnych. W wybranych
miastach nowoczesne tramwaje posiadają wydzielone
miejsce do przewozu rowerów oraz automaty biletowe wewnątrz pojazdu. Niektóre modele mogą być
dwukierunkowe i posiadać superkondensatory umożliwiające rekuperację energii. Bezpieczeństwo pasażerów zapewnia monitoring pojazdu, natomiast
13
podróż wspomaga głosowy oraz wizualny system
informacji pasażerskiej.
Nowoczesny tabor kursuje także po liniach Metra
Warszawskiego. Ostatnia duża inwestycja taborowa
związana była z uruchomieniem II linii. Tabor
cechuje się przede wszystkim dużą pojemnością oraz
dobrą wymianą pasażerską. Mimo, że dużą część
taboru stanowią wagony produkcji rosyjskiej, są one
przystosowane do podróży osób niepełnosprawnych.
Jednym z podstawowych wymogów zapewnienia
komfortu
podróżujących
jest
zapewnienie
odpowiednio częstej wymiany powietrza, dlatego
pojazdy wyposażone są w odpowiedni system
wentylacji. Wysokość podłogi wagonu jest zrównana
z wysokością peronu. Podróż wspomaga głosowy
oraz wizualny system informacji pasażerskiej.
−
−
NOWE ROZWIĄZANIA W KOMUNIKACJI
MIEJSKIEJ - NOWOCZESNE SZYBKIE
TRAMWAJE I METRO
−
Dokonując analizy zmian w transporcie szynowym należy podkreślić rolę komunikacji tramwajowej. Tramwaj pozwala na szybkie przemieszczanie
się po obszarach miejskich.
−
4
W większości miast torowisko jest wydzielone, co daje przewagę środkom transportu szynowego
nad transportem drogowym, ze względu na coraz
większa kongestię w ruchu miejskim. Ostatnio obserwowany jest trend rozwoju sieci tramwajowej w
Polsce. Tramwaje kursują w 14 polskich miastach. W
dziewięciu z nich sieć tramwajowa stale jest rozwijana. W pięciu miastach na chwilę obecną budowane są
nowe linie. Nie można tego powiedzieć o konurbacji
górnośląskiej, gdzie od kilku lat likwidowane są linie
tramwajowe.
We wszystkich miastach, gdzie istnieją tramwaje prowadzone są prace rewitalizacyjne lub modernizacyjne. Na początku XXI wieku, dzięki pomocy Unii Europejskiej nastąpił znaczy rozwój sieci
tramwajowych w Polsce. W zakresie budowy nowych linii tramwajowych można wyróżnić takie miasta jak:
− Bydgoszcz, gdzie w listopadzie 2012 r. zakończono odbudowę linii tramwajowej od
przystanku Garbary do Dworca Głównego
PKP i dobudowanie odcinka do pętli Rycerska; w październiku 2013 r. podpisano umowę na budowę linii tramwajowej do Fordonu
(od pętli Wyścigowa),
− Częstochowa, gdzie we wrześniu 2012 roku
zakończono budowę linii tramwajowej od
przystanku Estakada do pętli Stadion Raków,
− Elbląg, gdzie systematycznie sieć jest
rozbudowywana,
14
−
−
Gdańsk, gdzie w 2012 roku otwarto trasę od
przystanku Brama Wyżynna przez pętlę
Chełm Witosa (2007) do pętli Łostowice
Świętokrzyska; we wrześniu 2015 roku ma
być oddany do użytku kolejny odcinek – od
pętli Siedlce do przystanku Pomorskiej Kolei
Metropolitalnej Brętowo,
Kraków, gdzie w 2010 roku oddano odcinek
od przystanku Rondo Grzegórzeckie do pętli
Mały Płaszów, a w 2012 roku otwarto trasę
od przystanku Kobierzyńska do pętli Czerwone Maki; na uwagę zasługuje także budowa tunelu Krakowskiego Szybkiego Tramwaju między przystankiem Rondo Mogilskie
a pętlą Dworzec Towarowy; w 2015 roku ma
być oddany do użytku kolejny odcinek – od
pętli Dworcowa do przystanku Lipska,
Olsztyn, gdzie tramwaje istniały do 1965 roku; w roku 2012 rozpoczęto odbudowę sieci
tramwajowej – planowany termin zakończenia inwestycji to 2015 rok,
Poznań, gdzie w 2012 roku otwarto trasę od
przystanku Marcinkowskiego przez pętlę
Osiedle Lecha (2007) do pętli Franowo, a w
2013 roku przedłużenie Poznańskiego Szybkiego Tramwaju od przystanku Most Teatralny do przystanku Dworzec Zachodni,
Toruń, gdzie w 2014 roku zakończono budowę linii tramwajowej od przystanku Sienkiewicza do pętli Uniwersytet,
Warszawa, gdzie w 2014 roku zakończono
budowę linii tramwajowej od przystanku Zajezdnia Żoliborz do pętli Tarchomin Kościelny, a w 2015 roku otwarto fragment linii
tramwajowej od przystanku Bemowo Ratusz
do przystanku Radiowa.
W rozwiązywaniu problemów komunikacyjnych w dużych aglomeracjach miejskich projektuje
się metro. W Polsce aktualnie metro funkcjonuje
jedynie w Warszawie ale budową podziemnej kolejki
zainteresowane jest miasto Kraków, którego studium
wykonalności ma zostać wykonane do 2017 roku
oraz Wrocław. W Warszawie do 2015 roku funkcjonowała tylko jedna linia – M1 z Kabat przez Politechnikę (1995), Centrum (1998), Ratusz (2001),
Dworzec Gdański (2003), Plac Wilsona (2005), Marymont (2006), Słodowiec (2008), do Młocin (2008).
W marcu 2015 roku otwarto drugą linię (według dokumentacji projektowej jest to trzecia linia metra)
Połczyńska – Bródno na odcinku Rondo Daszyńskiego – Dworzec Wileński. Do 2017 roku ma zostać
wybudowana część w kierunku Bemowa, natomiast
do 2020 roku w kierunku Bródna.
Alternatywą dla metra jest system premetra,
czyli tramwajów kursujących po bezkolizyjnych odcinkach. Odcinki te na etapie budowy mogą zostać
przystosowane do późniejszego włączenia w sieć
metra. Zasadniczo odchodzi się od tej koncepcji i na
bazie idei metra tworzy się trasy szybkiego tramwaju,
w których skrzyżowania z innymi drogami wykonane
są w układzie wielopoziomowym, co umożliwia
osiągnięcie wyższych prędkości poruszania się. W
Polsce istnieją dwa systemy premetra: Poznański
Szybki Tramwaj (PST) i Krakowski Szybki Tramwaj
(KST).
5
DOSTOSOWYWANIE INFRASTRUKTURY
DODATKOWEJ DO OCZEKIWAŃ PASAŻERÓW TRANSPORTU SZYNOWEGO
Jak już wspomniano w punkcie 1 i 2 istotne
znaczenie w sprawnym przemieszczaniu pasażerów i
ładunków mają zintegrowane węzły przesiadkowe w
przewozach pasażerskich i punkty przeładunkowe
typu centra logistyczne czy terminale intermodalne w
przewozach ładunków. Węzły te integrują różne
środki transportu, dzięki czemu jest możliwość zmiany środka transportu w obrębie takiego węzła.
Wymagania rynkowe, nowe standardy obsługi klienta spowodowały bardzo duże zmiany w infrastrukturze dodatkowej transportu szynowego. Dotyczy to zintegrowanych węzłów komunikacyjnych,
składających się, na ogół, z dworca kolejowego,
przystanku bądź dworca autobusowego oraz przystanków komunikacji miejskiej (tramwajowych i
autobusowych) i stacji metra. Działania dotyczą bardzo często całkowitej przebudowy dworca kolejowego. Budynki dworca są odnawiane i przywracana jest
im dawna świetność. Tak dzieje się zarówno w dużych miastach, gdzie prowadzony jest ruch kolejowy
o dużym natężeniu jak np. w Krakowie, Wrocławiu
(rys. 10), Poznaniu czy Warszawie jak i w mniejszych miastach, gdzie natężenie ruchu kolejowego
jest mniejsze jak np. w Nowym Sączu (rys. 11) czy
Kłodzku.
Co istotne budowana lub modernizowana infrastruktura dworcowa i otoczenia dworca dostosowywana jest dla pasażerów podróżujących z małym
dzieckiem, z dużym bagażem oraz dla osób o ograniczonej mobilności lub osób poruszającymi się na
wózku, np. rozwiązania ułatwiające dostanie się na
peron, zwłaszcza osób niepełnosprawnych, na modernizowanych liniach kolejowych realizowane jest
Rys. 10 - Dworzec Wrocław Główny po remoncie
Źródło: http://www.wroclaw.pl/
zazwyczaj z wykorzystaniem dźwigów osobowych.
W przypadku gdy nie zastosowano wind na schodach
umieszczane są pochylnie lub taśmy jak zastosowano
na stacji Wrocław Główny, które służą do wwiezienia bagażu z tunelu na peron.
Ponadto można zauważyć łączenie wielkopowierzchniowych
obiektów
handlowych
z dworcami kolejowymi, np. w Warszawie (połączenie CH Złote Tarasy z dworcem Warszawa Centralna) czy w Poznaniu (połączenie Poznań City Center z
dworcem Poznań Główny).
Zmiany dostosowania do oczekiwań klientów
dotyczą również przystanków tramwajowych i autobusowych. Przystanki te sukcesywnie wyposażane są
w wiaty ochronne oraz barierki zabezpieczające
przed wejściem na jezdnię, elementy ułatwiające
przemieszczanie się osobom niepełnosprawnym.
Wprowadza się nowe systemy informacji dotyczące
czasu oczekiwania i odjazdu np. tramwaju czy autobusu z danego przystanku.
6
WPROWADZANIE INNOWACJI SZANSĄ
DLA POLSKIEGO TRANSPORTU SZYNOWEGO
6.1 Potencjał innowacyjny w Polsce w zakresie
transportu szynowego
Problemy związane z wdrażaniem innowacyjnych rozwiązań na kolei w Polsce związane są z
potencjałem innowacyjnym, który musi być rozpatrywany:
1. Od strony popytowej – kolej i jej gotowość
do wdrażania innowacyjnych rozwiązań.
2. Od strony podażowej – podaż wiedzy i
rozwiązań innowacyjnych ze strony przedstawicieli nauki – instytutów badawczych i
uczelni.
Z dwoistości problemu wynika ścisły charakter koniecznej współpracy. Jednostki naukowe, które
powinny być źródłem wiedzy i rozwiązań technicznych, często istnieją i pracują w pewnym odosobnieniu od potrzeb praktycznych. Prace badawcze nie
zawsze ściśle ukierunkowane są na rozwiązywanie
konkretnych problemów systemu kolejowego w Polsce. Natomiast badania prowadzone przez ośrodki
Rys. 11 - Dworzec Nowy Sącz po remoncie
Źródło: http://budownictwo.inzynieria.com/
15
naukowe, w dużej części, są wynikiem samodzielnego dostrzeżenia problemu na kolei i rozpoznania
tematu badań przez ośrodek.
Inicjatywa, w zakresie potrzeb kolei, powinna
pochodzić od zarządców kolei, spółek kolejowych i
innych podmiotów, co znacznie zwiększyłoby efektywność prowadzonych badań i skutkowało obopólną
korzyścią. Brak ścisłej współpracy kolei związany
jest z zachowawczym podejściem kolei w pewnych
kwestiach. Kolej powinna znacznie bardziej dobitnie
artykułować swoje potrzeby oraz precyzować wymagania. Większe zaangażowanie kolei powinno obejmować:
1. Zwiększenie liczby zleceń na prace badawcze.
2. Utworzenie i ciągłe aktualizowanie hierarchicznej listy problemów i zagadnień, które powinny
być przedmiotem badań naukowych – potencjalnych rozwiązań innowacyjnych.
Wymienione podpunkty 1 i 2 są ze sobą ściśle
powiązane. Niestety, aktualnie obserwowany jest
napływ gotowych rozwiązań zagranicznych, które
wdrażane są przez koleje w Polsce, co zmniejsza
zakres prowadzonych badań. Analogicznie rozwiązania rozwijane w Polsce są transferowane poza granice
kraju. Najlepszym przykładem tego typu działań są
prace prof. Mirosławy Dąbrowy-Bajon z Wydziału
Transportu PW, które w swoim czasie znacznie wyprzedzały pod względem zaawansowania rozwiązania zagraniczne. Analogiczne rozwiązania dotyczą
systemów monitorowania stanu infrastruktury kolejowej i stanu technicznego taboru. Nowe technologie
trafiają do zagranicznych przedsiębiorstw kolejowych, omijając polskie spółki.
Z natury rzeczy resortowe instytuty badawcze
są lepiej przygotowane do prowadzenia rozwiniętych
badań nad technologiami innowacyjnymi. Dysponują
laboratoriami i torami testowymi. Ich działalność
polega głównie na rozwoju technologii. Uczelnie
wyższe działają szerzej na polu dydaktyki, muszą
więc rozwijać infrastrukturę badawczą, w tym laboratoria dostosowując je jednocześnie do wymogów
dydaktyki. Dobrym przykładem takiego działania jest
Wydział Transportu PW, który wykorzystując środki
finansowe NCBR oraz środki unijne rozwija istniejącą bazę laboratoryjną, w tym nowoprojektowane
laboratorium Organizacji Ruchu Kolejowego i Zarządzania Procesem w Transporcie Intermodalnym,
które będzie wyposażone w:
−
16
makietę kolejową z terminalem intermodalnym zintegrowaną z nowoczesnym, w pełni
automatycznym systemem sterowania ruchem kolejowym na szlakach i stacjach kolejowych wykorzystywanym do prowadzenia
ruchu na sieci kolejowej Polski.
−
oprogramowanie służące do kompleksowej
organizacji ruchu kolejowego na sieci kolejowej (konstrukcja rozkładu jazdy pociągów,
zarządzanie terminalem intermodalnym) oraz
zarządzania ruchem na sieci kolejowej.
Oprogramowanie to jest wykorzystywane
przez zarządców infrastruktury i przewoźników kolejowych w Polsce.
6.2. Przygotowanie kadr a rozwiązania innowacyjne w transporcie szynowym
Warunkiem powstawania i wdrażania rozwiązań innowacyjnych są dobrze przygotowane kadry.
Przygotowanie kadr leży w gestii:
−
−
−
sektora transportu szynowego – kierowanie
pracowników na kursy oraz studia, a także
staranna selekcja pracowników zatrudnianych pod względem ich wykształcenia, szkolenia wewnętrzne, transfer wiedzy od innych
dostawców usług kolejowych, własne komórki badawcze.
uczelni wyższych o określonym profilu naukowym, posiadających odpowiednie zaplecze dydaktyczno-laboratoryjne, kształcących
kadry zarządzające oraz podejmujące prace
rozwojowe i badawcze.
szkół średnich dających wykształcenie techniczne.
Możliwości ośrodków kształcenia kadr powinny być rozważane w aspekcie ilościowym (wystarczająca liczba miejsc dla kandydatów określona
zgodnie z zapotrzebowaniem rynku) oraz jakościowym (poziom kształcenia oraz adekwatny do potrzeb
zakres kształcenia). Przygotowanie kadr powinno być
realizowane w powiązaniu w następujących obszarach: technicznym, organizacyjnym, eksploatacyjnym, ekonomicznym, prawny.
Objęcie tak szerokiego zakresu zagadnień
można osiągnąć przez tworzenie:
−
ukierunkowanych wyłącznie na problemy
transportu szynowego międzywydziałowych
kierunków studiów, lub
− poprzez konstruowanie branżowego programu kształcenia, który koordynowałby odgórnie działania ośrodków akademickich z zapotrzebowaniem na specjalistów z dziedzin pokrewnych sektora transportu szynowego.
Próby tego typu działania podejmowane były
przez Wydział IV Nauk Technicznych PAN przy
okazji rozwijania programu budowy kolei dużych
prędkości w Polsce. Ze względu na trudności techniczne z realizacją tego programu oraz ogólny brak
spójnej wizji uwarunkowań naukowych i edukacyjnych realizacji programu, próby te nie znalazły szansy przełożenia na fazę współpracy kolei z ośrodkami
akademickimi.
Ważnym elementem wprowadzania innowacyjności jest popularność dyscyplin naukowych
związanych z problemami transportu szynowego.
Klimat polityczny, koniunktura na rynku transportowym oraz perspektywy zatrudnienia nie sprzyjają
popularności dyscyplin naukowych (a tym samym
kierunków kształcenia) związanych z sektorem transportu szynowego, zwłaszcza z koleją. Skutkuje to
negatywnymi zjawiskami takimi jak:
−
−
−
6.3. Polski przemysł a potencjał innowacyjności
Przemysł i transport szynowy to układ naczyń
połączonych. Nie można rozpatrywać ich oddzielnie,
w związku z tym uzasadnione jest poszukiwanie korelacji między poziomem innowacyjności w przemyśle a poziomem innowacyjności na kolei. Odpowiedź
na pytanie o poziom innowacyjności w przemyśle nie
jest oczywista, przy czy nie jest ona także negatywna.
W unijnej tablicy wyników innowacyjności z 2013 r.
państwa członkowskie zostały podzielone na cztery
grupy:
−
−
−
−
−
spadek popularności kierunków kształcenia
związanych z koleją.
pogorszeniem się jakości kształcenia związanej z pewnego rodzaju „negatywną” selekcją
kandydatów.
spadkiem prestiżu zawodu „kolejarza”.
Kontrprzykładem dla tego trendu jest program budowy dróg ekspresowych i autostrad, który –
chociaż nie pozbawiony wad – widoczny jest w mediach oraz w skutkuje nowymi inwestycjami drogowymi, które silnie oddziałują na poczucie wzrostu
jakości życia. Takie działanie przyciąga studentów,
którzy decydują się na kształcenie związane z transportem drogowym i infrastrukturą drogową (co potwierdzają obserwacje poczynione na Politechnice
Warszawskiej oraz na Politechnice Wrocławskiej) i
wynikający z tego rozwój bazy naukowej.
−
Unijna tablica wyników innowacyjności opiera się obecnie na 24 wskaźnikach, które są pogrupowane w trzy główne kategorie i osiem wymiarów:
liderzy innowacji: Szwecja, Niemcy, Dania i
Finlandia – to kraje osiągające wyniki znacznie powyżej średniej UE;
kraje doganiające liderów: Holandia, Luksemburg, Belgia, Wielka Brytania, Austria,
Irlandia, Francja, Słowenia, Cypr i Estonia –
wszystkie osiągnęły wynik powyżej średniej
UE;
umiarkowani innowatorzy: Włochy, Hiszpania, Portugalia, Czechy, Grecja, Słowacja,
Węgry, Malta i Litwa – wyniki poniżej średniej UE;
innowatorzy o skromnych wynikach: wyniki w Polsce, na Łotwie, w Rumunii
i Bułgarii są znacznie niższe od średniej
UE.
−
„warunki podstawowe” – podstawowe elementy, które umożliwiają innowacje (zasoby
ludzkie, otwarte, doskonałe i atrakcyjne systemy badań oraz finansowanie i wsparcie);
„działalność przedsiębiorstw” – kategoria
odzwierciedlająca
wysiłki
europejskich
przedsiębiorstw w zakresie innowacji (ich
inwestycje, powiązania i przedsiębiorczość,
aktywa intelektualne); oraz
„produkty”, które pokazują, jak innowacje
przekładają się na korzyści dla całej gospodarki (innowatorzy i skutki gospodarcze, w
tym zatrudnienie).
Najbardziej innowacyjne kraje UE wykazują
pewną liczbę wspólnych mocnych stron w zakresie
krajowych systemów badań i innowacji, wśród których znajduje się kluczowa rola innowacyjnej przedsiębiorczości i szkolnictwa wyższego. Sektory gospodarki wszystkich liderów innowacji osiągają bardzo wysokie wskaźniki nakładów na badania naukowe i rozwój oraz przodują w składaniu wniosków
patentowych. W krajach tych istnieje również dobrze
rozwinięty sektor szkolnictwa wyższego oraz ścisłe
powiązania między przemysłem i nauką.
Istnieją oczywiście przykłady pozytywne
rozwoju innowacji na rynku kolejowym. Firma Voestalpine TENS Sp. z o.o. jest firmą inżynierską,
nastawioną na stały rozwój, postęp techniczny i organizacyjny, innowacyjność. Firma współpracuje z
wieloma ośrodkami naukowymi i instytutami badawczymi, a także bierze czynny udział w konferencjach
naukowych i publikuje swoje rozwiązania problemów technicznych i naukowych. Firma proponuje
rozwiązania m.in. z zakresu: diagnostyki na potrzeby
utrzymania i produkcji taboru, detekcji stanów awaryjnych w taborze podczas jazdy, systemów automatycznego rozrządzania i technik rozjazdowych.
Firma wdrożyła rozwiązania na polskich kolejach, takie jak np. stanowisko diagnostyczne do
ważenia i pomiaru nacisków lokomotyw i wagonów
TENSAN zamówione przez Spółka PKP CARGO
TABOR – KARSZNICE Sp. z o.o.
Innym pozytywnym przykładem może być
współdziałanie Instytutu Kolejnictwa zaangażowanego w testy pociągów Pendolino. W ramach testów
7
WNIOSKI
Wymagania rynkowe i nowe standardy obsługi klienta nakładają na transport szynowy wymóg
dostosowania się do potrzeb i oczekiwań klienta.
Rozwój transportu lotniczego w zakresie komunikacji
krajowej oraz rozwój prywatnych przewoźników
17
autobusowych wymusił na transporcie kolejowym
wejście w fazę gruntownego rozwoju. Zmiany
dotyczą wszystkich obszarów działalności.
Działania podejmowane przez transport szynowy w ostatnich latach skupiają się przede wszystkim na dostosowaniu oferowanych usług do oczekiwań rynku. Wymaga to od decydentów transportu
szynowego wykorzystania innowacyjnych rozwiązań
umożliwiających projektowanie nowoczesnej infrastruktury, stosowanie technologii informatycznych
wspomagającej podejmowanie decyzji w różnych
obszarach funkcjonowania oraz efektywnej alokacji
dostępnych zasobów finansowych. Wszystkie działania sektora transportu szynowego powinny prowadzić
do:
−
−
−
−
−
zapewnienia konkurencyjności kolei w wybranych segmentach przewozów,
podnoszenia jakości obsługi klientów przez
przewoźników kolejowych,
szybszej i efektywniejszej modernizacji infrastruktury transportu szynowego oraz wymiany taboru na nowoczesny,
dostosowywanie infrastruktury dodatkowej
do nowych trendów i oczekiwań użytkowników tego sektora, np. zintegrowane węzły
przesiadkowe zapewniające integrację różnych środków transportu,
wprowadzania nowoczesnych rozwiązań w
komunikacji miejskiej np. z zastosowaniem
nowoczesnych szybkich tramwajów czy metra.
Wymagania rynkowe, nowe standardy obsługi klienta spowodowały bardzo duże zmiany w infrastrukturze dodatkowej transportu szynowego, np.
powstawanie zintegrowanych węzłów komunikacyjnych. Działania w tym zakresie dotyczą bardzo często całkowitej przebudowy dworca kolejowego i jego
otoczenia. Infrastruktura staje się bardziej przyjazna
dla pasażerów podróżujących z małym dzieckiem, z
dużym bagażem oraz dla osób o ograniczonej mobilności lub osób poruszającymi się na wózku. Następuje łączenie wielkopowierzchniowych obiektów handlowych z dworcami kolejowymi, np. w Warszawie
(połączenie CH Złote Tarasy z dworcem Warszawa
Centralna) czy w Poznaniu (połączenie Poznań City
Center z dworcem Poznań Główny).
18
Bibliografia
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
Bałuch H. i in.: Leksykon terminów kolejowych.
Warszawa, 2011.
Coase R.: The Problem of Social Cost. Journal of
Law and Economics, 1960, nr 3, s. 1-14.
Główny Urząd Statystyczny: Transport. Wyniki
działalności w 2013 r. Warszawa, 2014r.
Jacyna M., Basiewicz T., Gołaszewski A.:
Parametry infrastruktury transportu dla tworzenia
modelu systemu logistycznego w Polsce. Problemy
Kolejnictwa, 2012, z. 154, str. 5-26.
Jakubowski L.: Technologia prac ładunkowych.
Warszawa, 2009.
Keller D.: Dzieje kolei w Polsce. Rybnik, 2012.
Krukowski P., Olszewski P., Wapniarski M.:
Wskaźniki oceny węzłów przesiadkowych. Dostępny
on-line: http://www.niches-transport.org/.
Korzhenevych A.: Update of the Handbook on
External Costs of Transport. Londyn, 2014.
PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.: Program budowy
linii dużych prędkości w Polsce. Uwarunkowania
społeczne i ekonomiczne. Warszawa, 2010 r.
PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.: Raport roczny
2013. Warszawa, 2014 r.
Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa
i Gospodarki Morskiej z dnia 9.10. 2012 r. w
sprawie
planu
zrównoważonego
rozwoju
publicznego transportu zbiorowego w zakresie sieci
komunikacyjnej
w
międzywojewódzkich
i
międzynarodowych przewozach pasażerskich w
transporcie kolejowym (Dz. U. 2012, poz. 1151).
Smolana A., Dyląg W.: Koncepcja i realizacja
modernizacji
lokomotywy
ST-44.
Technika
transportu szynowego, 2005, nr 9, s. 9 – 12.
Stiasny M., Danyluk Z.: Atlas sieci tramwajowych
Polski 2014. Rybnik 2013.
Terczyński P.: Zmodernizowana lokomotywa SM42
typu 6Dg PKP Cargo. Świat kolei, 2011, nr. 1, s.1213.
Ustawa z dnia 15 listopada 1984 r. Prawo
przewozowe (Dz. U. 1984, nr 53, poz. 272, z późn.
zm.).
Ustawa z dnia 16 grudnia 2010 r. o publicznym
transporcie zbiorowym (Dz. U. 2011, nr 5, poz. 13, z
późn. zm.).
http://metro.waw.pl/
http://pl.wikipedia.org/wiki/EN57
http://pl.wikipedia.org/wiki/Pafawag_4E/HCP_303E
http://pl.wikipedia.org/wiki/Pesa_Swing
dr hab.inż. Adam Szeląg, prof. PW
doc. dr inż. Tadeusz Maciołek
Politechnika Warszawska
Rozwiązania techniczne w układach zasilania poprawiające
efektywność energetyczną transportu szynowego
W artykule przedstawiono zagadnienia dotyczące zużycia energii przez transport
zelektryfikowany. Omówiono wpływ różnych czynników decydujących o efektywności energetycznej transportu. Podkreślono rozwiązania techniczne stosowane w
celu zmniejszenia zużycia energii transporcie poprzez zmniejszenie strat przesyłowych i przetwarzania, a w szczególności zwiększające wykorzystanie energii hamowania odzyskowego. Główny nacisk położony został na tematykę zastosowania
falowników w podstacjach trakcyjnych w celu przesyłu nadwyżkowej energii hamowania odzyskowego do sieci prądu przemiennego. Omówiono uwarunkowania
tego rozwiązania, przedstawiono wyniki przeprowadzonych w studium przypadku
analiz oraz zasygnalizowano problemy, z jakimi mogą spotkać się operatorzy systemów transportu elektrycznego przy wdrażaniu tego typu rozwiązania.
1. Zużycie energii przez elektryczne pojazdy
trakcyjne
Ruchowi pojazdu przeciwstawiają się zewnętrzne siły
- opory trakcji (ruchu) W będące sumą tzw. zasadniczych (podstawowych) Wv (niezależnych od trasy) i
oporów lokalnych (dodatkowych) Ws., które występują
na pewnych odcinkach trasy lub w pewnych określonych warunkach środowiskowych. Aby utrzymać ruch
pojazdu ze stałą prędkością napęd pojazdu musi wytworzyć siłę trakcyjną równoważącą opory trakcji.
Zużycie energii Etr elektrycznej pobranej z sieci
zasilającej dla pojazdów sieciowych (lub ze źródła
energii na pokładzie w pojazdach autonomicznych) na
potrzeby trakcyjne (pojazd pobiera również z sieci
energię En na potrzeby nietrakcyjne, urządzenia własne
i pomocnicze) w poszczególnych fazach ruchu
możemy wyznaczyć z następujących zależności:
- dla fazy rozruchu Etr
Etr = tr ·Pmsrr /ηsrr
(1)
gdzie: Pmśrr – moc mechaniczna średnia rozwijana na
kołach w okresie rozruchu, ηsrr - średnia sprawność
przetwarzania energii elektrycznej w energię mechaniczną ‘na kołach’ w pojeździe w okresie rozruchu, tr
– czas rozruchu;
- dla fazy jazdy z prędkością ustaloną Etu:
Etu = tu Pmu/ηsru
(2)
gdzie: Pmu – moc mechaniczna średnia rozwijana na
kołach w okresie jazdy z prędkością ustaloną
(v = const), tu – czas jazdy z prędkością ustaloną, ηsru średnia sprawność przetwarzania energii elektrycznej
w energię mechaniczną ‘na kołach’ w pojeździe w
trakcie jazdy z prędkością ustaloną,
-
w fazie wybiegu: brak poboru energii na potrzeby trakcyjne,
- w fazie hamowania:
gdy stosowane jest hamowanie odzyskowe istnieje
możliwość odzyskania energii – przetworzenie energii
mechanicznej na elektryczną Eo (praca generatorowa
maszyny elektrycznej, pod warunkiem, że znajdzie się
odbiór tej energii – inny pojazd pobierający prąd z
sieci lub zasobnik energii, w innym przypadku ta
energia zostanie wytracona w rezystorze hamowania):
Eo = ½ mp (vp2 - vk2) · ηo
(3)
gdzie: vp – prędkość początku hamowania odzyskowego, vk – prędkość końca hamowania odzyskowego, ηo
- średnia sprawność przetwarzania energii mechanicznej w elektryczną w trakcie hamowania elektrycznego.
Jeśli czas hamowania wynosi th, to średnia moc hamowania wyniesie: Psrh = Eo/th, zakładając zmienność
tej mocy od Phmax do 0 w czasie th, wtedy Phmax = 2
Pśrh.
Całkowite zużycie energii na potrzeby trakcyjne w
danym cyklu jazdy pojazdu trakcyjnego wyniesie zatem:
(4)
Et = Etr+Etu-Eo
19
Energię na potrzeby nietrakcyjne En można wyznaczyć
wykorzystując średnią moc potrzeb nietrakcyjnych
Pnsr dla cyklu jazdy:
(5)
En = Pnsr (tr+tu+tw+th)
gdzie: tw- czas jazdy z wybiegu (wybiegiem).
Parametrem charakteryzującym energochłonność pojazdów trakcyjnych jest jednostkowe zużycie energii
jze podawane w [Wh/btkm] lub [kWh] na [brutto tonokm] – (najbardziej ogólne) lub dla pojazdów pasażerskich w [Wh/(1000 pasażerokm)] albo (dla jednostek trakcyjnych i tramwajów) w [Wh/wozokm]. Jednostkowe zużycie energii może być podawane z
uwzględnieniem lub nie energii potrzeb nietrakcyjnych En. Wyznacza się je wykorzystując dane dotyczące: całkowitej zużytej energii Ec=Etr+En), długości
trasy L i masy brutto m (lub liczby pasażerów, liczby
wozów). Poniżej podany jest wzór dla przypadku wyznaczania jze tylko na cele trakcyjne:
jze = Ec/(m L) [Wh/btkm]
(6)
2. Metody zmniejszenia zużycia energii w transporcie elektrycznym
2.1 Metody zmniejszania zużycia energii na cele
trakcyjne pojazdu [4,9,10,14,18,19,24, 26,27,28]
Zmniejszanie oporów ruchu można przeprowadzać na
etapach:
- konstrukcji taboru (zmniejszenie masy i nacisku na
oś, stosowanie łożysk tocznych, uresorowanie, stosowanie wózków miękko wpisujących się w łuki, tabor z
wychylnym pudłem, opływowe kształty, budowa pociągów zespołowych zamiast lokomotywowych)
- budowy trasy (likwidacja łuków, odpowiednie profilowanie, tor bezstykowy eliminacja rozjazdów),
- eksploatacji taboru (regulacja hamulców, odpowiednie smarowanie części ciernych i zestawów kołowych, prawidłowe ciśnienie w kołach pojazdów
drogowych, kontrola owalizacji kół, jazda z prędkością zbliżoną do średniej i wg zadanego, optymalnego
dla trasy profilu prędkości, zapełnienie wagonów,
prawidłowe zestawianie składów i stosowanie wagonów krytych, zamykanie drzwi i okien, wyłączanie
pracujących na jałowo urządzeń w taborze) i trasy
(smarowanie szyn na łukach, wymiana uszkodzonych i
zużytych szyn).
2.2 Oszczędności w układach przesyłu i przetwarzania energii
Układ zasilania pojazdów w energię elektryczną jak i
obwód główny mają istotny wpływ na sprawność dostawy
i
przetwarzania
energii
elektrycznej
[10,21,22,23,24,25]. Podstawę stanowią straty przesyłowe, uzależnione od pobieranych prądów i rezystancji obwodów oraz straty w układach przetwarzania
energii elektrycznej, które w ostatnich latach mają
20
charakter energoelektronicznych układów łączeniowych. Od dawna w celu zmniejszenie strat przesyłowych zwiększano napięcie sieci trakcyjnej oraz
zmniejszano rezystancję w obwodzie zasilania poprzez
stosowanie:
• odpowiednich schematów zasilania (zasilanie
dwustronne, stosowanie połączeń poprzecznych),
• większych przekrojów sieci trakcyjnej czy
zmianę stosowanych materiałów (np. szyna o
zmniejszonej rezystancji, stalowo-aluminiowa
w metrze),
• poprawę charakterystyki źródła zasilania (zespoły o większej liczbie pulsów, wyższe napięcie zasilania podstacji).
2.3 Zwiększenie wykorzystania energii hamowania
odzyskowego
Zastosowanie maszyny elektrycznej do napędu pojazdu pozwala wykorzystać możliwość jej pracy w trybie
silnikowym i generatorowym w trakcie hamowania
elektrycznego.
Z historii rozwoju trakcji elektrycznej wiadomo, że
hamowanie elektryczne zaczęto stosować na liniach o
znacznych profilach w celu zapewnienia efektywności
hamowania i zmniejszenia zużycia hamulców mechanicznych, odzysk energii nie był wtedy istotny. W
przypadku pracy w tunelach, hamowanie odzyskowe
wpływa także pozytywnie na utrzymanie stałej temperatury, na skutek mniejszego użycia hamulców mechanicznych (np. klimatyzacja w metrze). Odzyskiwanie energii mechanicznej w trakcie hamowania
pojazdu jest obecnie rozwiązaniem powszechnie wykorzystywanym
w
napędach
elektrycznych
[2,11,12,16,24].
Hamowanie odzyskowe daje w efekcie mniejsze zużycie energii, ale w przypadku rzadkich zatrzymań
oszczędności ze stosowania hamowania odzyskowego
nie będą zbyt wielkie (ok. kilku procent). Z kolei każde dodatkowe zatrzymanie na trasie zmniejsza nie
tylko średnią prędkość, ale powoduje wzrost zużycia
energii. Ponadto warunkiem uzyskania oszczędności
jest, aby w pobliżu hamującego odzyskowo pociągu
znajdował się pociąg pobierający energię w tym samym czasie.
W trakcji kolejowej ze względu na znaczne odstępy
między pociągami i nieregularny ruch dość często
zdarzają się przypadki, że rekuperowana energia z
hamującego pojazdu nie jest odbierana przez inny
pojazd. Wynika to również z faktu, że rozruch lub
jazda z poborem dużej energii trwają bardzo krótko w
stosunku do całkowitego czasu przejazdu. Długość
odcinków sekcyjnych oraz ograniczenie poziomów
napięć w praktyce wyklucza wykorzystanie odzyskiwanej energii przez pociągi znajdujące na tej samej
linii, ale daleko od pociągu hamującego.
Zwiększenie efektywności hamowania odzyskowego
uzyskuje się przez:
•
umożliwienie wymiany pomiędzy pojazdami
(odpowiedni rozkład jazdy, sterowanie zorientowane na wymianę energii pomiędzy pojazdami),
• zasobniki energii na pojazdach i w układzie
zasilania [1,2,5,11,12,16,27,28].
• falowniki w podstacjach prądu stałego
[3,6,7,8,11,13,15,17,20,25,27,28].
Przewidywanie rodzaju rozwiązania, celowości zastosowania, umiejscowienia ewentualnych zasobników/falowników energii nie jest możliwe bez przeprowadzenia szczegółowych analiz technicznych,
ekonomicznych dla określonych przypadków. Rozwiązaniem korzystnym technicznie – szczególnie dla
lokomotyw byłoby zastosowanie pokładowego zasobnika energii, który wspomagałby każdy kolejny rozruch po fazie hamowania. Oddzielnym zagadnieniem
pozostaje analiza ekonomiczna takiego rozwiązania.
Wykorzystanie np. superkondensatorów, jako pojazdowych zasobników energii, w sposób istotny zwiększa efektywność rekuperacji energii szczególnie w
przypadku pojazdów o krótkich odcinkach między
zatrzymaniami. W przypadku zasobników stacjonarnych dołączonych do układu zasilania sieci trakcyjnej
nie nastąpi tak duża poprawa efektywności energetycznej. Znaczna część energii powstającej podczas
hamowania nowoczesnego napędu zasilanego z sieci
trakcyjnej jest przekazywana bezpośrednio do sieci
trakcyjnej. Możliwości przyjmowania energii przez
sieć nie są jednakowe w każdych warunkach. Zależą
one między innymi od liczby pojazdów i ich chwilowego stanu pracy. W przypadku trolejbusów, które
charakteryzują się wyższymi oporami ruchu, sytuacje,
w których prostownikowe podstacje i sąsiednie pojazdy nie są w stanie odebrać energii od hamującego
pojazdu, zdarzają się rzadziej niż w przypadku tramwajów, metra czy kolei. Wysokie ceny zasobników w
połączeniu z niską gęstością ruchu pojazdów sprawiają, że ich stosowanie, tylko w celu poprawy efektywności związanej z gromadzeniem energii powstałej
podczas hamowania, może być nieopłacalne lub przynosić zwrot dopiero po bardzo długim okresie użytkowania. Wyznaczenie warunków granicznych opłacalności wymaga dokładnych analiz prowadzonych
dla konkretnych rozwiązań technicznych zasobników
jak i pojazdów oraz ich ruchu w obszarze zasilania.
Dostarczanie energii do pojazdów za pomocą sieci
trakcyjnej jest zagadnieniem złożonym. Istnieje wiele
czynników mających wpływ na jakość dostarczanej
energii oraz możliwości jej swobodnego przepływu od
podstacji do pojazdu i z pojazdu do podstacji. Istotną
rolę w tym zagadnieniu pełni zdolność podstacji do
odbierania energii powstającej podczas hamowania,
obecność innych pojazdów na tym samym odcinku
zasilania oraz rezystancja elementów obwodów zasilania. Każdy z tych elementów ma znaczący wpływ na
powstawanie strat.
Zasobnik energii elektrycznej stosowany do gromadzenia energii (głównie nadmiarowej, pochodzącej od
hamujących odzyskowo pojazdów o napędzie elektrycznym) w celu ponownego wykorzystania zwiększa
efektywność hamowania odzyskowego i zmniejsza
zużycie energii oraz obciążenie systemu zasilania.
Stosowany jest w pojazdach trakcyjnych i w podstacjach trakcyjnych, szczególnie trakcji miejskiej prądu
stałego o niskim napięciu (jako zasobniki stosowane
są: akumulatory, zasobniki wirujące – bezwładniki,
superkondensatory). Zastosowanie zasobnika w pojeździe zapewnia pełne wykorzystanie energii hamowania. Eliminuje straty na jej przesył poprzez sieć trakcyjną. Mankamentem jest jednak ograniczenie masy
zasobnika. W przypadku pojazdów następuje wzrost
masy własnej co prowadzi do dodatkowych strat energii na transport zwiększonej masy. Zastosowanie zasobnika w podstacji trakcyjnej nie jest ograniczone
dopuszczalną masą. Związane jest jednak ze stratami
na przesył energii. Straty te są tym większe im dalej
od podstacji znajdzie się hamujący pojazd trakcyjny.
3. Zastosowanie falowników w podstacjach trakcyjnych
W trakcyjnych układach zasilania, charakteryzujących
się gęstym ruchem, energia pochodząca z hamowania
odzyskowego jest przekazywana przede wszystkim do
innych pojazdów. Niestety, nie zawsze sieć jest receptywna, co oznacza, że w chwili możliwości przekazania energii hamowania, nie ma na nią zapotrzebowania
(żaden pociąg nie pobiera energii). Takie przypadki
stanowią główną podstawę do stosowania przekształtnikowych podstacji trakcyjnych, które wykorzystują
energię pochodzącą z hamowania pociągów. Ocena
celowości zastosowania falownika w podstacji wymaga wcześniejszego przeprowadzenia analiz technicznych i ekonomicznych.
W przypadku analizy technicznej należy uwzględnić
szereg czynników wpływających na funkcjonowanie
falownikowej podstacji trakcyjnej, są nimi m.in.:
• zaprojektowanie
podstacji
trakcyjnej
z
uwzględnieniem uwarunkowań (czy to podstacja
nowa czy istniejąca, czy węzłowa czy szlakowa,
jaki ruch jest prowadzony w obszarze podstacji)
w celu uzyskania odpowiednio wysokiej
efektywności energetycznej
odzysku przy
względnie małej liczbie przekształtników,
• algorytmu
sterowania
i
charakterystyk
przekształtników, ma to wpływ na parametry
takie jak: receptywność układu, współczynnik
mocy i zawartość wyższych harmonicznych w po
stronie AC oraz ew. prądy wyrównawcze w
obwodzie prostownik-falownik,
• harmoniczne w systemie zasilającym - zarówno
falowniki jak i prostowniki powodują powstawanie wyższych harmonicznych po stronie AC i
DC.
21
•
zapotrzebowanie mocy po stronie AC, wskazane jest, aby po stronie AC istniała możliwość poboru całej energii hamowania odzyskowego, jaką jest w stanie przesłać falownik,.
Wykorzystanie falownika wiąże się teoretycznie z
wysoką efektywnością odzyskiwania energii hamowania pociągów. Należy jednak mieć na uwadze straty
wynikające z dostawy energii z SE i jej przetwarzania
w podstacji. Ilość energii i sprawność procesu odzyskanie – wykorzystanie energii jest porównywalna z
układem wykorzystującym zasobnik z superkondensatorami o bardzo dużej pojemności. Podstawowym
warunkiem efektywnej pracy falowników jest obecność odbiorów po stronie prądu przemiennego pobierających wystarczająco dużą moc (gdyż w tym układzie nie ma możliwości gromadzenia energii). Drugim
warunkiem efektywnego wykorzystania dostępnej w
systemie DC nadwyżkowej energii hamowania jest
wystarczająca moc maksymalna falownika. Moc ta
jest wyznaczana po określeniu mocy odzyskiwanej z
pojazdów, a możliwej do dostarczenia do podstacji w
da-nym kroku czasowym analizy i:
Jeżeli Ppi >0 Pfi = Ptpi
Jeżeli Ppi ≤0 Pfi = 0
(7)
(8)
gdzie:
Ppi – moc energii docierającej do podstacji w kolejnych krokach czasowych i
Pfi – wymagana moc falownika w kolejnych krokach
czasowych .
Poniżej przedstawiona jest zależność do wyznaczania
wymaganej mocy falownika Pf1
P
f1
= Max{P fi}
i =m
i =1
(9)
Ilość energii Ef1i transferowana do SE AC w każdym
kroku i jest wyznaczana jako wartość uwzględniająca
sprawność falownika.
Jeżeli Eri >0 Ef1i = Eri · ηf1
(10)
Jeżeli Eri ≤0 Ef1i = 0
(11)
gdzie:
Eri – ilość energii w podstacji pochodząca z hamowania odzyskowego
ηf1 - sprawność falownika
Energia przetransferowana Ef1 w trakcie okresu jednego analizowanego rozkładu jazdy jest równa sumie
energii po uwzględnieniu sprawności elementów systemu.
E
i=m
fl
= ∑ E fli
i =1
(12)
Obniżenie mocy falownika Pfj i transformatora w stosunku do wartości maksymalnej Pf1 zmniejszy ilość
przetransferowanej energii.
Moc ta Pfj jest określona jako część Opj mocy maksymalnej Pf1.
22
(13)
Pfj= Pf1· Opj
gdzie:
Pfj – moc maksymalna kolejnych wielkości falowników.
j- zmienna symboliczna opisująca kolejne zasobniki,
Opj < 1.
W trakcie obliczeń dla każdego kroku czasowego i
wyznaczana jest moc Pfji , która jest ograniczana przez
moc maksymalną falownika j:
Jeżeli Ppi > Pfj to Pfji = Pfj
(14 )
Jeżeli Ppi ≤ Pfj to Pfji = Ppi
(15)
Ilość energii transferowana do systemu prądu przemiennego w każdym kroku czasowym wyznaczana
jest jako wartość uwzględniająca sprawność falownika
j:
Efji = Eri ·ηfj
(16)
gdzie:
ηfj - sprawność falownika j i dołączonego do niego
transformatora.
Energia przetransferowana do systemu AC Efj w przypadku falownika j w trakcie okresu jednego rozkładu
jazdy jest równa sumie energii po uwzględnieniu
sprawności elementów systemu (równanie (12) analogicznie jak dla falownika o maksymalnej mocy) .
W wyniku analizy technicznej można oszacować możliwą do odzyskania przez falownik wielkość energii,
która gdyby nie został zastosowany falownik zostałaby wytracona w rezystorach. W oparciu o analizę techniczną można przeprowadzić analizę finansową, której
wynikiem końcowym analizy jest roczny efekt finansowy wyrażony w pieniądzu, uzyskany po zastosowaniu rozwiązania oszczędzającego energię (tu
falownik) przez właściciela instalacji (ponoszącego
nakłady inwestycyjne) i jednocześnie będącego beneficjentem efektów inwestycji Wynik ten może być
dodatni lub ujemny. Dodatkowym wynikiem jest liczba lat zwrotu nakładów inwestycyjnych.
W literaturze [6,7,8,11,17,20] można znaleźć dane
techniczne istniejących rozwiązań falowników, pozwalają na określenie wymaganych parametrów technicznych możliwych do zastosowania nowych rozwiązań. Mimo praktycznie braku gotowych rozwiązań
produkowanych dla potrzeb odzysku energii w systemach 3 kV DC (poza testowanymi w RPA czy oferowanymi przez estońską firmę ESTEL falownikami
tyrystorowymi) możliwe jest oszacowanie oszczędności energetycznych. Inaczej jest z parametrami ekonomicznymi. Nie istnieją dotychczas produkowane
rozwiązania urządzeń dostosowanych do systemu 3kV
DC. Istniejąca eksperymentalna instalacja falownika
na 3kV w RPA została wykonana wiele lat temu w
technologii tyrystorowej. Obecnie stosuje się w czoperach jak i w falownikach pojazdowych zasilanych
napięciem 3 kV tranzystory IGBT.
Wyniki analiz podawane w literaturze [6,8,13,17,20,
27,28] wskazują, że ok. 10÷20 % energii pobranej z
podstacji jest ponownie przekształcana przez falowniki, w przypadku niektórych linii kolejowych zarejestrowano efektywność na poziomie 8 %.
Jest wiele czynników wpływających na bilans mocy w
systemie dostawy energii do pojazdów:
a) charakterystyka trasy:
- nachylenie,
- odległości pomiędzy stacjami,
b) organizacja ruchu:
- następstwa, masy i prędkości pociągów,
- synchronizacja czasu pomiędzy cyklem ruchu
na torach różnych kierunków ruchu,
- stosowanie lub nie jazdy z wybiegu,
- ograniczenia prędkości,
c) stosowane rozwiązania techniczne:
- charakterystyki trakcyjne i hamowania pociągów,
- rozmieszczenie podstacji i rodzaj stosowanych
prostowników (sterowane, niesterowane),
- rozmieszczenie falowników i ich charakterystyki,
- maksymalny dopuszczalny poziom napięcia
na odbieraku pociągu,
- konfiguracja układu zasilania (odległości PTPT, zasilanie 1-str., 2-str., z kabiną i bez) i rezystancje sieci zasilającej.
W oparciu o analizy wstępne oraz wyniki przeglądu
literaturowego można sformułować zalecenia dotyczące wyboru odcinków do analiz efektywności zastosowania odbiorników nadwyżkowej energii hamowania
odzyskowego. Zasadniczo należy wziąć pod uwagę
linie cechujące się:
a) ruchem dużej liczby pociągów zatrzymujących
się i wyposażonych w układy hamowania odzyskowego (zwykle odnosić się to będzie do linii
aglomeracyjnych i podmiejskich),
b) występowaniem odcinków z podhamowaniem /
hamowaniem od dużych prędkości,
c) znacznym profilem pionowym (linie górskie), bez
możliwości przekazania energii do innych pociągów (np. linie jednotorowe),
d) częstymi i krótkimi zatrzymaniami na przystankach, a nie na stacjach z długimi postojami (większe stacje z długimi postojami, tory postojowe
plus hale postojowe powodują że cała energia kierowana jest na potrzeby własne innych pociągów),
e) relatywnie małymi odległościami między podstacjami i małymi rezystancjami sieci trakcyjnej – niskie straty energii w sieciach trakcyjnych.
W jednej z przeprowadzonych w Zakładzie Trakcji
elektrycznej IME PW analiz przeprowadzono symulacje ruchu pociągów na odcinku jednotorowej linii
górskiej o profilu dochodzącym do 30 promili.
Założono rozkład jazdy (rys. 1) z następującymi rodzajami pociągów:
P1 - zespół trakcyjny o mocy 4 MW (2 x ED74),
P2 – pociąg o masie 500 t z lokomotywą 6 MW,
T1 – pociąg towarowy o masie 1250 t z lok. 6 MW.
Rys.1 Przyjęty do analiz rozkład jazdy (linia 1-torowa), kierunek
rosnącego profilu (TAM) od km 90 do 110 km.
Rys. 2 Przebieg w funkcji czasu oraz wartości średnie mocy obciążeń systemu zasilania 3 kV DC na odcinku – pobór mocy z podstacji Ppt oraz moc chwilowa pobrana przez pojazdy Ppoj, moc
rekuperacji Prek oraz moc dostarczona do falownika Pfal.
Przebieg mocy rekuperacji pojazdow Prek i mocy odbieranej przez falownik , odcinek Milowka-Zwardon
10
Pfal, Psr==0.37 MW
Prek, Psr=0.6 MW
8
6
P[MW]
4. Studium przypadku analizy efektywności energetycznej falownika w podstacji trakcyjnej 3 kV
DC
4
2
0
1000
2000
3000
4000
5000
czas[s]
Rys.3 Powiększony przebieg mocy chwilowej rekuperacji Prek oraz
mocy dostarczonej do falownika Pfal.
23
Rys.4 Napięcie w sieci trakcyjnej Usiec w funkcji miejsca położenia
pociągów.
dla niskich napięć systemu zasilania (do 1,5
kV DC) istnieją rozwiązania, które pozwalają na zastosowanie zarówno falowników
jak i zasobników energii (przede wszystkim
superkondensatorów) [1,5,7],
• dla napięcia 3 kV DC efektywnym ekonomicznie rozwiązaniem wydaje się być zastosowanie falownika do zwrotu energii do sieci energetycznej prądu przemiennego.
Stosowanie falowników w podstacjach wymaga jednak rozwiązania problemów dotyczących możliwości transferu energii do sieci AC. Znacznie prostsze to będzie, gdy operator systemu transportowego
dysponuje wewnętrzną siecią AC o odpowiedniej
zdolności odbioru energii. Gdy energia zwracana będzie do sieci lokalnego operatora systemu dystrybucyjnego (OSD) do rozwiązania będzie szereg zagadnień formalno-prawnych (np. możliwość transferu
energii z systemu transportowego, gdy operator tego
systemu nie ma formalnych uprawnień do odsprzedaży energii, zasady rozliczeń itp.) i technicznych (jakość energii – harmoniczne, wahania kierunku przepływu energii – dynamiczne przechodzenie od poboru
do krótkotrwałego oddawania dużych mocy do sieci).
Mimo tego typu trudności, dla których trzeba
będzie znaleźć rozwiązanie, wydaje się, że doświadczenia innych krajów (np. Hiszpanii) czy wprowadzona właśnie ustawa prosumencka pozwolą znaleźć satysfakcjonujący wszystkie strony kompromis. Pozwoli
to na dalsze zwiększenie efektywności energetycznej
transportu elektrycznego i zmniejszenie emisji zanieczyszczeń, coraz bardziej odczuwalnych szczególnie
w środowisku polskich miast.
Moce maksymalne Ppt i Ppoj na odcinku zasilania przekraczają 15 MW, przy średnich ich wartościach na
poziomie 2 MW (rys. 2). Moce maksymalne rekuperacji Prek przekraczały 8 MW, a moce rekuperacji Pfal na
szynach DC falownika były poniżej 8 MW, przy średnich ich wartościach odpowiednio: Prek = 0,6 MW i Pfal
= 0,37 MW. A zatem falownik byłby w stanie odebrać
ponad 60% energii hamowania odzyskowego. Z kolei
hamowanie odzyskowe stanowiło ok. 28% energii
pobranej z podstacji (w tym 17% odebranej przez falownik w PT).
Warte zwrócenia uwagi jest, że (rys.2 i 3) przebieg
mocy Prek (i odpowiednio Pfal) od ok. 1800 s czasu
symulacji traci swój impulsowy charakter, pojawiają
się dłuższe okresy oddawania energii, z tym że jest to
przede wszystkim efekt długo trwających podhamowań pociągów jadących w kierunku POWRÓT (z
góry), wynikający z dużego spadku trasy. Stanowi to
Literatura
istotny argument do zainstalowania falownika na tym
odcinku. Na rys. 4 przedstawiono przebiegi napięć na
odbierakach Usiec w funkcji położenia pociągów. Za- 1. ABB Review. ENVILINE™ ESS Energy Storage System
for DC rail transportation. ABB. edition ABB Review.
uważalne są dłuższe odcinki czasu hamowania odzySEPTA’s (Southeastern Pennsylvania Transit Authorskowego (napięcia powyżej 3500 V).
ity) Wayside Energy Storage Project. ABB. edition
6. Podsumowanie
Biorąc pod uwagę aktualny stan zaawansowania i rozwiązań dla systemów, które mogłyby zostać
zastosowane w trakcji elektrycznej można stwierdzić
że:
• w trakcji elektrycznej prądu przemiennego ze
względu na charakter stosowanego zasilania i
dłuższe zasilane odcinki nadwyżkowa energia
hamowania (ta, której nie są w stanie odebrać
pociągi) może zostać przesłana bezpośrednio do
sieci zasilającej AC,
• z kolei w systemie prądu stałego DC, dla którego zgodnie z TSI dla kolei w Europie dla podsystemu Energia stosowanie urządzeń do stosowani hamowania odzyskowego jest zalecane, ale
nie obowiązkowe:
24
06.2014
Barrero R., Tackoen X., Van Mierlo J.- Improving energy efficiency in public transport: stationary supercapacitor based energy storage systems for metro network, IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference
(VPPC), September 3-5, 2008, Harbin, China
3. Dolecek R., Dobrovolny M. – Traction converting substation from viewpoint of feeding interlocking plant At
Czech Railways..Traction Substation, Advances in
Electrical and Electronic Engineering, 2008
4. Durzyński Z.-Podstawy metody wyznaczania parametrów energooszczędnej jazdy pojazdów trakcyjnych na
obszarach aglomeracyjnych., Pojazdy Szynowe,
3/2011, s.1-5.
5. Hamacek Š., Bartłomiejczyk M., Hrbáč R., Mišák S.,
Stýskala V. Energy recovery effectiveness in trolleybus
transport. Electric Power Systems Research, Vol. 112,
2014, p. 1-11.
2.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
Henning P. H., Fuchs H. D., le Roux A. D., Mouton H.
Du T. – A 1,5 MW Seven_Cell Series Stack Converter
as an Active Power Filter and Regeneration Converter
for a DC Traction Substation. IEEE Trans. On Power
Electronics, vol. 23, no 5. Sept. 2008
Hesop
All
in
one
Energy&Cost
Saver,
TRANS/PRSHT/TGS.HESOP/EN/01.2014/FR
ALSTOM 2014.
Jang S., Choi C., Bae C., Song S., Won C.; Study of
regeneraton Power control inverter for DC traction
with active power filter ability, Industrial Electronics
Society, 2005. IECON 2005. 31st Annual Conference
of IEEE 6-10 Nov. 2005
Jarzębowicz L., Judek S., Karwowski K., Lipiński L.,
Miszewski M. - Kompleksowa analiza symulacyjna
układu napędowego zespołu trakcyjnego. Czasopismo
Techniczne. Elektrotechnika, 108, 2011, s. 121-131.
Jefimowski W. - Analiza porównawcza zużycia energii
przez pociągi dużych prędkości w zależności od
stosowanego systemu zasilania. TTS
Technika
Transportu Szynowego 1-2/2014, s. 48-51,64
Konishi Takeshi, Tobito Masahiro - Fixed Energy
Storage Technology Applied for DC. Electrified
Railway (Traction Power Substation). Electrical
Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion
(ESARS), Bologna 2012
Maciołek T., Drążek Z. - Zasobnik energii w tramwaju
zmniejszający
zużycie
energii. TTS
Technika
Transportu Szynowego 11/2004, s. 54-57.
Mellitt B., Mouneimne Y.S., Goodman C.J.Simulation
study of DC transit szstems with inverting substations,
Proc. IEE Pt. B, No 2, vol. 131, pp. 38-50 ,March
1984
Mierzejewski L.,Szeląg A. - Zagadnienia racjonalizacji
zużycia
energii
elektrycznej
w
systemie
zelektryfikowanego transportu kolejowego. TTS
Technika Transportu Szynowego 8/2001, s. 39-48.
Mierzejewski L., Szeląg A.- Funkcjonowanie systemu
elektroenergetyki trakcyjnej prądu stałego w
warunkach eksploatacji taboru z rekuperacją
energii. TTS Technika Transportu Szynowego 6/2001,
s. 43-51.
Pawełczyk M.: Rozwój systemów wykorzystujących
akumulację energii w transporcie szynowym. Pojazdy
Szynowe 2/2011, s.14-19.
17. Randewijk P.J., Enslin HR J.- Inverting DC Traction
Substation with Active Power Filtering Incorporated,
IEEE, 1995; pp 360-366
18. Rawicki S. - Semi-automatic control of tram vehicle
with intent to attain minimum electric energy
use, Przegląd Elektrotechniczny 7/2009, pp. 159-162.
19. Rawicki, S. - Energooszczędne przejazdy pojazdów
tramwajowych z silnikami indukcyjnymi przy zakłóceniach płynności ruchu i złożonym profilu trasy.
Przegląd Elektrotechniczny 7a/2012, s. 235-241.
20. Suzuki T., DC-power supply system with inverting
substations for traction systems using regenerative
brakes. IEE Proc., vol. 129, Pt B, No 1, January 1982
21. Szelag A., Mierzejewski L. - Modelling and verification
of simulation results in computer aided analysis of
electric traction systems. International conference on
computers in railways. COMPRAIL, 2000, Bologna.
22. Szeląg A., Maciołek T.- A 3 kV DC electric traction
system modernisation for increased speed and tra-ins
power demand-problems of analysis and synthesis.
Przegląd Elektrotechniczny 3a/2013, pp. 21-28
23. Szeląg A., Mierzejewski L. - Systemy zasilania linii
kolejowych dużych prędkości jazdy, TTS Technika
Transportu Szynowego 11/2005,s. 80-90.
24. Szelag A., Mierzejewski L. -Ground Transportation
Systems, Wiley Encyclopedia of Electrical and
Electronics Engineering (1999), USA
25. Szeląg A., Maciołek T., Drążek Z., Patoka M. Aspekty efektywności i energooszczędności w procesie
modernizacji
układów
zasilania
trakcji
tramwajowej. Pojazdy szynowe,3/2011.s. 34-42.
26. Szeląg A.- Zwiększanie efektywności energetycznej
transportu szynowego. TTS Technika Transportu
Szynowego 12/2008, s. 12-18.
27. WP4: Integrating carbon reduction in decision making
and key business processes. Business Cases,
Procurement, Financing and Capacity-Building. Ticket
to Kyoto. June 2014
28. Zrównoważone i inteligentne zarządzanie energią dla
inteligentnych systemów kolejowych w Europie:
zintegrowane
podejście
optymalizacyjne
D1.1
Najważniejsze elementy sieci kolejowej i specyfikacja
głównych podsystemów EC Contract No. FP7 –
314125 Project co-funded by the European
Commission within the Seven Framework Programme
(2007-2013). Raport 2013 r.
25
dr hab. Agnieszka Merkisz-Guranowska, prof. PP
mgr inż. Paweł Zmuda-Trzebiatowski
Politechnika Poznańska
Koszty zewnętrzne w transporcie szynowym
W artykule przedstawiono zagadnienia związane z szacowaniem kosztów zewnętrznych
w transporcie ze szczególnym uwzględnieniem transportu szynowego. Przedstawiono
wybrane wyniki badań wykorzystywanych między innymi przez instytucje europejskie
do oceny kosztów zewnętrznych generowanych przez poszczególne gałęzie transportu.
Wskazano także na nowe kategorie kosztów zewnętrznych, będące obecnie w obszarze
zainteresowania badaczy.
Wstęp
Wykorzystywanie transportu szynowego, zwłaszcza
w stosunku do transportu wyłącznie drogowego, wpisuje się w politykę zrównoważonego rozwoju. Wybór
gałęzi transportu w kontekście kosztów społecznośrodowiskowych powinien zapewniać ochronę przyrody i jej zasobów np. poprzez akceptowalną emisję
substancji szkodliwych czy hałasu, a przy tym zapewnić mobilność społeczeństwa oraz dostawy ładunków po przystępnych cenach, a także w bezpieczny sposób.
Transport drogowy jest gałęzią najbardziej konkurencyjną w realiach polskiej gospodarki. Decydujący
wpływ na to ma dostępność usług i poziom cen. Gdyby jednak uwzględnić całokształt oddziaływań, w tym
wpływ na środowisko naturalne, zdrowie ludzkie czy
generowanie kongestii, transport drogowy traci swoją
przewagę konkurencyjną. Jednym ze sposobów pełnej
oceny realizacji usług poszczególnymi gałęziami
transportu, poza czystą kalkulacją rentowności wynikającej z rachunku ekonomicznego, jest szacowanie
kosztów zewnętrznych. Kosztami zewnętrznymi
transportu są wszelkie koszty zużycia środków służących do wytworzenia usługi transportowej, które nie
są ponoszone przez producenta usługi, ale przez ogół
społeczeństwa. Do kosztów zewnętrznych wliczane
są koszty związane z negatywnymi dla środowiska
naturalnego i życia człowieka skutkami działalności
transportu, do których zalicza się przede wszystkim:
− zanieczyszczenie wody, gleby, powietrza,
− emisję gazów cieplarnianych,
− emisję hałasu,
− wypadki,
− kongestia,
− zajętość terenu i wpływ na zmiany w krajobrazie, w tym zajmowanie cennych przyrodniczo
terenów i rozcinanie ich ciągłości (fragmentacja) nowo budowanymi ciągami infrastruktury
technicznej, co przyczynia się do utraty różnorodności biologicznej, a także utrudnień w
funkcjonowaniu dotkniętych tym oddziaływaniem społeczności.
26
Szacowanie poziomu kosztów zewnętrznych jest
trudne z uwagi na to, iż otwartym pozostaje sam problem definiowania szkód spowodowanych zniszczeniem środowiska naturalnego. W wielu przypadkach
szkody te nie są dostrzegane natychmiast. Nie zawsze
można także z pełnym przekonaniem stwierdzić, że
takie czy inne zmiany w przyrodzie lub oddziaływania na zdrowie ludzkie wynikają na pewno z ingerencji człowieka w środowisko, a w szczególności są
rezultatem oddziaływań transportu. Co więcej, szkody
te często nie są przedmiotem bezpośredniej wymiany
rynkowej, a zatem nie są mierzalne bezpośrednio w
wartościach pieniężnych. Wyznaczane muszą być one
w oparciu o różnego rodzaju techniki waluacji, jak
gotowość do zapłaty, czy też gotowość do akceptacji.
W zależności od wykorzystanej techniki, wartości
wyceny tychże kosztów mogą się różnić, co rodzi
wątpliwości odnośnie poziomu poprawności odwzorowania rzeczywistości przez te narzędzia [2, 3,5].
Dodatkowo rozwój techniki powoduje zmiany nie
tylko o charakterze ilościowym (np. poziom emisji
związków toksycznych), ale także o charakterze jakościowym (np. zmiana w strukturze emisji) [7]. Skutkuje to względnie szybką dezaktualizacją prowadzonych w tym zakresie badań. Ponadto koszty różnią się
w zależności od konkretnej lokalizacji infrastruktury
transportowej oraz gałęzi transportu [2, 5]. Ostatecznie należy zauważyć, iż niektóre spośród wskazanych
powyżej kategorii kosztów mogą być częściowo zewnętrzne, a częściowo ponoszone, jako koszty wewnętrzne, przez użytkowników transportu [5].
W artykule przedstawiono wybrane wyniki badań
wykorzystywanych między innymi przez instytucje
europejskie do oceny kosztów zewnętrznych generowanych przez poszczególne gałęzie transportu. Wskazano także na nowe kategorie kosztów zewnętrznych,
będące obecnie w obszarze zainteresowania badaczy.
Koszty środowiskowe
Zmniejszenie wykorzystania transportu drogowego
oraz przeniesienie przewozów na kolej w dużym
stopniu może wpłynąć na zmniejszenie negatywnego
Tabela 1. Koszty generowane przez czynniki oddziałujące negatywnie na środowisko w różnych gałęziach transportu
[euro/1000 tkm]
Transport
samochodowy
Transport
kolejowy
Żegluga
śródlądowa
Żegluga bliskiego
zasięgu
Poziom hałasu
Emisja zanieczyszczeń
Emisja gazów cieplarnianych
2,138
7,85
0,79
3,45
3,8
0,5
0
3
Nieistotne
0
2
Nieistotne
Suma
10,77
7,75
około 3
około 2
Źródło: European Commission, Commission calculation of the external cost savings according to Article 5(3)of the draft
Regulation, 2002
Tabela 2. Porównanie negatywnych oddziaływań środowiskowych transportu drogowego, kolejowego i
kombinowanego drogowo-kolejowego w zależności od typu oddziaływania
euro centy/tkm
Hałas
Wypadki
Zanieczyszczenie
%
HDV 33 t,
Euro 3
Pociąg
348t
Oszczędność
kosztów
Obszary miejskie, dzień
0,61
0,12
80%
Obszary miejskie, noc
1,12
0,49
56%
Obszary niezabudowane dzień
0,09
0,11
-22%
Obszary niezabudowane noc
0,17
0,19
-12%
Obszary miejskie
0,92
0,02
98%
Teren niezabudowany
0,23
0,02
91%
Obszary miejskie
pociąg elektryczny
0,93
0
100%
pociąg spalinowy/diesel
0,93
1,05
-13%
Powietrza
Teren niezabudowany
Zmiana klimatu
pociąg elektryczny
0,73
0
100%
0,73
0,88
-21%
Obszary miejskie
pociąg elektryczny
0,23
0
100%
0,23
0,08
65%
/emisja gazów
cieplarnianych
Teren niezabudowany
pociąg elektryczny
0,19
0
100%
0,19
0,08
58%
0
0
0%
Wpływ na zmiany
Obszary miejski
krajobrazu
Teren niezabudowany
0,1
0,02
80%
Zanieczyszczenie wód i
gruntów
Obszar miejski/ teren niezabudowany
0,09
0,02
78%
oddziaływania transportu ładunków na środowisko.
Dominujący w strukturze przewozu ładunków
transport drogowy generuje największe obciążenia
środowiskowe. Jeżeli skutki oddziaływań wyrazimy
w pieniądzu jako koszty, które ponosi społeczeństwo
w związku z degradacją środowiska, to koszt
generowany przez transport samochodowy wyniesie
10,77 euro/1000 tkm [4]. Koszt generowany przez
transport kolejowy jest o 28% niższy i wynosi 7,75
euro. Natomiast koszty zewnętrzne żeglugi
śródlądowej są ponad 3,5-krotnie niższe, a żeglugi
bliskiego zasięgu ponad pięciokrotnie niższe.
Poszczególne kategorie kosztów dla powyższych
gałęzi transportu wskazane zostały w tabeli 1.
Źródło: Opracowanie własne na podstawie Handbook on
estimation of external costs in the transport sector, Produced
within the study Internalisation Measures and Policies for All
external Cost of Transport (IMPACT),Version 1.1, CE Delft,
2008.
Oszczędność kosztów środowiskowych jaką można
uzyskać wykorzystując transport kolejowy jest największa w obszarze wpływu na zdrowie i życie ludzkie (wypadki) oraz na zanieczyszczenie powietrza i
emisję gazów cieplarnianych przy założeniu wykorzystywania pociągów elektrycznych. Bardziej niekorzystne oddziaływania porównując transport kolejowy
z drogowym uzyskano w obszarach „hałas w terenie
niezabudowanym” oraz „zanieczyszczenie powietrza”
przy założeniu wykorzystania lokomotyw spalino27
Rysunek 1. Sumaryczne oddziaływania transportu drogowego i
kolejowego dla obszarów miejskich i terenów niezabudowanych
Źródło: Opracowanie własne na podstawie Handbook on
estimation of external costs in the transport sector, Produced
within the study Internalisation Measures and Policies for All
external Cost of Transport (IMPACT),Version 1.1, CE Delft,
2008.
wych. Jednak sumując oddziaływania z wymienionych w tabeli 2 sześciu grup dla obszarów miejskich i
niezabudowanych dodatkowo w podziale na dzień i
noc, okazuje się, że w każdym przypadku sumaryczne
oddziaływania transportu kolejowego są niższe od
transportu drogowego i to niezależnie od tego czy
wykorzystywane są lokomotywy spalinowe czy
elektryczne (rysunek 1).
Sumaryczny koszt oddziaływań środowiskowych
wynosi dla transportu drogowego 1,66 eurocenta/tkm
w ciągu dnia w terenie niezabudowanym do 3,55
eurocenta/tkm w nocy w obszarze miejskim. Dla
przewozów kolejowych oddziaływania kształtują się
w granicach od 0,29 eurocenta/tkm w obszarze miejskim w ciągu dnia w przypadku wykorzystywania
lokomotyw elektrycznych do 1,77 eurocenta/tkm w
obszarze miejskim w nocy w przypadku wykorzystywania lokomotyw spalinowych (por. tabela 3).
Koszty społeczne
Przeniesienie ładunków z transportu drogowego na
transport kolejowy powoduje zmniejszenie potoku
ruchu na drogach, co jest bezpośrednio przyczyną
zmniejszenia kongestii w niektórych węzłach komunikacyjnych. Zmniejszenie tejże kongestii może w
pozytywny sposób wpłynąć na skrócenie traconego
czasu, zwiększenie niezawodności dostaw, a także
zużycie paliwa. Warto jednakże zauważyć, iż jednocześnie przyczynia się to do wzrostu zatłoczenia na
szlakach kolejowych, w którym to przypadku także
można mówić o kosztach kongestii związanych np. z
ograniczoną dostępnością slotów [5].
Tabela 4 przedstawia koszty wypadków oraz kongestii w systemach transportowych generowane przez
różne gałęzie transportu. Transport drogowy generuje
największe koszty, natomiast bezkonkurencyjny w
28
Tabela 3. Porównanie sumarycznych negatywnych oddziaływań środowiskowych transportu drogowego i kolejowego
Transport
drogowy
eurocenty
/tkm
Transport
kolejowy
eurocenty
/tkm
diesel/pociąg elektryczny
3,04
0,29
diesel/pociąg spalinowy
3,04
1,4
3,55
0,66
Teren niezabudowany
dzień:
3,55
1,77
1,66
0,31
1,66
1,24
1,74
0,39
1,74
1,32
Obszar miejski dzień:
Obszar miejski noc:
Teren niezabudowany noc:
Źródło: Handbook on estimation of external costs in the transport
sector, Produced within the study Internalisation Measures and
Policies for All external Cost of Transport (IMPACT),Version 1.1,
CE Delft, 2008.
tym zestawieniu jest transport wodny, który praktycznie nie generuje żadnych kosztów.
W związku z większym bezpieczeństwem transportu
szynowego, przeniesienie przewozów na tę gałąź
skutkuje zmniejszeniem liczby wypadków. Wykorzystanie transportu kolejowego pozwala na obniżenie
kosztów wypadków o 73%. Jeszcze większe korzyści
można zauważyć z punktu widzenia kosztów kongestii, które dla transportu kolejowego są o blisko 96%
niższe niż dla transportu drogowego. Sumarycznie, z
punktu widzenia kosztów społecznych wykorzystanie
transportu kolejowego daje oszczędność kosztów na
poziomie 83%.
Tabela 4. Koszty społeczne generowane przez wypadki oraz
kongestię w różnych gałęziach transportu
[euro/1000 tkm]
Transport
Żegluga
Transport
samochośródlądokolejowy
dowy
wa
Żegluga bliskiego zasięgu
Wypadki
5,44
1,46
0
0
Koszty kongestii
5,45
0,235
nieistotne
nieistotne
Suma
9,99
1,695
minimalne
minimalne
Źródło: European Commission, Commission calculation of the
external cost savings according to Article 5(3)of the draft
Regulation, 2002
Inne koszty zewnętrzne
Przedstawione powyżej rozważania dotyczyły stosunkowo najlepiej rozpoznanych w literaturze rodzajów kosztów zewnętrznych. W literaturze przedmiotu
[1, 5, 6, 8] wskazuje się jednakże na potencjalne inne
oddziaływania mogące generować koszty zewnętrzne.
Kosztom tym jednakże częstokroć trudno jest przypisać jakąkolwiek wartość pieniężną.
Jeden z takiego rodzaju kosztów wynika z oddziaływania na abiotyczne zasoby naturalne. W przypadku
transportu koszt ten dotyczy przede wszystkim zużycia zasobów stanowiących źródła energii nieodnawialnej (ropa naftowa, gaz ziemny). Fridell i in. [5]
wskazali wysokość tego kosztu na 0,022-0,221 euro/kg, przy najbardziej prawdopodobnej wartości
wynoszącej 0,104 euro/kg. Przy czym warto zauważyć, że ostateczna wysokość tego kosztu uzależniona
jest od poziomu udziału surowców odnawialnych w
paliwach, a w przypadku stosowania lokomotyw elektrycznych miksu energetycznego pozyskiwanego z
sieci prądu.
Ważnym oddziaływaniem społecznym, generującym
koszty zewnętrzne, jest również tzw. odcięcie. Jest
ono definiowane, jako występowanie w rzeczywistości lub odczuciu ludzkim barier dla ruchu na danym
obszarze, które spowodowane są przez infrastrukturę
transportową lub ruch pojazdów [8]. Bariery te mają
negatywny wpływ na decyzje odnośnie korzystania z
różnego rodzaju obiektów, a także mogą powodować
utrudnienia społecznych interakcji (np. wśród dzieci)
[8] oraz zmniejszenie poziomu bezpieczeństwa,
zwiększenie przestępczości, czy też powstanie poczucia wykluczenia [1]. Wyróżnia się dwa rodzaje odcięcia, tj.: pierwotne związane z faktem istnienia fizycznej bariery oraz wtórne, związane jest z brakiem zastosowania lub zastosowaniem niewystarczających
działań mających przeciwdziałać odcięciu pierwotnemu, np. poprzez budowę przejść podziemnych
utrudniających ruch osób niepełnosprawnych i rowerzystów, a także nieodpowiedni poziom utrzymania
skutkujący oblodzeniem lub podtopieniem/zalaniem,
czy też brakiem utrzymania porządku, co z kolei
skutkuje zwiększeniem obaw o bezpieczeństwo oraz
zniechęceniem pieszych do korzystania z infrastruktury [8].
Koszty zewnętrzne powstawać mogą także w związku
z wibracjami generowanymi przez transport [8]. Literatura w tym zakresie koncentruje się w dużej części
na kwestii wpływu transportu na zabytkowe budynki.
Wskazuje się tu, że w dłuższej perspektywie czasu
wibracje powodują uszkodzenia budynków. Nawet
niewielkie uszkodzenia traktowane mogą być jako
znacząco rzutujące na ich wartość [8]. Stąd biorąc
pod uwagę nieodwracalność zniszczeń, zasoby historyczne, czy też kulturowe mogą być chronione poprzez wprowadzanie ograniczeń możliwości planowania infrastruktury transportowej w ich sąsiedztwie.
Kolejnym rodzajem kosztów są te wywołane intruzją
wizualną infrastruktury [1]. Intruzja ta może przyczynić się do „zniszczeń scenerii”, a co za tym idzie obniżenia wartości sąsiadujących zasobów historycznych, kulturowych, czy też rekreacyjnych [1]. Dostępna na ten temat literatura koncentruje się w głównej mierze na transporcie drogowym, przy bardzo
niewielkiej liczbie prac dotyczących innych gałęzi
transportu [8]. Jakość wizualna może być w szczególności obniżona przez fakt instalowania ekranów
akustycznych oddzielających analizowaną infrastrukturę od sąsiadujących działek w celu zmniejszenia
negatywnego oddziaływania hałasu [9]. W tym przypadku wskazuje się [8] na narastający trend przedkładania aspektów estetycznych ponad aspekty zdrowotne związane z podwyższonym poziomem hałasu.
Oprócz powyższych w literaturze wskazywane są
także kwestie zakłóceń elektromagnetycznych [6].
Podsumowanie
Dzięki rozwojowi transportu szynowego (w tym multimodalnego) polepsza się perspektywa rozwoju rynków globalnych. W przypadku Polski daje to możliwość umocnienia kraju na pozycji łącznika między
Europą Zachodnią a Europą Wschodnią oraz Rosją. Z
punktu widzenia klientów usług transportowych na
dalekich trasach transport szynowy może przynosić
wymierne oszczędności. Najważniejsze jednak korzyści ekonomiczne transport szynowy generuje na poziomie makroekonomicznym, w szerokim ujęciu społeczno-gospodarczym. Korzyści te wyrażają się
oszczędnościami związanymi ze zmniejszonymi
kosztami zewnętrznymi oraz kosztami tworzenia infrastruktury.
Tabela 5 przedstawia całkowity rozkład kosztów,
jakie należy ponieść na 1000 tkm w zależności od
gałęzi transportu. Natomiast rysunek 2 pokazuje poziom oszczędności generowany w stosunku do transportu drogowego. Widać wyraźnie, że transport drogowy generuje koszty dwa razy większe
w porównaniu do transportu kolejowego, a pięć i
sześć razy większe w porównaniu do transportu wodnego.
29
Tabela 5. Koszty globalne generowane przez różne gałęzie transportu
Transport samochodowy
Transport kolejowy
Żegluga śródlądowa
Żegluga bliskiego
zasięgu
Wypadki
5,44
1,46
0
0
Poziom hałasu
2,138
3,45
0
0
Emisja zanieczyszczeń
7,85
3,8
3
2
Emisja gazów cieplarnianych
0,79
0,5
nieistotne
nieistotne
Infrastruktura
2,45
2,9
1
<1
Koszty kongestii
5,45
0,235
nieistotne
nieistotne
Suma
24,12
12,35
około 4,0
około 3,0
[euro/1000 tkm]
Źródło: European Commission, Commission calculation of the external cost savings according to Article 5(3)of the draft
Regulation, 2002
Rysunek 2. Oszczędności wynikające ze zmiany gałęzi transportowej i przeniesieniem ładunków z transportu drogowego na inne
gałęzie transportu[euro/1000tkm]
Źródło: European Commission, Commission calculation of the
external cost savings according to Article 5(3)of the draft Regulation, 2002
Bibliografia
[1] Annema J., Koopmans C., The practice of valuing the
environment in cost-benefit analyses in transport and
spatial projects, Journal of Environmental Planning
and
Management,
2014
(w
druku,
DOI:10.1080/09640568.2014.941975)
[2] Damart S., Roy B., The uses of cost–bene?t analysis
in public transportation decision-making in France,
Transport Policy, vol. 16, 2009, s. 200–212
30
[3] De Brucker K., Macharis C., Verbeke A., Multicriteria analysis and the resolution of sustainable
development dilemmas: A stakeholder management
approach, European Journal of Operational
Research, vol. 224, 2013, s. 122–131
[4] European Commission, Commission calculation of
the external cost savings according to Article 5(3)of
the draft Regulation, 2002
[5] Fridell E., Belhaj M., Wolf C., Jerksjö M.,
Calculation of external costs for freight transport,
Transportation Planning and Technology, vol. 34, nr
5, s. 413-432
[6] Griškevičiūtė-Gečienė A., Burinskienė M., Towards
creating the assessment methodology for urban road
transport development projects, Technological and
Economic Development of Economy, vol. 18, nr 4,
2012, s. 651-671
[7] Handbook on estimation of external costs in the
transport sector, Produced within the study
Internalisation Measures and Policies for All external
Cost of Transport (IMPACT),Version 1.1, CE Delft,
2008
[8] Markovich J., Lucas K., The Social and Distributional
Impacts of Transport: A Literature Review. Transport
Studies Unit, School of Geography and the
Environment, Working Paper N° 1055, Sierpień 2011,
Oksford
[9] Zmuda-Trzebiatowski P., Bieńczak M., Kiciński M.,
Fierek S., Żak J., Wielokryterialna ocena wariantów
przebudowy skrzyżowania z ruchem okrężnym na
przykładzie modernizacji Ronda Rataje w Poznaniu,
Technika Transportu Szynowego, nr 9, 2012, cd, s.
4585–4594
dr inż. Zbigniew Durzyński, prof. IPS
Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”
Prawne regulacje w zakresie taboru kolejowego
Ocena zgodności podsystemu „Sterowanie – urządzenia pokładowe”
i jego składników interoperacyjności
Poniższy artykuł jest kolejnym, czwartym z cyklu pod wspólnym tytułem „Prawne
regulacje w zakresie taboru kolejowego”. Zawiera podstawowe informacje opracowane na podstawie różnego rodzaju dokumentów obowiązujących dla taboru
kolejowego. Przedstawione zestawienia, omówienia i komentarze mogą być pomocne w codziennej pracy specjalistów zajmujących się konstrukcją, badaniami
oraz certyfikacją systemów sterowania taboru kolejowego i jego głównych składników.
Artykuł zawiera także tzw. link do strony internetowej, na której dostępne są całe
teksty przytoczonych i omawianych dokumentów. W kolejnym numerze kwartalnika ukaże się ostatni artykuł dotyczące praktycznego stosowania przepisów dotyczących taboru kolejowego.
1. Interfejsy między podsystemami
Interfejsy „Tabor kolejowy” i „Sterowanie – urządzenia pokładowe” zostały zestawione i opisane w
trzech dokumentach: [1], [2] i [3].
W pkt. 4.3.4 w [1] interfejsy „tabor
sterowanie” zostały opisane tabelarycznie następująco:
W pkt. 4.3.2 [3] interfejsy „sterowanie
tabor ” zostały opisane następująco:
a) Zgodność z przytorowymi systemami detekcji pociągu; konstrukcja pojazdu (pkt. 4.2.10):
- parametry taboru związane z zapewnieniem zgodności z systemami detekcji pociągu opartymi na obwodach torowych; patrz TSI LOC & PAS 4.2.3.3.1.1 oraz TSI WAG 4.2.3.2
31
- parametry taboru związane z zapewnieniem zgodności z systemami detekcji pociągu
opartymi na licznikach osi; patrz TSI LOC & PAS 4.2.3.3.1.2 oraz TSI WAG 4.2.3.3.1
- parametry taboru związane z zapewnieniem zgodności z pętlami indukcyjnymi; patrz TSI
LOC & PAS 4.2.3.3.1.3
Pkt. 4.2.10. Przytorowe systemy detekcji pociągu
Ten parametr podstawowy określa wymagania dotyczące interfejsu pomiędzy przytorowymi
systemami detekcji pociągu a taborem. Wymagania dotyczące interfejsu, które muszą
spełniać systemy detekcji pociągu, określono w poz. 4.2.10a załącznika A. (tj. poz. 77, pkt.
3.1):
77. ERA/ERTMS/033281: Interfaces between CCS track-side and other subsystems; 1.0
b) Kompatybilność elektromagnetyczna między taborem a urządzeniami przytorowymi podsystemu „Sterowanie” (pkt. 4.2.11)
- parametry taboru związane z zapewnieniem zgodności z systemami detekcji pociągu opartymi na obwodach torowych; patrz TSI LOC & PAS 4.2.3.3.1
- parametry taboru związane z zapewnieniem zgodności z systemami detekcji pociągu opartymi na licznikach osi; patrz TSI LOC & PAS 4.2.3.3.2
Pkt. 4.2.11. Kompatybilność elektromagnetyczna między taborem a urządzeniami przytorowymi podsystemu „Sterowanie”
Ten parametr podstawowy określa wymagania w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej dotyczące interfejsu pomiędzy taborem a urządzeniami przytorowymi podsystemu
„Sterowanie”. Wymagania dotyczące interfejsu, które muszą spełniać systemy detekcji pociągu, określono w poz. 4.2.11a załącznika A. (tj. poz. 77, pkt. 3.2 – patrz pkt. 4.2.10):
c) Skuteczność oraz charakterystyka hamowania pociągu (pkt. 4.2.2)
- skuteczność hamowania nagłego; patrz TSI LOC & PAS: hamowanie nagłe 4.2.4.5.2, hamowanie służbowe 4.2.4.5.3 oraz TSI WAG 4.2.4.1.2
d) Pozycja pokładowych anten podsystemu „Sterowanie” (pkt. 4.2.2)
- skrajnia kinematyczna; patrz TSI LOC & PAS 4.2.3.1
e) Izolowanie pokładowych funkcji ERTMS/ETCS (pkt. 4.2.2)
- przepisy ruchu; patrz TSI LOC & PAS 4.2.12.3
f) Interfejsy dla danych (pkt. 4.2.2)
- rozwiązania w zakresie monitorowania i diagnostyki; patrz TSI LOC & PAS 4.2.1.1
Pkt. 4.2.2. Funkcje pokładowe ERTMS/ETCS
Ten parametr podstawowy opisuje wszystkie funkcje potrzebne do prowadzenia pociągu w
sposób bezpieczny. Podstawową funkcją jest zapewnienie automatycznej kontroli pociągu
oraz sygnalizacji kabinowej. Funkcje te muszą zostać wdrożone zgodnie z poz. 4.2.2b załącznika A (tj. poz. 1, 4, 13,15 i 60), a ich realizacja musi być zgodna z poz. 4.2.2a tego załącznika (tj. poz. 14). Wymagania dotyczące prób określone są w poz. 4.2.2c załącznika A (tj.
poz. 31, 37b÷d).
1. ERA/ERTMS/003204: ERTMS/ETCS Functional requirement specification; 5.0
4. UNISIG SUBSET-026: System requirement specification; 3.3.0
13. UNISIG SUBSET-040: Dimensioning and engineering rules; 2.3.0
14. UNISIG SUBSET-041: Performance requirements for interoperability; 2.1.0
15. ERA SUBSET-108: Interoperability related consolidation on TSI Annex A documents;
1.2.0
31. UNISIG SUBSET-094: Functional requirements for an onboard reference test facility;
2.0.2
37b. UNISIG SUBSET-076-5-2: Test cases related to features; 2.3.3
37c. UNISIG SUBSET-076-6-3: Test sequences; 2.3.3
37d. UNISIG SUBSET-076-7: Scope of the test specifications; 1.0.2
60. (celowo usunięta) UNISIG SUBSET-104: ETCS System Version Management; 3.1.0
g) Widoczność przytorowych obiektów podsystemu „Sterowanie” (pkt. 4.2.15)
- widoczność na zewnątrz. Światła czołowe; patrz TSI LOC & PAS 4.2.7.1.1
- zewnętrzne pole widzenia maszynisty; patrz TSI LOC & PAS: pole 4.2.9.1.3.1, szyba przednia 4.2.9.2
4.2.15. Widoczność przytorowych obiektów podsystemu „Sterowanie
Ten parametr podstawowy opisuje:
1) charakterystykę znaków odblaskowych zapewniającą odpowiednią widoczność;
32
2) charakterystykę interoperacyjnych tablic sygnalizacyjnych. Załącznik A poz. 4.2.15a. (tj.
poz. 38)
38. 06E068: ETCS Marker-board definition; 2.0
Przytorowe obiekty podsystemu „Sterowanie” muszą być ponadto zainstalowane w sposób
uwzględniający pole widzenia maszynisty i zgodny z wymaganiami infrastruktury.
h)
Interfejs do rejestracji danych do celów prawnych (pkt. 4.2.14)
- urządzenie rejestrujące; patrz TSI LOC & PAS 4.2.9.6
4.2.14. Interfejs do rejestracji danych do celów prawnych
Ten parametr podstawowy opisuje:
1) wymianę danych pomiędzy pokładowymi urządzeniami ERTMS/ETCS a rejestratorem
prawnym w pojeździe;
2) protokoły łączności;
3) interfejs fizyczny. Załącznik A poz. 4.2.14a (tj. poz. 5).
5. UNISIG SUBSET-027: FFFIS Juridical recorder-downloading tool; 2.3.0
i) Polecenia do urządzeń pokładowych (pkt. 4.2.2 i 4.2.3)
- separacja faz; patrz TSI LOC & PAS 4.2.8.2.9.8
4.2.3. Funkcje przytorowej części ERTMS/ETCS
Ten parametr podstawowy opisuje funkcje przytorowej części systemu ERTMS/ETCS. Obejmuje on wszystkie funkcje ERTMS/ETCS służące zapewnieniu bezpiecznej drogi dla danego
pociągu.
Podstawowe funkcje obejmują:
1) lokalizowanie danego pociągu w systemie współrzędnych wyznaczanym przez eurobalisy
(poziomy 2 i 3);
2) translację informacji od przytorowych urządzeń sterowania ruchem kolejowym do standardowego formatu stosowanego w pokładowych urządzeniach podsystemu „Sterowanie”;
3) generowanie zezwolenia na jazdę dla danego pociągu, włącznie z opisem toru i poleceniami przypisanymi do danego pociągu.
Funkcje te muszą zostać wdrożone zgodnie z poz. 4.2.3b załącznika A (tj. poz. 1, 4, 13,15 i
60), a ich realizacja musi być zgodna z poz. 4.2.3a tego załącznika (tj. poz. 14). Wymagania
dotyczące prób określone są w poz. 4.2.3c załącznika A (tj. poz. 31, 37b÷d) – lista ww. dokumentów: patrz pkt. f.
j) Polecenie hamowania nagłego (pkt. 4.2.2)
- polecenie hamowania nagłego; patrz TSI LOC & PAS 4.2.4.4.1.
2.
Pokładowe funkcje ERTMS/ETCS
a) Podstawową funkcją jest zapewnienie automatycznej kontroli pociągu oraz sygnalizacji kabinowej:
1) ustalenie charakterystyki pociągu (np. prędkości maksymalnej, charakterystyki hamowania);
2) wybór trybu nadzoru na podstawie informacji z urządzeń przytorowych;
3) realizacja funkcji odometrycznych;
4) lokalizowanie pociągu w systemie współrzędnych wyznaczanym przez eurobalisy;
5) obliczanie dynamicznego profilu prędkości dla jazdy na podstawie charakterystyki pociągu i
informacji z urządzeń przytorowych;
6) nadzorowanie dynamicznego profilu prędkości podczas jazdy pociągu;
7) realizowanie funkcji interwencji.
b) Funkcje te muszą zostać wdrożone zgodnie z poz. 4.2.2b załącznika A, a ich realizacja musi być
zgodna z poz. 4.2.2a tego załącznika.
c) Wymagania dotyczące prób określone są w poz. 4.2.2c załącznika A. (tj. poz. 31, 37 – patrz pkt.
1f)
d) Zarządzanie identyfikatorami urządzeń ETCS musi być realizowane zgodnie z pkt 4.2.9 (Zarządzanie ETCS-ID).
e) Funkcje podstawowe wspierane są przez inne funkcje, do których również zastosowanie mają
poz. 4.2.2a i 4.2.2b załącznika A, (tj. poz. 1, 4, 13÷15 – patrz pkt. 1f) w połączeniu ze wskazanymi niżej dodatkowymi specyfikacjami:
1. Łączność z podsystemem „Sterowanie – urządzenia przytorowe”
a) Transmisja sygnałów eurobalisy. Zob. pkt 4.2.5.2 (Łączność z pociągiem przy użyciu eurobalis).
33
b) Transmisja sygnałów europętli. Zob. pkt 4.2.5.3 (Łączność z pociągiem przy użyciu
europętli). Funkcja ta jest opcjonalna dla urządzeń pokładowych, chyba że europętla jest
zainstalowana w przytorowym ETCS poziomu 1, a maksymalna prędkość dojazdu jest
ustawiona na zero ze względów bezpieczeństwa (np. ochrona punktów niebezpiecznych).
c) Radiowa transmisja danych na potrzeby przekazywania informacji uaktualniających. Zob.
poz. 4.2.2d załącznika A, (tj. poz. 18, 20)
18. UNISIG SUBSET-046: Radio infill FFFS; 2.0.0
20. UNISIG SUBSET-048: Trainborne FFFIS for radio infill; 2.0.0
oraz pkt 4.2.5.1 (Łączność radiowa z pociągiem), pkt 4.2.6.2 (Interfejs między radiową
wymianą danych GSM-R a ERTMS/ETCS) i pkt 4.2.8 (Zarządzanie kluczami). Funkcja ta
jest opcjonalna dla urządzeń pokładowych, chyba że radiowa transmisja danych na
potrzeby przekazywania informacji uaktualniających jest zainstalowana w przytorowym
ETCS poziomu 1, a maksymalna prędkość dojazdu jest ustawiona na zero ze względów
bezpieczeństwa (np. ochrona punktów niebezpiecznych).
d) Radiowa transmisja danych. Zob. pkt 4.2.5.1 (Łączność radiowa z pociągiem), pkt 4.2.6.2
(Interfejs między radiową wymianą danych GSM-R a ERTMS/ETCS) i pkt 4.2.8
(Zarządzanie kluczami). Funkcja ta jest obowiązkowa dla urządzeń pokładowych tylko
dla zastosowań ERTMS/ETCS poziomu 2 lub 3.
2. Łączność z maszynistą. Zob. poz. 4.2.2e (tj. poz. 6)
6. UNISIG SUBSET-033: FIS for man-machine interface; 2.0.0
i pkt 4.2.12 (Pokładowy pulpit ERTMS/ETCS).
3. Łączność z STM (Specific Transmission Module). Zob. pkt 4.2.6.2 (Interfejs między
ERTMS/ETCS a STM). Funkcja ta obejmuje:
a) zarządzanie sygnałami wyjściowymi modułów STM;
b) dostarczanie danych wykorzystywanych przez moduł STM;
c) zarządzanie stanami przejściowymi modułu STM.
4. Zarządzanie informacjami na temat kompletności pociągu (ciągłości pociągu) –
obowiązkowe dla poziomu 3, niewymagane dla poziomów 1 i 2.
5. Monitorowanie stanu urządzeń oraz pomoc w trybie pracy podczas awarii. Funkcja ta
obejmuje:
a) inicjalizację pokładowych funkcji ERTMS/ETCS;
b) realizowanie pomocy w trybie pracy podczas awarii;
c) izolowanie pokładowych funkcji ERTMS/ETCS.
6. Pomoc w rejestrowaniu danych do celów prawnych. Zob. pkt 4.2.14 (Interfejs do rejestracji
danych do celów prawnych).
7. Przekazywanie informacji i poleceń oraz odbieranie informacji o stanie pojazdów:
a) do pulpitu pokładowego. Zob. pkt 4.2.12 (Pokładowy pulpit ERTMS/ETCS);
b) do/z interfejsu pociągu. Zob. poz. 4.2.2f załącznika A. (tj. poz. 7)
7. UNISIG SUBSET-034: FIS for the train interface; 2.0.0
W podsystemie „Sterowanie – urządzenia pokładowe” muszą zostać wdrożone, zgodnie z podanymi specyfikacjami, poniższe funkcje (numeracja rozdziałów zgodna z [3].
4.2.4. Funkcje kolejowej łączności ruchomej – GSM-R
Ten parametr podstawowy opisuje funkcje łączności radiowej. Funkcje takie muszą zostać
wdrożone w podsystemach „Sterowanie – urządzenia pokładowe” i „Sterowanie – urządzenia przytorowe” zgodnie z podanymi niżej specyfikacjami.
4.2.4.1. Funkcja łączności podstawowej
Wymagania ogólne określone są w poz. 4.2.4a załącznika A (tj. poz. 64, 65). Ponadto spełnione muszą zostać następujące specyfikacje:
1) funkcje ASCI; załącznik A poz. 4.2.4b (tj. poz. 66);
2) karta SIM; załącznik A poz. 4.2.4c (tj. poz. 67);
3) sygnalizacja użytkownik-użytkownik; załącznik A poz. 4.2.4d(tj. poz. 68);
4) adresowanie uzależnione od lokalizacji; załącznik A poz. 4.2.4e (tj. poz. 73, 74).
64. EN 301515. Global System for Mobile Communication (GSM). Requirements for GSM
operation on railways; 2.3.0
65. TS 102281. Detailed requirements for GSM operation on railways; 2.2.0
66. (MORANE) A 01 T 0004 1. ASCI Options for Interoperability; 1
67. (MORANE) P 38 T 9001. FFFIS for GSM-R SIM Cards; 4.1
34
68. TSI TS 102 610. Railway Telecommunication; GSM. Usage of the UUIE for GSM
operation on railways; 1.1.0
73. (MORANE) F 10 T6001. FFFS for Location Dependent Addressing; 4
74. (MORANE) F 12 T6001. FIS for Location Dependent Addressing; 3
4.2.4.2. Łączność głosowa i eksploatacyjna
Wymagania ogólne określone są w poz. 4.2.4f załącznika A (tj. poz. 32, 33). Wymagania dotyczące prób określone są w poz. 4.2.4g załącznika A (tj. poz. 48). Ponadto spełnione muszą
zostać następujące specyfikacje:
1) potwierdzanie wywołań priorytetowych; załącznik A poz. 4.2.4h (tj. poz. 69, 70);
2) adresowanie funkcjonalne; załącznik A poz. 4.2.4j (tj. poz. 71, 72);
3) prezentacja numerów funkcjonalnych; załącznik A poz. 4.2.4k (tj. poz. 75, 76).
32. EIRENE FRS. GSM-R Functional requirements specification; 7.3.0
33. EIRENE SRS. GSM-R System requirements specification; 15.3.0
48. Test specification for mobile equipment GSM-R (Zastrzeżona)
69. (MORANE) F 10 T 6002. FFFS for Confirmation of High Priority Calls’; 4
70. (MORANE) F 12 T 6002. FIS for Confirmation of High Priority Calls; 4
71. (MORANE) E 10 T 6001. FFFS for Functional Addressing; 4
72. (MORANE) E 12 T 6001. FIS for Functional Addressing; 5.1
75. (MORANE) F 10 T 6003. FFFS for Presentation of Functional Numbers to Called and
Calling Parties; 4
76. F 12 T 6003. FIS for Presentation of Functional Numbers to Called and Calling Parties;
4
4.2.4.3. Przesyłanie danych na potrzeby ETCS
Wymagania ogólne określone są w poz. 4.2.4f załącznika A (tj. poz. 32, 33). Wymagania dotyczące prób określone są w poz. 4.2.4g załącznika A (tj. poz. 48) – patrz pkt. 4.2.4.2.
Funkcja ta jest obowiązkowa tylko w przypadku zastosowań ETCS poziomu 2 i 3 oraz radiowego przesyłania informacji uaktualniających.
4.2.5. Interfejsy transmisji bezprzewodowej ERTMS/ETCS i GSM-R
Ten parametr podstawowy określa wymagania dotyczące transmisji bezprzewodowej pomiędzy podsystemami „Sterowanie – urządzenia przytorowe” i „Sterowanie – urządzenia pokładowe” i musi zostać uwzględniony w powiązaniu z wymaganiami dotyczącymi interfejsów
pomiędzy urządzeniami ERTMS/ETCS i GSM-R,
4.2.5.1. Łączność radiowa z pociągiem
Interfejsy dla łączności radiowej klasy A muszą pracować w paśmie GSM-R – zob. załącznik
A poz. 4.2.5a (tj. poz. 65, 66 – patrz pkt. 4.2.4.1). Protokoły muszą być zgodne z załącznikiem A poz. 4.2.5b (tj. poz. 10, 39, 40).
10. UNISIG SUBSET-037. EuroRadio FIS; 2.3.0
39. UNISIG SUBSET-092-1. ERTMS EuroRadio Conformance Requirements; 2.3.0
40. UNISIG SUBSET-092-2. ERTMS EuroRadio test cases safety layer; 2.3.0
W przypadku, gdy wdrożona jest funkcja radiowego przesyłania informacji uaktualniających, spełnione muszą zostać wymagania określone w poz. 4.2.5c załącznika A (tj. poz. 19,
20).
19. UNISIG SUBSET-047. Trackside- Trainborne FIS for Radio infill; 2.0.0
20. UNISIG SUBSET-048. Trainborne FFFIS for Radio infill; 2.0.0
4.2.5.2. Łączność z pociągiem przy użyciu eurobalis
Interfejsy dla łączności przy użyciu eurobalis muszą być zgodne z poz. 4.2.5d załącznika A
(tj. poz. 9, 43).
9. UNISIG SUBSET 036. FFFIS for Eurobalise; 2.4.1
43. UNISIG SUBSET 085. Test specification for Eurobalise FFFIS; 2.2.2
4.2.5.3. Łączność z pociągiem przy użyciu europętli
Interfejsy dla łączności przy użyciu europętli muszą być zgodne z poz. 4.2.5e załącznika A
(tj. poz. 16, 50).
16. UNISIG SUBSET-044. FFFIS for Euroloop; 2.3.0
50. UNISIG SUBSET-103. Test specification for Euroloop; 1.0.0
4.2.6. Interfejsy urządzeń pokładowych wewnątrz podsystemu „Sterowanie”
4.2.6.1. Kontrola pociągu ERTMS/ETCS i kontrola pociągu klasy B
35
W przypadku, gdy na pokładzie zainstalowane są funkcje kontroli pociągu ERTMS/ETCS i
funkcje klasy B, zarządzanie przejściami pomiędzy nimi może odbywać się przy użyciu
standardowego interfejsu określonego w poz. 4.2.6a załącznika A (tj. poz. 8, 25, 26, 36c, 49,
52).
8. UNISIG SUBSET-035. Specific Transmission Module FFFIS; 2.1.1
25. UNISIG SUBSET-056. STM FFFIS Safe time layer; 2.2.0
26. UNISIG SUBSET-057. STM FFFIS Safe link layer; 2.2.0
36c. UNISIG SUBSET-074-2. FFFIS STM Test cases document; 1.0.0
49. UNISIG SUBSET-059. Performance requirements for STM; 2.1.1
52. UNISIG SUBSET-058. FFFIS STM Application layer; 2.1.1
Załącznik A w poz. 4.2.6b (tj. poz. 29, 45) zawiera specyfikację interfejsu K (umożliwiającego niektórym modułom STM odczytywanie informacji z balis klasy B poprzez pokładową antenę ERTMS/ETCS), a w poz. 4.2.6c (tj. poz. 46) – specyfikację interfejsu G (transmisji bezprzewodowej pomiędzy pokładową anteną ETCS, a balisami klasy B).
29. UNISIG SUBSET-102. Test specification for interface „K”; 1.0.0
45. UNISIG SUBSET-101. Interface „K” Specification; 1.0.0
46. UNISIG SUBSET-100. Interface „G” Specification; 1.0.1
Zastosowanie interfejsu K jest opcjonalne, ale w przypadku jego użycia musi być on zgodny
z poz. 4.2.6b załącznika A.
Ponadto w przypadku zastosowania interfejsu K funkcja pokładowego kanału transmisyjnego musi być zgodna z charakterystyką określoną w poz. 4.2.6c załącznika A.
W przypadku, gdy zarządzanie przejściami pomiędzy pokładowymi funkcjami kontroli pociągu ERTMS/ETCS i funkcjami klasy B nie odbywa się przy użyciu standardowego interfejsu
określonego w poz. 4.2.6a załącznika A, należy podjąć kroki celem zapewnienia, by zastosowana metoda nie wiązała się z dodatkowymi wymaganiami wobec podsystemu „Sterowanie
– urządzenia przytorowe”.
4.2.6.2. Interfejs między radiową wymianą danych GSM-R a ERTMS/ETCS
Wymagania dotyczące interfejsu między radiem klasy A, a funkcjami pokładowego systemu
ERTMS/ETCS określono w poz. 4.2.6d załącznika A (tj. poz. 34).
34. A11T6001. (MORANE) Radio Transmission FFFIS for EuroRadio; 12.4
W przypadku, gdy wdrożona jest funkcja radiowego przesyłania informacji uaktualniających, spełnione muszą zostać wymagania określone w poz. 4.2.6e załącznika A (tj. poz. 20 –
patrz pkt. 4.2.5.1).
4.2.6.3. Odometria
Interfejs między funkcją odometrii, a pokładowymi urządzeniami ETCS musi spełniać wymagania podane w poz. 4.2.6f załącznika A (tj. poz. 44). Interfejs ten należy do parametru podstawowego tylko wtedy, gdy urządzenia odometryczne dostarczane są jako oddzielny składnik interoperacyjności.
44. Odometry FIS (zastrzeżone).
Łącznie wymienione wyżej dokumenty (52 pozycje) to kilka tysięcy stron.
Link do dokumentów ws. ETRMS/ETCS (kliknięcie po otwarciu pliku otwiera wybrany dokument):
http://www.utk.gov.pl/pl/wymagania-wspolnotowe/prawo-wspolnotowe/1799,Wymagania-dlaERTMS.html
3. Procedury weryfikacji i oceny
A) Wymagania dotyczące oceny podsystemu pokładowego: W tabeli przedstawiono zestawienie
kontroli, jakie należy przeprowadzić w ramach weryfikacji podsystemu „Sterowanie – urządzenia pokładowe”, oraz parametrów podstawowych, które muszą zostać spełnione.
Niezależnie od wybranego modułu:
1) weryfikacja musi wykazać, że po zintegrowaniu z pojazdem podsystem „Sterowanie –
urządzenia pokładowe” spełnia parametry podstawowe;
2) te funkcje i parametry eksploatacyjne składników interoperacyjności, które zostały już objęte
deklaracją zgodności WE, nie wymagają dodatkowej weryfikacji.
B) W celu weryfikacji podsystemu „Sterowanie – urządzenia pokładowe” wnioskodawca może
wybrać:
1) procedurę badania typu (moduł SB) dotyczącą fazy projektowania i rozwoju, w połączeniu z
procedurą systemu zarządzania jakością produkcji (moduł SD) dla fazy produkcyjnej; lub
36
2) procedurę badania typu (moduł SB) dotyczącą fazy projektowania i rozwoju, w połączeniu z
procedurą weryfikacji produktu (moduł SF); lub
3) pełny system zarządzania jakością oraz badanie projektu (moduł SH1).
W odniesieniu do modułu SB - pkt 4.2 (badanie typu) wymagany jest przegląd projektu.
W odniesieniu do modułu SH1 - pkt 4.2, wymagane jest wykonanie badania typu (dotyczy
także podsystemu pokładowego).
C) Jednostka notyfikowana przeprowadza weryfikację WE podsystemu „Sterowanie – urządzenia
pokładowe” lub „Sterowanie – urządzenia przytorowe” zgodnie z załącznikiem VI do dyrektywy ws. interoperacyjności kolei na żądanie wnioskodawcy.
Wnioskodawca sporządza deklarację weryfikacji WE podsystemu „Sterowanie – urządzenia
pokładowe” lub „Sterowanie – urządzenia przytorowe” zgodnie z art. 18 ust. 1 dyrektywy ws.
interoperacyjności kolei i z załącznikiem V do niej.
Treść deklaracji weryfikacji WE musi być zgodna z załącznikiem V do dyrektywy ws. interoperacyjności kolei.
Procedurę oceny przeprowadza się przy użyciu jednego z modułów wymienionych w pkt 6.3.2
(Moduły oceny podsystemów „Sterowanie”).
Jednostka notyfikowana odpowiedzialna za weryfikację WE ocenia projekt i produkcję
podsystemu i sporządza certyfikat weryfikacji przeznaczony dla wnioskodawcy, który z
kolei sporządza deklarację weryfikacji WE przeznaczoną dla organu nadzoru w państwie
członkowskim, w którym podsystem jest zlokalizowany lub działa.
W tabeli 6.2 przedstawiono zestawienie kontroli, jakie należy przeprowadzić w ramach weryfikacji podsystemu „Sterowanie – urządzenia pokładowe”, oraz parametrów podstawowych, które muszą zostać spełnione.
37
38
Niezależnie od wybranego modułu:
1) weryfikacja musi wykazać, że po zintegrowaniu z pojazdem podsystem „Sterowanie –
urządzenia pokładowe” spełnia parametry podstawowe;
2) te funkcje i parametry eksploatacyjne składników interoperacyjności, które zostały już
objęte deklaracją zgodności WE, nie wymagają dodatkowej weryfikacji.
4. Składniki interoperacyjności podsystemu „Sterowanie - urządzenia pokładowe”
W tablicy 5.1.a w TSI [3] określono poniżej zestawione składniki (grupy składników) interoperacyjności podsystemu „Sterowanie – urządzenia pokładowe”.
a) pokładowy ERTMS/ETCS
b) urządzenia odometryczne
c) interfejs zewnętrznego STM
d) radiotelefon kabinowy GSM-R
e) radio GSM-R na potrzeby transmisji danych ETCS
f) karta SIM GSM-R.
Definicja i funkcję STM określone zostały w zał. nr 1 do [4] następująco:
STM - specyficzny moduł transmisyjny pośredniczący między urządzeniami pokładowymi
ERTMS/ETCS a:
1) eksploatowanym na polskich liniach kolejowych systemem bezpiecznej kontroli jazdy pociągu, należącym do klasy systemów automatycznego ostrzegania, jakim jest system Samoczynnego Hamowania Pociągu, oraz
2) wykorzystywaną na polskich liniach kolejowych funkcją hamowania obszarowego, jaką jest
funkcja „radiostop”.
Zgodnie z pkt. 6.2.4.2. [3]:
Każde państwo członkowskie odpowiada za weryfikację zgodności STM ze swoimi wymaganiami
krajowymi. Weryfikacja zgodności interfejsu STM z pokładowym systemem ERTMS/ETCS wymaga
przeprowadzenia oceny zgodności przez jednostkę notyfikowaną.
Składniki mogą tworzyć grupę składników (przykład dla składników a) i b) przedstawia tablica 5.1.b).
39
W celu oceny składników interoperacyjności należących do podsystemów „Sterowanie” producent lub jego upoważniony przedstawiciel mający siedzibę na terenie Wspólnoty może wybrać:
1) procedurę badania typu (moduł CB) dotyczącą fazy projektowania i rozwoju, w połączeniu z procedurą systemu zarządzania jakością produkcji (moduł CD) dla fazy produkcyjnej, lub
2) procedurę badania typu (moduł CB) dotyczącą fazy projektowania i rozwoju, w połączeniu z procedurą weryfikacji produktu (moduł CF); lub
3) pełny system zarządzania jakością oraz badanie projektu (moduł CH1).
Według 4.2.2-3:
Łączność z STM wg pkt. 4.2.6.2: „Interfejs między ERTMS/ETCS a STM” obejmuje:
a) zarządzanie sygnałami wyjściowymi modułów STM;
b) dostarczanie danych wykorzystywanych przez moduł STM;
c) zarządzanie stanami przejściowymi modułu STM.
Wymagania dotyczące systemów klasy B i modułów STM (umożliwiających pokładowemu systemowi klasy A funkcjonowanie w infrastrukturze klasy B) leżą w zakresie odpowiedzialności odpowiedniego państwa członkowskiego.
W przypadku, gdy na pokładzie zainstalowane są funkcje kontroli pociągu ERTMS/ETCS i
funkcje klasy B, zarządzanie przejściami pomiędzy nimi może odbywać się przy użyciu
standardowego interfejsu określonego w poz. 4.2.6a załącznika A. (tj. poz. 8, 25,26 i 49 –
patrz 4.2.6.1 w pkt. 2).
Załącznik A w poz. 4.2.6b zawiera specyfikację interfejsu K (umożliwiającego niektórym
modułom STM odczytywanie informacji z balis klasy B poprzez pokładową antenę
ERTMS/ETCS).
Zastosowanie interfejsu K jest opcjonalne, ale w przypadku jego użycia musi być on zgodny z poz. 4.2.6b załącznika A (tj. poz. 45 - patrz 4.2.6.1 w pkt. 2),
a w poz. 4.2.6c – specyfikację interfejsu G (transmisji bezprzewodowej pomiędzy pokładową anteną ETCS a balisami klasy B). Ponadto w przypadku zastosowania interfejsu K
funkcja pokładowego kanału transmisyjnego musi być zgodna z charakterystyką określoną
w poz. 4.2.6 c załącznika A (tj. poz. 46 - patrz 4.2.6.1 w pkt. 2).
40
W przypadku, gdy zarządzanie przejściami pomiędzy pokładowymi funkcjami kontroli pociągu ERTMS/ETCS i funkcjami klasy B nie odbywa się przy użyciu standardowego interfejsu określonego w poz. 4.2.6a załącznika A, należy podjąć kroki celem zapewnienia, by
zastosowana metoda nie wiązała się z dodatkowymi wymaganiami wobec podsystemu
„Sterowanie – urządzenia przytorowe”.
5. Podsumowanie
W przedstawionym artykule zwrócono m. in. uwagę na obszerność dokumentów odnoszących się
do podsystemu „Sterownie”, jednak tylko część z ich odnosi bezpośrednio do urządzeń pokładowych podsystemu sterowanie, zatem w przypadku oceny tej części podsystemu konieczna jest
staranna selekcja wymagań zawartych w dokumentach związanych z tym podsystemem.
Należy podkreślić szczególną rolę jednostek notyfikowanych w procesie weryfikacji WE podsystemu „Sterowanie – urządzenia pokładowe” i oceny zgodności składników interoperacyjności ze
względu na interdyscyplinarność problemów związanych z wyposażeniem elektrotechnicznym
pojazdów, jak i z telekomunikacją.
Dotychczas w poprzednich numerach kwartalnika przedstawiono podstawowe informacje na
następujące tematy:
- unijne i krajowe przepisy dotyczące taboru kolejowego
- akredytacja, autoryzacja i notyfikacja ośrodków certyfikujących i laboratoriów badawczych
- ocena zgodności podsystemu „Tabor” i jego składników interoperacyjności,
A kolejnym numerze zostanie przedstawiona ocena bezpieczeństwa podsystemu „Tabor” w zakresie wyceny i oceny ryzyka.
6. Dokumenty źródłowe
[1] Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1302/2014 z dnia 18 listopada 2014 r. w sprawie technicznej specyfikacji interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu „Tabor - lokomotywy i tabor pasażerski” systemu kolei w Unii Europejskiej
[2] Decyzja Komisji z dnia 6 listopada 2012 r. zmieniająca decyzję 2012/88/UE w sprawie technicznej specyfikacji interoperacyjności w zakresie podsystemów „Sterowanie” transeuropejskiego systemu kolei (2012/696/UE)
[3] Decyzja Komisji z dnia 25 stycznia 2012 r. w sprawie technicznej specyfikacji interoperacyjności w zakresie podsystemów „Sterowanie” transeuropejskiego systemu kolei (2012/88/UE)
[4] Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 6 listopada 2013 r. w sprawie interoperacyjności kolei (Dz. U. 2013 poz. 1297)
41
dr inż. Marek Sobaś, prof. IPS
Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”
Badania przejazdu pojazdów szynowych przez tory
wichrowate w warunkach quasi-statycznych z
uwzględnieniem kąta nabiegania koła na szynę
W artykule przedstawiono nowatorskie podejście do problemów bezpieczeństwa
przejazdu pojazdów przez tory wichrowate w warunkach quasi-statycznych z
uwzględnieniem kąta nabiegania koła na szynę. W ten sposób kryterium Nadala
zostało rozszerzone o następny parametr. Można wyciągnąć wniosek, że kryterium to ulega zmianie, wskutek postępu prac analityczno-badawczych.
1. WSTĘP
Bezpieczeństwo przejazdu pojazdu przez tory
wichrowate w warunkach quasi-statycznych jest jednym z najistotniejszych problemów kolejnictwa. Kryterium bezpieczeństwa przed wykolejeniem zostało
wprowadzone przez Nadala w 1908 roku. Rozwój tego
kryterium oraz zabezpieczenie pojazdów szynowych
przed wykolejeniem, jest procesem ciągłym i podlega
dalszym badaniom [2,6,7,8], pomimo istotnych osiągnięć w tej dziedzinie dla wagonów towarowych, co
jest wyrażone raporcie ORE/ERRI B55 Rp.8 [13]. W
świetle dzisiejszej wiedzy istotnymi czynnikami, które
działają w kierunku polepszenia bezpieczeństwa przed
wykolejeniem w warunkach quasi-statycznych są:
wielkość poprzecznych sił prowadzących Y,
działających w punkcie styku koła i szyny w
kierunku poprzecznym,
wielkość nacisków pionowych Q koła (niem.
„Radaufstandskräfte”), działających w punkcie styku koła i szyny oraz ich rzeczywisty
rozkład w pojeździe,
wartość współczynnika tarcia µ między kołem
a szyną,
zarys koła, a zwłaszcza kąt pochylenia obrzeża
γ, przyjęty w stanie nowym na poziomie 70?
zgodnie z normą europejską PN-EN
13715+A1:2011 wg [11],
wichrowatość toru, mierzona w promilach i
określona w przepisach utrzymania infrastruktury,
wielkość kątów nabiegania α koła pojazdu na
szynę,
promień łuku toru R, przez który przejeżdża
pojazd oraz wielkość pochylenia rampy przechyłkowej toku zewnętrznego szyny na łuku o
promieniu R,
bazy wózka 2a, w przypadku pojazdów czteroosiowych oraz baza pojazdu w przypadku
wagonów dwuosiowych,
sztywność skrętna nadwozia,
sztywność usprężynowania,
sztywność skrętna ramy wózka.
42
2. Wskaźnik wykolejenia
Wskaźnik wykolejenia, który jest znany od
1908 roku jako kryterium Nadala, przedstawia się
następująco:
Y
≤ 1,2
 
 Q  γ = 70 0 ,µ = 0,36
(1)
gdzie:
Y- siła prowadząca, działająca w punkcie styku w
kierunku poprzecznym (niem. „laterale Führungskraft”)
Q- siła nacisku pionowego koła na szynę (niem. „Radaufstandskraft”).
Kryterium w takiej formie, aby można było je bardziej
zrozumieć, musi ulec rozwinięciu do następującej
formy:
tgγ − µ
Y
=
≤ 1,2
Q 1 + µ ⋅ tgγ
(2)
gdzie:
γ-kąt
pochylenia
obrzeża
(niem.
„Spukranzwinkel”),
µ- współczynnik tarcia pomiędzy kołem, a
szyną (niem. „Reibwert”)
Rozkład sił oraz kąt pochylenia obrzeża jest
przedstawiono na rys.1
Rys.1. Siły działające w punkcie styku koło-szyna podczas przejazdu przez łuk toru
Legenda:
Y- siła poprzeczna działająca w punkcie styku koło-szyna
Q- siła pionowa działająca w punkcie styku koło-szyna
N –siła normalna, prostopadła do linii, wyznaczającej kąt
pochylenia obrzeża
µN- siła tarcia, działająca w punkcie styku koło-szyna.
Proces wykolejenia odbywa się w wyniku wspinania
koła (niem. „das Aufklettern des Rades”) w rejonie
obrzeża po główce szyny. Wspinanie koła bokiem
obrzeża po zarysie zewnętrznym szyny odbywa się w
wyniku działania siły tarcia
T=µ·N (niem.
„Tangentialkraft”) oraz składowej siły poprzecznej Y.
Wartość tej siły jest tym większa im większy jest
współczynnik tarcia pomiędzy kołem, a szyną. Jeżeli
stosunek sił Y i Q przekroczy wartość wynoszącą 1,2,
to wówczas, prawdopodobne jest wykolejenie. Należy
jednak podkreślić, że kryterium to obowiązuje dla kąta
pochylenia obrzeża γ=70° oraz współczynnika tarcia
na styku koło-szyna wynoszącego µ=0,36.
Po wstawieniu danych γ=70° oraz µ=0,36 do wzoru
(2) otrzymuje się:
Y
tg70 − 0,36
2,7474 − 0,36
=
=
= 1,200
Q 1 + 0,36 ⋅ tg70 1 + 0,36 ⋅ 2,7474
Należy jednak zaznaczyć, że kąt pochylenia obrzeża γ
można używać do oceny bezpieczeństwa przed
wykolejeniem jeśli główka szyny nie jest na tyle
zużyta, że ma wpływ na ostateczny kąt pochylenia.
Jeśli główka szyny jest na tyle zużyta, jak pokazano na
rys.4, to wówczas rzeczywisty kąt styku wynosi
α=55opodczas przejazdu pojazdu z kołami o kącie
pochylenia obrzeża γ=70o.
(3)
Rys.2. Maksymalne dopuszczalne zużycie szyny, które wywołuje
kąt pochylenia obrzeża α=55°
Tak więc poprawnie sformułowane kryterium Nadala
przedstawia się następująco:
Przyjmując kąt pochylenia obrzeża α=55° oraz współczynnik tarcia µ=0,36 i wstawiając do wzoru (2) otrzymuje się:
tg55 0 − 0,36
Y
(5)
≤ 0,705
=
Q 1 + 0,36 ⋅ tg55 0
Y
≤ 1,2
 
 Q  γ=700 ,µ=0,36
(4)
Wskaźnik wykolejenia zależy w dużym stopniu od
kąta pochylenia obrzeża γ. Zależność tę przedstawiono
w tabeli 1.
Zależność wskaźnika wykolejania (Y/Q) od kąta pochylenia
obrzeża koła
Tabela 1
l.p.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Wartość kąta
Wartość
pochylenia
wskaźnika
wykolejenia (Y/Q)
obrzeża γ
0,845
60°
0,875
61°
0,906
62°
0,939
63°
0,972
64°
1,007
65°
1,042
66°
1,079
67°
1.118
68°
1,158
69°
1,200
70°
1,243
71°
1,289
72°
1,336
73°
1,386
74°
1,438
75°
1,493
76°
1,551
77°
1,612
78°
1,677
79°
1,746
80°
3. Wskaźnik wykolejenia, a kąt nabiegania
W przypadku przejazdu pojazdu przez łuk dochodzi
bardzo często do nabiegania koła pojazdu na szynę
pod kątem α, który nazywa się w kolejnictwie kątem
nabiegania (niem. „Anlaufwinkel”, ang. „stricking
angle”, fr „angle d’ attage”). Sytuację koła pojazdu na
łuku toru opisuje rys.2 oraz rys.3.
Legenda:
a- mała półoś elipsy
b- duża półoś elipsy
r- promień krzywizny wierzchołka hiperboli
γ- kąt pochylenia obrzeża
Rys.3. Aproksymacja przebiegu punktu styku przez łuk toru wg [2]
43
Rys.4. Przemieszczenie punktu styku podczas przejazdu koła
pojazdu przez łuk toru wg [2]
Kąty nabiegania α mogą przyjmować różne wartości,
przy czym jedną z maksymalnych wartości α=3,23°
wyliczono podczas przejazdu wagonu towarowego
218K (Hbbins) przez łuk o promieniu R=70 m [2,3].
Jak wynika z doświadczeń eksploatacyjnych pojazdów
tramwajowych duże kąty nabiegania ok. 3°, występują
podczas przejazdu przez łuk o promieniu R=17,5 m i
wózków o bazie 1850 mm [2]. Duże kąty nabiegania α
powyżej 3? występują podczas przejazdu wagonów
towarowych przez łuki o małym promieniu, tzw. tory
warsztatowe, co zostało wykazane w [6÷8].
Analizując rys.3 oraz rys.4 można zauważyć, że jeśli
punkt styku koło szyna wędruje na wycinku hiperboli,
to wówczas powstaje kąt nabiegania α.
Punkt wierzchołkowy (niem. „Scheitelpunkt”) hiperboli można wyznaczyć ze wzoru:
b2
r=
a
(6)
Półoś b odpowiada promieniowi koła R w punkcie
styku.
Półoś a może być wyliczona za pomocą kąta pochylenia obrzeża na podstawie następującego wzoru:
a=
R
tanγ
(7)
Z zależności (6) oraz (7) wynika zależność dla aproksymowanego przemieszczenia promienia koła:
r=R⋅tanγ
(8)
Rys.5. Skośne nabieganie koła na szynę
Oznaczenia na rys.5:
A, B punkty styku koła z szyną, odpowiednio na powierzchni
tocznej i obrzeżu koła
γ- kąt pochylenia obrzeża
α- kąt nabiegania koła na szynę
µ- współczynnik tarcia
r- promień powierzchni tocznej
r’- promień obrzeża, sięgający do ostatniego punktu na boku
obrzeża
∆h- odległość w kierunku pionowym pomiędzy punktami A i B.
3.1. Uwzględnienie poślizgu podczas jazdy przez
łuk toru
Poślizg w kierunku pionowym można określić z rys.6.
W wyniku kąta nabiegania α punkt styku na kole
przemieszcza się na odcinku drogi c, w wyniku czego
można zapisać:
(9)
c = r ⋅ sinα
względnie:
c=R⋅tanγ⋅sinα
(10)
Skośne nabieganie koła pojazdu na szynę przedstawia
również rys.5.
Rys.6. Prędkości przy przemieszczeniu punktu styku wg [2]
44
Legenda:
R- promień punktu styku koła i szyny
c- przemieszczenie punktu styku koła i szyny (punkt styku B
znajduje się na obrzeżu koła)
ω- prędkość obrotowa koła
v- prędkość liniowa w punkcie styku
vx- składowa prędkości w kierunku jazdy
vy- składowa prędkości w kierunku poprzecznym do kierunku
jazdy.
Przemieszczeniu c punktu styku, wynikającemu z
prędkości na kole towarzyszy poślizg. Poślizg w kierunku pionowym można wyznaczyć z następującej
zależności:
v
sZ = z
(11)
v
Rys.7. Związek między współczynnikami tarcia koła-szyny i
poślizg dla różnych nacisków pionowych zestawu kołowego 2Q na
tor wg [2]
Z warunków geometrycznych wynika zależność:
vZ c
=
v
R
(11)
Z zależności (11) wynika wzór na poślizg w kierunku
pionowym:
Sz=tanγ⋅sinα
(12)
W karcie UIC 510-2 [10] znajduje się zależność, określająca zależność współczynnika tarcia od poślizgu:
n
 1   1
1
  =    + 
  µ S   K ⋅ s y
µ

n




n




(13)
Rys.8. Aproksymacja ustalonych krzywych w karcie UIC 510-2
[10] poprzez funkcję wykładniczą dla różnych pionowych nacisków zestawów kołowych (2Q) na tor wg [2]
Poszczególne parametry wyrażają się wzorami:
(
1
⋅ Q 2 − 24,25Q + 571,5
1000
K = Q 2 − 24,25 ⋅ Q + 219,5
n = 0,05 ⋅ Q + 2,2
µS =
)
(14)
(15)
(16)
gdzie:
-Q nacisk pionowy koła na szynę wyrażony w
tonach.
 1
µ =  
 µS

n
 1

 + 
 K ⋅ sy






n




−
1
n
(17)
Równanie (17) można aproksymować do funkcji wykładniczej:
(
µ = µS ⋅ 1 − e
− d ⋅s y
)
(18)
Wyraz d wyznacza się ze wzoru empirycznego:
d=-10⋅Q+460
(19)
gdzie:
Q- nacisk koła w tonach.
Na rys.7 przedstawiono graficzne zależności pomiędzy współczynnikiem tarcia i poślizgiem, natomiast na
rys.8 przedstawiono tzw. krzywe aproksymacyjne.
Zakładając, że przebieg współczynnika tarcia w zależności od poślizgu jest niezależny od kierunku, względnie zależność współczynnika tarcia od poślizgu
pionowego przebiega identycznie jak zależność współczynnika tarcia od poślizgu poprzecznego. Obowiązuje więc równanie:
(20)
s y = sZ
Niniejszą funkcję można wyrazić za pomocą aproksymacji przez funkcję wykładniczą:
(
)
Y tan(γ ) − µ S⋅ 1 − e − d⋅tanγ⋅⋅sinα
=
Q 1 + µ S 1 − e −dtanγ⋅sinα ⋅ tan(γ )
(
)
(21)
Kąt nabiegania α koła pojazdu na szynę wyraża się
wzorem:
2a 1
α=
(22)
⋅
gdzie:
2 R
2a-baza pojazdu
R- promień łuku toru.
Na rys.9 przedstawiono zależność współczynnika
(Y/Q) wg kryterium Nadala (czerwona linia) oraz
rozszerzoną wartość współczynnika Nadala o kąt nabiegania dla kąta pochylenia obrzeża 70°, nacisku
zestawu kołowego na tor wynoszącego 19t oraz
współczynnika tarcia µ=0,36 i dla różnych promieni
łuku toru.
Jak widać z rys.9 przy uwzględnieniu kąta nabiegania
kryterium Nadala przyjmuje większe wartości od ustalonej w przepisach 1,2. Jeśli tak, to należy uznać, że w
kryterium Nadala istnieją rezerwy, zależne od kąta
nabiegania koła pojazdu na szynę. Krzywa wg Nadala,
uwzględniająca kąt nabiegania dla większych jego
wartości jest tożsama z tradycyjnym kątem nabiegania. Na rys.10 przedstawiono zależności wskaźnika
wykolejenia od kąta nabiegania i łuku toru, dla kątów
45
pochylenia obrzeża, wynoszących odpowiednio:
γ=80o, γ=76o,γ=73o,γ=70o, γ=68o, γ=64o,γ=60oi γ=50o.
Wykresy wskaźnika wykolejania (Y/Q) przedstawiono
dla nacisku zestawu kołowego na tor wynoszącego
19t, współczynnika tarcia µ=0,36 i pojazdu o bazie
2a=2,5 m.
Rys.9. Dopuszczalne wartości (Y/Q) wg kryterium Nadala i wg
rozszerzonego równania wg Nadala w zależności od kąta nabiegania dla kąta pochylenia obrzeża 70°, 2Q=19t i współczynnika
tarcia µ=0,36 wg [2]
Rys.10. Dopuszczalne wartości wskaźnika (Y/Q) wg rozszerzonego kryterium Nadala w zależności od kąta nabiegania dla różnych
kątów pochylenia obrzeża, 2Q=19t i µ=0,36. Promienie łuku toru
ustalone dla pojazdu o bazie 2a-=2,5 m wg [2]
Następnie przeprowadzono obliczenia dla wagonu 218
K (Hbbins) z rozsuwanymi ścianami o bazie 10m.
Wagon 218 K przedstawiono na rys.11.
Wagon 218K (Hbbins) posiada następujące parametry
techniczne:
masa własna wagonu - max.16,5t
długość ładowana -14 636 mm
szerokość ładowana-2580 mm
wysokość ładowna-3050 mm
baza wagonu -10 000 mm
maksymalny nacisk pionowy zestawu kołowego
na tor-22,5t
maksymalna prędkość wagonu załadowanego 100 km/h
maksymalna prędkość wagonu próżnego -120
km/h
szerokość (prześwit) toru - 1435 mm.
Wyniki obliczeń wskaźnika wykolejenia (Y/Q) zebrano w tabeli 2.
Przed wykonaniem analizy wyników należy zwrócić
uwagę, że wyprowadzona zależność na wskaźnik wykolejenia, określona wzorem (21), przyjmuje postać
wzoru (2) jeżeli:
(23)
µ=µS
Wówczas zależność, określona wzorem (18) przyjmuje taką postać pod warunkiem, że
− d ⋅s
(24)
1− e y =1
-dsinγ⋅sinα
A to oznacza, że funkcja e
zmierza do wartości
0.
Wyniki obliczeń dla współczynnika µs=0,36 dla wagonu 218 K przedstawiono w tabeli 3.
(
)
3.2. Radialne ustawianie się zestawu kołowego w
łuku, a wskaźnik wykolejenia
Analizując wyniki przedstawione w tabeli 2 można
zauważyć, że wraz ze wzrostem kąta nabiegania α,
którego wartość rośnie wraz ze zmniejszeniem się
promienia łuku toru można wyciągnąć wniosek, że
kryterium Nadala może przyjmować:
większe wartości od tradycyjnie wyliczonych dla małych kątów nabiegania α, które pojawiają się na odcinkach prostych toru R>1800 m oraz łukach o dużych promieniach 600m<R? 1800 m
wartości równe tradycyjnie przyjmowanych dla dużych kątów nabiegania α, które pojawiają się na łukach małych 250≤R<600 m oraz na łukach bardzo
małych 250≤R<400 m (definicje zakresów łuków
zgodnie PN-EN 14363:2007[12]).
Rys.11. Wagon dwuosiowy typu 218K (Hbbins) z rozsuwanymi ścianami
46
Zestawienie wyników obliczeń wskaźnika wykolejenia (Y/Q) dla różnych kątów nabiegania α i współczynnika tarcia
µ=0,488 dla wagonu dwuosiowego z rozsuwanymi ścianami 218 K (Hbbins)
Tabela 2
[-]
d
[t]
R
[m]
α
[rad]
α
[°]
4,125
0,488
418,75
10000
5⋅10-4
0,0286
2.
4,125
0,488
418,75
5000
1⋅10-3
0,0572
3.
4,125
0,488
418,75
3000
1,66⋅10-3
0,0951
4.
4,125
0,488
418,75
1000
5⋅10-3
0,2864
L.p.
Q
[t]
1.
µs
-3
0,3580
5.
4,125
0,488
418,75
800
6,25⋅10
6.
4,125
0,488
418,75
600
8,33⋅10-3
0,4772
7.
8.
9.
10.
4,125
4,125
4,125
4,125
0,488
0,488
0,488
0,488
418,75
418,75
418,75
418,75
300
250
200
150
0,016
0,02
0,025
0,033
0,9167
1,1459
1,4323
1,8907
Y
Q
sinα
[-]
4,9916⋅
10-4
9,9832⋅
10-4
1,6598⋅
10-3
4,9986
10-3
6,2482
10-3
8,3286
10-3
0,0159
0,0199
0,0249
0,0331
Y
Q NADA
1,59
0,96
1,26
0,96
1,08
0,96
0,964
0,96
0,9615
0,96
0,9610
0,96
0,96
0,96
0,96
0,96
0,96
0,96
0,96
0,96
Zestawienie wyników obliczeń wskaźnika wykolejenia (Y/Q) dla różnych kątów nabiegania α i współczynnika tarcia
Tabela 3
µ=0,36 dla wagonu dwuosiowego z rozsuwanymi ścianami 218 K (Hbbins)
[-]
d
[t]
R
[m]
α
[rad]
α
[°]
4,125
0,360
418,75
10000
5⋅10-4
0,0286
2.
4,125
0,360
418,75
5000
1⋅10-3
0,0572
3.
4,125
0,360
418,75
3000
1,66⋅10-3
0,0951
4.
4,125
0,360
418,75
1000
5⋅10-3
0,2864
L.p.
Q
[t]
1.
µs
-3
0,3580
5.
4,125
0,360
418,75
800
6,25⋅10
6.
4,125
0,360
418,75
600
8,33⋅10-3
0,4772
7.
8.
9.
10.
4,125
4,125
4,125
4,125
0,360
0,360
0,360
0,360
418,75
418,75
418,75
418,75
300
250
200
150
0,016
0,02
0,025
0,033
0,9167
1,1459
1,4323
1,8907
Wyniki teoretyczne skłaniają do wyciągnięcia wniosku, że w przypadku ciasnych i średnich zakresów
promieni, jednym z technicznych rozwiązań byłoby
zmniejszenie kątów nabiegania poprzez zastosowanie
radialnego sterowania zestawów kołowych układów
biegowych lub zastosowania sprzęgów wózkowych w
lokomotywach. Przykład nowoczesnego wózka z hamulcami tarczowymi oraz radialnym sterowaniem
zestawów kołowych typu RC25NT (RadialControl25NewTechnology), zaprojektowany i wyprodukowany przez firmę Eisenbahnlaufwerke GmbH
&Co.KG w Halle (ELH) jest przedstawiony na rys 12
i rys.13. W wyniku takiego zabiegu, kąty nabiegania
maleją, zestawy kołowe wpisują się łatwiej w łuk toru.
Kolejną korzyścią, jest zmniejszenie zużyć obrzeży
Y
Q
sinα
[-]
4,9916⋅
10-4
9,9832⋅
10-4
1,6598⋅
10-3
4,9986
10-3
6,2482
10-3
8,3286
10-3
0,0159
0,0199
0,0249
0,0331
Y
Q NADA
1,808
1,200
1,493
1,200
1,324
1,200
1,202
1,200
1,200
1,200
1,200
1,200
1,200
1,200
1,200
1,200
1,200
1,200
1,200
1,200
kół, co pozwala na zwiększenie żywotności kół jezdnych, a w efekcie na poprawienie konkurencyjności
transportu szynowego na rynku przewozowym towarów.
Reasumując mechanizm radialnego sterowania zestawów kołowych wózka RC25NT zapewnia:
bezpieczną równoległość zestawów kołowych
na torach prostych oraz udoskonalone ustawianie się zestawów kołowych w łuku,
niskie koszty napraw i konserwacji; przy wymianie zestawów kołowych mechanizm sterowania nie musi być demontowany, przez co
zapewnione jest utrzymanie dokładności prowadzenia zestawów kołowych.
47
Wózek typu RC25NT jest przeznaczony do wagonów
towarowych, przystosowanych do nacisku zestawów
kołowych na tor, wynoszącego 25t oraz prędkości 100
km/h.
Badanie pojazdów, a w szczególności wagonów towarowych w stanie próżnym, ma istotne uzasadnienie, gdyż najczęściej dochodzi do wykolejania w tym
stanie. Wynika to ze wskaźnika wykolejenia, gdyż
wtedy odciążenie koła ∆Q może być decydujące dla
bazowej wartości nacisku Q. Wyliczone wartości kątów nabiegania dla analizowanych przypadków są
realne i pokrywają się z praktyką eksploatacyjną,
Rys.13. Mechanizm sterowania radialnego wózka RC25NT wg [5]
Rys.12.Wózek RC25NT, przeznaczony do ciężkich przewozów
towarowych wg [5]
Należy podkreślić, że każdy luz wzdłużny zwiększa
możliwość wpisywania się pojazdu w łuki. W ten sposób zmniejsza się kąt nabiegania w łukach. Uzasadnia
to wzór na określenie minimalnego promienia łuku
toru, przez który może przejechać pojazd np. dwuosiowy wagon towarowy. W przypadku przejazdu
przez łuk o promieniu R wagonu dwuosiowego o bazie 2p, luzach poprzecznych 2q, luzach wzdłużnych
2qw i luzie zestawu kołowego w torze ε minimalny
promień łuku toru, w który może wjechać pojazd wynosi:
R=
p  sin arc cosψ q w  ε
−
+
2 
tgγ
s  2
 sin arc cos ψ q w ε + 2q 


+
−
tgγ
s
p 

(25)
Wyniki uzyskanych kątów nabiegania α dla wagonu z
rozsuwanymi ścianami typu 218K są realne i mają
swoje potwierdzenie w praktyce kolejowej.
Należy wziąć pod uwagę, że wskaźnik wykolejenia,
jako kryterium w tradycyjnej formie jest funkcją
dwóch zmiennych tzn. kąta pochylenia obrzeża γ oraz
współczynnika tarcia µ pomiędzy kołem a szyną.
Dzięki dalszym badaniom udało się uwzględnić w
kryterium wykolejania kąt nabiegania α. Należy podkreślić, że wskaźnik wykolejania jest zależny od
współczynnika tarcia między kołem a szyną, który z
kolei zależy od:
48
prędkości pojazdu,
warunków atmosferycznych (temperatura
otoczenia, wilgotność powietrza),
wyposażenia pojazdu w urządzenia do smarowania obrzeży kół,
wyposażenia w urządzenia stacjonarne przytorowe do zwilżenia powierzchni szyn na łukach toru (stosowane głownie przez koleje
szwajcarskie SBB oraz koleje austriackie
ŐBB),
wyposażenia pojazdu w urządzenia do piaskowania,
zanieczyszczenia i zużycia szyn (patrz rys.2),
chropowatości powierzchni tocznej i obrzeży
kół oraz szyn kolejowych itd.
Zależność wskaźnika wykolejenia dla poszczególnych
kątów pochylenia obrzeża γ od współczynnika tarcia
przedstawiono w tabeli 4.
Należy zwrócić uwagę na to, że wartość współczynnika tarcia µ=0,36 nie jest wartością maksymalną występującą w kolejnictwie. Norma PN-EN 14363:2007
[12] przedstawia wykres zależności wskaźnika wykolejania od kąta pochylenia obrzeża dla różnych współczynników tarcia. Wykres ten jest przedstawiony na
rys.14.
Jak widać z rys.14, współczynnik tarcia między kołem
i szyną może wynosić nawet µ=0,5. Jak wynika z doświadczeń eksploatacyjnych, zdobytych poza granicami kraju współczynnik tarcia może osiągnąć nawet
w sprzyjających warunkach wartość 0,6 [1,3,4]. Tak
więc kryterium Nadala, jako wskaźnik wykolejania o
wartości 1,2 ma charakter umowny i jego spełnienie w
warunkach ekstremalnych może być niewystarczające.
Zależność współczynnika wykolejenia (Y/Q dla różnych kątów pochylenia obrzeży koła od współczynnika tarcia między kołem a szyną
Tabela 4
l.p.
Wartość kąta
pochylenia
obrzeża γ
[?]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
60°
61°
62°
63°
64°
65°
66°
67°
68°
69°
70°
71°
72°
73°
74°
75°
76°
77°
78°
79°
80°
Współczy-nnik
tarcia
[-]
Wartość
wskaźnika
wykolejenia
Wartość
Wpółczynnik
wskaźnika
tarcia
wykolejenia
[-]
[-]
Wartość
Współczynnik
wskaźnika
tarcia
wykolejenia
[-]
[-]
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,845
0,875
0,906
0,939
0,972
1,007
1,042
1,079
1.118
1,158
1,200
1,243
1,289
1,336
1,386
1,438
1,493
1,551
1,612
1,677
1,746
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
Rys.14.Przebieg funkcji wskaźnika wykolejenia (Y/Q) w
zależności od współczynnika tarcia µ między kołem a szyną oraz
kąta pochylenia obrzeża γ koła wg PN-EN 14363:2007 [12]
4. WNIOSKI
Jak widać z przedstawionych analiz kryterium
wykolejenia, zwane kryterium Nadala mające już bardzo długą historię podlega ciągłemu rozwojowi. Rozwój ten odbywa się na drodze analiz teoretycznych
oraz badań empirycznych. Badanie samego kryterium
i jego uściślanie ma na celu, zwiększenie bezpieczeństwa kursujących pojazdów podczas przejazdu w ekstremalnych warunkach (mała prędkość, wysoki współczynnik tarcia) przez tory wichrowate. Zwiększenie
tego kryterium ,w sensie wartości, daje bardzo duże
1,137
1,178
1,221
1,265
1,312
1,360
1,411
1,465
1,521
1,581
1,644
1,710
1,781
1,856
1,936
2,022
2,114
2,213
2,320
2,437
2,563
1,391
1,443
1,498
1,557
1,618
1,683
1,752
1,825
1,903
1,987
2,076
2,173
2,276
2,389
2,511
2,644
2,791
2,952
3,131
3,330
3,555
korzyści i przyczynia się do zwiększenia konkurencyjności transportu szynowego. Warto zauważyć, że w
okresie eksploatacji pojazdu szynowego, dopuszczalna
wartość współczynnika wykolejenia zmienia się w
zależności od prędkości pojazdu (współczynnika tarcia), trajektorii toru (tory proste, łuku o dużym promieniu, łuki o małym promieniu oraz łuki o bardzo
małym promieniu), wartości kąta pochylenia obrzeża,
stanu utrzymania zarysu zewnętrznego koła oraz szyn.
Badania nad wskaźnikiem wykolejenia (Y/Q) powinny
być przeprowadzone równolegle z pracami nad zabezpieczeniami technicznymi pojazdów szynowych przed
wykolejeniami..Polega to na ciągłych inwestycjach
technicznych w zakresie wyposażeniu taboru szynowego w system zapobiegawczo-prewencyjny, jeśli
chodzi o wykolejenia. W przypadku zastosowania
mechanizmów, umożliwiających qausi-radialne lub
radialne ustawianie się zestawów kołowych w łuku,
osiąga się jeszcze jedną zaletę zawieszenia lub układu
biegowego, do jakich można zaliczyć mniejsze zużycie obrzeża kół zestawu kołowego oraz powierzchni
szyn. Zgodnie z tendencjami rozwoju pojazdów szynowych, rośnie zapotrzebowanie na ultralekkie konstrukcje. W związku z powyższym, bezpieczeństwo
przed wykolejeniem nabiera priorytetowego znaczenia.
49
5. LITERATURA
[1] Böhmer A., Ertz M., Kontothe k., Bucher-Mersch F.,
Klimpel T.: Beanspruchungen von Schienen unter dynamischen und thermischen Belastungen. ZEV Rail
Glasers Annalen. Nr. 3 i 4 .2003.
[2] Dede J., Reimann U : Nadals Gleichung, erweitert um
den Analaufwinkel. ZEVrail nr. 4 2014
[3] Kik.W., Menssen R., Moelle D.: Kräfte und Verschleiss
in der Wendenschleife und im Abzweig einer Weiche.
Der Eisenbahningenieur 04.2003.
[4] Krugmann H.L.: Lauf der Schienefahrzeuge im Gleis.
Eine Einführung. Oldenburg. Verlag MünchenWien.1982
[5] Scholdan D., Gabriel N, Kik W.: Ein neues gleisfreundliches Drehgestell für den schweren Güterverkehr.
Glassers Annalen. Sonderheft Tagungsband. Moderne
Schienefahrzeuge. 09.2011.
[6] Sobaś M.: Zawieszenia i układy biegowe wagonów
towarowych. Wydawnictwo IPS Tabor 2014.
[7] Sobaś M.: Analiza przejazdu wagonów towarowych
dwuosiowych przez łuk o minimalnym promieniu (1).
Pojazdy Szynowe nr 1/2003
[8] Sobaś M.: Stan i doskonalenie kryteriów bezpieczeństwa
przed wykolejeniem pojazdów szynowych (1). Pojazdy
Szynowe nr 4/2005.
[9] Sobaś M.: Stan i doskonalenie kryteriów bezpieczeństwa
przed wykolejeniem pojazdów szynowych (2). Pojazdy
Szynowe nr 2/2006.
[10] Karta UIC 510-2: Pojazdy doczepne. Warunki dla
stosowania kół o różnych średnicach w układach
biegowych różnego typu. 4-te wydanie z października
2002 i kwietnia 2004.
[11] PN-EN 13715+A1:2011: Kolejnictwo. Zestawy kołowe
i wózki. Koła. Zewnętrzne zarysy wieńców kół.
[12] PN-EN 14363:2007:Kolejnictwo- Badania właściwości
dynamicznych
przed
dopuszczeniem
pojazdów
szynowych. Badania właściwości biegowych i próby
stacjonarne.
[13]Raport ORE/ERRI B55 Rp.8: Sicherheit gegen
Entgleisen von Güterwagen in Gleisverwindungen.
Bericht 8 (Schlussbericht). Utrecht. April, 1983.
dr hab. inż. Nikolay Lukov
Moskiewski Państwowy Uniwersytet Komunikacji
dr inż. Marek Babeł
Politechnika Krakowska
Przekładnia elektryczna lokomotywy spalinowej prądu zmiennego
z asynchronicznymi silnikami trakcyjnymi zwartymi
bez falowników trakcyjnych
Zastosowanie do napędu na lokomotywach spalinowych trakcyjnych prądnic
prądu zmiennego pozwala opracować przekładnię elektryczną prądu zmiennego
bez użycia falowników trakcyjnych, zwiększyć wskaźniki techniczno-ekonomiczne
tego typu lokomotyw. W artykule przedstawiono opis schematów, właściwości i
charakterystyk przekładni elektrycznej, w skład której wchodzą - trakcyjna
prądnica asynchroniczna i asynchroniczne silniki trakcyjne zwarte.
W lokomotywach spalinowych stosowane są przekładnie elektryczne w wariantach: prąd stały; zmienny
- stały i zmienny - stały - zmienny. Przekładnie elektryczne w wariancie prąd zmienny - stały i zmienny stały - zmienny posiadają określone zalety w stosunku
do przekładni prądu stałego. Przekładnie elektryczne
w wariancie prąd zmienny - stały - zmienny składają
się z trakcyjnej prądnicy synchronicznej (ТPS) z blokiem wzbudzenia, prostownika trakcyjnego, falownika trakcyjnego (FT) i asynchronicznych silników
trakcyjnych (AST) [1-3]. Przekładnie takie opracowano na podstawie układów napędu elektrycznego ze50
stawów kołowych elektrycznych pojazdów trakcyjnych, w których nie występują prądnice prądu zmiennego, а energia elektryczna dostarczana jest z sieci
trakcyjnej. W przypadku występowania w napędzie
lokomotywy spalinowej trakcyjnej prądnicy prądu
zmiennego mogą zostać zbudowane przekładnie elektryczne z zastosowaniem AST zwartych bez wykorzystania FT, które będą charakteryzować się określonymi wymiarami gabarytowymi, masą, ceną oraz
wskaźnikami niezawodnościowymi.
W opracowanym projekcie przekładni elektrycznej lokomotywy, w celu zapewnienia płynnej zmiany
siły pociągowej na obwodzie kół, poszerzenia zakresu
prędkości, zwiększenia niezawodności, efektywności
oraz poprawy właściwości trakcyjnych lokomotywy,
zastosowano trakcyjną prądnicę asynchroniczną
(ТPA) pierścieniową obcowzbudną [4,5], napędzaną
silnikiem spalinowym. Do zacisków TPA podłączone
są bezpośrednio AST zwarte, а do jej obwodu wirnika
z pierścieniami podłączona jest przetwornica częstotliwości (PC), która podłączona jest do wzbudnicy
synchronicznej (WS) napędzanej silnikiem spalinowym.
Opracowany projekt przekładni elektrycznej
prądu zmiennego składa się z następujących elementów (rys.1): ТPA 1, której uzwojenie wzbudzenia 2
podłączone jest do PC 3, ТPA 1 połączona jest z wałem silnika spalinowego D 4 i z wałem WS 5, której
uzwojenie wzbudzenia podłączone jest do regulatora
napięcia (RN) 6 ТPA 1, а uzwojenie stojana WS 5
podłączone jest do PC 3, połączonej z regulatorem
częstotliwości (RC) 7 fP napięcia ТPA 1. Do uzwojenia stojana ТPА 1 podłączone są bezpośrednio AST
zwarte 8, których wały połączone są z osiami zestawów kołowych 9 lokomotywy. Regulatory RN 6 i RC
7 podłączone są do nastawnika maszynisty 10.
Przekładnia elektryczna działa w następujący
sposób. Stojan TPA posiada typowe uzwojenie trójfazowe prądu zmiennego. Uzwojenie wzbudzenia, rozmieszczone na wirniku, musi posiadać taką samą liczbę par biegunów jak uzwojenie stojana. Wskazanym
jest aby uzwojenie wirnika wykonane było jako rozproszone w celu otrzymania sinusoidalnego pola magnetycznego w szczelinie powietrznej TPA. Cechą
charakterystyczną TPA jest jej wzbudzenie prądem
zmiennym o zmienianej częstotliwości ωB i zmienna
prędkość wirowania wirnika ωP [4,5]. Ponieważ pole
magnetyczne, wytwarzane przez trójfazowy prąd
wzbudzenia w uzwojeniu wirnika, wiruje względem
wirnika z częstotliwością ωB, to częstotliwość wirowania pola magnetycznego względem uzwojeń stojana ω równa jest sumie algebraicznej częstotliwości
wirowania wirnika ωP i pola magnetycznego ωB, wytwarzanego przez prąd wzbudzenia. W wyniku tego
częstotliwość wirowania pola magnetycznego ω można zmieniać poprzez zmianę ωP i ωB, tj. można zmieniać jej wartość i kierunek za pomocą PC. Uzwojenie
stojana TPA jest uzwojeniem wyjściowym. Niezależnie od stosunku częstotliwości ωP / ω pracuje ono w
trybie prądnicowym. Uzwojenie wzbudzenia (wirnika)
ТPA jest dla niej wejściowym. Tryb jego pracy zależy
od poślizgu pola magnetycznego S = 1 - ωP / ω. Przy
ujemnym poślizgu S (w zakresie ωP > ω, S < 0), tj. w
przypadku
opóźniania się pola magnetycznego
względem wirnika, uzwojenie wirnika wzbudzane jest
prądem przy odwrotnym przebiegu faz. Przy tym,
uzwojenie wzbudzenia TPA generuje moc aktywną Р
(rys. 2, а).
Rys. 1. Schemat blokowy przekładni elektrycznej lokomotywy
spalinowej prądu zmiennego z TPA i AST zwartymi bez FT
1 - TPA; 2 - uzwojenie wzbudzenia ТPA; 3 - PC; 4 - D; 5 - WS; 6
- RN; 7 - RC; 8 - AST; 9 - osie zestawów kołowych; 10 - nastawnik maszynisty
Rys. 2. Schemat blokowy i przepływ mocy aktywnej (
Р) i
reaktywnej (----- Q) w obwodzie elektrycznym przekładni prądu
zmiennego lokomotywy z TPA i AST zwartymi bez FT а) przy
poślizgu dodatnim; b) przy poślizgu, równym zero; c) przy
poślizgu ujemnym
Poprzez PC ta moc poślizgu przekazywana jest do
wzbudnicy WS, która pracuje w trybie silnikowym, tj.
moce aktywne Р, generowane w obwodzie uzwojeń
stojana i wirnika ТPA, powstają w wyniku przekształcenia mocy mechanicznej PD silnika spalinowego.
Przy ruszaniu lokomotywy koniecznym jest, aby
różnica częstotliwości ω i ωB zapewniła wielkość częstotliwości napięcia ТPА fP = 1-2 Hz. Ruszanie lokomotywy realizowane jest poprzez zmniejszenie częstotliwości ωB do zera za pomocą PC. Przy częstotliwości ωB = 0 (S = 0) w uzwojeniu wzbudzenia ТPА
przepływa prąd stały (synchroniczny tryb pracy TPA
przy S =0) (rys. 2, b). Przy tym, moc Р, doprowadzona
do uzwojenia wzbudzenia ТPА, jest równa wartości
strat elektrycznych w tym uzwojeniu, a moc elektromagnetyczna ТPА РEM wytwarzana jest tylko w wyniku przekształcenia mocy PD silnika spalinowego. Przy
częstotliwości ωB = 0 (S = 0) częstotliwość fP określana jest tylko przez częstotliwość ωP.
51
Dalszy rozruch lokomotywy realizowany jest przy
częstotliwości ωB = 0 przez zwiększenie częstotliwości ωP od wartości minimalnej do maksymalnej ωP NOM
(rys. 2, b). Przy częstotliwości ωPMAX dalsze zwiększanie prędkości lokomotywy może być realizowane
przez zwiększanie ωB, jednakże o kierunku przeciwnym, przy czym ω = ωP + ωB. Przy tym РAST lub РEM
są większe od mocy Р uzwojenia wzbudzenia (tj. są
większe od mocy poślizgu) (rys. 2, c). Różnica między nimi pokrywana jest z mocy silnika spalinowego
PD. Oznacza to, że moc Р, przekazywana na drodze
elektromagnetycznej do obwodu uzwojenia stojana
ТPА, dostarczana jest do ТPА od strony wału i od
strony uzwojenia wzbudzenia. Źródłem mocy reaktywnej QP układu (ТPА, AST, WS) jest WS, а jej odbiornikami - ТPА i AST. Bilans QP podczas pracy
ТPА i AST QWS - (QAST + QPC) = QTPA. W całym
zakresie częstotliwości ω TPA ma zdolność filtracji,
co zapewnia dobry sinusoidalny przebieg napięcia UP,
wzrost sprawności, niezawodności i zmniejszenie
temperatury AST. Regulacja UP i ωB w zależności od
I, ωP, fP oraz obrotów nAST AST odbywa się za pomocą RN.
Ponieważ TPA może pracować w trzech trybach
(przy ujemnym poślizgu, równym zero lub dodatnim),
obszar charakterystyk trakcyjnych lokomotywy podzielony jest linią podziałową (przy S = 0) na dwa
zakresy. Część charakterystyk w górnym zakresie
odpowiada trybowi pracy przekładni przy ω = ωP - ωB
, а część charakterystyk w dolnym zakresie - trybowi
pracy przekładni przy ω = ωP + ωB.
Właściwości dynamiczne przekładni elektrycznej
odzwierciedla charakter zmian w czasie podstawowych wielkości, określających stan przekładni elektrycznej lokomotywy podczas jazdy pociągu, szczególnie przy ruszaniu i rozpędzaniu się pociągu [6]
(rys. 3).
Ustalono, że przekładnia elektryczna przy ruszaniu i zwiększaniu prędkości pociągu pracuje w trybie
ujemnego poślizgu pola magnetycznego tylko na
krótkim odcinku czasu (120 s, rys. 3). Przy ruszaniu
pociągu przy dużym poślizgu wykorzystywana jest
bardzo mała moc ТPА (o 15-20 razy mniejsza od mocy nominalnej) [7]. Jest to uwarunkowane tym, że w
celu ograniczenia maksymalnego prądu rozruchowego
ТPА i AST przy ruszaniu pociągu, napięcie ТPА
utrzymywane jest na niskim poziomie poprzez ograniczenie prądu wzbudzenia ТPА. W wyniku tego, nawet
przy dużym ujemnym poślizgu moc wzbudzenia ТPА
okazuje się niewielka. Przy tym, wraz ze zwiększaniem mocy ТPА i prędkości pociągu (rys. 3, linia 2,
3), częstotliwość wirowania pola magnetycznego prądu wzbudzenia ωB w początkowym okresie ulega
zwiększeniu, а następnie zmniejsza się do zera. Przy
częstotliwości ωP max dalsze zwiększanie prędkości
lokomotywy może być realizowane przy dodatnim S
przez zwiększanie ωB, jednakże już o kierunku przeciwnym, przy czym ω = ωP + ωB. Przy tym, co jest
szczególnie ważne, zmniejszenie poślizgu pola magnetycznego S (rys. 3, linia 7), pozwala zastosować
WS i PC o mniejszej mocy i o mniejszych wskaźnikach masy i wymiarów gabarytowych. W opracowanej przekładni elektrycznej lokomotywy należy zastosować PC z bezpośrednim połączeniem (bez ogniwa
prądu stałego), która nazywana jest przetwornicą „niskiej” częstotliwości. Do wzbudzenia ТPА, która może pracować przy bardzo małej częstotliwości ωB
względem wirnika, wskazanym jest zastosowanie PC
właśnie o „niskiej” częstotliwości, zapewniającej
otrzymanie sinusoidalnego prądu wzbudzenia przy
pełzających „niskich” częstotliwościach. Jeżeli ТPA i
WS posiadają jednakową liczbę par biegunów (np. 6),
to zastosowanie jako PC prądu wzbudzenia TPA przetwornic o komutacji wymuszonej pozwala realizować
Rys. 3. Charakterystyki zmiany w czasie podstawowych wielkości, określających stan przekładni elektrycznej lokomotywy
przy ruszaniu i rozpędzaniu się pociągu, po zmianie nastawnika maszynisty z pozycji 0 na pozycję 15-ą
1 - częstotliwość wirowania pola magnetycznego wirnika ωP; 2 - moc Р TPA ; 3- prędkość jazdy pociągu V; 4 – prędkość
kątowa wału ωAST AST; 5 - częstotliwość wirowania pola magnetycznego stojana ω ТPА; 6 - częstotliwość wirowania pola
magnetycznego prądu wzbudzenia ωB; 7 - poślizg pola magnetycznego S
52
najbardziej prosty układ sterowania PC. Charakterystyczną i ważną właściwością takich PC jest zmiana
znaku obciążenia reaktywnego Q przy większej częstotliwości komutacji zaworów (ωT), niż częstotliwość
przetwarzanego napięcia przez WS (ωWS). Z zasady
działania przekładni elektrycznej lokomotywy wynika, że PC dla TPA powinna być wielofazową; przy
przejściu przez częstotliwość synchroniczną ωB = 0
(S = 0) przebieg napięcia w fazach na wyjściu PC
musi zmieniać swój znak, dzięki czemu pole magnetyczne zmienia swój kierunek wirowania względem
wirnika; przy częstotliwości synchronicznej ωB = 0 (S
= 0) PC musi, w zależności od położenia fazowego
wirnika, w odpowiedni sposób rozdzielać prąd stały
wzbudzenia pomiędzy fazami uzwojenia wirnika
ТPА. PC musi być rewersyjną dla mocy aktywnej i
reaktywnej; wysoka sprawność musi być zapewniona
przez kluczowy tryb pracy przełączanej aparatury
półprzewodnikowej. PC nie jest wykonywana na pełną moc AST, а jedynie na wielkość mocy wzbudnicy
ТPА. W trybie zwarcia przez PC nie przepływa cały
prąd zwarcia, co zapewnia bardziej dogodniejsze
warunki jej pracy w porównaniu z przekładnią elektryczną, w której przez FT przechodzi pełna moc
AST. Masa i wymiary gabarytowe elementów przekładni elektrycznej lokomotywy w znacznym stopniu
zależą od mocy wzbudzenia ТPА, która równa jest
pierwiastkowi kwadratowemu z sumy aktywnej mocy
wzbudzenia do kwadratu i mocy reaktywnej wzbudzenia do kwadratu i określa moce WS i PC (rys. 2).
Przyjmując, w celu uproszczenia analizy, że straty w
uzwojeniu wzbudzenia ТPА nie występują, tj. moc
obwodu wzbudzenia równa jest mocy poślizgu РB =
S⋅PEM, oraz uwzględniając zależność QB = | S | ⋅ Q,
można zależność do określenia pełnej mocy obwodu
,
wzbudzenia przedstawić w postaci SB = | S | ⋅
gdzie Q - moc reaktywna ТPА i AST. Z ostatniej zależności wynika, że moc obwodu wzbudzenia jest tym
większa, im większy jest maksymalny poślizg wg
wartości bezwzględnej. Stąd wynika wniosek:
uwzględniając jako kryterium - zmniejszenie wskaźników masy przekładni elektrycznej, pożądanym, z
zakresów roboczych poślizgu, jest ten, przy którym
maksymalna moc obwodu wzbudzenia posiada najmniejszą wartość względną. Moc wzbudzenia, masa i
wymiary gabarytowe podstawowych elementów przekładni elektrycznej (rys. 2) okazują się największe
przy pracy ТPА w zakresie ujemnego poślizgu i najmniejsze - podczas pracy z S > 0 i z S = 0.
We wszystkich przypadkach racjonalny zakres poślizgu S wybierany jest z uwzględnieniem mocy, zakresów zmian nAST i prędkości, przy których swobodna
moc silnika spalinowego w pełni wykorzystywana jest
na cele trakcyjne.
Opracowany projekt przekładni elektrycznej posiada znaczące zalety w stosunku do znanych przekładni prądu zmiennego. Zapewnia ona płynną i ciągłą zmianę siły pociągowej na obwodzie kół, а także
zmianę prędkość lokomotywy bez stosowania FT.
Przekładnia ta cechuje się dużą niezawodnością,
mniejszą ceną, wyższą sprawnością, niż znane przekładnie elektryczne lokomotyw.
BIBLIOGRAFIA
1. Луков Н. М. Передачи мощности тепловозов:
учеб. для вузов ж.-д. трансп.; под ред. Н. М.
Лукова. Москва. Транспорт, 1987. 279 с.
2. Струнге Б. Н. Регулирование частоты
вращения и мощности дизель - генераторов
тепловозов . Москва. Транспорт, 1976. 112 с.
3. Быков В. Г. Пассажирский тепловоз ТЭП70.
Москва. Транспорт, 1976. 232 с.
4. Алюиіин Г. Н. Асинхронные генераторы
повышенной частоты. Основы теории и
проектирования. Москва. Машиностроение,
1974. 352 с.
5. Торопцев Н. Д. Асинхронные генераторы
автономных систем. Москва. Знак, 1998. 288 с.
6. Луков Н. М. Автоматические системы
управления локомотивов: учеб. для вузов ж.-д.
трансп. Москва. ГОУ «Учебно¬методический
центр по образованию на железнодорожном
транспорте», 2007. 429 с.
7. Винокуров В. А. Электрические машины
железнодорожного
транспорта.
Москва.
Транспорт, 1986. 511 с.
53
dr inż. Rafał Cichy
dr inż. Zbigniew Durzyński, prof. IPS
Instytut Pojazdów Szynowych “TABOR”
Wymagania dyrektyw, technicznych specyfikacji interoperacyjności oraz
przepisów krajowych w zakresie ochrony środowiska i zużycia energii
Nowe regulacje prawne obowiązujące w Unii Europejskiej sformułowały wymagania zasadnicze zgodnie z którymi należy projektować, produkować, oceniać,
eksploatować oraz wycofywać z eksploatacji pojazdy. Wymagania w sposób
jednoznaczny odnoszą się do zarówno do wymagań wspólnotowych jak i do
wymagań krajowych. W rozumieniu przepisów należy dążyć do ujednolicenia
wymagań. W niniejszym artykule zaprezentowano wymagania stawiane systemowi
kolei europejskich w kontekście ochrony środowiska.
Tezy niniejszego artykułu zostały wygłoszone w trakcie sesji plenarnej konferencji
„Ochrona środowiska i oszczędność energii w transporcie szynowym”.
1.
Wstęp
Podstawowym dokumentem regulującym obszar kolei Podsystemami strukturalnymi w rozumieniu dyrektyw
europejskich są dyrektywy w sprawie kolei europej- są:
skich [1÷6].
- infrastruktura
Przepisy wykonawcze zawarte w Technicznych Specy- energia
fikacjach Interoperacyjności [11÷15] opartych na ww.
- sterowanie – urządzenia przytorowe
dyrektywach ulegają ciągłym zmianom w zakresie
- sterowanie – urządzenia pokładowe
wymagań i procesu dopuszczenia podsystemów do
- tabor.
eksploatacji i dotyczą całej sieci kolejowej państw Unii
Europejskiej.
Zestawienie kolejnych aktualizacji TSI w latach 2008÷2015
Rok
2008
2009
2010
TSI SRT
2015
54
HS TSI RST
CR TSI
LOC&PAS
Decision
2008/163
(1st SRT TSI)
EiF: 21/12/2007
DoA: 1/7/2008
2011
2012
2013
2014
TSI PRM
Decision
2011/291
(amendment)
DoA: 1/6/2011
Regulation
1303/2014 (2nd
SRT TSI)
EiF/DoA:
1/1/2015
Decision
2008/164
(1st PRM TSI)
EiF: 27/12/2007
DoA: 1/7/2008
Regulation
1300/2014 (2nd
PRM TSI)
EiF/DoA:
1/1/2015
Decision
2008/232
(2nd HS RST
TSI)
EiF: 21/2/2008
DoA: 1/9/2008
Tablica 1
CR TSI WAG
Decision
2006/861
(1st CR WAG
TSI)
DoA
31/01/2008
Decision
2011/291
(1st LOC&
PAS TSI)
DoA: 1/6/2011
Regulation 1302/2014
(1st merged RST TSI)
EiF/DoA: 1/1/2015
Regulation
321/2013
(2nd CR WAG
TSI)
EiF 13/4/2013
DoA: 1/1/2014
Regulation
1236/2013
amendment
EiF 4/12/2013
DoA:1/1/2014
Amendment on
CBB Positive
RISC opinion in
Nov 2014
TSI NOI
Decision
2006/66
Decision
2006/860
(2nd HS CCS
TSI)
DoA:
7/11/2006
Decision
2011/229
(2nd NOI TSI )
(CR only)
Regulation
1304/2014 (3rd
NOI TSI)
EiF/DoA:
1/1/2015
Częstość zmian w obowiązujących w Unii Europejskiej kluczowych dokumentach, jakimi są
Techniczne Specyfikacje Interoperacyjności dokumentuje zestawienie na rys. 1. [24].
Dopuszczenia do eksploatacji pojazdów szynowych w
Polsce muszą być zgodne z Ustawą o transporcie
kolejowym [9]. Ustawa dostosowuje polskie prawo do
wyżej wymienionej unijnej dyrektywy, czyli do
europejskiej strategii, która ma poprawić konkurencyjność sektora kolejowego w stosunku do
innych rodzajów transportu.
Ostatnia nowelizacja ustawy o transporcie kolejowym
wprowadziła zmiany, które weszły w życie 1 kwietnia
2014 r. za wyjątkiem niektórych przepisów
dotyczących m. in. postępowań w sprawie wydania
decyzji o ustaleniu lokalizacji linii kolejowej, które
zaczęły obowiązywać od 15 października 2013 r.
1.4.3. Tabor oraz systemy dostaw energii muszą
być zaprojektowane i wykonane w sposób
gwarantujący ich kompatybilność elektromagnetyczną z instalacjami, urządzeniami i
sieciami publicznymi lub prywatnymi, z
którymi mogą się wzajemnie zakłócać.
1.4.4. Funkcjonowanie systemu kolei musi opierać
się na przestrzeganiu istniejących przepisów
w zakresie poziomu hałasu.
1.4.5. Funkcjonowanie systemu kolei nie może
powodować osiągnięcia niedopuszczalnego
poziomu drgania gruntu w odniesieniu do
działań i obszarów położonych w pobliżu
infrastruktury i będących w normalnym
stanie utrzymania.
Realizacja tych strategicznych celów wymagała
sformułowania konkretnych wymagań i wymagania
Odnosząc się do zapisów dyrektywy należy takie znalazły się we wdrożonych w różnych terminach
przytoczyć te, które kształtują strategię rozwoju Technicznych Specyfikacji Interoperacyjności.
cywilizacyjnego Europy:
- Unia Europejska, podpisując protokół przyjęty w Kioto w dniu 12 grudnia 1997 r., zobowiązała się do redukcji emisji gazów cieplarnianych. Cele te wymagają dostosowań na
drodze do osiągnięcia równowagi między
różnymi rodzajami transportu, a co za tym
idzie zwiększenia konkurencyjności transportu kolejowego
Wymagania zasadnicze, które musi spełniać każdy
pojazd kolejowy, zostały sformułowane ww.
załączniku do Dyrektywy. Wymagania mają
gwarantować bezpieczną, nie mającą negatywnego
wpływu na środowisko eksploatację pojazdów oraz
zgodność techniczną z innymi podsystemami, z którymi podsystem tabor ma interfejsy. Wymagania zasadnicze muszą być bezwzględnie spełnione, zarówno
przez pojazdy zgodne z TSI, jak i przez pojazdy z nimi
niezgodne.
- strategia Wspólnoty dotycząca włączenia
środowiska naturalnego oraz zrównoważo- Wymagania zasadnicze obejmują następujące aspekty:
– bezpieczeństwo
nego rozwoju do jej polityki transportowej
– niezawodność i dostępność
podkreśla potrzebę podjęcia działań celem
– zdrowie
ograniczenia wpływu transportu na środowi– ochrona środowiska naturalnego
sko naturalne
– zgodność techniczna.
- analiza koszty-korzyści dla proponowanych Ochrona środowiska naturalnego jest jednym z
środków będzie uwzględniała m.in. korzyści najważniejszych aspektów stawianych przez Unię
dla środowiska naturalnego wynikające z Europejską. Wymagania zasadnicze przytoczone w
technicznych udoskonaleń systemu kolejowe- Załączniku III dyrektywy 2008/57/WE uszczegógo.
ławiają zakresy na które należy zwrócić szczególną
uwagę
w aspekcie ochrony środowiska.
Zgodnie z zał. III do [1] należy stosować się do
następujących ogólnych zaleceń, zawartych w W dalszej części referatu w układzie przedstawionym
rozdz. 1.4. tego załącznika (pt. Ochrona w pkt. 1 (1.4.1÷5), zostaną przedstawione wymagania
wynikające z przepisów europejskich i krajowych.
środowiska naturalnego):
1.4.1. Wpływ, jaki na środowisko ma utworzenie i
funkcjonowanie systemu kolei, musi zostać
oceniony i uwzględniony na etapie projektowania systemu zgodnie z obowiązującymi
przepisami wspólnotowymi.
1.4.2. Materiały wykorzystywane w pociągach i infrastrukturze muszą uniemożliwiać emisję
spalin lub gazów, które są szkodliwe lub
groźne dla środowiska, w szczególności w
przypadku pożaru.
2. Szczegółowa analiza wymagań zasadniczych
2.1. Projektowanie pojazdów kolejowych
Ocena wszystkich etapów życia pojazdu czyli
projektowania, produkcji, eksploatacji i wycofania z
eksploatacji winna być oceniona już na etapie projektu.
Istotną wagę należy przywiązywać do stosowanych
materiałów. Proponowane materiały winny być
wykorzystywane powtórnie (recykling) lub być
biodegradowalne. Należy zwrócić uwagę, że dotyczy
55
to materiałów zarówno stosowanych na pojeździe jak i
materiałów niezbędnych do ich wytworzenia. Istnieje
więc konieczność, już na etapie projektowania
przewidzieć możliwość zastosowania odpowiednich
procesów technologicznych wykorzystywanych przy
budowie pojazdów, a także właściwego zaprojektowania procesów utrzymaniowych pojazdów.
Zgodnie z wytycznymi Dyrektyw proces projektowania pojazdów winien być prowadzony w sposób,
który zapewni maksymalną ochronę środowiska
naturalnego. Wymagania, zawarte w będących następstwem dyrektywy, Technicznych Specyfikacji
Interoperacyjności wskazują na elementy podsystemu
„Tabor”, które powinny być spełnione. Tablica 1 zawiera zestawienie wymagań zasadniczych określonych
i wymienionych w załączniku III do dyrektywy [1],
które są uwzględnione w specyfikacjach przedstawionych w rozdz. 4 TSI [11].
Jak przedstawiono w tablicy 1 dla instalacji sanitarnych należy spełnić wymagania określone w punkcie referencyjnym 4.2.5.1, przedstawionym poniżej:
— w procesach uzdatniania wody nie można
wprowadzać substancji określonych w
załączniku I do dyrektywy 2006/11/WE
Parlamentu Europejskiego i Rady w
sprawie zanieczyszczenia spowodowanego
przez niektóre substancje niebezpieczne
odprowadzane do środowiska wodnego
Unii.
3) Aby ograniczyć rozproszenie uwalnianego
płynu na pobocze toru, niekontrolowany zrzut
z dowolnego źródła może odbywać się
wyłącznie w dół, pod ramą nadwozia
pojazdu, w odległości nie większej niż 0,7 m
od wzdłużnej osi środkowej pojazdu.
4) W dokumentacji technicznej opisanej w pkt
4.2.12 uwzględnia się następujące elementy:
— obecność i typ toalet w danym pojeździe
kolejowym
— charakterystykę substancji do spłukiwania
toalet, jeżeli nie jest to czysta woda
1) Jeżeli w pojeździe kolejowym znajduje się
— rodzaj systemu uzdatniania wypuszczanej
kran, a woda z tego kranu nie spełnia
wody oraz normy stanowiące kryteria
wymagań dyrektywy Rady 98/83/WE, znak
oceny zgodności.”
wizualny musi wyraźnie wskazywać, że woda
z tego kranu nie jest wodą pitną
Dodatkowe wymagania dotyczące instalacji sanitar2) Zamontowane instalacje sanitarne (toalety, nych można znaleźć w punkcie 6.2.3.11:
umywalnie, zaplecze baru/restauracji) nie
1) W przypadku, gdy instalacje sanitarne
mogą uwalniać materiałów, które mogą być
umożliwiają wypuszczanie płynów do
szkodliwe dla zdrowia ludzi lub dla
środowiska (np. na tory), ocena zgodności
środowiska.
może się opierać na wcześniejszych
Uwalniane materiały (tj. uzdatniona woda; z
badaniach eksploatacyjnych, jeżeli spełniono
wyłączeniem wody z mydłem uwalnianej
następujące warunki:
bezpośrednio z umywalni) są zgodne z
— wyniki badań eksploatacyjnych uzyskano
następującymi dyrektywami:
dla typów urządzeń, które wykorzystują
— miano bakterii w wodzie zrzucanej z
taką samą metodę uzdatniania,
instalacji
sanitarnych
nie
może
— warunki przeprowadzania badania są
przekraczać
miana
bakterii
dla
zbliżone do warunków, jakie można
enterokoków jelitowych i Escherichia coli
zakładać w przypadku danego pojazdu
określonego dla jakości „dobrej” wód
kolejowego, w odniesieniu do wielkości
wewnętrznych w europejskiej dyrektywie
załadunku, warunków środowiskowych
2006/7/WE Parlamentu Europejskiego i
oraz wszystkich innych parametrów, które
Rady dotyczącej zarządzania jakością
będą miały wpływ na wydajność i
wody w kąpieliskach,
Fragment tablicy zawierającej wymagania zasadnicze dla podsystemu „Tabor”
56
Punkt referencyjny
Element podsystemu „Tabor”
4.2.5.1
Instalacje sanitarne
4.2.10.2
Bezpieczeństwo przeciwpożarowe – środki zapobiegania pożarom
Bezpieczeństwo
Niezawodność
i dostępność
Tablica 2
Zdrowie
Ochrona
środowiska
naturalnego
Zgodność
techniczna
1.4.1
1.1.4
1.3.2
1.4.2
skuteczność procesu uzdatniania. Jeżeli brak
jest odpowiednich wyników prób eksploatacyjnych, przeprowadza się badania
typów.”
Jak pokazuje powyższy przykład, już etap projektowania musi uwzględniać elementy chroniące środowisko. Aspekty ochrony środowiska zostały ujęte również w ppolskich przepisach z zakresu dopuszczania
pojazdów kolejowych do eksploatacji.
W § 14, pkt. 10 rozporządzenia [18] zawarte są bardzo
ogólne wytyczne:
§ 14. 1. Zakres badań technicznych dla wszystkich typów pojazdów kolejowych obejmuje:
10) potwierdzenie poprawności zastosowanych w pojeździe kolejowym rozwiązań, decydujących o bezpieczeństwie
ruchu, bezpieczeństwie przewozu osób i
rzeczy oraz ochronie środowiska.
Dalsze wytyczne, co należy sprawdzić przed dopuszczaniem pojazdu do ruchu można znaleźć w
rozporządzeniu [18], odnoszącym się do wagonów
osobowych, wagonów towarowych oraz do pojazdów
specjalnych.
do jednoznacznego wyznaczenia kryteriów jakim
podlegać mają stosowane materiały. Wiele państw
członkowskich stoi na stanowisku, że należy stosować
wymagania charakterystyczne dla kraju członkowskiego a nie odwoływać się do wymagań wspólnej
normy europejskiej. Owocuje to nieustannie przedłużającym się okresem wprowadzenia nowej normy.
W TSI [11] postawiono wymagania dotyczące
stosowanych materiałów. W pkt. 7.1.1.5 (Środek
przejściowy w zakresie wymogu bezpieczeństwa
przeciwpożarowego) ustanowiono kolejny okres
przejściowy dla stosowania norm krajowych trwający
trzy lata od daty wdrożenia TSI [11], tj. od 01.01.2015
r. Po raz kolejny wydłużył się okres, w którym można
stosować normy krajowe w tym normę polską. W TSI
[11] alternatywnie wobec wymagań materiałowych
określonych w pkt 4.2.10.2.1 tych TSI odnoszących się
do normy EN 45545, zezwala się na weryfikacje
zgodności materiałów w oparciu o wymagania
bezpieczeństwa przeciwpożarowego dla materiałów
określonych w notyfikowanych przepisach krajowych.
Należy przy tym pamiętać o zastosowaniu odpowiedniej kategorii eksploatacyjnej pojazdu określonej
w TSI [8]. TSI zezwala na dopuszczenie pojazdu do
eksploatacji na podstawie jednej z poniższych norm:
–
brytyjskie normy BS6853, GM/RT2130
Dla pojazdów niezgodnych z TSI, poruszających się po
wyd. 3;
całej linii PLK, zastosowanie ma Rozporządzenie w
–
francuskie
normy NF F 16-101:1988 i NF F
sprawie interoperacyjności systemu kolei [19]. Wykaz
16-102/1992;
właściwych krajowych specyfikacji technicznych i
–
niemiecka norma DIN 5510-2:2009 łącznie
dokumentów normalizacyjnych, których zastosowanie
z pomiarami toksyczności;
umożliwia spełnienie zasadniczych wymagań dotyczą–
włoskie normy UNI CEI 11170-1:2005 i
cych interoperacyjności systemu kolejowego został
UNI CEI 11170-3:2005;
zawarty w Rozporządzeniu [17]. Rozpo-rządzenie
–
polskie normy PN-K-02511:2000 i PN-Kprzywołuje Listę Prezesa UTK gdzie w punkcie nr 66
02502:1992;
dotyczących kwestii pasażerów można znaleźć
–
hiszpańska norma DT-PCI/5 A.
szczegółowe wymagania dotyczące toalet. Przywołane
Zapisy zastosowane w TSI LOC&PAS oznaczają, że
tam zostały karty UIC 563, UIC 565-3, UIC 567.
okres przejściowy dla polskich norm trwa do
Należy zauważyć, że transport kolejowy należy do 31.12.2017r., a więc w tym okresie badania w zakresie
jednych z najbardziej ekologicznych środków palności materiałów stosowanych na pojazdach
transportu. W wymaganiach Technicznych Specy- szynowych według ww. norm będą akceptowalne i w
fikacji Interoperacyjności oraz w polskich przepisach pełni ważne. W tym okresie dozwolone jest także
znajduje się niewiele szczegółowych wytycznych zastępowanie poszczególnych materiałów innymi, już
dotyczących ochrony środowiska. Może to oznaczać, zgodnymi z normą PN-EN 45545-2:2013 (jak
że przez lata istnienia tabor kolejowy wypracował określono w pkt. 4.2.10.2.1 TSI LOC&PAS).
rozwiązania, które czynią go jednym z najbardziej W tablicach 2÷4 zestawiono wymagania przeciwprzyjaznych środowisku, a spełnienie wymagań norm pożarowe określone w TSI Tabor, TSI Energia oraz
zapewnia osiągnięcie tego celu.
TSI Infrastruktura.
2.2. Materiały wykorzystywane w budowie pojaz- W polskich przepisach dotyczących palności możemy
przytoczyć dwa rozporządzenia. Pierwsze z nich Rozdów szynowych
porządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia
Stosowanie w budowie pojazdów szynowych materia- 13 maja 2014 r. w sprawie dopuszczania do eksplołów spełniających wymagania odpowiednich norm w atacji określonych rodzajów budowli, urządzeń i
zakresie palności, na poziomie europejskim, jest pojazdów kolejowych. (Dz.U.2014 poz. 720) odnosi
skomplikowane. Wynika to z rozbieżności stanowisk się do pojazdów nie podlegających pod prawo
różnych państw członkowskich Unii Europejskiej, co
międzynarodowe. Stanowi ono najczęściej o przepisach lokalnych, odnoszących się do warunków jakie
57
Fragment tablicy zawierającej wymagania zasadnicze dla podsystemu „Tabor” w zakresie palności [11]
Element podsystemu
„Tabor”
Punkt referencyjny
Środki zapobiegania
pożarom
4.2.3.1
Bezpieczeństwo
Niezawodność i
dostępność
1.1.4
2.4.1
Zdrowie
Ochrona
środowiska
naturalnego
1.3.2
1.4.2
Fragment tablicy zawierającej wymagania zasadnicze dla podsystemu „Energia” w zakresie palności [13]
Element podsystemu
„Energia”
Punkt referencyjny
Wymagania dotyczące
kabli elektrycznych stosowanych w tunelach
4.2.2.4
Bezpieczeństwo
Niezawodność i
dostępność
2.2.1
1.1.4
Zdrowie
Ochrona
środowiska
naturalnego
1.3.2
1.4.2
Tablica 3
Zgodność
techniczna
Tablica 4
Zgodność
techniczna
Fragment tablicy zawierającej wymagania zasadnicze dla podsystemu „Infrastruktura” w zakresie palności [14] Tablica 5
Element podsystemu
„Infrastruktura”
Punkt referencyjny
Odporność na działanie
ognia materiałów budowlanych
4.2.1.3
Bezpieczeństwo
1.1.4
2.1.1
panują na obszarach zamkniętych takich jak bocznice,
linie metra itp. Charakterystyki taboru poruszającego
się w tym zamkniętym obszarze często muszą być
zgodne z istniejącym taborem i istniejącą infrastrukturą
(np. inna niż wymagania normy wysokość zderzaków).
Wymagania dotyczące palności, toksyczności spalin
należy dostosowywać do istniejących przepisów. W
rozporządzeniu w sprawie interoperacyjności w §14.2
pkt 10 zdefiniowano wymaganie dotyczące palności:
Zakres badań technicznych dla typów pojazdów
technicznych, w tym lokomotyw, zespołów trakcyjnych, wagonów silnikowych i innych pojazdów kolejowych z napędem, obejmuje dodatkowo:
Niezawodność i
dostępność
Zdrowie
Ochrona
środowiska
naturalnego
1.3.2
1.4.2
Zgodność
techniczna
Rozporządzenie w sprawie interoperacyjności [19]
odwołuje się do Listy Prezesa UTK, w której w
punktach 173 - 180 zawarto wymagania, których spełnienie należy ocenić w celu dopuszczenia do
bezpiecznego ruchu pojazdu, dodając jednocześnie
określone wymagania w postaci norm i kart UIC lub
innych przepisów. W tablicy 5 przedstawiono
wymagania zgodne z Listą Prezesa UTK.
Pojazdy niezgodne z TSI winny spełniać wymagania
listy, w której jak można zauważyć, zagadnienia palności materiałów nie odnoszą się do ochrony środowiska. To oczywiste przeoczenie powinno być jak
najszybciej naprawione i ujednolicone z wymaganiami
Unii Europejskiej. Jednostki wyznaczone oceniając
10) sprawdzenie zabezpieczenia przeciw- spełnienie przez pojazd wymagań zasadniczych w
pożarowego pojazdu trakcyjnego przez zakresie ochrony środowiska winny odnieść się z dużą
uwagą do kwestii palności i toksyczności elementów
badanie:
stosowanych w pojazdach.
a) materiałów i wyrobów, w tym przewodów elektrycznych, użytych w kon- 2.3. Emisja spalin
strukcji i wyposażeniu pojazdu trakcyjnego pod względem palności, toksycz- Jednym z podstawowych wymagań w zakresie ochrony
ności oraz właściwości dymotwórczych środowiska jest ograniczenie emisji spalin do określonego poziomu. Podstawowym dokumentem w sprai rozprzestrzeniania się płomienia,
wie emisji była Dyrektywa 97/68/.WE [7]. Dyrektywa
b) zainstalowanych w pojeździe trak- straciła ważność wraz z wejściem w życie Dyrektywy
cyjnym gaśnic.”
Parlamentu Europejskiego i Rady 2011/88/UE z dnia
Identyczne wymagania zostały ujęte w rozporządzeniu 16 listopada 2011 r. zmieniająca dyrektywę 97/68/WE
[18] odnoszącym sie do wagonów osobowych, w odniesieniu do przepisów dotyczących silników
wagonów towarowych oraz dla pojazdów specjalnych. spalinowych wprowadzanych do obrotu według „forJednocześnie należy zauważyć, że ustawodawca nie muły elastycznej”[8].
przypisał poszczególnym wymaganiom jednoznacznie
ani norm, ani kart UIC, pozostawiając jednostkom
wyznaczonym 1) ocenę zgodnie z ich wiedzą i 1) - jednostki wyznaczone - jednostki organizacyjne,
o których mowa w art. 22g ust. 9 Ustawy [7]
doświadczeniem.
58
Fragment Listy Prezesa UTK w zakresie punktów dotyczących palności
Tablica 6
Klasyfikacja pojazdu/klasy
odporności ogniowej
PN-EN 14033 (seria), PN-EN 15746 (seria),
UIC 564-2, PN-K-02506, PN-K-02507, PN-K02511, projekt prEN 45545 (seria)
174
Środki ochrony przeciwpożarowej. Ogólne środki ochrony
pojazdów
PN-EN 3-7, UIC 564-2, PN-K-02506, PN-K02507, PN-K-02511, prEN 45545 (seria)
175
Środki ochrony przeciwpożarowej. Środki ochrony przeciwpożarowej dla specjalnych
rodzajów pojazdów
PN-EN 3-7, PN-EN 14033 (seria), PN-EN
15746 (seria), UIC 564-2, PN-K-02506, PN-K02507, PN-K-02511, prEN 45545 (seria)
176
Środki ochrony przeciwpożarowej. Ochrona kabiny maszynisty
PN-EN 3-7, UIC 564-2, PN-K-02506, PN-K02507, PN-K-02511, prEN 45545 (seria)
177
Środki ochrony przeciwpożarowej. Przegrody ogniowe
178
173
Zgodność tec hniczna
Zdrowie
Regulacje krajowe
Ochrona środowiska
Zakres wymagań
Niezawodność
i dostępność
Lp.
Bezpieczeństwo
Wymagania zasadnicze
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
UIC 564-2, PN-K-02506, PN-K-02507, PN-K02511, prEN 45545 (seria)
x
x
x
Środki ochrony przeciwpożarowej. Charakterystyka materiałów
PN-EN ISO 4589, UIC 564-2, PN-K-02501,
PN-K-02502, PN-K-02505, PN-K-02508, PNK-02511, PN-K-02512
x
x
x
Środki ochrony przeciwpożarowej. Czujki przeciwpożarowe
PN-K-02506, PN-K-02507
179
x
x
x
180
Środki ochrony przeciwpożarowej. Środki gaśnicze
PN-EN 3-7, UIC 564-2, PN-K-02506, PN-K02507
x
x
x
„Formuła elastyczna” oznaczała możliwość dopuszczania silników z poziomem emisji spalin 3A.
Możliwość ta wygasła 31 grudnia 2014. Obecnie
istnieje możliwość dopuszczenia do eksploatacji
pojazdów spełniających kryteria emisji spalin na
poziomie 3B.
Krajowe wymagania w zakresie poziomu emisji spalin
można znaleźć w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki
i Pracy z dnia 19 sierpnia 2005 r. w sprawie szczegółowych wymagań dla silników spalinowych w
zakresie ograniczenia emisji zanieczyszczeń gazowych
i cząstek stałych przez te silniki (Dz. U. 2005 nr 202
poz. 1681) [20]. Rozporządzenie zostało zmienione
Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 29
marca 2011 r. zmieniającym rozporządzenie w sprawie
szczegółowych wymagań dla silników spalinowych w
zakresie ograniczenia emisji zanieczyszczeń gazowych
i cząstek stałych przez te silniki (Dz. U. 2011 nr 69
poz. 366) [21].
Funkcjonowanie systemów dostaw energii elektrycznej i cieplnej nie może szkodzić środowisku naturalnemu ponad określone limity.
W kolejnych dokumentach dotyczących regulacji w
zakresie kolei europejskich ten zapis przełożył się na
konkretne wymagania. W TSI „Energia” do zagadnień
ochrony środowiska zostały włączone tematy przedstawione poniżej (numeracja punktów przed tytułem
zagadnienia wg [13], po tytule wg zał. III do [1]):
− 4.2.6
Hamowanie odzyskowe: 1.4.1, 1.4.3
− 4.2.8
Zakłócenia harmoniczne i dynamiczne
systemów zasilania sieci prądem
przemiennym: 1.4.1, 1.4.3
− 4.2.12 Charakterystyka dynamiczna i jakość
odbioru prądu: 1.4.1, 2.2.2
− 4.2.14 Materiał przewodu jezdnego: 1.4.1
− 4.2.15 Sekcje separacji faz; 1.4.1, 1.4.3
− 4.2.16 Sekcje separacji systemów: 1.4.1, 1.4.3
− 4.2.18 Środki ochrony przed porażeniem
2.4. Energia elektryczna
elektrycznym: 1.4.1, 1.4.3, 2.2.2
−
4.7
Warunki bezpieczeństwa i higieny praW dyrektywie [1] w pkt. 2.2.2 podane zostało ogólne
cy:
1.4.1, 1.4.3, 2.2.2.
zalecenie o następującej treści:
59
W punktach podanych przed tytułem zagadnienia określono podstawowe parametry oraz ich zgodność z zasadniczymi wymaganiami określonymi w załączniku
III do dyrektywy [1].
Jednym z praktycznych sposobów ochrony środowiska
jest racjonalne zużycie energii, co w transporcie kolejowym przekłada się m.in. na prowadzenie pociągów
w energooszczędny sposób [23]. Narzędziem pomocnym do oceny wielkości i zasadności zużycia energii
są układy jej pomiaru. Zapis w tej sprawie znajduje się
w art. 3 [11]:
- system obróbki danych
- funkcję lokalizacji
- komunikację między urządzeniami pokładowymi a
naziemnymi
- szczególne procedury oceny.
Innym, związanym z energią elektryczną istotnym
elementem ochrony środowiska jest jego „czystość”
elektromagnetyczna. Prawidłowe działanie wielu urządzeń elektronicznych i mikroprocesorowych, w tym
także stymulatorów medycznych, wymaga braku
ponadnormatywnych zakłóceń w otoczeniu, w którym
działają. W TSI [13] zamieszczone są następujące
− 4. Instalowanie pokładowych systemów powymagania dotyczące kompatybilności elektromagmiaru energii określonych w pkt 4.2.8.2.8 zanetycznej:
łącznika jest obowiązkowe w przypadku no4.2.8. Zakłócenia harmoniczne i dynamiczne
wych, zmodernizowanych lub odnowionych
systemów zasilania sieci trakcyjnej prądem
pojazdów przeznaczonych do eksploatacji w
przemiennym
sieciach wyposażonych w naziemny system
gromadzenia danych o zużyciu energii (DCS)
1) Współdziałanie systemu zasilania sieci
określony w pkt 4.2.17 rozporządzenia Komitrakcyjnej i taboru może prowadzić do
sji (UE) nr 1301/2014 [15].
niestabilności elektrycznej w systemie.
Wymagania określone są w pkt. 4.2.8.2.8 „Pokładowy
system pomiaru energii”:
1) Pokładowy system pomiaru energii jest systemem do pomiaru energii elektrycznej pobieranej z sieci trakcyjnej (OCL- overhead
catenary line) lub oddawanej (w procesie
hamowania odzyskowego) do sieci trakcyjnej
przez elektryczny pojazd kolejowy.
2) Pokładowe systemy pomiaru energii muszą
spełniać wymagania dodatku D do niniejszej
TSI.
2) W celu osiągnięcia kompatybilności systemów elektrycznych, przepięcia harmoniczne muszą być ograniczone do
wartości poniżej wartości krytycznych
zgodnie z normą EN 50388:2012, pkt
10.4.
Dodatkowo, w celu niezawodnej i bezpiecznej pracy
systemów sterowania ruchem kolejowym, mających
bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo, uszczegółowiono wymagania chroniące środowisko otaczające
urządzenia tych systemów [22].
Wymagania te, ujęte w § 13 ust. 2, odnoszą się do kil3) System ten jest odpowiedni do celów rozliczeniowych; dane z tego systemu są akceptowa- ku infrastrukturalnych elementów systemu zasilania:
ne do celów rozliczeniowych we wszystkich
7) dla trzeciej szyny w metrze sprawdzenie zgodnopaństwach członkowskich.
ści jej parametrów z wymaganiami technicznymi, dotyczącymi w szczególności:
4) Zamontowanie pokładowego systemu pomiaa) parametrów geometrycznych trzeciej szyny,
ru energii oraz jego pokładowej funkcji lokab) współpracy odbieraka prądu z trzecią szyną,
lizacji należy odnotować w dokumentacji
c)
układu mocowania,
technicznej opisanej w pkt 4.2.12.2 niniejszej
d)
oceny skuteczności ochrony przeciwporażeTSI; opis komunikacji urządzeń pokładowych
niowej;
z naziemnymi stanowi część takiej dokumen8) dla systemu sieci powrotnej:
tacji.
a) ocenę jednostkowej konduktancji przejścia
5) Dokumentacja utrzymania opisana w pkt
pomiędzy szynami a ziemią,
4.2.12.3 niniejszej TSI obejmuje wszelkie
b) ocenę wytrzymałości układów mocowania,
procedury okresowej weryfikacji służące do
c) ocenę skuteczności ochrony przeciwporażezapewnienia
wymaganego
poziomu
niowej,
dokładności pokładowego systemu pomiaru
d) ocenę skuteczności ochrony taboru oraz
energii w okresie jego eksploatacji.
urządzeń sterowania ruchem kolejowym
przeciw wyładowaniom atmosferycznym.
Wymieniony wyżej dodatek D określa następujące
oraz do zakresu badań w trakcie eksploatacji pojazdu,
zagadnienia:
- wymagania systemowe dotyczące pokładowego ujętych w § 14:
systemu pomiaru energii
1. Zakres badań technicznych dla wszystkich typów
- funkcję pomiaru energii
pojazdów kolejowych obejmuje:
60
10) potwierdzenie poprawności zastosowanych
w pojeździe kolejowym rozwiązań, decydujących o bezpieczeństwie ruchu, bezpieczeństwie przewozu osób i rzeczy oraz ochronie
środowiska;
2. Zakres badań technicznych dla typów pojazdów
trakcyjnych, w tym lokomotyw, zespołów trakcyjnych, wagonów silnikowych i innych pojazdów
kolejowych z napędem, obejmuje dodatkowo:
9) badanie oddziaływania na otoczenie w
zakresie hałasu emitowanego na zewnątrz
pojazdu trakcyjnego oraz zawartości spalin;
10) sprawdzenie zabezpieczenia przeciwpożarowego pojazdu trakcyjnego
11) badanie pojazdu trakcyjnego w zakresie:
a) ....
d) oddziaływania pól magnetycznych występujących wewnątrz pojazdu na organizm
ludzki.
2.5. Hałas
Podobnie jak dla poprzednich wymagań zasadniczych
kwestie hałasu zostały ujęte we wszystkich aktach
prawnych zawierających wymagania dla pojazdów.
Rozporządzenie w sprawie dopuszczania do eksploatacji określonych rodzajów budowli, urządzeń i
pojazdów kolejowych z dnia 13 maja 2014 podaje
wymagania dla pojazdów. W §14.2 pkt 9 podaje zakres
badań technicznych dla typów pojazdów trakcyjnych,
w tym lokomotyw, zespołów trakcyjnych, wagonów
silnikowych i innych pojazdów kolejowych z napędem, obejmuje badanie oddziaływania na otoczenie w
zakresie hałasu emitowanego na zewnątrz pojazdu
trakcyjnego. Dodatkowo w rozporządzeniu znajdują
się wymagania dotyczące interfejsu „człowiek – maszyna”. W punkcie 13c zgodnie z wymaganiami
Rozporządzenia należy sprawdzić poziom hałasu
infradźwiękowego, słyszalnego i ultradźwiękowego w
kabinie maszynisty, natomiast w punkcie 14b
wymagane jest sprawdzenie poziomu hałasu słyszalnego w przedziale pasażerskim. Podobnie jak dla
innych wymagań zasadniczych rozporządzenie nie
definiuje kryteriów do jakich należy odnieść wyniki
pomiarów.
Kryteria pomiaru zostały określone zarówno w
załączniku do [17] (tzw. Lista Prezesa Urzędu Transportu Kolejowego) w pkt. 100, jak i w Technicznych
Specyfikacjach Interoperacyjności. Należy jednak
zwrócić uwagę na nieścisłości pojawiające się w
dokumentach kryterialnych. Przykładem może być
punkt 100 „Urządzenia ostrzegawcze. Sygnały urządzenia ostrzegawczego” tej listy i odpowiadający mu
punkt 4.2.7.2.2 „Poziomy dźwięku urządzenia
ostrzegawczego” w TSI [10]. Zgodnie z jej zapisami
poziom dźwięku z korekcją częstotliwości według
krzywej C, wytwarzanego oddzielnie przez każde
źródło (albo w grupie przy jednoczesnej emisji w
formie akordu) powinien wynosić od 115 dB do 123
dB. Lista Prezesa UTK podaje jako wyznacznik oprócz
normy PN-EN 15153-2 kartę UIC 644 „Ostrzegawcze
sygnały dźwiękowe na pojazdach trakcyjnych w
komunikacji międzynarodowej”. Poziom dźwięku wg
kart UIC 644 wynosi 120 [dB] do 125 [dB]. Zgodnie z
przepisami pojazd może być zgodny z polskimi
wymaganiami, a nie spełniać wymagań TSI i w dolnej
granicy pojazd może być zgodny z TSI i niezgodny z
polskimi wymaganiami.
Oprócz oczywistych trudności dla projektantów
pojazdów, szczególnie dla ruchu międzynarodowego,
wynikających z zaprezentowanych różnic, istotną
kwestią jest postawienie pytania, ile takich bardziej lub
mniej istotnych różnic występuje pomiędzy wymaganiami unijnymi i krajowymi [23]. Niezbędne jest
podjęcie prac, które doprowadzą do ujednolicenia
przepisów i wyeliminują zagadnienia budzące wiele
kontrowersji i emocji. Jedyną instytucją, która może
podjąć takie działania jest narodowy organ
bezpieczeństwa (NSA), którym w Polsce jest Urząd
Transportu Kolejowego.
Poziomy hałasu dopuszczalnego na postoju
Kategoria podsystemu „Tabor kolejowy”
Tablica 7
LpAeq,T [jedn.]
[dB]
LipAeq,T [dB]
Lokomotywy elektryczne i OTM z napędem elektrycznym
70
75
Lokomotywy spalinowe i OTM z napędem wysokoprężnym
71
78
E.z.t.
65
68
S.z.t.
72
76
Wagony osobowe
64
68
Wagony towarowe
65
nie dotyczy
LipAFmax [dB]
85
nie dotyczy
61
Dopuszczalne wartości poziomu
podzielone na cztery grupy:
- dla pojazdu na postoju
- dla pojazdu ruszającego
- dla pojazdu jadącego
- wewnątrz kabiny maszynisty.
hałasu
zostały 2.6. Drgania gruntu
Dla poziomu hałasu wytwarzanego przez pojazd na
postoju, co jest istotne ze względu na uciążliwość
pociągów stojących przy peronie, przyjęto górne
granice przedstawione w tablicy poniżej, zestawionej
na podstawie tabeli 2 w pkt. 4.2.1. [16].
Poziomy hałasu dopuszczalnego na postoju
K ateg o ria p o d syste m u
„T ab o r k o lejo w y ”
L p A eq ,T
[jed n .]
[d B ]
Tablica 6
L ip A eq ,T
L ip A F m a x
[d B ]
[d B ]
70
75
71
78
E .z.t.
65
68
S .z.t.
72
76
W a g o n y o so b o w e
64
68
W a g o n y to w a ro w e
65
try czn y m
L o k o m o ty w y sp alin o w e i
O T M z n ap ęd em w y so k o -
-
„Funkcjonowanie systemu kolei nie może powodować
osiągnięcia niedopuszczalnego poziomu drgania gruntu w odniesieniu do działań i obszarów położonych w
pobliżu infrastruktury i będących w normalnym stanie
utrzymania”.
4.2.11.2. Wartości graniczne hałasu i drgań oraz środki łagodzące
85
p rężn y m
gdzie:
Zagadnienia drgań gruntu zostały opisane w TSI „Lokomotywy i tabor pasażerski” w punkcie 1.4.5, w którym czytamy:
Ten wymóg zasadniczy jest objęty zakresem TSI „Infrastruktura”. Wymagania obejmujące zagadnienia
drgań gruntu w TSI „Infrastruktura” z 2011 r [10] są
następujące:
L o k o m o ty w y ele k tryc zn e i
O T M z n ap ęd em ele k -
Wymagania dotyczące poziomu drgania gruntu w
odniesieniu do działań i obszarów położonych w
pobliżu infrastruktury i będących w normalnym stanie
utrzymania są zagadnieniem odnoszącym się głównie
do infrastruktury.
Wszystkie kategorie linii wg TSI
(1) Wartości graniczne hałasu oraz środki łagodzące stanowią punkt otwarty.
n ie
n ie
d o tyczy
d o tyczy
(2) Wartości graniczne drgań oraz środki łagodzące stanowią punkt otwarty.
W TSI „Infrastruktura” [14] obowiązującym od 1
stycznia 2015 zagadnienia ochrony środowiska ujęte
zostały tylko w jednym punkcie, który zaprezentowano
LipAeq,T - równoważny ciągły poziom dźwięku A w naj- w tablicy 7.
LpAeq,T [jedn.]) - równoważny ciągły poziom dźwięku A
jednostki
bliższej pozycji pomiarowej „i”, z uwzględnieniem głównej sprężarki powietrznej
Podsumowanie
Wszystkie podsystemy, składniki interoperacyjne oraz
wszystkie inne elementy wchodzące w skład systemu
kolejowego muszą spełniać wymagania zasadnicze.
Ochrona środowiska jest jednym z pięciu podstawoWartości dopuszczalne określa się w odległości 7,5 m wych wymagań zawartych w Dyrektywie 2008/57/WE
dotyczącej kolei a szczegółowe wymagania znajdują
od osi toru i 1,2 m nad poziomem główki szyny.
-
LipAFmax - poziom dźwięku z korekcją typu A i stałą
czasową F w najbliższej pozycji pomiarowej „i”, z
uwzględnieniem hałasu impulsowego emitowanego przez
zawór wydechowy suszarki powietrza
Fragment tablicy zawierającej wymagania zasadnicze dla podsystemu „Infrastruktura” [14]
Punkt
TSI
Tytuł punktu TSI
Bezpieczeństwo
Niezawodność
i dostępność
Zdrowie
Ochrona
środowiska
naturalnego
4.7
Warunki bezpieczeństwa i higieny pracy
1.1.5
1.2
1.3
1.4.1
Tablica 8
Zgodność
techniczna
Dostępność
Jak można zauważyć nie odnoszą się one bezpośrednio do zagadnień związanych z drganiami gruntu.
się we wszystkich TSI przeznaczonych dla systemu
kolei.
Kolej z natury jest systemem dobrze wpisującym się w
tematykę ochrony środowiska. Jej ekologiczny charakter jest opisywany w wielu publikacjach i prezentowany na wielu konferencjach. Techniczne Specy62
fikacje dla Interoperacyjności są dodatkową wskazówką dla projektantów, wskazówką o tyle konieczną, że
należy je stosować pod rygorem prawa. Ich stosowanie
jest niezbędne w celu nie tylko uzyskania odpowiednich dokumentów pozwalających na homologację
pojazdów, infrastruktury itp., ale w przede wszystkim
niezbędnym do celu nadrzędnego, jakim jest ochrona
środowiska. Należy pamiętać, że zagadnienia ochrony
środowiska są obecne na każdym etapie życia pojazdu,
tzn. od założeń wstępnych aż do jego utylizacji.
11. Decyzja Komisji (UE) nr 1302/2014 z dnia 18 listopada
2014 r. w sprawie technicznej specyfikacji
interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu
„Tabor - lokomotywy i tabor pasażerski” systemu kolei
w Unii Europejskiej
Literatura
13. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1301/2014 z dnia 18
listopada 2014 r. w sprawie technicznych specyfikacji
interoperacyjności podsystemu „Energia” systemu
kolei w Unii
1.
Dyrektywa 2008/57/WE Parlamentu Europejskiego i
Rady z dnia 17 czerwca 2008 r. w sprawie
interoperacyjności systemu kolei we Wspólnocie.
2.
Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady
2008/110/WE z dnia 16 grudnia 2008 r. zmieniająca
dyrektywę 2004/49/WE w sprawie bezpieczeństwa kolei wspólnotowych (dyrektywę w sprawie bezpieczeństwa kolei)
3.
Dyrektywa Komisji 2009/131/WE z dnia 16 października 2009 r. zmieniająca załącznik VII do dyrektywy
Parlamentu Europejskiego i Rady 2008/57/WE w
sprawie interoperacyjności systemu kolei we Wspólnocie
4.
Dyrektywa Komisji 2011/18/UE z dnia 1 marca 2011
r. zmieniająca załączniki II, V, VI do dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2008/57/WE w sprawie
interoperacyjności kolei we Wspólnocie
5.
Dyrektywa Komisji 2013/9/UE z dnia 11 marca 2013
r. zmieniająca załącznik III do dyrektywy Parlamentu
Europejskiego i Rady 2008/57/WE w sprawie interoperacyjności systemu kolei we Wspólnocie
6.
Dyrektywa Komisji 2014/106/UE z dnia 5 grudnia
2014 r. zmieniająca załączniki V i VI do dyrektywy
Parlamentu Europejskiego i Rady 2008/57/WE w
sprawie interoperacyjności systemu kolei we Wspólnocie
7.
8.
9.
Dyrektywa 97/68/.WE Parlamentu Europejskiego i
Rady z dnia 16 grudnia 1997 r. w sprawie zbliżenia
ustawodawstw Państw Członkowskich odnoszących się
do środków dotyczących ograniczenia emisji zanieczyszczeń gazowych i pyłowych z silników spalinowych
montowanych w maszynach samojezdnych nieporuszających się po drogach
Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady
2011/88/UE z dnia 16 listopada 2011 r. zmieniająca
dyrektywę 97/68/WE w odniesieniu do przepisów dotyczących silników spalinowych wprowadzanych do
obrotu według „formuły elastycznej”.
Ustawa z dnia 28 marca 2003 r. o transporcie
kolejowym (Dz. U. 2007 nr 16 poz. 94 z późniejszymi
zmianami)
10. Decyzja Komisji nr 2011/275/UE z dnia 26 kwietnia
2011 r.
dotycząca
technicznej
specyfikacji
interoperacyjności
podsystemu
transeuropejskiego systemu kolei konwencjonalnych
marca 2013 r. dotyczące technicznej specyfikacji
interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu
„Tabor - wagony towarowe” systemu kolei w Unii
Europejskiej i uchylające decyzję 2006/861/WE
14. Rozporządzenie Komisji (UE) NR 1299/2014 z dnia 18
listopada 2014 r. dotyczące technicznych specyfikacji
interoperacyjności
podsystemu
systemu kolei w Unii Europejskiej
listopada 2014 r. w sprawie technicznej specyfikacji
interoperacyjności w zakresie aspektu „Bezpieczeństwo
w tunelach kolejowych” systemu kolei w Unii
Europejskiej
listopada 2014 r. w sprawie technicznych specyfikacji
interoperacyjności podsystemu "Tabor kolejowy hałas", zmieniające decyzję 2008/232/WE i uchylającą
decyzję 2011/229/UE
17. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i
Gospodarki Morskiej z dnia 27 grudnia 2012 r. w
sprawie wykazu właściwych krajowych specyfikacji
technicznych i dokumentów normalizacyjnych, których
zastosowanie umożliwia spełnienie zasadniczych
wymagań dotyczących interoperacyjności systemu
kolei. Dz. U. 2013 poz. 43
18. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z
dnia 13 maja 2014 r. w sprawie dopuszczania do
eksploatacji określonych rodzajów budowli, urządzeń i
pojazdów kolejowych. Dz. U. 2014 poz. 720
19. Rozporządzeniem Ministra Transportu, Budownictwa i
Gospodarki Morskiej z dnia 6 listopada 2013 r. w
sprawie interoperacyjności systemu kolei. Dz. U. 2013
poz. 1297
20. Rozporządzeniu Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 19
sierpnia 2005 r. w sprawie szczegółowych wymagań dla
silników spalinowych w zakresie ograniczenia emisji
zanieczyszczeń gazowych i cząstek stałych przez te
silniki (Dz. U. 2005 nr 202 poz. 1681)
21. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 29 marca
2011 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie
szczegółowych wymagań dla silników spalinowych w
zakresie ograniczenia emisji zanieczyszczeń gazowych i
cząstek stałych przez te silniki (Dz. U. 2011 nr 69 poz.
366).
63
22. Określenie dopuszczalnych poziomów i parametrów
zakłóceń dla urządzeń sterowania ruchem kolejowym.
Instytut Kolejnictwa. Praca nr 4430/10. Warszawa
2011 r.
24. Durzyński Z., Królikowski J., Cichy R.: Porównanie wymagań dla pojazdów interoperacyjnych w
świetle przepisów unijnych i krajowych. Pojazdy
Szynowe nr 3/2014.
23. Durzyński Z.: Podstawy metody wyznaczania parametrów energooszczędnej jazdy pojazdów trakcyjnych
na obszarach aglomeracyjnych. X Międzynarodowa
Konferencja "Nowoczesna Trakcja Elektryczna".
Poznań 2011 r.
25. http://www.era.europa.eu/Document-Register
/Documents/TSIs-chronology-2015%20ASC-for%2
0publication.pdf
64

Pobierz ten numer w pdf - Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”

Transkrypt

Podobne dokumenty

Kolejna partia nowych autobusów w MZK

Uwaga, budowa! - Muzeum Zabawek i Zabawy

Inżynier Projektant (drogi szynowe) - I

65 910 PLN brutto