Pobierz ten numer w pdf
Transkrypt
Pobierz ten numer w pdf
prof. dr hab. inż. Włodzimierz Choromański mgr inż. Jerzy Kowara mgr inż. Grzegorz Dobrzyński Politechnika Warszawska Wybrane problemy projektowania i dynamiki pojazdów szynowych PRT Artykuł dotyczy nowoczesnego systemu transportowego PRT (Personal Rapid Transit). W pracy przedstawiono najważniejsze własności systemów PRT, które czynią je potencjalnym przyszłościowym rozwiązaniem dla miejskiego transportu publicznego. Szczególną uwagę zwrócono na zagadnienia projektowania, w tym minimalizacji niekorzystnego oddziaływania drgań na organizm człowieka. Zaprezentowano przykładowe rozwiązanie kabiny pojazdu oraz wybrane wyniki badań symulacyjnych dynamiki ruchu pojazdu z uwzględnieniem manewru zmiany toru z prostego na zakrzywiony. 1. Wstęp Problemy transportu w aglomeracjach miejskich pięćdziesiątych a za ojca PRT uważa się Donn’a stają się poważnymi problemami początku XXI wieku Fichtera – planistę transportu miejskiego w USA. a ich rozwiązanie priorytetowymi działaniami nie Pierwsze próby wdrożenia PRT, z wielu przyczyn mniej ważnymi niż budowa autostrad czy linii kolejo- zakończyły się niepowodzeniem. wych. Mała przepustowość, zatory ruchu, kolizyjność Rozwój technologii informatycznych i materia(głównie transport samochodowy), energochłonność, łowych, jak również rzeczywiste potrzeby spowodozanieczyszczenie środowiska, emisja CO2, znaczne wały, że obecnie wiele nowych rozwiązań jest na etapowierzchnie na infrastrukturę i rosnące koszty jej pie badań, symulacji i przygotowań do wdrożenia. budowy, duże koszty eksploatacji, relatywnie mała Obecnie na świecie można obserwować współzawododporność na zagrożenia terrorystyczne - to tylko nie- nictwo we wdrożeniu komercyjnych linii PRT. Prawktóre problemy współczesnych miejskich systemów dopodobnie pierwsza wdrożona zostanie brytyjska transportowych. Obecnie szczególnie dużo prac ULTRA. i działań poświęconych jest rozbudowie i udoskoNależy szczególnie silnie podkreślić, że w tych nalaniu istniejących już środków i systemów transpor- nowych rozwiązaniach szczególna uwaga zostaje skietowych. Czy ta droga jest wystarczająca? Prawdopo- rowana na neutralność ekologiczną tych systemów dobnie nie i należy poszukiwać nowych koncepcji oraz komfort i bezpieczeństwo pasażera w tym pasażebudowy miast i środków transportu. Na świecie za- ra niepełnosprawnego. czynają powstawać nowe projekty – „miasta laboratoNa Politechnice Warszawskiej rozpoczęto prace ria”. Jednym z nich jest projekt budowy miasta Masdar nad budową polskiej wersji systemu PRT (zwanego w Zjednoczonych Emiratach Arabskich. Zakaz wjazdu SITIN – System Indywidualnego Transportu Intelipojazdów spalinowych do centrum, ekologiczny trans- gentnego i Napowietrznego) [3,4]. Prace znajdują się port w centrum, koncepcje Park & Ride, „czysta ener- w fazie wstępnej. gia” (geotermalna, słoneczna czy z wykorzystaniem W niniejszym artykule przedstawiono pewne zawiatru), zakłady recyklingu to najważniejsze atrybuty. łożenia do budowy systemu SITIN oraz wyniki pierwW tych nowych koncepcjach coraz częściej pojawią szych analiz symulacyjnych. się systemy transportowe określane skrótem PRT – od ang. Personal Rapid Transit. [1,2] Pod tym pojęciem 2. Podstawowe założenia projektowe systemu SITIN rozumie się transport łączący cechy transportu osobistego i masowego transportu miejskiego typu „point to System PRT-SITIN realizowany będzie z wykopoint” lub „door to door” (tzn. pomiędzy przystankiem rzystaniem pojazdów czteroosobowych lub sześciopoczątkowym a końcowym nie ma żadnych przystan- osobowych poruszających się z wykorzystaniem napęków pośrednich). Transport PRT realizowany jest du elektrycznego na szynie napowietrznej. Kierowanie przez małe pojazdy (czteroosobowe) poruszające się pojazdów odbywać się będzie zdalnie bez udziału zdalnie po lekkiej infrastrukturze – najczęściej szynie człowieka. Podstawowe znaczenie dla systemów PRT napowietrznej. Pojazdy sterowane są zdalnie i wybie- mają rozjazdy umożliwiające zmianę kierunku jazdy. rają optymalną drogę podróży. Jednak system PRT nie Rozjazdy mają być statyczne – niewymagające żadjest nową koncepcją. Pojawiła się ona w USA w latach nych elementów ruchomych. Zmiana kierunku jazdy POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 1 realizowana będzie poprzez specjalne mechanizmy, w które wyposażony jest układ jezdny pojazdu. Sieć „dróg” dla pojazdów PRT jest dwuwarstwowa (Rys. 1.) i składa się z warstwy I, w skład której wchodzą tzw. magistrale główne, po których poruszają się pojazdy ze stałą prędkością (około 50-60 km/h) i warstwy II w skład której wchodzą drogi, po których pojazdy poruszają się z mniejszą prędkością (od 0 do 50 km/h i która realizuje istotę transportu „door to door” tzn. transport pasażera od miejsca w bezpośredniej bliskości jego przebywania na początku podróży do miejsca bezpośredniej bliskości miejsca docelowego podróży). Główne założenia konstrukcyjne układu jezdnego pojazdu PRT są przedmiotem wynalazku, którego twórcami są autorzy referatu. Schemat ogólny tego rozwiązania konstrukcyjnego pokazano na rysunku 2. Pojazd składa się z kabiny (1) zamocowanej poprzez element tłumienia drgań (2) do układu jezdnego/nośnego (3) przemieszczającego się w zespolonej prowadnicy (4). Układ jezdny (3) posiada trzypunktowe prowadzenie poprzez punkty/węzły A, B, C, które nadają ustalony kierunek ruchu pojazdu. 5 A 4 B L 6 7 Y C 3 X Z 1 2 Rys. 2 Schemat ogólny opatentowanego rozwiązania konstrukcyjnego Rys. 1 Dwuwarstwowa sieć „dróg” dla pojazdów PRT 2 A 5 L B L 6 Y C X Z poczatek krzywizn toru Rb(x) Ra(x) 7 Rc(x) Prędkość zjazdu z warstwy I do warstwy II nie powinna opóźniać ruchu na magistrali głównej oraz nie powinna powodować efektów niedopuszczalnych z punku widzenia oddziaływania niezrównoważonego przyspieszenia na człowieka oraz szybkości jego zmian tzw. „jerk”. Przy projektowaniu pojazdów PRT zachowano zgodność z wymogami ergonomicznymi oraz uwzględniono wymagania osób niepełnosprawnych (w szczególnym przypadku po złożeniu siedzisk - wjazd wózka inwalidzkiego z osobą obsługująca ten wózek). System sterowania powinien zapewnić, by pojazdy PRT były w ruchu tyko w przypadku gdy: realizują zadanie przewozowe, jadą na konkretny przystanek (wezwanie), by zrealizować zadanie przewozowe, jadą do miejsc składowania (garażowania, gdzie znajdują się w stanie obsługi lub oczekiwania na realizację zadania przewozowego). Infrastruktura systemu poprzez lekkość jest łatwa do implementacji w typowych miastach polskich (duże aglomeracje oraz średnie miasta i miastakurorty). Charakterystyczne jest to, że punkt/węzeł B (Rys. 2.) położony jest w odległości L od linii łączącej punkty A, C, w kierunku osi OX przedstawionego poniżej układu współrzędnych. Zespoły rolek/kół prowadzących umieszczonych w punktach/węzłach A, B, C poprzez ich odpowiednie sterowanie pozwalają na realizację wybranej trasy ruchu pojazdu w sieci napowietrznych nieruchomych, statycznych szyn jezdnych (5, 6, 7) zabudowanych w zespolonej prowadnicy (4). Rys. 3 Prowadzenie pojazdu SITIN POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 Układ statycznych szyn nośnych 5, 6, 7 jest znamienny tym, że wzajemne ustawienie i geometria w/w nieruchomych szyn pozwala na przyjęcie przez układ jezdny, a poprzez to kabinę, położenia, które będzie najkorzystniejsze z punktu prowadzenia pojazdu. Takie rozwiązanie konstrukcyjne pozwala na prowadzenie pojazdu po ściśle określonej trasie ze ściśle określonymi położeniami kątowymi kabiny, co pozwala na nadanie kątów przechyłu kabiny zmniejszające odczucia sił odśrodkowych i bezwładności. Dotyczy to ruchu w płaszczyźnie XY oraz w płaszczyźnie XZ przedstawionego powyżej układu współrzędnych. Zalety opatentowanego rozwiązania konstrukcyjnego to: • Układ jezdny zapewnia możliwość wyboru toru jazdy poprzez mechanizmy zawarte w nim • Układ jezdny umożliwia zachowanie pożądanego kierunku przechyłu pojazdu w płaszczyźnie XY co jest korzystne przy pokonywaniu wzniesień i spadków powiązanych ze zmianą wysokości na jakiej podróżuje pojazd • Układ jezdny zapewnia możliwość nadawania pożądanego kierunku przechyłu pojazdu w płaszczyźnie YZ co jest korzystne przy pokonywaniu zakrętów przez pojazd • Pojazd zapewnia komfort podróżowania poprzez zastosowanie elementu tłumienia drgań kabiny w obszarze mocowania pojazdu do układu jezdnego. Opisany powyżej schemat układu jezdnego posiada zintegrowane trzy zespoły rolek A, B, C, które umieszczone są odpowiednio w węzłach A, B, C. Przedstawione rozwiązanie charakteryzuje się tym, że posiada jednoosiowy wózek jezdny w węźle A z prowadzeniem rozmieszczonym odpowiednio we wszystkich trzech węzłach A,B,C. Zmiana strony prowadzącej odbywa się poprzez wzajemną zmianę położenia w kierunku pionowym dwóch członów głównego mechanizmu. Odpowiednia czasowo-przestrzenna koordynacja położenia członów mechanizmu pozwala w sposób ciągły i przewidywalny nadawać odpowiedni kierunek ruchu pojazdu zgodnie z przyjętą trasą. Jednocześnie po przejechaniu przez rozjazd nastąpi zmiana strony prowadzącej tak, aby przed następnym rozjazdem układ zapewniał możliwość wykonania ponownie powyżej opisanego manewru. Poniżej na rys. 4. przedstawiono wstępne projekty kształty kabiny pojazdu PRT – SITIN. 3. Zakres badanych przypadków i przykładowe wyniki Wstępne badania symulacyjne dynamiki ruchu pojazdu PRT prowadzone były w oparciu o trzy koncepcje rozwiązań układu jezdnego pojazdu PRT. W trakcie badań wykonano szereg symulacji, zgodnie z przyjętym planem. Badania pozwoliły wybrać model, POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 Rys. 4. Projekty kształtu kabiny pojazdu PRT – SITIN który zostanie poddany szczegółowym analizom symulacyjnym przy wykorzystaniu pakietu MBS Adams (moduły: Adams/View oraz Adams/Solver). Obecnie model ten, tworzony w oparciu o zgłoszenie patentowe na wynalazek nt.: Układ napędowo-jezdny do pojazdów poruszających się po napowietrznych szynach jezdnych, zwłaszcza magistralach sieciowych inteligentnego systemu transportu miejskiego typu PRT; zgłoszenie P 383-748 z dnia 12.11.2007, którego współautorami są W. Choromański, G. Dobrzyński, J. Kowara jest na etapie modyfikacji i analiz. Badania na uproszczonych modelach wykonano z zastosowaniem „sztywnej szyny”. Jako przejazd nominalny określono: rozpędzanie pojazdu do prędkości 50 km/h, przejazd przez rozjazd ze zmianą kierunku ruchu i zmniejszaniem prędkości jazdy do 3 30 km/h oraz ponowny przejazd przez rozjazd. Następnie każdy z badanych przypadków poddano szeregu wymuszeniom: 0 - wymuszenie kinematyczne powodowane geometrią toru, 1 - wymuszenie siłowe w postaci podmuchu wiatru, 2 - wymuszenie w postaci przemieszczającej się masy wewnątrz kabiny, Analizowano również zmiany parametrów sztywności i tłumienia w kontakcie kół jezdnych z szynami i w dolnej podporze stabilizującej pojazd w poziomie. Przykładowe wyniki podano na rysunkach 5, 6, 7, 8. Ruch analizowano w układzie współrzędnych poruszających się względem linii toru z prędkością scharakteryzowaną powyżej. Kierunek X jest kierunkiem poruszania się pojazdu, kierunek Y kierunkiem poprzecznym do kierunku ruchu. Dla poniższych przypadków zaobserwowano silną wrażliwość modelu na wychylenia przy działaniu wymuszeń 1 i 2 co prowadzi do pewnych ograniczeń w eksploatacji lub stosowania zaawansowanego sterowania parametrami mechanizmu podatnego zawieszenia kabiny. Wyraźnie widać znaczenie elementu podatnego (łączącego kabinę z układem napędowym - rys.2 pkt 2) w redukcji przyspieszeń i prędkości narastania przyspieszeń co ma szczególne znaczenie przy redukcji oddziaływań na organizm ludzki Rys. 7 Przyspieszenia oddziaływujące na pasażera dla modelu B (model symetryczny z amortyzacją kabiny) z uwzględnieniem opisanych w p. 3. wymuszeń Rys.8 Przyspieszenia oddziaływujące na pasażera dla modelu B (model symetryczny z amortyzacją kabiny) z uwzględnieniem opisanych w p. 3. wymuszeń 4. Wnioski Rys. 5 Wychylenie kabiny dla modelu B (model symetryczny z amortyzacją kabiny) z uwzględnieniem opisanych w punkcie 3. wymuszeń Rys. 6 Wychylenie kabiny dla modelu B (model symetryczny z amortyzacją kabiny) z uwzględnieniem opisanych w punkcie 3.wymuszeń 4 Trudno jest dzisiaj jednoznacznie ocenić efektywność i przydatność systemów klasy PRT, zwłaszcza, ze nie dysponujemy żadnymi doświadczeniami z systemów już eksploatowanych. W literaturze [1,2,3,4] rozpatruje się wdrożenie tego typu systemów: 1. Jako globalne rozwiązanie transportu publicznego w dużych aglomeracjach miejskich) (ang.High-Capacity Personal Rapid Transit), 2. Jako lokalne rozwiązanie w dużych aglomeracjach miejskich (np. obsługa największego węzła przesiadkowego w Europie WarszawaCentralna), 3. Jako rozwiązanie specyficznych potrzeb transportowych (transport w dużych centrach handlowych, transport w Warszawskim Parku Technologicznym), 4. Jako rozwiązanie transportowe w specyficznych miastach (np. Zakopane, Szczyrk), 5. Jako atrakcja turystyczna i swoista wizytówka miasta (koncepcja np. połączenia skarpy wiślanej z Ogrodem Zoologicznym) POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 Niewątpliwie należy się spodziewać, że systemy transportu określane mianem Personal Rapid Transit zostaną wdrożone do użytku publicznego i w przyszłości staną się powszechne w użyciu. Wydaje się zatem uzasadnione prowadzenia dalszych badań,. w tym budowę prototypu i badań na prototypie. Literatura [1] Iring J., Fundamentals of Personal Rapid Transit, Lexington Books 1978, POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 [2] Anderson J.E, A Review of the State of the Art of Personal Rapid Transit, Journal of Advanced Transportation, Vol 34, No.1, pp.3-29, 2000, [3] Choromanski W., Grabarek I, Problems of the Dynamics of an Intelligent Overhead Municipal Transport System International Association for Vehicle System Dynamics, Berkeley 2007 (conference proceedings, special edition of VSD in print), 2007, [4] Choromanski W, Grabarek I, et al., Selected Problems of PRT , report of rector grant, Warsaw University of Technology (in polish), 2006 5 dr hab. inż. Iwona Grabarek Politechnika Warszawska Wybrane zagadnienia ergonomii i bezpieczeństwa w polskiej konstrukcji pojazdu PRT (Personal Rapid Transit) W artykule opisano istotę innowacyjnego systemu transportowego PRT (Personal Rapid Transit), który budzi ogromne zainteresowanie w wielu krajach. Przedstawiono zagadnienia ergonomii i bezpieczeństwa w polskiej konstrukcji pojazdu PRT – SITIN. Wstęp Ciągły rozwój aglomeracji miejskich pociąga za sobą konieczność zapewnienia ich mieszkańcom sprawnego miejskiego systemu transportowego. To stwierdzenie coraz częściej pozostaje jedynie niespełnionym życzeniem. Zanieczyszczenie środowiska spalinami, coraz dłuższy czas poświęcany na dojazd i powrót z pracy, trudności w przemieszczaniu się w obrębie miast, zwiększająca się wypadkowość w transporcie – to tylko kilka cech charakteryzujących współczesne życie w aglomeracjach miejskich. Poszukiwania nowych, innowacyjnych rozwiązań w transporcie, które poprawiłyby jakość życia, rozpoczęto już dosyć dawno. Pomysł wykorzystania nowego środka transportu jakim jest Personal Rapid Transit (PRT) to właśnie jeden ze sposobów na rozwiązanie pojawiających się kłopotów transportowych w aglomeracjach miejskich. Idea PRT, choć nie nowa – znana w krajach zachodnich od lat 60-tych, obecnie zyskuje coraz większe zainteresowanie wśród konstruktorów. Odżyła pod koniec lat dziewięćdziesiątych i na początku XXI wieku. Powstały nowe rozwiązania. Na przykład Rayteon, SkyTran, Cyber Cabs. W Europie na ukończeniu jest projekt ULTRA, który prawdopodobnie jako pierwszy wdrożony zostanie na lotnisku Heathrow (przewidywany termin wdrożenia – 2009 rok). Równie zaawansowany jest projekt koreańskoszwedzkiego konsorcjum VECTUS Ltd. System PRT ma zostać wdrożony w Upsali w 2009 roku. Rozpoczęto również prace wdrożeniowe amerykańskiego systemu SkyWeb/Taxi 2000. Tak duże zainteresowanie ideą PRT wśród konstruktorów pozwala na postawienie tezy, że PRT może stać się alternatywnym rozwiązaniem w stosunku do systemów już eksploatowanych (np. metro, tramwaj, autobus), a w perspektywie może przejąć rolę transportu dominującego [1]. Co rozumiemy pod pojęciem PRT? Personal Rapid Transit (PRT) to inteligentny system transportowy, łączący cechy indywidualnego i masowego transportu miejskiego typu „point to point” lub „door to door”, na który składają się małe pojazdy (czteroosobowe) poruszające się zdalnie po lekkiej 6 infrastrukturze – najczęściej szynie napowietrznej. Podróż odbywa się od stacji początkowej do stacji docelowej bez przystanków pośrednich. Prace badawcze dotyczące polskiego Systemu Inteligentnego i Indywidualnego Transportu Napowietrznego - SITIN - rozpoczęto w roku 2006 w ramach Uczelnianego Programu Badawczego na Politechnice Warszawskiej. System PRT – SITIN obejmuje: inteligentne pojazdy, systemy sterowania, systemy stacyjne, strukturę toru, infrastrukturę. Jest więc typowym systemem integrującym w sobie rozwiązania dotyczące wielu dyscyplin i obszarów techniki i nauki w tym między innymi: sterowania, konstrukcji, dynamiki, telekomunikacji, ergonomii i bezpieczeństwa [5]. Badania dotyczące ergonomii inteligentnego pojazdu obejmują zagadnienia dostosowania pojazdu do szerokiej grupy użytkowników, w tym również osób niepełnosprawnych, z punktu widzenia antropometrii, komfortu jazdy a także łatwego programowania trasy jazdy i kontaktu z centrum sterowania systemem. Wszystkie podejmowane działania mają na celu zapewnienie bezpieczeństwa osobom korzystającym z pojazdów. W niniejszym artykule omówione zostaną jedynie wybrane zagadnienia dotyczące ergonomii i bezpieczeństwa jednego z elementów systemu PRT jakim jest pojazd. Ograniczenia te wynikają z szerokiego zakresu analizowanych zagadnień . 1. Wymagania ogólne bezpieczeństwa projektowanego systemu PRT Podstawowe założenia przyjęte w badaniach polskiego systemu PRT, warunkujące wymagania bezpieczeństwa, są następujące: 1. system PRT realizowany będzie z wykorzystaniem pojazdów czteroosobowych (wymagana lekka infrastruktura) poruszających się z wykorzystaniem napędu elektrycznego na szynie napowietrznej, 2. pojazdy PRT muszą mieć gabaryty zgodne z wymogami ergonomicznymi oraz umożliwiać transport osób niepełnosprawnych, POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 3. sieć „dróg” dla pojazdów PRT jest dwuwarstwowa i składa się z warstwy I (w skład, której wchodzą tzw. magistrale główne, po których poruszają się pojazdy ze stałą prędkością v (ok. 50 km/h) przy separacji 10 metrowej oraz warstwy II (w skład, której wchodzą drogi, po których pojazdy poruszają się z mniejszą prędkością (0-50 km/h i która realizuje istotę transportu „door to door” tzn. transport pasażera od stacji początkowej do końcowej, bez przystanków pośrednich), 4. prędkość zjazdu z warstwy I do warstwy II nie powinna opóźniać ruchu na magistrali głównej oraz nie powinna powodować efektów niedopuszczalnych z punku widzenia oddziaływania niezrównoważonego przyspieszenia na człowieka oraz szybkości jego zmian tzw. „jerk”. System PRT powinien być tak zaprojektowany i zbudowany w taki sposób, aby zapewnić bezpieczną eksploatację przy uwzględnieniu zastosowanych rozwiązań technicznych, naturalnych i fizycznych cech terenu, na którym są one instalowane, w tym nachylenia powierzchni i różnice poziomów oraz ich otoczenia, a także czynników atmosferycznych i meteorologicznych, jak również budowli i przeszkód zlokalizowanych w pobliżu. Konstrukcja pojazdu oraz kształt toru powinny uwzględniać możliwość zapobiegania pojawiającym się drganiom poprzecznym i wzdłużnym, mającym negatywny wpływ na organizm pasażera. Przy projektowaniu systemu PRT należy określić: • Odległości pionowe i poziome między pojazdami, odległości od budowli i przeszkód położonych w pobliżu , na ziemi lub w powietrzu, zapewniające bezpieczeństwo, przy uwzględnieniu najtrudniejszych przewidywalnych warunków eksploatacji i ewakuacji, biorąc pod uwagę ruch pionowy , wzdłużny i poprzeczny pojazdów, • Maksymalne odległości pomiędzy pojazdami a ziemią w zależności od charakterystyki technicznej systemu, typu pojazdu i procedur ewakuacyjnych, przy czym przy projektowaniu pojazdów należy wziąć pod uwagę aspekt psychologiczny, • Maksymalną prędkość pojazdów, minimalną odległość między nimi oraz ich przyspieszenia i opóźnienia zapewniające bezpieczeństwo osób oraz bezpieczne działanie systemu. Zakładane bezpieczeństwo PRT wynika przede wszystkim z faktu, że inteligentny pojazd nie wymaga obecności w nim operatora i tym samym liczba ewentualnych pomyłek popełnionych przez czynnik ludzki sprowadza się do minimum. Zalety projektowanego systemu wynikają przede wszystkim z jego specyfiki i można do nich zaliczyć m.in.: POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 • • Łatwość obsługi pojazdu ( dla każdego), Krótka, czasowo przewidywalna podróż, bez przystanków pośrednich, • Czas oczekiwania na pojazd minimalny lub zerowy, • Podróż na siedząco, • System dostępny dla pasażera przez całą dobę, • Pojazdy wyposażone w klimatyzację, • Podróż komfortowa, najczęściej w gronie znanych sobie osób, • Zapewnione osobiste bezpieczeństwo, • Wystarczająco dużo miejsca w pojeździe na bagaż, wózek osoby niepełnosprawnej, rower, czy wózek dziecięcy. Standardy bezpieczeństwa stosowane w projektowaniu, budowie i eksploatacji systemów PRT są podobne do tych, które mają zastosowanie w przypadku nowoczesnych i inteligentnych pojazdów, a także lotnictwa cywilnego. 2. Projektowanie ergonomiczne polskiego pojazdu SITIN W ergonomicznym podejściu do projektowania należy zwrócić uwagę na aspekt jakości [3]. Zgodnie z ISO 8402 jakość to zespół właściwości i charakterystyk liczbowych systemu lub funkcji wykonywanych przez system, które wpływają na jego zdolność do zaspokajania potrzeb konsumentów/eksploatatorów. Jakość może być inaczej rozumiana jako kombinacja trzech składowych: (1) jakości technicznej (konstrukcyjnej), wyrażanej jako zgodność z wyspecyfikowanymi wymaganiami (w tym bezpieczeństwa), (2) jakości ergonomicznej, zwykle rozumianej jako wygoda obsługi, co w znacznym stopniu wynika ze zgodności interfejsu użytkownika z zaleceniami ergonomicznymi, (3) jakości użytkowej, rozumianej jako użyteczność produktu, która jest bezpośrednio odczuwana i weryfikowana przez użytkownika podczas wykonywania rzeczywistych zadań roboczych. Nie zawsze udaje się zachować równowagę między wymienionymi składowymi jakości. Nie mniej dążymy do tworzenia techniki przyjaznej człowiekowi i środowisku naturalnemu, co wymaga wiedzy technicznej, ale również wiedzy o człowieku, o jego możliwościach i ograniczeniach w kontakcie z techniką , o wpływie techniki na środowisko, itd. Wymiary wewnętrzne kabiny pojazdu SITIN powinny umożliwiać komfortową jazdę 90% populacji polskiej, tzn. osobom, które z punktu widzenia antropometrii mieszczą się między 5 i 95 centylem ( C5 a C95 ) oraz osobom poruszającym się na wózkach inwalidzkich. 7 W celu zapewnienia bezpieczeństwa osób: • pojazdy powinny być wyposażone w urządzenia łączności umożliwiające stały kontakt między użytkownikami a obsługą systemu. • dostęp do miejsc wsiadania i wysiadania oraz wsiadanie i wysiadanie użytkowników powinny być zorganizowane z uwzględnieniem ruchu i zatrzymania pojazdów, • dzieci i osoby niesprawne ruchowo powinny mieć możliwość korzystania z pojazdów w sposób bezpieczny. Konstrukcja pojazdu musi wykluczać możliwość jazdy z otwartymi drzwiami w warunkach normalnej eksploatacji. Drzwi pojazdów powinny być zaprojektowane i zbudowane w taki sposób, aby było możliwe ich zamykanie i blokowanie. Okna nie powinny być otwierane na zewnątrz, a ich otwieranie powinno być możliwe tylko z wnętrza wagonu, (nie dotyczy to okien urządzonych jako wyjścia awaryjne). Elementy wnętrza pojazdu powinny być wykonane z materiałów dopuszczających czyszczenie na mokro i oddziaływanie środkami dezynfekującymi. Materiały te powinny posiadać minimalne cechy bezpieczeństwa przeciwpożarowego. Kabina pojazdu powinna być wyposażona w: • oświetlenie wnętrza włączane i wyłączane samoczynnie lub z centrum sterowania: zasadnicze, którego natężenie oświetlenia mierzone na wysokości 850 mm od podłogi nie powinno być mniejsze niż 100 lx , awaryjne, włączające się samoczynnie w razie zaniku napięcia w sieci trakcyjnej, przy włączonym oświetleniu zasadniczym, • urządzenia zapewniające przewietrzanie i ogrzewanie z możliwością regulacji temperatury, • fotele do siedzenia przymocowane trwale do konstrukcji pojazdu, posiadające składane (podnoszone ) siedziska i podnoszone podłokietniki, • podłoga powinna być wykonana z materiału antypoślizgowego. Pojazd PRT z założenia jest inteligentnym środkiem transportu (prowadzonym automatycznie bez operatora). Podróż odbywa się od stacji początkowej do stacji docelowej bez przystanków pośrednich. Zatem kabina powinna być wyposażona w urządzenie umożliwiające pasażerowi wybór docelowego przystanku. nie powodować skojarzeń z górskimi kolejkami linowymi. Zaprojektowana forma powinna być na tyle charakterystyczna, aby w przyszłości mogła stać się rozpoznawalna i identyfikowana z tym właśnie środkiem transportu miejskiego. Ważne było też znalezienie kształtu, który jednocześnie podkreślałby nowoczesność i odmienność tego rodzaju transportu, ale także wpisywał się w krajobraz miejski i dodatkowo nie był odbierany jako „intruz”. W procesie doboru kształtu przeanalizowano różne rozwiązania i zdecydowano, że we wstępnych badaniach kształtem wyjściowym projektu będzie elipsa. Ze względu na specyfikę opisywanego rodzaju transportu istotnym zagadnieniem stała się kwestia zachowania odpowiednich proporcji pomiędzy połaciami nieprzezroczystymi a przeszkleniami, co uczyniło pojazd PRT przyjazny dla użytkownika oraz zapewniający mu poczucie bezpieczeństwa. (rys.1) Ostateczne wymiary pojazdu determinowane były przez wiele czynników, np. jak już wspomniano, indywidualność transportu , a także możliwość korzystania z niego przez osoby niepełnosprawne. Z danych statystycznych wynika, że w Polsce żyje około 4 milionów osób niepełnosprawnych, z czego 75% stanowią osoby z dysfunkcją narządu ruchu. Populację osób niepełnosprawnych charakteryzuje większe zróżnicowanie cech psychofizycznych w stosunku do populacji standardowej. Środki transportu, a szczególnie te nowoprojektowane powinny uwzględniać szeroki dostęp do ich użytkowania , niezależnie od stopnia sprawności człowieka. Tak więc pojazd PRT-SITIN zaprojektowano do przewozu max 4 osób jednocześnie lub osoby niepełnosprawnej korzystającej z wózka inwalidzkiego oraz osoby jej towarzyszącej. 3. Kształt i wymiary pojazdu SITIN Biorąc pod uwagę indywidualny charakter tego transportu i poruszanie się pojazdów po lekkiej infrastrukturze, w fazie projektowania kształtu założono, że pojazd powinien być lekki i małych rozmiarów. Ponadto, powinien odejść formą od kształtu typowego dla już użytkowanych środków transportu i 8 Rys.1. Wstępna wizualizacja pojazdu PRT w programie Catia POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 Analiza wymiarów kabiny została przeprowadzona w oparciu o procedurę weryfikacji antropometrycznej, przy czym wykorzystano dwa źródła danych, tzn. Atlas antropometryczny dorosłej ludności Polski autorzy Batogowska A., Słowikowski J., oraz Atlas miar człowieka. Dane do projektowania i oceny ergonomicznej. – autor Gedliczka A. Część wymiarów zdeterminowana została dostosowaniem pojazdu dla osób niepełnosprawnych, np. szerokość kabiny i szerokość drzwi pojazdu. Na podstawie badań wstępnych wymiary gabarytowe wynoszą: Max długość pojazdu 2360 mm Max wysokość pojazdu (bez ramienia) 1960 mm Całkowita wysokość pojazdu wraz z ramieniem 2660 mm Na rys.2 i 3 przedstawiono przekroje kabiny pojazdu SITIN w dwóch rzutach. Długość ramienia uwarunkowana jest względami bezpieczeństwa i powinna uniemożliwiać człowiekowi dotknięcie do szyny. Zatem nie powinna być mniejsza niż 540 mm. W proponowanym rozwiązaniu wartość ta wynosi 700 mm, co było podyktowane względami bezpieczeństwa jak i rozwiązaniem układu jezdnego. Przyjęcie ostatecznego rozwiązania układu „szyna – koło” może zmodyfikować tę wartość, dla której granicą dolną jest wartość 540 mm. Rys.3. Przekrój poziomy kabiny pojazdu dla zapewnienia niezawodnego, bezpiecznego i komfortowego transportu pasażerów, w tym także osób niepełnosprawnych. W artykule zasygnalizowano jedynie wybrane zagadnienia, które należy uwzględnić przechodząc od koncepcji do projektu pojazdu PRT. Pozostałe problemy, nie mniej istotne, będą rozwiązywane w kontynuowanych pracach projektowych . Literatura [1] [2] [3] [4] [5] Anderson J.E.: The future of High – Capacity PRT, Advanced Automated Transit Systems Conference, Bologna, Italy, November 7-8, 2005 Batogowska A., Słowikowski J.: Atlas antropometryczny dorosłej ludności Polski dla potrzeb projektowania. Prace i materiały, zeszyt 149, IWP, Warszawa, 1994, Gedliczka A.: Atlas miar człowieka. Dane do projektowania i oceny ergonomicznej. CIOP, Warszawa 2001, Jabłoński J. /pod red./: Ergonomia produktu. Wyd. politechniki Poznańskiej, 2006 Sprawozdanie z realizacji Uczelnianego Projektu Badawczego (Grant J.M Rektora Politechniki Warszawskiej) nt „Modelowanie i Badania Symulacyjne Inteligentnego Miejskiego Indywidualnego Systemu Transportu Elektryczno -Rolkowego – Mister” – Kierownik projektu W. Choromański Politechnika Warszawska 2007. Rys.2. Przekrój kabiny w płaszczyźnie pionowej - oś wzdłużna Wnioski Projektowanie nowych, niekonwencjonalnych środków transportu jest zagadnieniem interdyscyplinarnym. Wymaga rozwiązania wielu problemów i skorelowania ich ze sobą. Sformułowanie wymagań z zakresu ergonomii i bezpieczeństwa oraz zastosowanie ich w fazie koncepcyjnej jest niezwykle istotne POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 9 mgr Leszek Wittenbeck dr inż. Marek Sobaś Instytut Pojazdów Szynowych „Tabor” Analiza modalna bezprzedziałowego wagonu osobowego 150A w celu przystosowania jego struktury nośnej do wózkow wysokich prędkości typu 11 ANc W artykule przedstawiono badania dotyczące dynamiki strukturalnej bezprzedziałowego wagonu osobowego. Analiza skupiła się na odpowiedzi czy struktura nośna pudła wagonu typu 150C (150A) jest wystarczająco sztywna, aby spełnić oczekiwania związane ze stabilizacją wężykowania obrotowego wózków a pomocą systemu hydraulicznych tłumików drgań oraz czy częstotliwości własne poszczególnych form drgań struktury nośnej rozważanego pudła są wystarczająco dobrze rozsynchronizowane ze spodziewanymi częstotliwościami wymuszeń. Badania numeryczne przeprowadzono za pomocą programu ABAQUS. Poszukiwano częstotliwości drgań własnych pudła wagonu w przedziale od 3 do 16 Hz. Uzyskane wyniki poddano analizie i pokazano w formie graficznej. Artykuł powstał w ramach projektu badawczo-rozwojowego nr R10 041 02, finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego ze środków budżetowych na naukę na lata 2007÷2009 pt. „Wózek pasażerskiego pojazdu kolejowego typu Z o prędkości 250 km/h i możliwości modyfikacji do prędkości 300 km/h”. 1. Wprowadzenie Konwencjonalny pojazd szynowy podczas jazdy poddawany jest rozmaitym oddziaływaniom mechanicznym, powodującym drgania nadwozia, które ze względu na charakter wymuszeń można sklasyfikować jako: drgania wywołane przez nierówności geometryczne toru (błędy w planie i profilu) oraz kół (np. bicie promieniowe czy poprzeczne), drgania wywołane przez sinusoidalny bieg zestawów kołowych w torze (wężykowanie obrotowe i poprzeczne). Częstotliwości tych wymuszeń zależą m.in. od prędkości jazdy – im wyższa prędkość tym większa częstotliwość wymuszeń. Wymuszenia te przenoszone są przez strukturę pojazdu i wzbudzają drgania nadwozia w postaci: podskakiwania, galopowania, kołysania, wężykowania poprzecznego i wężykowania obrotowego. Drgania nadwozia wywołują z kolei drgania strukturalne pudła stalowego, przybierające liczne formy wyrażające się odkształceniami giętymi pionowymi i poprzecznymi pudła oraz deformacjami o charakterze postaciowym jego przekroju poprzecznego. W kontekście bezpieczeństwa i komfortu jazdy istotne są drgania o częstotliwości do 10 Hz. Szczególnie ważne jest to podczas projektowania pojazdów na duże prędkości jazdy, w których stosowane są urządzenia stabilizujące bieg wózków. Przy prędkościach ponad 200 km/h wózki wężykują z częstotliwościami rzędu 8 Hz. Z tymi też częstotliwościami urządzenia stabilizujące wywierają obciążenia dynamiczne na ustrój nośny pudła. 10 Do tego rodzaju pojazdów należy przyszły wagon osobowy, przystosowany do prędkości 250 ÷ 300 km/h i będący przedmiotem zainteresowania niniejszej pracy. Do przeprowadzenia badań homologacyjnych ma posłużyć wagon pomiarowy typu 150 C (dawniej 150 A) będący w posiadaniu IPS „TABOR”, który w tym celu musi być odpowiednio zmodernizowany. Najistotniejszym elementem tej modernizacji będzie wymiana obecnych wózków typu 11ANa na wózki typu 11ANc, specjalnie w tym celu zaprojektowane. Są to wózki o konwencjonalnej strukturze. Każdy z tych wózków ma na wyposażeniu cztery specjalne amortyzatory hydrauliczne, łączące ramę wózka z ostoją nadwozia. Tworzą one system tłumiący wężykowanie wózka, którego skuteczność uwarunkowana jest między innymi odpowiednią sztywnością nośników, jakimi w tym przypadku są rama wózka i pudło stalowe. Ewentualny niedostatek sztywności grozi tym, że amortyzatory zamiast rozpraszać energię wężykowania wózka (praca w zakresie małych skoków roboczych amortyzatorów) będą zachowywały się podobnie jak pręty sztywne, powodując kompensowanie ruchów wymuszających ze strony wózka na drodze sprężystej deformacji nośników. Powyższe zagrożenie wymaga uważnego rozpatrzenia i znalezienia zawczasu odpowiednich środków zapobiegawczych. Stawia to przed konstruktorami wagonu potencjalny problem techniczny, jaki dotychczas z powodu braku odpowiednich narzędzi obliczeniowych nie mógł być rozwiązany w sposób w pełni świadomy i kontrolowany. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 2. Przedmiot pracy i cel do osiągnięcia Niniejsza praca jest związana tematycznie z projektem badawczym nr R 10 041 02, którego celem jest stworzenie wózka dla wagonu pasażerskiego na prędkość 250 ÷300 km/h. Realizacja tego projektu obejmuje między innymi przeprowadzenie pełnych badań homologacyjnych wg normy PN-EN 14363: 2005 [4], co wymaga stosownego przygotowania obiektu badawczego, jakim jest kompletny wagon. Homologacja dotyczy całego pojazdu, co oznacza, że nie tylko wózki, ale również nadwozie podlega ocenie pod względem własności dynamicznych. Powodzenie przedsięwzięcia zależy w dużym stopniu od wykrycia i usunięcia z konstrukcji pojazdu wszelkich wad konstrukcyjnych w kontekście jego własności dynamicznych już na etapie badań teoretycznych. W ramach niniejszej pracy zostaną przeprowadzone stosowne badania teoretyczne, które udzielą odpowiedzi na następujące pytania zasadnicze: czy struktura nośna pudła wagonu typu 150C (150A) jest wystarczająco sztywna aby spełnić oczekiwania związane ze stabilizacją wężykowania obrotowego wózków za pomocą systemu hydraulicznych tłumików drgań czy częstotliwości własne poszczególnych form drgań struktury nośnej danego pudła są wystarczająco dobrze rozsynchronizowane ze spodziewanymi częstotliwościami wymuszeń. W przypadku wykrycia jakichkolwiek niedostatków w tym zakresie zostaną zdiagnozowane ich przyczyny oraz wskazane sposoby przeciwdziałania. Niezależnie od tego wyniki pracy dostarczą cennych informacji i wskazówek dla konstruktorów nadwozi przyszłych wagonów osobowych, przystosowanych do wysokich prędkości. Sztywność ramy wózka w kontekście skuteczności działania systemu tłumienia wężykowania obrotowego została wyznaczona w pracy OR-9239 [3], a uzyskany wynik został uwzględniony w obliczeniach symulacyjnych dynamiki wagonu OR-9228 [2], w związku z tym kwestia ta nie wymaga dalszego rozpatrywania w niniejszej pracy. 3. Dane wyjściowe Do analizy przyjęto następujące dane i założenia: ♦ struktura i wymiary pudła stalowego - wg dokumentacji konstrukcyjnej wagonu typy 150A ♦ w skład masy nadwozia wchodzą: struktura pudła stalowego (8700 x 2) 17400 kg 1) elementy wyposażenia pod pudłem 9718 kg 2) podłoga z wykładzina 2800 kg 3) okna 1300 kg 2) ♦ amplituda siły generowanej przez jeden amortyzator wężykowania obrotowego 10000 N ♦ zakres poszukiwanych częstotliwości drgań własnych 3 ÷16 Hz. Do obliczeń numerycznych użyto pakietu programów metody elementów skończonych ABAQUS [1]. Analizę dynamiczną podzielono na dwa etapy. W pierwszym, wykorzystując procedurę „Frequency”, obliczono częstotliwości i formy drgań własnych pudła wagonu w zakresie 3÷16 Hz. W drugim, bazując na wynikach pierwszego etapu, zbadano przy pomocy procedury „Steady-state dynamics (Modal)” wpływ sił zmiennych generowanych przez amortyzatory wężykowania na drgania strukturalne pudła. W procedurze „Steady-state dynamice” zastosowano krytyczne tłumienie równe 0,03 oraz wymuszające siły harmoniczne o wartości 10 kN, przyłożone do wsporników tłumika wężykowania. Sposób przyłożenia sił od amortyzatorów wężykowania wymuszających drgania pudła przedstawiono na rys.2 oraz na rys.3. Jako materiał przyjęto stal o module Younga równym 210 GPa i gęstości 7850 kg/m3. Zamodelowano wszystkie elementy mające wpływ na podatność konstrukcji na drgania. W pudle stalowym uwzględniono również obciążenia pochodzące od urządzeń zamocowanych pod wagonem (jako masy skupione) oraz wyposażenia wagonu (jako bezpostaciowe masy ciągłe). Model numeryczny podzielono na prawie 126 000 elementów powłokowych S4R. Podział pudła stalowego na elementy pokazano na rys.4. Podział na elementy w przekroju wzdłużnym części skrajnej wagonu przedstawiono na rys.5. Rys. 1. Model numeryczny wagonu typu 150A POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 11 Rys. 2. Sposób przyłożenia sił wymuszających na pudło wagonu – widok ogólny Rys. 3. Sposób przyłożenia sił wymuszających na pudło wagonu – widok na belkę skrętową Rys. 4. Podział pudła stalowego na elementy Rys.5. Przekrój wzdłużny części skrajnej wagonu – podział na elementy 12 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 5. Wyniki badań numerycznych oraz ich wstępna ocena W pierwszym etapie badań numerycznych uzyskano następujące formy i związane z nimi częstotliwości drgań strukturalnych pudła stalowego, które są przedstawione w tabeli 1. Częstotliwości i formy drgań własnych pudła wagonu Tabela 1 Oznaczenie Częstotliwość [Hz] F1 4,63 F2 8,75 F3 10,2 F4 10,37 F5 10,61 F6 F7 F8 F9 11,25 11,5 12,97 15,11 F10 15,70 Forma drgań „rombowanie” przekroju poprzecznego – postać 1 zginanie pionowe zginanie poprzeczne – postać 1 „rombowanie” przekroju poprzecznego – postać 2a „rombowanie” przekroju poprzecznego – postać 2b pulsacja – postać 1 skręcanie pulsacja – postać 2 pulsacja – postać 3 zginanie poprzeczne – postać 2 Pod pojęciem pulsacji rozumie się rodzaj deformacji pudła polegający na wybrzuszaniu lub zapadaniu się ścian bocznych i dachu (analogia do oddychania). Szczególnie niebezpieczną formą drgań jest „rombowanie” przekroju poprzecznego przekroju pudła F1 (najniższa częstotliwość), które wzbudzane jest przez wichrowatość toru (reakcja zawieszenia wtórnego) oraz przez wężykowanie obrotowe wózków (reakcja amortyzatorów wężykowania). Częstotliwość 4,63 Hz tej formy drgań pokrywa się z zakresem częstotliwości wężykowania obrotowego wózków. „Rombowanie” przekroju poprzecznego pudła F1 jest przedstawione na rys.6. Niebezpieczeństwo związane jest tu z ryzykiem częściowej, a być może nawet całkowitej, utraty funkcji tłumienia drgań przez amortyzatory wężykowania obrotowego, prowadzące do drastycznego obniżenia prędkości krytycznej ze względu na stateczność biegu wózków. Z tego powodu ta forma drgań wymaga bliższego rozpatrzenia w ramach drugiego etapu badań numerycznych. Kolejna formą drgań strukturalnych pudła stalowego, interesującą ze względu na stosunkowo niską częstotliwość, jest zginanie pionowe F2. Częstotliwość ta może sprawiać pewien kłopot ze względu na spodziewaną bliskość częstotliwości drugiej postaci pionowych drgań własnych zawieszenia, który jednak nie ma związku z bezpieczeństwem jazdy, a może co najwyżej mieć wpływ na poziom komfortu jazdy, odczuwany przez pasażerów. Można stwierdzić, ze ta forma drgań nie wymaga podejmowania obecnie jakiś działań interwencyjnych, jednak warto mieć tą kwestię na uwadze w perspektywie przyszłych konstrukcji wagonowych. Pozostałe formy drgań strukturalnych pudła stalowego mają częstotliwości powyżej 10 Hz i nie są narażone na żadne sprzężenia. W związku z tym nie wymagają one bliższego zainteresowania. Formy drgań strukturalnych pudła stalowego w widoku z boku, z góry oraz ogólnym są przestawione odpowiednio na rys.7,8 i 9. Rys.6. „Rombowanie” przekroju poprzecznego pudła F1 F1 F2 F3 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 13 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 Rys. 7. Formy drgań własnych pudła - widok z boku F1 F2 F3 14 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 Rys.8. Formy drgań własnych pudła - widok z góry F1 F2 F3 F4 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 15 F5 F6 F7 F8 F9 F10 Rys. 9. Formy drgań własnych pudła - widok ogólny W drugim etapie badań numerycznych wyznaczono relację zachodzącą między siłami harmonicznymi, reprezentującymi siły generowane przez amortyzatory wężykowania obrotowego wózków, a wzbudzanymi przezeń drganiami strukturalnymi pudła stalowego. W oparciu o analizę modalną wyznaczono wielkości odkształceń struktury stalowej pudła w miejscach mocowania amortyzatorów wężykowania w zależności od częstotliwości wymuszeń, co pokazano na rys. 10. 1.1 1.0 0.9 0.8 u1 [mm] 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 3 4 5 6 7 8 9 10 Częstotliwość [Hz] 11 12 13 Rys.10. Wykres wzdłużnego przemieszczenia wspornika mocowania amortyzatora wężykowania na pudle stalowym wagonu w funkcji częstotliwości 16 14 Interesująca jest wyłącznie pierwsza częstotliwość rezonansowa 4,63 Hz, dotycząca formy drgań F1, dla której odkształcenie (ugięcie w kierunku działania siły harmonicznej) wynosi 0,8 mm. Ugięcie to jest równoznaczne ze stratą skoku roboczego amortyzatora wężykowania, którą należy uznać za znaczącą w kontekście wytracania energii wężykowania obrotowego wózków 6. Wnioski Z pracy [2] wynika, że częstotliwość wężykowania wózków w przedmiotowym wagonie może osiągać poziom 6,5 Hz. Ilustruje to diagram krzywych pierwiastkowych pochodzący z w/w pracy (rys. 11). Częstotliwość wężykowania ok. 6,5 Hz występuje już przy prędkości jazdy wagonu 280 km/h. Na podstawie tego diagramu szacuje się, że częstotliwość wężykowania równa najniższej częstotliwości drgań strukturalnych pudła (forma F1 – „rombowanie” przekroju) wynoszącej 4,63 Hz wystąpi przy prędkości jazdy rzędu 200 km/h. Można więc spodziewać się, że już przy tej prędkości jazdy przedmiotowy wagon będzie zachowywał się niestatecznie, co potwierdza zasadność wcześniej wysuniętych obaw. W związku z tym konieczne jest zastosowanie odpowiednich środków zapobiegawczych. W związku z powyższym oraz w oparciu o spostrzeżenia POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 poczynione w punkcie 5 niniejszej pracy przedstawia się następujące wnioski: struktura pudła stalowego wagonu typu 150A jest niewystarczająco sztywna w kontekście skutecznego funkcjonowania systemu tłumienia wężykowania obrotowego wózków aby zapewnić konieczną skuteczność w/w systemu należy zastosować środki konstrukcyjne prowadzące do podwyższenia częstotliwości formy F1 drgań strukturalnych pudła („rombowanie” przekroju poprzecznego) w perspektywie przyszłych konstrukcji wagonowych należy dążyć do podwyższenia formy F2 drgań strukturalnych pudła (zginanie pionowe). Aby zrealizować drugi wniosek należy usztywnić pudło w taki sposób, aby zdecydowanie obniżyła się jego podatność na „rombowanie” przekroju poprzecznego. Najprostszym rozwiązaniem w sensie modelowym jest związanie całego przekroju poprzecznego położonego w środku długości wagonu za pomocą przegrody poprzecznej. Dla potrzeb badawczych przyjęto, że będzie to membrana stalowa o grubości 3 mm. Rozwiązanie takie, pokazane na rys. 12, poddano ponownie procedurze obliczeniowej uzyskując niżej podane wyniki. Wyniki uzyskane w trakcie ponownych badań analitycznych zamieszczono w tabeli 2. Częstotliwości i formy drgań własnych pudła wagonu wzmocnionego przegrodą Tabela 2 Oznaczenie Częstotliwość [Hz] Forma drgań F1p 8,53 zginanie pionowe F2p 10,15 zginanie poprzeczne F3p 10,34 F4p 11,72 skręcanie F5p 12,84 pulsacja F6p 13,07 zginanie poprzeczne 2 „rombowanie” przekroju poprzecznego Formy drgań własnych pudła stalowego wagonu w widoku z boku, z góry oraz ogólnym przedstawiono odpowiednio na rys.13, 14 oraz 15. Rys. 11. Krzywa pierwiastkowa Rys. 12. Przekrój wzdłużny pudła wagonu z przegrodą POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 17 F1p F2p F3p F4p F5p F6p Rys. 13. Formy drgań własnych pudła - widok z boku F1p F2p F3p 18 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 F4p F5p F6p Rys. 14. Formy drgań własnych pudła - widok z góry F1p F2p F3p F4p F5p F6p Rys. 15. Formy drgań własnych pudła - widok ogólny POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 19 1.1 w agon z przegrodą 1.0 w agon pierwotny 0.9 0.8 u1 [mm] 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 3 4 5 6 7 8 9 10 Cz ęstotliwość [Hz] 11 12 13 14 Rys. 16. Wykres wzdłużnego przemieszczenia wspornika w funkcji częstotliwości Wykres przemieszczania wspornika amortyzatora wężykowania w miejscu połączenia z pudłem stalowym przedstawiono na rys.16. W rezultacie zanotowano wzrost częstotliwości formy F1 drgań strukturalnych pudła z 4,63 Hz do 10,34 Hz (po wprowadzeniu wzmocnienia formę tę oznaczono jako F3p), co dowodzi skuteczności zaproponowanego rozwiązania i pozwala sformułować wniosek, że wzmocnienie struktury stalowej pudła na „rombowanie” przekroju poprzecznego za pomocą równoważnika membrany stalowej o grubości 3 mm położonej w środku długości wagonu jest skutecznym środkiem konstrukcyjnym, który spełnia zadanie utrzymania własności dynamicznych na oczekiwanym poziomie. Niniejsza analiza dowiodła, ze zagadnienie opracowania koncepcji wózka, przystosowanego do wysokich 20 prędkości obejmuje również prace koncepcyjne związane z właściwą konstrukcją nadwozia wagonu osobowego. Przyczyna niewłaściwej dynamiki wagonu jako całości, może znajdować się w niewłaściwej konstrukcji nadwozia wagonu, przy prawidłowo skonstruowanym wózku tocznym. Literatura [1] ABAQUS Analysis User’s Manual, ABAQUS Inc, 2003 [2] OR-9228:Obliczenia symulacyjne dynamiki i bezpieczeństwa ruchu wagonu pasażerskiego typu UIC-Z wyposażonego w wózki typu 11ANc. IPS „TABOR” Poznań, grudzień 2007. [3] OR-9239: Obliczenia wytrzymałości modyfikowanej ramy wózka 11ANa. IPS„ TABOR”Poznań, maj-wrzesień 2007. [4] PN-EN 14363:2005: Kolejnictwo. Badania własności dynamicznych przed dopuszczeniem pojazdów szynowych. 2007. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 dr inż. Zygmunt Marciniak Instytut Pojazdów Szynowych „Tabor” Konstrukcja i badania spalinowych zespołów trakcyjnych typu MR/MRD i Y do obsługi ruchu aglomeracyjnego i regionalnego W artykule zaprezentowano dwa nowe spalinowe zespoły trakcyjne sprowadzone przez operatora prywatnego z zagranicy do obsługi ruchu aglomeracyjnego i regionalnego. Przedstawiono w nim ogólne opisy zespołów wraz z ich głównymi parametrami oraz zakres doposażenia w układy gwarantujące bezpieczną eksploatację na torach PKP PLK. W zakończeniu zaprezentowano zakres przeprowadzonych prób i badań dla oceny ich stanu technicznego oraz dopuszczenia do ruchu tzn. uzyskania świadectwa typu. 1. Wstęp W kraju ruch aglomeracyjny i regionalny na liniach zelektryfikowanych jest prowadzony z wykorzystaniem elektrycznych zespołów trakcyjnych i lekkich elektrycznych autobusów szynowych, natomiast na liniach drugorzędnych eksploatuje się spalinowe zespoły trakcyjne, lekkie pojazdy szynowe z napędem spalinowym zwane często autobusami szynowymi oraz coraz rzadziej pociągi złożone z lokomotywy spalinowej (najczęściej jednokabinowych serii SU42 lub SP32 oraz dwukabinowych SU45) oraz wagonów osobowych (najczęściej piętrowych). Zdecydowana większość ruchu jest obsługiwana przez głównych przewoźników skupionych w PKP tj. Przewozy Regionalne, Warszawska Kolej Dojazdowa oraz Szybka Kolej Miejska w obrębie Warszawskiego Węzła Kolejowego oraz w Trójmieście. Od niedawna do obsługi ruchu podmiejskiego włączyły się Koleje Mazowieckie, a niedługo dołączą do nich Koleje Wielkopolskie i Koleje Dolnośląskie. Ponadto od roku w przewozach pasażerskich próbuje swoich sił pierwsza polsko-angielska spółka PCC Rail – Arriva która wygrała przetarg na realizację części przewozów w obrębie województwa kujawskopomorskiego. Wszyscy przewoźnicy funkcjonujący na rynku przewozów regionalnych i aglomeracyjnych w eksploatacji na liniach drugorzędnych niezelektryfikowanych dysponują spalinowymi zespołami trakcyjnymi oraz autobusami szynowymi wyprodukowanymi w kraju lub zakupowanymi za granicą, przy czym są to pojazdy w większości wiekowe liczące już minimum dwadzieścia i więcej lat. [1]. Należą do nich następujące serie i typy: • autobusy dwuczłonowe SA101, SA105 (213M i 213Ma) oraz trójczłonowe SA102 i SA108 (215M) produkcji Poznańskich Zakładów Naprawczych Taboru Kolejowego • autobusy jednoczłonowe SA107 (211M) i dwuczłonowe SN81 (SPA66), SA104/SA122 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 • (208M) i SA109 (212M) produkcji byłych Kolejowych Zakładów Mechanicznych „Kolzam” w Raciborzu • autobusy jednoczłonowe SA106 (214M, 214Ma, 214Mb) oraz dwuczłonowe SA131, SA132, SA133, SA134, SA138 (218M, 218Ma, 218Mb) produkcji zakładów „Pesa” Holding S.A. w Bydgoszczy • spalinowe zespoły trakcyjne dwu- i trójczłonowe SA110 (VT624 + VM928) eksploatowane wcześniej przez Koleje niemieckie do Szczecina, a zakupione przez PKP Przewozy Regionalne województwa zachodniopomorskiego • spalinowe zespoły trakcyjne jedno- VT627 i dwuczłonowe VT628 produkcji niemieckiej zakupione przez Koleje Mazowieckie • spalinowe zespoły trakcyjne dwuczłonowe MR/MRD i wieloczłonowe (od dwu- do siedmioczłonowych) Y produkcji niemieckiej (eksploatowane wcześniej przez Duńskie Koleje Państwowe) zakupione przez pierwszą prywatną spółkę PCC – Arriva. Ponadto w ruchu przygranicznym coraz częściej pojawiać się będą spalinowe zespoły trakcyjne i autobusy szynowe będące w posiadaniu zachodnich i południowych sąsiadów, którzy po uzyskaniu stosownych zezwoleń i dopuszczeń będą obsługiwać polski ruch osobowy. Wszystkie wymienione powyżej lekkie pojazdy szynowe (spalinowe zespoły trakcyjne i autobusy szynowe) wyprodukowane w ilości kilkudziesięciu sztuk nie są w stanie zaspokoić rosnących potrzeb przewozowych, które z roku na rok wzrastają zwłaszcza w ruchu aglomeracyjnym regionalnym i między regionalnym, na których eksploatacja pociągów pasażerskich składających się z wagonów i lokomotyw staje się coraz bardziej ekonomicznie nieopłacalna. 21 Widoczne braki taborowe na polskim rynku kolejowym nie jest w stanie pokryć rosnącą produkcją Bydgoska „Pesa”, ZNTK Poznań oraz włączający się w miejsce KZM Kolzam z Raciborza – Bumar Fablok Chrzanów, który oprócz autobusów jedno i dwuczłonowych oferuje również autobus trójczłonowy. Ponadto liczyć się należy również z tym, że w najbliższych latach dążyć będą do opanowania części rynku przewozów osobowych także zagraniczni operatorzy kolejowi którzy stawać się będą coraz większą konkurencję w stosunku do PKP Przewozy Regionalne. Jednym z przykładów jest już spółka polsko-angielska PCC-Arriva, która ze względu na braki taborowe w uruchomionym w 2007r. przewozach pasażerskich w województwie kujawsko-pomorskim wprowadziła w 2008r. spalinowe zespoły trakcyjne typu MR/MRDa w 2009r. zamierza wypuścić zespoły typu Y(Ym+Yp+Ys) produkcji niemieckiej zakupione od DSB (Duńskich Kolei Państwowych). W dalszej części artykułu przedstawione zostaną opisy obu spalinowych zespołów i ich głównych układów i aparatów oraz zakresy ich doposażenia w urządzenia i układy gwarantujące bezpieczeństwo ruchu na torach PKP PLK jak również przeprowadzone próby i badania niezbędne dla uzyskania świadectwa dopuszczenia do eksploatacji typu pojazdu kolejowego. We wszystkich pracach związanych z wdrożeniem zespołów do eksploatacji oprócz IPS „Tabor” brali udział specjaliści z Politechniki Krakowskiej, firmy PCC Rail z Jaworzna oraz zakłady remontowe Arriva Nord Werk z Neustrelitz (Niemcy). 2. Opis techniczny i charakterystyka spalinowych zespołów trakcyjnych typu MR/MRD i Y 2.1. Charakterystyka i podstawowe parametry techniczne zespołów Sprowadzane z DSB (Duńskie Koleje Państwowe) spalinowe zespoły trakcyjne typu MR/MRD i Y przewidziane zostały do realizacji przewozów pasażerskich na niezelektryfikowanych liniach drugorzędnych z prędkościami do 130 km/h (MR/MRD) i do 80 km/h (Y) [6, 7] Zespoły typu MR/MRD przystosowane zostały do pracy wielokrotnej tzn. można skonfigurować pociągi złożone z jednego do pięciu zestawów jak również jeden zespół może ciągnąć jeden lub dwa wagony osobowe lub jeden autobus szynowy o odmiennej konstrukcji i sterowaniu. Natomiast zespół Y składający się z swojej podstawowej wersji z wagonu Ym (motorowy z silnikami trakcyjnymi), wagonu Yp (wagon pośredni – środkowy) i wagonu Ys (wagon sterowniczy) może być eksploatowany w następujących zestawieniach: – Ym + Ys - wersja dwuczłonowa – Ym + Yp + Ys - wersja trójczłonowa – Ym + (2÷5) Yp + Ys (Ym) - wersja wieloczłonowa (od cztero do siedmiowagonowej). Podstawowe parametry techniczne spalinowych zespołów trakcyjnych typu MR/MRD i Y przedstawia tablica 1. Podstawowe parametry techniczne spalinowych zespołów trakcyjnych L.p. Parametr Jednostki 1. 2. 3. 4. Układ osi Skrajnia Moc silnika Obrót silnika kW 1/min. 5. Typ (rodzaj) silnika spalinowego - 6. 7. 8. Masa służbowa zespołu Max. nacisk zestawu kołowego na tor Prędkość max. 9. Rodzaj hamulca Dwuczłonowy zespół typu MR/MRD 2-Bo÷Bo-2 Wartość Dwuczłonowy zespół typu Y(Ym+Ys) Bo-Bo-2-2 UIC 505-1 Trójczłonowy zespół typu Y(Ym+Yp+Ys) Bo-Bo-2-2-2-2 kg 2x239 2160 F12L413F firmy KHD 74 620 2x162 2 100 OM407h lub OM447h firmy Mercedes 43 000 63 000 kN 117,7 88,3 km/h 80 - 130 pneumatyczny magnetyczny hydrauliczna Voith T320r - 10. Typ przekładni 11. Rodzaj przekładni głównej 12. Długość całkowita ze zderzakami lub między osiami sprzęgu automatycznego 13. Wysokość maksymalna 14. Szerokość mm 44 800 mm mm 3890 2883 15. Baza jednego członu mm 15 100 22 Tablica 1 pneumatyczny hydrauliczna Voith Diwa 506 35 050 52 500 3550 3020 11500 (Ym i Ys) 11500 (Ym i Ys) 11900 (Yp) POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 c.d. Tabeli 1 16. 17. 18. 19. Baza wózka Minimalny promień łuku Średnica kół Wysokość podłogi nad główką szyny 20. Liczba miejsc siedzących 21. Liczba miejsc stojących (przy 5 os/m2) mm mm mm 1 900 90 760 2 000 90 760 mm 1 220 960 - 131 96 160 - 142 100 167 Widok ogólny pneumatycznych zespołów przedstawiono na rys.1 i 2. Rys.1. Widok ogólny dwuczłonowego spalinowego zespołu trakcyjnego typu MR/MRD Zespół zbudowany został z dwóch jednosilnikowych, czteroosiowych członów spalinowych połączonych za pomocą urządzenia cięgłowo-zderzakowego i zamkniętych przejść. Części czołowe członów posiadają odgarniacze śniegu, zderzaki i urządzenia cięgłowe, a do połączeń elektrycznych i sprężonego powietrza służą puszki i przewody sprzęgowe. Oba człony wyposażone zostały w wózek toczny i napędny z wyposażeniem pneumatycznym, przy czym układy napędowe zabudowane są pod podłogą, a przenoszenie mocy odbywa się za pośrednictwem wałów przegubowych. Każdy z członów posiada jednakową konstrukcję i jest wyposażony w dwa pomieszczenia dla pasażerów ze stałymi siedzeniami czteroosobowymi naprzeciwległymi i jedną kabiną sanitarną. Zespół może być eksploatowany w zestawach do pięciu sprzęgniętych pociągów. Rozmieszczenie maszyn i urządzeń na zewnątrz i wewnątrz zespołu przedstawiono na rys.3 i 4. Rys.2. Widok ogólny trójczłonowego zespołu trakcyjnego typu Y(Ym+Yp+Ys) 2.2. Opis ogólny spalinowego zespołu trakcyjnego typu MR/MRD Dwuczęściowy zespół trakcyjny MR/MRD przewidziany został w zasadzie do realizacji przewozów pasażerskich na niezelektryfikowanych liniach pierwszo- i drugorzędnych, przy czym ze względu na prędkość max. dochodzące do 130 km/h może być także wykorzystywany w ruchu międzynarodowym. Dzięki odpowiedniej formie i wyposażeniu spełnia on wymagania nowoczesnego środka transportu odznaczając się wysokim komfortem jazdy, dużymi zaletami ekonomicznymi w zakresie utrzymania i eksploatacji, a ponadto posiada dobre właściwości biegowe [6]. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 a) 23 b) Rys.3. Rozmieszczenie urządzeń na zewnątrz i wewnątrz zespołu MR/MRD a) – człon MR 1 – wentylator kabiny; 2 – antena; 3 – sygnał wejściowy/wyjściowy; 4 – kominek wylotowy spalin; 5 – wlot powietrza do silnika spalinowego; 6 – wentylator dachowy; 6a – wentylator szaf elektrycznych; 7 – odgarniacz; 8 – tablica informacyjna; 9 – wlot do piasecznic; 10 – zderzak; 11 – kabina sterownicza; 12 – przedziały pasażerskie; 13 – rączka hamulcowa bezpieczństwa; 14 – WC; 15 – syrena; 16 – reflektor górny; 17 – gniazdo sterowania wielokrotnego; 18 – hak cięgłowy; 19 – wąż hamulcowy; 20 – kabel zasilający; 21 – reflektor dolny i lampa sygnałowa; 22 – wycieraczka; 23 – przejście międzywagonowe; 24 – stopień; 25 – poręcz; 26 – przycisk otwierania drzwi; 27 – uziemienie; 28 – korytarz; 29 – siedzenia odchylne b) – człon MRD 1 – wentylator dachowy; 1a – wentylator szaf elektrycznych; 2 – wloty powietrza do silnika spalinowego; 3 – sygnał wejściowy/wyjściowy; 4 – antena; 5 – wentylator kabinowy; 6 – odgarniacz; 7 – tablica informacyjna; 8 – wlot powietrza do prądnicy; 9 – wlot do piasecznic; 10 – WC; 11 – przedziały pasażerskie; 12 – przedział bagażowy; 13 – siedzenia uchylne; 14 – kabina sterownicza; 15 – zderzak; 16 – przejście międzywagonowe; 17 – rączka hamulca bezpieczeństwa; 18 – szafa pomocnicza; 19 – kominek wylotu spalin; 20 – szafa aparatów; 21 – przycisk otwierania drzwi; 22 – uziemienie; 23 – korytarz. Rys.4. Rozmieszczenie maszyn i urządzeń pod wagonami typu MR/MRD Szkielet wagonów i podwozia wykonano w oparciu o spawaną konstrukcję stalową z użyciem lekkich profili walcowanych i blach profilowanych. Sztywność nadwozia każdego z wagonów uzyskano dzięki podłodze z blachy falistej przejmującej wraz z podwoziem wszystkie siły ściskające i rozciągające. Do podwozia podwieszone są wszystkie aparaty i maszyny umieszczone pod podłogą. Przenoszenie sił wzdłużnych (rozruchowych i hamujących) między wózkiem a pudłem odbywa się za pośrednictwem drążka mocowanego przegubowo (sprężyście) do wózka oraz za pośrednictwem przegubu gumowego do nadwozia. Wagony są odpowiednio izolowane cieplnie i akustycznie. W ścianach bocznych usytuowane są drzwi jedno- i dwuskrzydłowe oraz okna ze szkła bezpiecznego. 24 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 Kabina maszynisty jest usytuowana na końcu każdego z członów i jest wyposażona w ergonomiczny pulpit sterowniczy i fotel. Kabina jest przestronna, klimatyzowana zapewniająca dobre własności widzenia szlaku. Zespół napędowy każdego z członów składa się z 12cylindrowego silnika spalinowego w układzie V typu KHDF 12L413F o mocy 239 kW, przekładni hydraulicznej dwustopniowej typu Voith turbo T320 z wbudowaną przekładnią nawrotną, przegubowych wałów napędowych, przekładni osiowych, rozrusznika, sprzęgieł elastycznych Vulkan, chłodnicy powietrza oraz układu paliwowego ze zbiornikiem o objętości ok. 700 dm3. Do wytwarzania prądu służy prądnica napędzana za pośrednictwem wału przegubowego i sprzęgła elastycznego połączonego z silnikiem spalinowym. Zespół jest wyposażony w hamulec pneumatyczny i szynowy hamulec magnetyczny. Hamulec pneumatyczny KE jest wyposażony w system przeciwślizgowy. Do zasilania układów pneumatycznych (poza hamulcem) takich jak urządzenia do zamykania drzwi, wycieraczki, spryskiwacze, syreny, piasecznice, układy sterowania przekładni i regulacji poziomu wagonów zastosowano agregat sprężarkowy złożony z silnika elektrycznego i dwustopniowej czterocylindrowej sprężarki. Automatyczny hamulec ciśnieniowy jest sterowany za pomocą głównego zaworu maszynisty zabudowanego na pulpicie sterowniczym, a cylindry hamulcowe są wyposażone w samodzielne łączenia nastawcze. Dla zabezpieczenia przed zablokowaniem kół każdy wózek wyposażony został w elektroniczny regulator zabezpieczenia przeciwpoślizgowego. Ponadto każdy wagon (człon) jest wyposażony w szynowy hamulec magnetyczny składający się z dwóch magnesów hamulcowych załączonych za pośrednictwem głównego zaworu maszynisty oraz hamulec postojowy (ręczny). Pudło każdego (członu) wagonu jest położone na dwóch wózkach – tocznym i napędnym wyposażonych w zawieszenie pneumatyczne (po dwa miechy na każdym wózku) i trzypunktowe oparcie awaryjne. Regulację ciśnienia wszystkich czterech miechów realizują zawory pneumatyczne regulujące również właściwy poziom każdego wagonu. Zestawy kołowe o kołach pełnych (bezobręczowych) ułożyskowane są w maźnicach za pośrednictwem cylindrycznych łożysk wałeczkowych. Pierwszy stopień usprężynowania wózka stanowią elementy gumowo-metalowe. Wózki wyposażone są w cztery tarcze hamulcowe zabudowane na osiach, przekładnię hamulcową oraz cztery cylindry hamulcowe. Obie osie wózka tocznego i jedna oś wózka napędnego wyposażone są w nadajniki układu przeciwpoślizgowego. W wózku POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 napędnym umieszczony jest hamulec ręczny działający na obie osie, a w wózku tocznym szynowy hamulec magnetyczny. Widok ogólny obu wózków (tocznego i napędnego) przedstawiono na rys.5 i 6. a) b) Rys.5. Wózek toczny zespołu trakcyjnego MR/MRD a) – widok z boku 1 – amortyzator poziomy; 2 – amortyzator pionowy; 3 – miech pneumatyczny; 4 – sprężyna śrubowa; 5 – wał przeniesienia sił wzdłużnych; 6 – zgarniacz; 7 – płoza hamulca magnetycznego; 8 – antena punktowa b) – widok z góry 1,8 – nadajnik (czujnik) prędkości; 2 – tarcza hamulcowa; 3 – szczęki hamulcowe z okładzinami; 4 – wał przeniesienia sił wzdłużnych; 5,7 – miech pneumatyczny; 6 – zgarniacz. Rys.6. Wózek napędny zespołu trakcyjnego MR/MRD 1,6 - nadajnik (czujnik) prędkości; 2 – przekładnia osiowa; 3 – cylinder hamulca pneumatycznego; 4 – miech pneumatyczny; 5 – przegub elastyczny; 7 – wał przeniesienia sił wzdłużnych 25 2.3. Opis ogólny spalinowego zespołu trakcyjnego typu Y Zespół typu Y może być w swojej podstawowej wersji złożony z dwóch (Ym+Ys) lub trzech (Ym+Yp+Ys) członów, przy czym może być również wieloczłonowy (Ym+(2÷5)Yp+Ys). Pudła wszystkich wagonów zostały wykonane jako lekkie konstrukcje stalowe spawane. Sztywność wagonu uzyskano dzięki podłodze z blachy falistej. W wagonach znajdują się przechodnie przedziały dla pasażerów z przejściem środkowym i ułożeniem foteli 2+2 (rys.7÷9) [7]. Rys.9. Widok na wagon środkowy Yp W członie Ym za kabiną sterowniczą znajduje się przestrzeń bagażowa a w przestrzeni pasażerskiej przedział WC. Na końcach każdego wagonu zabudowane są dwuskrzydłowe otwierane elektryczne drzwi składane, a w środku przejścia połączone miechami gumowymi i mostkami przejściowymi. Wagony są ogrzewane ciepłym powietrzem tłoczonym do wnętrza przez wzdłużne kanały, natomiast kabiny sterownicze mogą być klimatyzowane lub ogrzewane za pośrednictwem własnego urządzenia grzewczego. Na końcach członu Ym i Yp znajduje się kabina sterownicza z ergonomicznym układem pulpit-fotel (rys.10). Rys.7. Widok wnętrza przedziału pasażerskiego członu środkowego zespołu typu Y • Rys.8. Rozmieszczenie urządzeń i maszyn w członach Ym (napędny) i Ys (sterujący): 1 – tablica aparatów sterujących; 2 – tablica wyłączników ogrzewania; 3 – tablica rozdzielcza; 4 – przekształtnik; 5 – instalacja rozgłoszeniowa; 7 – wzmacniacz; 8 – apteczka; 9 – skrzynka na narzędzia; 10 – urządzenia nadzoru stanu wody; 11 – pulpit sterowniczy; 12 – wyłączniki oświetlenia; 13 – hamulec ręczny; 14 – gaśnice ręczne; 15 – napełnienie wody; 16 – hamulec bezpieczeństwa 26 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 Wszystkie zespoły układy napędnego są elastycznie podwieszane pod podwoziem za pośrednictwem dwóch wałów przegubowych. Ponadto w skład układu napędowego wchodzą chłodnice z wentylatorami napędzanymi hydrostatycznie oraz układ paliwowy ze zbiornikami o pojemności ok. 600 dm3. Rys.10. Widok na kabinę sterowniczą i pulpit zespołu trakcyjnego typu Y Wózki jezdne o sztywnych ramach i łożyskowaniem wewnętrznym zestawów kołowych posiadają w pierwszym stopniu usprężynowania ukośne elementy gumowo-metalowe Megi. Zestawy kołowe są wyposażone w podwójne falowane lekkie tarcze. Pudło wagonu oraz belki bujakowe wózków są podłączone ze sobą za pośrednictwem skrętnego połączenia kulowego przenoszącego poza siłami pionowymi również siły wzdłużne (rozruchowe i hamujące). Między belką bujakową a ramą wózka umieszczone są po obu stronach sprężyny wysokogabarytowe przyspieszenia poprzeczne tłumione są za pomocą stabilizatora, a wychylenia pionowe tłumione są za pośrednictwem pionowych tłumików hydraulicznych. W wózku napędnym na osiach zabudowane są przekładnie osiowe (rys.11). Wózki toczne i napędne są w zasadzie identyczne. Różnią się tylko skrętnym połączeniem kulowym, zestawami kołowymi, usprężynowaniem i przełożeniami w układzie hamulca mechanicznego. Zespół jest wyposażony w hamulec pneumatyczny, a na każdym wózku zabudowane są dwa cylindry hamulcowe działajace na dwie tarcze hamulcowe. Do zasilania urządzeń i układów oświetlenia, sterujących, otwierania i sterowania umożliwiający sterowanie dwóch trójczłonowych zespołów z jednego stanowiska pojazdu napędnego lub sterującego. Układ napędowy tworzą sześciocylindrowy czterosuwowy podpodłogowy silnik spalinowy typu OM407h lub OM447h firmy Mercedes wyregulowany na 162KW połączony elastycznie z pełni automatyczną hydrauliczno-mechaniczną Diwą, której przetwornik hydrauliczny współpracuje z dyferencjałem oraz przekładnią dodatkową. Widok zastosowanego silnika przedstawiono na rys.12. To połączenie pozwala na ekonomiczne przenoszenie mocy. Zastosowana przekładnia główna ma wbudowany nawrotnik umożliwiający jazde do przodu i tyłu członu napędowego przy takiej samej prędkości. Ostatnim zespołem w układzie napędowym są przekładnie osiowe zabudowane w obu wózkach napędnych. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 Rys.11. Przekładnie osiowe wózka napędnego członu napędnego zespolu Y (Ym) Rys.12. Widok na silnik spalinowy zespołu Y 3. Naprawa i doposażenie spalinowych zespołów trakcyjnych Wprowadzenie do eksploatacji spalinowych zespołów trakcyjnych typu MR/MRD i Y poprzedzone zostało: • przeglądem technicznym zespołów wraz z wykonanymi jazdami testowymi w Danii • przeprowadzeniem napraw zespołów w zakładach Arriva Nord Werk w Neustrelitz (Niemcy) zgodnie z przepisami niemieckimi • doposażeniem zespołów w urządzenia i aparaty gwarantujące bezpieczeństwo ruchu podczas eksploatacji na torach PKP PLK. Pomijając zakres przeglądów i przeprowadzonych napraw doposażenie i modernizacja gwarantująca bezpieczeństwo ruchu wykonane pod nadzorem IPS „Tabor” Poznań obejmowała: 27 • zabudowę układów CA, SHP i RS w oparciu o krajowe generatory EDA3, elektromagnesy ELM 2003, zespół hamowania nagłego 20ZH, buczek sygnałowy, lampki sygnalizacyjne na pulpitach oraz przyciski pulpitowe i nożne • zabudowę prędkościomierzy firmy Deuta gwarantujących poprawność zapisów wszystkich głównych parametrów pracy zespołów • zabudowę polskiego układu łączności radiowej w oparciu o zespół radia Pyrylandia 747 i antenę dachową firmy Radmor • zabudowę czujek przeciwpożarowych oraz sygnalizacji świetlnej i akustycznej w kabinach • wprowadzenie nowego oświetlenia zewnętrznego i lamp sygnałowych (dla zespołu MR/MRD – produkcji duńskiej, a dla zespołu Y produkcji krajowej – firmy Posteor Wrocław) • doposażenie zespołu Y w nowe układy grzewcze i schładzacze dachowe • zabudowę nowego oświetlenia wewnętrznego w zespole typu Y • wymianę foteli maszynistów i pomocników w kabinach sterowniczych • wymianę wszystkich materiałów palnych w tym obić zewnętrznych i spodnich siedzeń pasażerskich, zasłon, osłon lamp sufitowych i bocznych • wymianę przewodów hamulcowych • wprowadzenie stałych wsporników latarń sygnałowych na czołach członów skrajnych • nową malaturę zewnętrzną zgodnie z wymaganiami Użytkownika • nowe napisy i znaki zewnętrzne zgodnie z krajowymi normami oraz wprowadzenie wewnętrznych napisów w języku polskim zarówno w przedziałach pasażerskich jak i w kabinach sterowniczych. Po przeprowadzonym doposażeniu i modernizacji pierwsze zespoły każdego typu zostały poddane odbiorom zgodnie z przepisami krajowymi. Pozytywne wyniki odbiorów (w tym jazdy kontrolne luzem) pozwoliły na dopuszczenie zespołów do prowadzenia prób i badań koniecznych wynikających z zakresem ujętego w RMI z dnia 12.10.2005 (Dz. U. nr 212 poz.1772). 4. Próby i badania spalinowych zespołów trakcyjnych typu MR/MRD i Y Zgodnie z procedurami wymaganymi w kraju, biorąc pod uwagę przeprowadzone próby i badania w Niemczech i Danii zakres prób i badań został ograniczony i obejmował (dla każdego z zespołów): • ocenę właściwości dynamicznych zespołów (badania symulacyjne) • analizę skrajni w rejonach mocowania elektromagnesów (obliczenia teoretyczne) 28 • próby i badania zbiorników powietrza, które nie podlegały wymianom na krajowe wraz z odbiorami dokonanymi przez inspektorów Transportowego Dozoru Technicznego • próby i badania układów hamulca w tym określenie dróg hamowania, mas hamujących, działania hamulca pneumatycznego, magnetycznego, postojowego i bezpieczeństwa oraz działania urządzeń przeciwpoślizgowych • sprawdzenie wytrzymałości statycznej pudeł • sprawdzenie wytrzymałości statycznej wózków tocznych i napędnych • badanie właściwości akustycznych tj. określenie hałasu wewnętrznego i zewnętrznego • badania układów ogrzewania przedziałów pasażerskich i układów klimatyzacji kabin sterowniczych • badania oświetlenia wewnętrznego kabin sterowniczych w tym pulpitów oraz pomieszczeń pasażerskich, bagażowych, przedsionków i toalet • próby i badania właściwości palno-dymowych materiałów nie posiadających właściwych parametrów zgodnych z przepisami krajowymi • pomiary składników toksycznych spalin wszystkich zabudowanych silników spalinowych • sprawdzenie podczas jazd próbnych wpływu zakłóceń generowanych przez zespoły na urządzenie sterowania ruchem kolejowym. Wszystkie wyniki prób i badań stacjonarnych i ruchowych przedstawionych w stosownych sprawozdaniach i raportach [4, 5, 8, 9] pozwoliły na wystąpienie do Urzędu Transportu Kolejowego o wydanie terminowych świadectw typu i dopuszczeniu do przeprowadzenia 12-miesięcznych prób eksploatacyjnych [2, 3]. Ze względu na poszerzenie możliwości konfiguracji zespół w eksploatacji próby eksploatacyjne zostały poszerzone. I tak: • dla zespołu MR/MRD sprawdzona zostanie jazda wielokrotna w połączeniu dwóch, trzech, czterech i pięciu zespołów oraz współpraca z jednym lub dwoma wagonami pasażerskimi i autobusem szynowym o odmiennej konstrukcji i sterowaniu. Ponadto sprawdzone zostaną eksploatacyjne drogi hamowania oraz przyspieszenia i czasu dochodzenia do prędkości maksymalnej (na danej trasie) we wszystkich zaplanowanych konfiguracjach. • dla zespołu Y sprawdzone zostaną drogi hamowania i masy hamujące w konfiguracji dwuczłonowej (Ym+Ys) oraz sprawdzone będą warunki mikroklimatu w porze jesienno-zimowej w wyniku zabudowy nowych schładzaczy. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 Mamy nadzieję, że wszystkie próby i badania prowadzone podczas eksploatacji obserwowanej (prób eksploatacyjnych) pozwolą na sformułowanie pozytywnych wniosków do UTK o dopuszczenie bezterminowe obu omawianych zespołów. 5. Podsumowanie Proces sprowadzenia z zagranicy zarówno przez państwowych jak i prywatnych operatorów kolejowych starszego wiekiem taboru kolejowego w tym pojazdów przeznaczonych do obsługi ruchu osobowego w przewozach aglomeracyjnych i regionalnych postępować będzie do czasu gdy krajowe zakłady produkujące tabor kolejowy nie będą nadążać z produkcją i dostarczeniem przewoźnikom nowoczesnych i tanich autobusów szynowych i spalinowych zespołów trakcyjnych gwarantujących bezpieczny ruch podczas eksploatacji na drugorzędnych trasach PKP PLK. Ponadto zamierzający rozwinąć usługi transportowe w ruchu osobowym przewoźnicy (operatorzy) zagraniczni ze względu na brak jasnych przepisów i uwarunkowań krajowych nie będą inwestować na samym początku swojej działalności przewozowej w nowoczesny i drogi tabor kolejowy. Widoczne jest to już w realiach krajowych w których PKP Przewozy Regionalne, Koleje Mazowieckie i PCC Rail-Arriva eksploatują tabor sprowadzony z zagranicy, który cechuje się kilkudziesięcioletnim okresem eksploatacji za granicą. Obecnie nie widać jednak innej szybszej drogi na zastąpienie pociągów prowadzonych lokomotywami spalinowymi taborem lekkim, a więc autobusami szynowymi i spalinowymi zespołami trakcyjnymi. Ponadto wzrastająca świadomość proekologiczna w kraju oraz coraz większe zatłoczenie polskich dróg kołowych (zwłaszcza w godzinach szczytu) skłania do korzystania z usług przewozów masowych. Nie mniej jednak należy bacznie przyglądać się pojazdom (trakcyjnym i doczepnym) sprowadzanych z zagranicy by z jednej strony były one młodsze wiekom, z drugiej natomiast były w miarę nowoczesne, w minimalnym stopniu oddziaływały na środowisko naturalne oraz spełniały wymagania stawiane przez przepisy ujęte w odpowiednich rozporządzeniach, normach i wytycznych techniczno-eksploatacyjnych. Mając powyższe na uwadze jednostki badawcze decydujące o dopuszczeniu pojazdów do ruchu winny w szczególny sposób badać pojazdy biorąc pod uwagę to, by nie doprowadzić do takiej sytuacji w której Polska stałaby się złomowiskiem pojazdów szynowych jak to miało miejsce wcześniej w przypadku sprowadzania pojazdów samochodowych zwłaszcza samochodów osobowych. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Marciniak Z: Modernizacja spalinowych zespołów trakcyjnych typu MR/MRD i Y do obsługi ruchu regionalnego. Materiały XVIII Konferencji Naukowej „Pojazdy Szynowe”. Katowice – Ustroń 2008. Marciniak Z: Opinia IPS „Tabor” w sprawie zrealizowanego zakresu badań dla zmodernizowanego dwuczłonowego zespołu trakcyjnego typu MR/MRD – OR-9264 i OR-9264/1 - Praca niepublikowana IPS „Tabor” Poznań 2007/2008. Marciniak Z.: Opinia IPS „Tabor” w sprawie zrealizowanego zakresu badań dla zmodernizowanego trójczłonowego spalinowego zespołu trakcyjnego typu Y (Ym+Yp+Ys) – OR9384 – Praca niepublikowana IPS „Tabor” Poznań 2008. Sienicki A.: Ocena dynamiczna zespołu trakcyjnego typu MR/MRD - OR-9272. Praca niepublikowana IPS „Tabor” Poznań, 2007. Sienicki A.: Ocena dynamiczna trójczłonowego zespołu trakcyjnego typu Y – OR-9381 Praca niepublikowana IPS „Tabor” Poznań, 2008. Dokumentacja techniczno-ruchowa dwuczłonowego spalinowego zespołu trakcyjnego typu MR/MRD. Opracowanie firmy Arrriva, 2007. Dokumentacja techniczno-ruchowa trójczłonowego spalinowego zespołu trakcyjnego typu Ym/Yp/Ys. Opracowanie firmy Arrriva, 2008. Raporty z prób i badań w zakresie wytrzymałości pudeł i wózków, układu hamulca, właściwości akustycznych, ogrzewania i oświetlenia dwuczłonowego zespołu trakcyjnego typu MR/MRD – RP-0401, RP-0406, RP-0414, RP0417 - Praca niepublikowana IPS „Tabor” Poznań, 2007. Raporty i sprawozdania z prób i badań w zakresie własności akustycznych, układów hamulca, urządzeń rejestrujących i łączności radiowej, oświetlenia i mikroklimatu, wytrzymałości pudeł i wózków, trójczłonowego zespołu trakcyjnego typu Y – RP-0453, RP 0454, RP-0456, SB-2319, SB-2321 - Praca niepublikowana IPS „Tabor” Poznań, 2007/2008. 29 dr inż. Marian Kaluba Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Mikroprocesorowe przetworniki sygnału elektrycznego na ciśnieniowy dla układów hamulcowych pojazdów trakcyjnych W artykule przedstawiono krótki przegląd stosowanych dotąd w taborze kolejowym przetworników zamieniających sygnał elektryczny na sygnał ciśnieniowy sprężonego powietrza, które są podstawowym elementem układów hamulca sterowanych elektrycznie. Zaproponowano nowe przetworniki, mogące znaleźć powszechne zastosowanie w układach hamulcowych pojazdów trakcyjnych sterowanych mikroprocesorowo. Omówiono prace badawczo-rozwojowe nad nowym przetwornikiem i przedstawiono wyniki prób wdrożonej do produkcji tablicy pneumatycznej hamulca dla modernizowanych lokomotyw wyposażonej w układ nowego przetwornika. 1. Wstęp Współczesne pojazdy trakcyjne posiadają wiele rozbudowanych układów hamulcowych o różnorodnej strukturze (układy pneumatyczne, elektryczne, hydrauliczne i mechaniczne hamulca). Ze względów funkcjonalnych i strukturalnych muszą one ze sobą współdziałać, oraz być zarządzane w prosty i bezpieczny sposób przez prowadzącego pojazd. Stosowane dotychczas w Polsce systemy sterowania elektropneumatycznego, a w przyszłości mikroprocesorowego, dla zapewnienia realizacji tych złożonych funkcji współczesnych układów hamulcowych, wymagają stosowania przetworników zamieniających sygnał elektryczny na odpowiednią wartość ciśnienia. Jest to jeden z ważniejszych podzespołów decydujący o parametrach funkcjonalnych kompletnego układu hamulcowego. 2. Dotychczasowe rozwiązania przetworników zamieniających sygnał elektryczny na ciśnieniowy sygnał pneumatyczny Przetwornik ciśnienia e/p ma za zadanie zamienić sygnały elektryczne na analogową wartość ciśnienia. Powinien również umożliwiać realizację wymaganych w układzie pneumatycznym przebiegów ciśnienia w funkcji czasu na te sygnały elektryczne. Znane są analogowe i cyfrowe przetworniki sygnału elektrycznego na ciśnienie, bez sprzężenia i ze sprzężeniem zwrotnym. W [1] przedstawiono i omówiono budowę przetworników analogowych bez sprzężenia zwrotnego używanych w Polsce w lokomotywach EP09 (rys. 1), elektropneumatycznych przetworników Rys.1 Przetwornik analogowy bez sprzężenia zwrotnego lokomotywy EP-09 30 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 Odpowietrzenie Wejście wartości zadanej P Wyjście wartości realizowanej PI Zasilanie sprężonym powietrzem U I PWM U p Pomiar ciśnienia Regulowana wartość ciśnienia Rys. 2 Schemat przetwornika analogowego prąd-ciśnienie ze sprzężeniem zwrotnym dla modernizowanej lokomotywy EP-09 cyfrowo-analogowych stosowanych w autobusach szynowych i zespołach trakcyjnych, oraz przetwornik elektropneumatyczny analogowy sterowany binarnie lub analogowo-binarnie ze sprzężeniem zwrotnym. Przetworniki analogowe bez sprzężenia zwrotnego charakteryzują się niezadowalającą dokładnością oraz dużą histerezą działania. Z tego powodu IPS Tabor w 2007 roku wprowadził w modernizowanych lokomotywach EP-09 w ich miejsce analogowe przetworniki ze sprzężeniem zwrotnym (z pomiarem ciśnienia regulowanego), z regulatorem proporcjonalno-całkującym (PI) i z układem mechaniczno-pneumatycznym napędzanym cewką zasilaną poprzez układ elektryczny z modulacją PWM (Puls with modulation – modulacja szerokością impulsu). Schemat tego przetwornika przedstawiono na rys.2. Układ ten charakteryzuje się dużą dokładnością i niewielką histerezą, ale jednocześnie wysoką ceną. Cyfrowe przetworniki bez sprzężenia zwrotnego o wymaganej dokładności działania są również kosztownymi urządzeniami zajmującymi sporo miejsca na tablicach pneumatycznych. Mimo to z dużym powodzeniem stosowane są dotychczas w układach lokomotywowych, w układach hamulcowych hamulca EP zespołów trakcyjnych i autobusach szynowych. IPS Tabor zastosował je np. w układzie hamulcowym sterowanym mikroprocesorowo dla ezt, nagrodzonym złotym medalem na Międzynarodowych Targach Poznańskich w kategorii „Transfer wyników badań naukowych do praktyki gospodarczej” w 2007 roku [2]. Na rys. 3 i 4 przedstawiono tablice hamulcowe tego układu hamulcowego, w których przetworniki te oznaczono jako „człon stopniujący hamulca PN” i „człon stopniujący hamulca EP”. Przetwarzają one binarne sygnały elektryczne na ściśle określone w konstrukcji przetwornika poziomy ciśnienia, realizowane określonymi gradientami ciśnienia. Ze względu na wysoką cenę wyżej omówionych przetworników i brakiem możliwości generowania dowolnych wartości ciśnień i realizowanych gradientów, IPS poszukuje innych tańszych rozwiązań przetworników zapewniających dużą dokładność, małą histerezę i dużą niezawodność działania. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 Rys.3 Sterująca tablica hamulcowa ezt ` Rys.4 Wagonowa tablica hamulcowa 31 3. Przetwornik cyfrowo-analogowy ze sprzężeniem zwrotnym Zasilanie pneumatyczne We współczesnych układach hamulcowych zintegrowanych na tablicach pneumatycznych, coraz częściej stosowane są do celów sterowania i diagnostyki mikroprocesorowe układy sterujące z analogowymi lub cyfrowymi pomiarami ciśnień. Wobec istnienia na tablicach pneumatycznych tych elementów celowe wydaje się wykorzystanie ich w układach przetwornika ciśnienia e/p z pomiarowym sprzężeniem zwrotnym. Koszt takiego przetwornika cyfrowego z pomiarem ciśnienia regulowanego mógłby być wówczas niewielki. Cyfrowy przetwornik ciśnienia e/p zamieniający elektryczne sygnały, pochodzące ze sterownika mikroprocesorowego na wymagane wartości ciśnienia zbudowany byłby z następujących elementów: - istniejącego sterownika mikroprocesorowego pneumatyki pracującego w układzie rozproszonym na pojeździe, - istniejącego czujnika pomiarowego ciśnienia p/i, - istniejącej komory sterującej, - zespołu zaworów elektropneumatycznych napełniających i opróżniających do dowolnego wymaganego poziomu i w wymaganym tempie komorę sterującą przekładnika. Zespół zaworów składać się będzie z zaworów napełniających i opróżniających. Najlepszym rozwiązaniem byłoby zastosowanie zaworów elektropneumatycznych proporcjonalnych (realizujących zmienne natężenie przepływu w funkcji napięcia lub prądu zasilającego zawór). Wówczas w układzie byłby zastosowany tylko jeden zawór napełniający i jeden zawór opróżniający komorę sterującą. Ze względu na duży koszt takich zaworów zaproponowano zastosowanie trzech typowych, tanich zaworów elektropneumatycznych 2/2 w celu zróżnicowania czasów napełniania i opróżniania komory sterującej. Każdy z zaworów będzie napełniać i opróżniać komorę sterującą w innym tempie poprzez odpowiednio dobrane dysze tak, aby uzyskać wymagane przebiegi ciśnienia w funkcji czasu. Schemat ideowy takiego przetwornika przedstawiono na rys. 5. Kombinacje załączeń trzech zaworów napełniających i opróżniających umożliwią siedem różnych gradientów napełniania i luzowania komory sterującej. Na rys. 6 przedstawiono przewidywane gradienty napełnień komory sterującej realizowane przez trzy zawory napełniające. 32 Zawory napełniające Zawory opróżniając Sterowanie zaworami napełniającymi Sterowanie zaworami opróżniającymi Sterownik mikroprocesorowy Komora sterująca Ciśnienie regulowane p Przetwornik pomiarowy ciśnienia p/i Rys. 5 Cyfrowo-analogowy przetwornik ciśnienia Na podstawie obliczeń symulacyjnych przeprowadzonych przy pomocy programów opracowanych przez Politechnikę Poznańską [3,4,5] i badań układów napełniających przewód główny, zaprojektowano nowy przekładnik do napełniania przewodu głównego dla lokomotyw. Również na podstawie obliczeń symulacyjnych przyjęto w realizowanym projekcie, że nowo opracowany przetwornik będzie współpracował ze zbiornikiem sterującym o pojemności 2 do 3 litrów. Obliczenia symulacyjne wykazały, że pojemność taka we współpracy z nowo opracowanym przekładnikiem, który posiada względnie dużą powierzchnię sterującą i duże przemieszczenia trzona napełniająco-luzującego (wymagane dla zapewnienia dużej dokładności działania i realizowania wymaganych natężeń przepływu sprężonego powietrza), będzie kompromisem zapewniającym właściwą pracę przekładnika i możliwość zastosowania w konstrukcji opracowywanego przetwornika sterującego powszechnie stosowanych zaworów elektropneumatycznych. Wykonano część sprzętową przekładnika i przetwornika do badań i poddano je wstępnym badaniom stanowiskowym. Po uzyskaniu pozytywnych wyników z tych badań IPS Tabor opracował algorytmy sterowania przetwornikiem. Opracowano algorytm sterowania przebiegami ciśnień w przewodzie głównym spełniający wymagania karty UIC 541-03 [6] i przebiegami ciśnień pod- POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 (n3) i drugi służący do precyzyjnego utrzymania wymaganej wartości ciśnienia (n1) dla poszczególnych pozycji manipulatora hamulca dodatkowego. Przykładowe przebiegi ciśnień sterowanych opracowanymi przetwornikami ciśnienia przedstawiono na rysunkach 7, 8 i 9. Hamowanie i luzowanie stopniowe hamulcem zespolonym 6 5 4 3 r] a [b e n iś C czas napełniania przewodu głównego wysokim ciśnieniem zgodnie z kartą UIC 612-0 [7], oraz normą PN/K-88177 (Hamulec. Wymagania i metody badań). Ze względu na prostsze funkcje realizowane przez hamulec elektropneumatyczny typu bezpośredniego w nowo-opracowanym przetworniku analogowo-cyfrowym dla takiego układu zastosowano jedynie po dwa zawory elektropneumatyczne w obwodzie napełniania i luzowania komory sterującej, oraz mniejszą pojemność komory sterującej, gdyż do bezpośredniego napełniania cylindrów hamulcowych pojazdów trakcyjnych stosuje się mniejsze przekładniki ciśnienia. Dla tego układu opracowano również algorytm sterowania hamulcem elektropneumatycznym bezpośrednim (do sterowania np. hamulcem EP dla ezt lub hamulcem dodatkowym dla lokomotyw). 2 1 0 Ciśnienie p 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Czas [s] przewód główny Sterowanie przewodu głównego n7 n6 n5 n4 n3 Pzad n2 Rys. 7 Przebieg ciśnienia sterującego (kształtowanego mikroprocesorowo przy pomocy przetwornika cyfrowo-analogowego) i ciśnienia w przewodzie głównym w hamowaniu oraz luzowaniu stopniowym Napełnienie przewodu głównego wysokim ciśnieniem z wyrównaniem n1 9 8 czas t 7 6 5 4 r] a [b e n iś C n1gdy załączony jest ZN1 n2 gdy załączony jest ZN2 n3 gdy załączony jest ZN1+ ZN2 n4 gdy załączony jest ZN3 n5 gdy załączony jest ZN3+ ZN1 n6 gdy załączony jest ZN3+ ZN2 n7 gdy załączony jest ZN3+ ZN2+ ZN1 3 2 1 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 Czas [s] 4. Praktyczne realizacje nowego rozwiązania przetwornika cyfrowo-analogowego W praktyce dla napełniania i opróżniania komory sterującej przekładnika ciśnienia przewodu głównego zrealizowane zastały w algorytmie przetwornika cztery różne gradienty, dwa zgodne z wymaganiami międzynarodowymi zawartymi w karcie UIC 541-03 [5] (n2 i n3), jeden duży do szybkich napełnień i luzowań komory sterującej (n7), oraz jeden służący do precyzyjnego utrzymywania wymaganej wartości ciśnienia dla poszczególnych pozycji manipulatora maszynisty(n1). Natomiast dla przetwornika e/p sterującego procesami napełniającym i luzującym cylindry hamulcowe, realizowanymi przekładnikiem dla hamulca bezpośredniego, zastosowano po dwa gradienty dla każdego z procesów: jeden zapewniający właściwe czasy (napełniania lub luzowania cylindrów hamulcowych) POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 Przewód główny Zbiornik sterujący zaw. rozrz. sterowanie przewodu głównego Przewód główny Cylinder hamulcowy Rys. 8 Przebieg ciśnień w przewodzie głównym sterowanym mikroprcesorowo przy pomocy przetwornika cyfrowo-analogowego podczas napełnienia wysokim ciśnieniem z wyrównaniem Stopniowe hamowanie i luzowanie hamulcem bezpośrednim 4,5 4 3,5 3 2,5 2 r] a [b e n iś C Rys.6 Przewidywane przebiegi napełniania komory sterującej przetwornika cyfrowo-anologowego e/p opartego na trzech zaworach. 1,5 1 0,5 0 0 20 40 60 80 100 120 Czas [s] Cylinder Sterowanie Rys. 9 Stopniowe hamowanie i luzowanie hamulca dodatkowego lokomotywy sterowane mikroprocesorowo przetwornikiem cyfrowo-analogowym 33 Na bazie prowadzonych prac badawczo-rozwojowych i na podstawie opracowanej własnej technologii wytwarzania, została uruchomiona w IPS „TABOR” produkcja układów hamulcowych z wykorzystaniem opisanych przetworników. Zapewniły one bardzo dużą dokładność działania (nie do uzyskania dla układów sterowanych sprzętowo), małą histerezę sterowanych układów pneumatycznych (± 2 kPa), wysoką powtarzalność realizowanych procesów i istotne uproszczenie sprzętowych układów pneumatycznych hamulca na tablicach pneumatycznych przy niewielkich kosztach samego przetwornika e/p. Ze względu na prostotę układu i precyzję działania nowego układu, zapewnione zostały: - większa niezawodność działania układu hamulcowego na lokomotywie i w pociągu, - właściwe parametry hamowania w każdych warunkach eksploatacyjnych (stało się możliwe wdrożenie specjalnych przebiegów jak hamowanie pierwszego stopnia z dużym gradientem ciśnienia, zapamiętywanie wartości ciśnień w procesach mieszanych: luzowanie wysokim ciśnieniem, hamowanie, luzowanie), - parametry i przebiegi napełniania wysokim ciśnieniem umożliwiające w maksymalnym stopniu przyspieszenie napełniania przewodu głównego długich pociągów i uniemożliwiające jednocześnie „przeładowanie” hamulca wagonów w dowolnym pociągu, - niski koszt układu i niskie koszty jego eksploatacji. Systemy sterowania według przedstawionego opisu zastosowano po raz pierwszy w tablicach pneumatycznych typu 60ZL dla lokomotyw. Tablice te znalazły zastosowanie w dwu lokomotywach EU07 modernizowanych przez ZNTK Oleśnica, w jednej lokomotywie ST44 modernizowanej przez Bumar-Fablok z Chrzanowa i w modernizowanych przez ZNLE Gliwice lokomotywach ET22. Planowane jest zastosowanie opracowanych przetworników w układach zespołów trakcyjnych realizujących hamulec zespolony pociągu, hamulec elektropneumatyczny bezpośredni i układ współpracy hamulca pneumatycznego z hamulcem elektrodynamicznym zespołu trakcyjnego. 34 Układ dla lokomotyw ET22 oparty o nowy przetwornik pn. „Modułowy system sterowania hamowaniem pneumatycznym lokomotywy ze wspomaganiem mikroprocesorowym” został zaprezentowany na Międzynarodowych Targach Poznańskich: Innowacje, Technologie, Maszyny (ITM 2008) i uzyskał złoty medal w kategorii „Transfer wyników badań naukowych do praktyki gospodarczej”. Prace badawczo-rozwojowe nad nowym przetwornikiem prowadzono w ramach projektu badawczego Nr 4 T12 C 015 30 finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Literatura [1] Marian Kaluba, Michał Maluśkiewicz: Koncepcje układów elektropneumatycznych pośredniczących w sterowaniu pneumatycznymi hamulcami pojazdów szynowych. Pojazdy Szynowe, nr 4/2000; str.7-11. [2] Marian Kaluba: Mikroprocesorowy układ sterowania systemami hamulców dla zespołów trakcyjnych. Pojazdy Szynowe, nr 4/2007; str.7-10. [3] Tadeusz Piechowiak: Badania i modelowanie procesów zachodzących w pneumatycznych układach hamulcowych pociągu. Politechnika Poznańska. Rozprawa nr 414. Poznań 2007. [4] Włodzimierz Gąsowski, Tadeusz Piechowiak: Simulation Model of Train’s Main Brake Pipe. The Archives of Transport Nr 3/2007. [5] Tadeusz Piechowiak: Analiza symulacyjna wpływu wybranych parametrów hamulca pneumatycznego na skuteczność jego działania. Pojazdy Szynowe, nr 1/2008 str 14-25. [6] Karta UIC 541-03. Hamulec Przepisy dla budowy różnych części hamulcowych. Układ zaworu hamulcowego maszynisty. Wydanie z 1.01.1984 [7] Karta UIC 612-0. Driver Machine Interfaces for Locomotives and Driving coaches. Functional and System Requirements associated with harmonized Driver-Machine-Interfaces. 2-nd editio 10-th of April 2007. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 mgr inż. Grażyna Barna mgr inż. Mieczysław Stypka Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Mikroprocesorowy układ sterowania systemem hamowania elektropneumatycznego zespołów trakcyjnych W artykule przedstawiono strukturę sprzętową mikroprocesorowego układu sterowania systemem hamowania elektropneumatycznego zespołów trakcyjnych. Omówiono system komunikacji układu sterowania oraz koncepcję redundancji. Przedstawiono funkcje układu sterowania ze szczególnym naciskiem na współpracę hamulca elektropneumatycznego oraz elektrodynamicznego. Przedstawiono przebiegi z działania układu. Artykuł powstał w ramach projektu badawczego „Rozproszony system mikroprocesorowego sterowania układami: napędowym, hamowania i pomocniczymi w pojazdach szynowych z napędem spalinowym” N502 028 31/3533 oraz projektu badawczego „Mechatroniczny system współdziałania wielu układów hamulców zespołów trakcyjnych” Nr 4T 12C 01530 finansowanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. 1 Wprowadzenie Przedmiotem artykułu jest mikroprocesorowy układ sterowania systemem hamowania elektropneumatycznego zespołów trakcyjnych. Układ ten, w zależności od realizacji, składa się z jednego sterownika mikroprocesorowego lub większej ich liczby, komunikujących się ze sobą za pośrednictwem magistrali CAN (układ rozproszony). Sterowniki wchodzące w skład mikroprocesorowego układu sterowania znajdują się na tablicach hamulcowych. Układ sterowania zastosowany może być na dowolnych pojazdach trakcyjnych. W niniejszym artykule przedstawiony jest układ sterowania przeznaczony dla zespołów trakcyjnych. Opracowanie złożonego systemu sterowania układem kilku tablic pneumatycznych dla zespołów trakcyjnych poprzedziły prace nad systemem pneumatycznym opartym na jednej tablicy pneumatycznej i współpracującej z jednym sterownikiem mikroprocesorowym. W latach 2002-2004 w Instytucie Pojazdów Szynowych „TABOR” opracowano i zrealizowano mikroprocesorowe układy sterowania systemem pneumatycznym dla zmodernizowanej lokomotywy ET22 i dwóch zmodernizowanych lokomotyw ST44. Rozwiązania takie zostały przedstawione w [5, 6]. Na rys. 1 przedstawiony jest widok kontenera dla zmodernizowanej lokomotywy ET22, a na rys. 2 przedstawiony jest widok tablicy pneumatycznej zmodernizowanej lokomotywy ST44. sterownik SMART2 skrzynka górna tablica pneumatyczna Rys. 1. Kontener z systemem pneumatycznym dla zmodernizowanej lokomotywy ET22 sprężarka 1 sprężarka 2 sprężarka pomocnicza skrzynka dolna osuszacz POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 35 • MS CS T/O MC CC ODL CR CHS HZI, HZH, HZL • hamowanie nagłe na skutek zadziałania systemów SHP lub Radio-stop hamowanie na skutek zadziałania hamulca bezpieczeństwa (z możliwością jego „mostkowania przez maszynistę”). Ogólna zasada działania hamulca pneumatycznego zespolonego (PN) jest następująca. Sprężarka dostarcza sprężone powietrze ZHS do zbiornika głównego. Sygnały z zaworu maszynisty lub z manipulatora hamulca poHDL, ZPP HDH, wodują zmiany ciśnienia w przewodzie ZHP, ZPT głównym. W pociągu przewód główny pełni ZSS zarówno funkcję zasilającą układy wykonawcze w sprężone powietrze jak i funkcję sterującą — przekazywanie sygnałów o żądanym poziomie hamowania. Z przewodu WHZ głównego powietrze przedostaje się poprzez WSHP zawory rozrządcze do zbiorników pomocniczych. MG, CG Obniżenie ciśnienia w przewodzie głównym, spowodowane upuszczeniem przez maszynistę części powietrza z przewodu głównego za pośrednictwem Rys. 2. Tablica pneumatyczna zmodernizowanej lokomotywy ST44 manipulatora hamulca, powoduje przestawienie wagoW tych rozwiązaniach sterowniki mikroprocesoro- nowych zaworów rozrządczych pociągu w położenie, we umieszczone są obok tablic pneumatycznych, a w którym sprężone powietrze przepływa ze zbiornisygnały sterujące i diagnostyczne doprowadzone są na ków pomocniczych, za pośrednictwem zaworów rozwejścia i wyjścia sterownika mikroprocesorowego rządczych do przekładników ciśnienia a następnie do cylindrów hamulcowych (jednocześnie następuje odkrótkimi przewodami. W rozwiązaniu układu pneumatyki przedstawio- cięcie zbiornika pomocniczego od przewodu głównenym w artykule sterownik mikroprocesorowy zinte- go). W cylindrach hamulcowych sprężone powietrze growany jest z tablicą pneumatyczną i znajduje się w powoduje powstanie siły i dalej poprzez przekładnię jej skrzyni (patrz rys. 11 i rys. 12). Przewody sygna- dźwigniową nacisk par ciernych, co wywołuje hamołów wejściowych i wyjściowych dochodzące do ste- wanie pociągu. Poziom siły hamowania uzależniony rownika mikroprocesorowego zostały skrócone, jest od wielkości spadku ciśnienia w przewodzie główzmniejsza się ilość połączeń i zwiększa pewność dzia- nym. łania układu. 2. Działanie układu sterowania 2.1. Rodzaje hamulców W elektrycznych zespołach trakcyjnych stosowanych jest kilka typów hamulców, które muszą ze sobą współdziałać w sposób zapewniający, z jednej strony, skuteczne i ekonomiczne hamowanie, z drugiej strony — bezpieczeństwo. Podstawowe rodzaje hamulców to hamulec pneumatyczny, hamulec elektropneumatyczny typu bezpośredniego oraz hamulec elektrodynamiczny. Oprócz tego stosowany jest również hamulec parkingowy, hamulec postojowy sprężynowy oraz hamulec szynowy [3, 4, 9, 12]. Mikroprocesorowy układ sterowania systemem hamowania elektropneumatycznego będący przedmiotem niniejszego artykułu może realizować następujące zasadnicze funkcje: • współpracę hamulca elektropneumatycznego oraz elektrodynamicznego • hamowanie podczas utrzymywania prędkości zadanej pociągu 36 W przypadku hamulca elektro-pneumatycznego (EP) sprężone powietrze przepływa ze zbiorników pomocniczych do przekładników ciśnienia a następnie do cylindrów hamulcowych na skutek zasilania elektrozaworów, sterowanych elektrycznie na podstawie zadanej nastawy manipulatorem hamulca. Sygnały z manipulatora prowadzone są wzdłuż całego pociągu (linia długa) i dochodzą do każdego wagonu lub wózka (tablicy hamulcowej). Ten rodzaj hamowania oprócz elementów pneumatycznych zawiera dużo elementów elektrycznych i elektronicznych, które są bardziej podatne na zmienne warunki otoczenia i na uszkodzenia niż elementy pneumatyczne. Z drugiej strony jednak układy elektryczne hamulca (w porównaniu z układami hamulca pneumatycznego) eliminują opóźnienie wdrożenia hamowania i wydłużenie czasu narastania sił hamowania wzdłuż pociągu poprawiając wyraźnie jego skuteczność hamowania. Przy tym rodzaju hamowania poziom siły hamowania również uzależniony jest od nastawienia O/P (RIC/RAPID) POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 oraz od stanu obciążenia pojazdu (informacja przekazywana przy pomocy sygnałów binarnych Próżny/Ładowny lub sygnałów analogowych pochodzących z czujników masy). W wersji najbardziej zaawansowanej, do sterowania hamulcem EP można zastosować sterownik mikroprocesorowy. Do sterownika dochodzą sygnały z linii długiej oraz wszystkie sygnały z pulpitu oraz tablic pneumatycznych istotne dla sterowania hamulcem. Jedną z danych wejściowych jest informacja o prędkości pociągu, którą wykorzystuje się do wyznaczania opóźnienia hamowania. Prędkość tę sterownik wyznacza na podstawie pomierzonych prędkości osi (tak się dzieje zazwyczaj, gdy sterownik realizuje jednocześnie funkcję wykrywania i likwidacji poślizgu przy hamowaniu), otrzymuje ją z zewnętrznego urządzenia przeciwpoślizgowego lub od sterownika pojazdu za pośrednictwem łącza szeregowego (np. CAN, RS485 lub RS232) lub sygnału analogowego. W tym przypadku sterowanie realizowane jest w pętli zamkniętej. Wartość ciśnienia w cylindrach hamulcowych dobierana jest tak, aby zapewnić żądaną wartość opóźnienia pociągu [8, 11]. Hamulec elektrodynamiczny (ED) w nowoczesnych pojazdach wymagany jest obligatoryjnie a realizowany jest przy pomocy przekształtników i silników trakcyjnych, które podczas takiego hamowania działają jak prądnica. Energia wytworzona przez silniki w pracy prądnicowej zwracana jest do sieci trakcyjnej lub wytracana na oporniku hamowania. Podstawowe zalety tego rodzaju hamowania to: energooszczędność, znaczne ograniczenie zużycia okładzin hamulcowych oraz niski poziom hałasu. Przykładowy przebieg siły hamulca ED przedstawiony jest na rys. 8. Hamulec ED stosuje się zawsze we współpracy (ang. blending) z hamulcem EP. W układzie przedstawionym w niniejszym artykule wybór rodzaju hamowania odbywa się przy pomocy nastawnika układu hamulcowego. Do wyboru są następujące tryby hamowania: PN (hamowanie hamulcem pneumatycznym), EP (hamowanie hamulcem elektropneumatycznym), EP+ED (współpraca hamulca elektropneumatycznego i elektrodynamicznego). TKA T TTA Rys. 3. Rozmieszczenie tablic w trójwagonowym zespole trakcyjnym o układzie osi 2 –2 –Bo –Bo –2 –2 Do realizowania współpracy hamulca ED i EP zastosowano sterownik mikroprocesorowy. Sterownik ten, na podstawie zadanej manipulatorem hamulca wartości opóźnienia, wysyła do sterowników przekształtników wartość zadanej siły hamowania ED. Po otrzymaniu zwrotnej wartości realizowanej siły, brakującą siłę hamowania sterownik uzupełnia za pomocą hamowania EP. Ponieważ ze względów ekonomicznych bardziej korzystny jest hamulec ED, zatem sterownik dąży do maksymalnego wykorzystania jego siły (działanie hamulca ED jest priorytetowe) z uwzględnieniem masy wszystkich wagonów (wózków) i zadanego przez maszynistę opóźnienia hamowania. 3. Struktura sprzętowa Układ mikroprocesorowy zintegrowany jest z układem sterowania hamulców, zrealizowanym w postaci tablic hamulcowych. Konfiguracja układu oraz rodzaj tablic zależy od typu pojazdu. Układ realizowany jest w wersji scentralizowanej lub rozproszonej, w zależności od struktury układu hamulcowego. W dalszej części rozdziału przedstawiono dwie przykładowe konfiguracje systemu [1, 2] dla zespołów trakcyjnych. 3.1. Trójwagonowy zespół trakcyjny o układzie osi 2–2–Bo–Bo–2–2 Zespół składa się z trzech wagonów, z których środkowy jest napędny, natomiast dwa skrajne toczne. Możliwa jest trakcja wielokrotna. Na podwoziu każdego wagonu oraz w kabinach znajduje się tablica pneumatyczna (razem 5 sztuk). Na tablicy znajdującej się na podwoziu wagonu napędnego znajduje się mikroprocesorowy sterownik hamulców. Na rys. 3 przedstawiono schemat pokazujący rozmieszczenie tablic na zespole trakcyjnym. Schemat połączeń sterownika hamulców z tablicami pneumatycznymi oraz ze sterownikiem pojazdu znajduje się na rys. 4. Sterownik znajduje się na tablicy pneumatycznej wagonu napędnego i wyposażony jest w wejścia cyfrowe, poprzez które odbiera informacje o stanie tablic i pojazdu. Wyposażony jest on N TKB T TNS TTB Legenda (wspólna dla rys. 3 i 4): TKA – tablica kabinowa wagonu tocznego A TKB – tablica kabinowa wagonu tocznego B TTA – tablica na podwoziu wagonu tocznego A TTB – tablica na podwoziu wagonu tocznego B TNS – tablica na podwoziu wagonu napędnego ze sterownikiem A – sygnały sprzętowe 24VDC do sterownika pojazdu POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 37 CAN (komunikacja ze sterownikiem pojazdu) Sterownik hamulców TKA TNS TTA TTB TKB linia długa Rys. 4. Schemat połączeń scentralizowanego sterownika hamulców z tablicami pneumatycznymi oraz ze sterownikiem pojazdu również w wyjścia cyfrowe, za pomocą których steruje odpowiednimi układami wykonawczymi wszystkich pięciu tablic pneumatycznych. Sterownik łączy się po magistrali CAN ze sterownikiem nadrzędnym, którym jest sterownik pojazdu. W przypadku awarii sterownika hamulców niemożliwe jest hamowanie hamulcem ED, możliwe jest jednak nadal hamowanie EP i PN. W takim przypadku następuje natychmiastowe automatyczne przełączenie układu hamulca w tryb EP oraz wyświetlona zostaje odpowiednia informacja dla maszynisty. 3.2. Czterowagonowy zespół trakcyjny o układzie osi Bo–2–2–2–Bo Zespół trakcyjny składa się z czterech wagonów, z których dwa skrajne są wagonami napędnymi, natomiast dwa środkowe są toczne. Możliwa jest trakcja wielokrotna. W przedziale maszynowym każdego wagonu napędnego oraz na podwoziu jednego z wagonów tocznych znajduje się tablica pneumatyczna N TKA T (razem 3 sztuki). Na rys. 5 przedstawiono schemat pokazujący rozmieszczenie tablic na zespole trakcyjnym. Rozproszony sterownik hamulców składa się z 3 sterowników (rys. 6). Sterowniki SPH1 i SPH2 są sterownikami tablic pneumatycznych wózków napędnych, sterownik SPH3 jest sterownikiem tablicy pneumatycznej wózka tocznego. Sterownik SPH1 lub SPH2 pełni funkcję sterownika Master systemu hamowania. Sterowniki te są połączone ze sobą własną magistralą hamulcową CAN, stosowaną tylko i wyłącznie do przesyłania informacji związanych z hamulcem. Ciągła diagnostyka sprawności sterowników przeprowadzana za pośrednictwem hamulcowej magistrali CAN zapewnia natychmiastowe wykrycie uszkodzenia sterownika. W przypadku awarii jednego ze sterowników następuje natychmiastowe automatyczne przełączenie układu hamulca tablicy z uszkodzonym sterownikiem w tryb EP, natomiast na pozostałych tablicach przełączenia takiego dokonują sterowniki tablic, o ile jest to konieczne. T TKB N TNC Rys. 5. Rozmieszczenie tablic w czterowagonowym zespole trakcyjnym o układzie osi Bo –2 –2 –2 –Bo Legenda: TKA – tablica kabinowa wagonu napędnego A TKB – tablica kabinowa wagonu to napędnego B TNC – tablica na podwoziu wagonu tocznego C 38 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 CAN (komunikacja ze sterownikiem pojazdu) CAN (komunikacja ze sterownikiem pojazdu) Sterownik pneumatyki i hamulców SPH1 Magistrala hamulcowa Sterownik pneumatyki i hamulców SPH2 Sterownik pneumatyki i hamulców SPH3 Rys. 6. Schemat połączeń rozproszonego sterownika hamulców z tablicami pneumatycznymi oraz ze sterownikiem pojazdu 4. Redundancja i bezpieczeństwo Sygnały z manipulatora hamulca (linia długa) prowadzone są wzdłuż całego pociągu i dochodzą do każdej tablicy hamulcowej. W niektórych sytuacjach oprócz manipulatora hamulca stosowany jest tzw. manipulator jazdy i spowalniania. W takim wypadku polecenie hamowania może być wydane jednym z dwóch manipulatorów, przy czym wyższy priorytet ma manipulator hamulca. Sterowanie linii długiej realizowane jest tylko przez manipulator hamulca. Polecenie hamowania wydawane przez manipulator jazdy i spowalniania przekazywane jest do mikroprocesorowego systemu sterowania hamulcem za pośrednictwem magistrali CAN. W przypadku awarii mikroprocesorowego systemu sterowania hamulcem istnieje konieczność rozpatrzenia dwu przypadków: 1. hamowanie realizowanie było manipulatorem hamowania (jest to przypadek bardziej korzystny), 2. hamowanie realizowane było nastawnikiem jazdy i spowalniania. W pierwszym przypadku, gdy przy nastawie EP+ED nastąpi uszkodzenie mikroprocesorowego sterownika hamulca, mikroprocesorowy system sterowania układami hamulca powoduje automatyczne przełączenie w tryb hamowania EP. Jednocześnie sterownik lokomotywy na podstawie informacji o uszkodzeniu sterownika hamulca (brak komunikacji po magistrali CAN) wyłącza hamulec ED. Ponieważ zadawanie hamowania realizowane jest manipulatorem hamulca, zatem z linii długiej dostępne są sygnały odpowiedniego stopnia hamowania. Układ hamowania realizuje odpowiedni stopień hamulca EP. Na panelu wyświetlane są odpowiednie komunikaty dla maszynisty. Hamowanie POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 jest kontynuowane bez zmiany skuteczności hamowania i konieczności podejmowania dodatkowych działań przez maszynistę. W drugim przypadku, czyli w przypadku awarii mikroprocesorowego systemu sterowania przy nastawieniu ED+EP i wydania polecenia hamowania za pomocą nastawnika jazdy i spowalniania, rozproszony mikroprocesorowy system sterowania pneumatyką i hamulcami również powoduje automatyczne przełączenie w tryb hamowania EP. Ponieważ manipulator hamowania jest na pozycji 0, a zadawanie hamowania jest realizowane nastawnikiem jazdy i spowalniania, tablice hamulcowe realizują zerowy stopień hamowania (nastąpi wyluzowanie hamulca). Na panelu wyświetlane są odpowiednie komunikaty dla maszynisty, a maszynista musi na nie zareagować hamując manipulatorem hamulca (jeżeli nie wykona tego przestawienia nie będzie realizowane hamowanie). Stwarza to niewielki stopień zagrożenia, spowodowanego dezorientacją maszynisty w sytuacji awaryjnej. Ponieważ jednak istnieje dźwignia hamowania nagłego, zagrożenie to nie jest zbyt duże. Celowym jest więc stosowanie na pojeździe jednego manipulatora sterowania hamowaniem. Podsumowując w przypadku systemu hamulcowego o opisanej powyżej strukturze, w przypadku awarii mikroprocesorowego systemu sterowania hamulcem niemożliwe jest, co prawda hamowanie hamulcem elektrodynamicznym oraz współdziałanie hamulców elektrodynamicznego i elektropneumatycznego, jednak w dalszym ciągu pozostają sprawne hamulce elektropneumatyczny oraz pneumatyczny, które mogą zostać użyte do zahamowania pojazdu lub pociągu. A zatem przy zastosowaniu systemu hamulców o redundantnej strukturze sprzętowej, mikroprocesorowy system sterowania układu hamulca zasadniczo nie jest systemem krytycznym ze względu na bezpieczeństwo, ponieważ pomimo jego uszkodzenia możliwe jest zahamowanie pojazdu lub pociągu. 5. Komunikacja W przypadku rozproszonego systemu sterowania hamulców, sterowniki wchodzące w skład systemu połączone są ze sobą przy pomocy hamulcowej magistrali CAN. Jeden ze sterowników tablic wagonów napędnych pracuje w trybie Master, drugi w trybie Slave. Przyporządkowanie to nie jest dokonane na stałe, ale odbywa się na początku uruchomienia pojazdu. Stosowany jest następujący algorytm: sterownik tablicy znajdującej się w wagonie z aktywną kabiną jest sterownikiem Master, drugi jest sterownikiem Slave. Jeżeli w pojeździe żadna z kabin nie jest aktywna, co może mieć miejsce w przypadku jazdy wielokrotnej, sterownikiem Master zostaje sterownik o niższym adresie węzła CAN. Programy obu sterowników są identyczne. W zależności od funkcji sterownika (Master albo Slave) 39 uruchamiane są odpowiednie bloki programowe, zależne od funkcji sterownika. Algorytm obliczeniowy realizowany jest jedynie przez sterownik Master. Sterownik Slave oraz sterownik wagonu tocznego przekazują jedynie do sterownika Master dane po hamulcowej magistrali CAN oraz odbierają tą samą drogą dane i polecenia sterowania wyjściami fizycznymi. Sterowniki znajdujące się na tablicach hamulcowych w wagonach napędnych połączone są za pośrednictwem magistrali pojazdu ze sterownikami pojazdu oraz sterownikami napędu znajdującymi się w tych wagonach. Oba sterowniki, zarówno Master jak i Slave, odbierają po magistrali pojazdu do której są podłączone, dane ze sterownika pojazdu oraz dane ze sterowników napędu oraz wysyłają do nich dane diagnostyczne dotyczące stanu układu hamulcowego. 6. Algorytm Pełny algorytm sterowania układem pneumatyki i hamulców elektrycznego zespołu trakcyjnego (e.z.t.) w układzie przedstawionym na rys. 6, realizowany przez sterowniki mikroprocesorowe SPH1, SPH2 i SPH3, jest algorytmem złożonym. Dla uproszczenia w artykule została przedstawiona część algorytmu realizowanego przez sterownik Master i dotycząca sterowania współpracą hamulca EP i ED. Działanie algorytmu rozpoczyna się od momentu wdrożenia hamowania dowolnym manipulatorem hamulca przekazujący zadany stopień hamowania ZSTH (zadane opóźnienie hamowania). Dla każdego wózka e.z.t. realizowane są na bieżąco pomiary masy wózków napędnych (MAN, MBN) i tocznych (MAT, MCT, MBT), które w momencie wdrożenia hamowania są zapamiętywane i obowiązują do końca danego cyklu hamowania. Zapamiętane masy po uwzględnieniu przyjętego współczynnika mas wirujących oraz zadanej wartości opóźnienia są podstawą do wyliczenia maksymalnej siły hamowania FMAX i zadanej siły hamowania dla pojazdu ZFH oraz zadanej siły hamowania ZED dla hamulca ED. Ponieważ w momencie rozpoczęcia hamowania wartość realizowanej siły hamulca RED jest równa 0, następuje wysterowanie hamulca elektropneumatycznego EP do pełnej wartości zadanej. W miarę gdy wartość siły RED rośnie, na wózkach napędnych (NA,NB) następuje wycofywanie siły hamulca EP tak, by sumaryczna siła FEP+RED ≥ ZFH. Gdy wartość realizowanej siły RED jest dostatecznie duża realizowane będzie również wycofanie siły hamulca EP z wózków tocznych (TA, TB, TC) zgodnie z zasadą priorytetu hamulca ED dla pojazdu. Układ mikroprocesorowego sterowania hamowaniem umożliwia realizowanie 14 stopni hamowania (rys. 9 i 10). W przypadku zerowego stopnia hamowania realizowane jest podhamowanie ciśnieniem około 20 kPa (przygotowanie do hamowania – pokonanie sił sprężyn w cylindrach hamulcowych) . 40 START N Hamowanie T Zapamiętanie masy pociągu MNA, MNB, MTA,MTB,MTC Odczyt zadanego stopnia hamowania ZSTH Obliczenie zadanej siły ZED N RED=0 T N ZFH>RED T Wysterowanie hamulca EP według zadanego stopnia hamowania ZSTH Obliczenie siły REP dla hamulca elekropneumatycznego REP=ZFH-RED Wysterowanie hamulca EP zerowym stopniem hamowania Obliczenie minimalnego stopnia hamowania EP realizującego siłę REP Hamowanie hamulcem ED według zależności RED=ZFH Wysterowanie poszczególnych tablic według obliczonych stopni hamowania Rys 7. Algorytm sterowania współpracą hamulca EP i hamulca ED Rys 8. Poglądowy przebieg siły hamulca ED w funkcji prędkości. Maksymalna siła hamulca EDmax zależy od prędkości zespołu trakcyjnego i dlatego wysterowanie hamulca EP również zależeć będzie od prędkości. Na rysunku 9 przedstawiony jest rozkład sił hamulca EP i ED dla poszczególnych wózków przy prędkości 120 km/h. Na rysunku 10 przy prędkości 40 km/h. Przebiegi przedstawione na rys. 9 i 10 odpowiadają hamowaniu maksymalnym stopniem hamowania. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 hamowanie ED 14— 13— 12— 11— 10— 9— 8— 7— 6— 5— 4— 3— 2— 1— 0— Stopnie hamowania Stopnie hamowania hamowanie EP NA TA TC TB NB Rys 9. Poglądowy rozkład sił hamowania EP i ED przy prędkości 120 km/h 14— 13— 12— 11— 10— 9— 8— 7— 6— 5— 4— 3— 2— 1— 0— NA TA TC TB NB Rys 10. Poglądowy rozkład sił hamowania EP i ED przy prędkości 40 km/h 7. Zastosowanie Przedstawiony w punkcie 6 algorytm sterowania współpracą hamulców EP i ED został z powodzeniem zastosowany w kilku e.z.t: - w elektrycznym zespole trakcyjnym 15WE produkcji Pesa Bydgoszcz, eksploatowanych od czerwca 2006 r. przez PKP Przewozy Regionalne w Łodzi - w dwu zmodernizowanych przez ZNTK Mińsk Mazowiecki elektrycznych zespołach trakcyjnych 6WEc dla Kolei Mazowieckich, przekazanych do ruchu w połowie 2007 r. - w dwu zmodernizowanych przez ZNTK Mińsk Mazowiecki elektrycznych zespołach trakcyjnych EN57 dla Kolei Mazowieckich, przekazanych do ruchu pod koniec 2007 r. - w czterech zmodernizowanych przez ZNTK Mińsk Mazowiecki elektrycznych zespołach trakcyjnych EN57 dla SKM Gdynia, przekazanych do ruchu na przełomie 2007/2008 r. W [9] przedstawiony jest widok tablicy kabinowej i wagonowej zastosowanej w zmodernizowanych elektrycznych zespołach trakcyjnych przez ZNTK Mińsk Mazowiecki. Na rys. 11 przedstawiony jest widok tablicy kabinowej zastosowanej w elektrycznym zespole trakcyjnym 15WE. Elektryczny zespół trakcyjny 15WE jest pojazdem trójwagonowym, a do sterowania układem hamulcowym zastosowane są 2 tablice kabinowe. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 Rys 11. Kabinowa tablica hamulcowa czteroczłonowego elektrycznego zespołu trakcyjnego na wózkach Jakoba 41 Dla czteroczłonowego zespołu trakcyjnego potrzebna jest dodatkowa tablica wagonowa, której widok przedstawiony jest na rys. 12. Dwie tablice kabinowe i jedna tablica wagonowa działają według schematu sterowania systemem hamowania, który jest przedstawiony na rys. 5 i 6. Rys 12. Wagonowa tablica hamulcowa 8. Rejestracja i wizualizacja przebiegu sygnałów Układy tablic wyposażone są w wyjścia diagnostyczne RS-232 umożliwiające podczas uruchamiania i jazdy zespołu trakcyjnego rejestrowanie wyników i zapisywanie ich do pliku tekstowego. Do celów rejestracji wykorzystywana jest aplikacja „Diagnostyka”. Za pomocą drugiej aplikacji „Wykresy” można wyniki prezentować w formie wykresów. Obydwie aplikacje zostały opracowane w IPS „TABOR” [7]. Na rys. 13 przedstawione są wyniki hamowania elektrycznego zespołu trakcyjnego 15 WE z wykorzystaniem aplikacji „Wykresy”. Na wykresie przedstawiony jest przebieg prędkości i siły realizowanej przez hamulec ED. Na tle tych przebiegów pokazane są realizowane stopnie hamowania wózków napędnych i wózków tocznych i ich zmiana w zależności od zmiany siły ED. Dla lepszej widoczności przebiegi poszczególnych stopni hamowania przesunięte są o 20 jednostek. 9. Podsumowanie i wnioski Mikroprocesorowy układ sterowania systemem hamulcowym opracowany w IPS „TABOR” jest systemem uniwersalnym. W prosty sposób może zostać przystosowany do dowolnego pojazdu. W zależności od zapotrzebowania może on działać samodzielnie jako niezależny system hamulcowy lub współpracować ze sterownikiem głównym pojazdu. Układ sterowania w różnych wariantach został z powodzeniem zastosowany w nowym elektrycznym zespole trakcyjnym 15WE oraz w zmodernizowanych e.z.t. 6WEc i EN57. W IPS „TABOR” prowadzone są prace nad dalszym optymalizowaniem konstrukcji tablic hamulcowych w celu zwiększenia niezawodności, zmniejszenia wymiarów i kosztów. Wynika z tego wniosek, że w Polsce możliwe jest zaprojektowanie, wykonanie i wdrożenie z powodzeniem na pojazdach szynowych nowoczesnych systemów hamulcowych porównywalnych poziomem z systemami firm światowych. Literatura: [1] [2] [3] [4] [5] [6] Rys 13. Przebieg rozruchu i hamowania e.z.t 15WE STH_NA, STH_NB: stopnie hamowania wózkami napędnymi, STH_TA, STH_TA: stopnie hamowania wózkami tocznymi 42 Barna G., Durzyński Z.: Struktura rozproszonego systemu mikroprocesorowego sterowania zespołem trakcyjnym, Technika Transportu Szynowego, 2008, 3, s. 36-43 Barna G., Stypka M.: Model matematyczny hamowanego zespołu trakcyjnego, OR-9134, Praca niepublikowana, Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”, Poznań, 2007 Barna G., Stypka M.: Niezawodność i bezpieczeństwo mikroprocesorowych systemów sterowania, OR-9135, Praca niepublikowana, Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”, Poznań, 2008 Basak S. i inni, Modernizacja elektrycznego zespołu trakcyjnego serii EW60 (6WEb), Technika Transportu Szynowego, 2007, 5-6, s. 44-53 Durzyński Z., Stypka M.: Sterowanie systemem pneumatycznym zmodernizowanej lokomotywy elektrycznej ET22, Pojazdy Szynowe, 2006, Haba M., Stypka M., Barna G.: Mikroprocesorowy układ sterowania systemem pneumatycznym zmodernizowanej lokomotywy spalinowej ST44, Pojazdy Szynowe, 2006, POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 [7] [8] [9] Haba M.: Programy wspomagające uruchamianie mikroprocesorowych systemów sterownia w pojazdach szynowych, Pojazdy Szynowe 2007, 2, s. 45-52 Kaluba M.: Urządzenia pośredniczące w mikroprocesorowym sterowaniu nowoczesnych układów pneumatycznych hamulca, Pojazdy Szynowe, 2002, 4, s. 49-52 Kaluba M.: Mikroprocesorowy układ sterowania systemami hamulców dla zespołów trakcyjnych, Pojazdy Szynowe, 2007, 4, str. 7-10. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 [10] Kaluba M.: Mikroprocesorowe sterowanie hamulcami w pojazdach trakcyjnych, Materiały XVIII Konferencji Naukowej Pojazdy Szynowe, Katowice-Ustroń, 17-19 września 2008 [11] Maluśkiewicz M.: Zastosowanie binarnych sygnałów elektrycznych w układach sterowania hamulcami autobusów szynowych, Pojazdy Szynowe, 2002, 4, s. 41-48. [12] Masłowska T.: Hamulce na medal, Kurier PKP, 34/26.08.2007, s. 11 43 dr inż. Małgorzata Orczyk dr inż. Bartosz Czechyra Politechnika Poznańska dr inż. Estera Wojciechowska Instytut Pojazdów Szynowych „Tabor” Ocena poziomu hałasu generowanego podczas faz ruchu wybranych typów tramwajów W artykule przedstawiono wyniki pomiarów niestacjonarnych zdarzeń akustycznych wynikających z faz ruchu tramwaju. Analizie poddano zdarzenia akustyczne związane z przyjazdem tramwaju na przystanek, otwarciem i zamknięciem drzwi, sygnałem dźwiękowym oraz odjazdem tramwaju z przystanku. Głównym celem artykułu jest próba oceny wpływu różnych typów tramwajów na ludzi znajdujących się w obrębie przystanku ? oczekujących na przyjazd tramwaju oraz na klimat akustyczny miasta w porze wieczornej. 1. Wprowadzenie Funkcjonowanie dużych ośrodków miejskich wiąże się nieodłącznie z ułatwianiem mieszkańcom przemieszczania się, niezależnie od powodów wywołujących zaistniałe potrzeby komunikacyjne oraz sposobów pokonywania przestrzeni. Zapewnienie sprawnie działającego systemu transportu publicznego w mieście jest zasadniczym problemem, od rozwiązania którego zależy prawidłowe funkcjonowanie każdego miasta. Współcześnie coraz większą rolę w tworzeniu nowoczesnych miejskich systemów transportowych zarówno z powodów ekologicznych, jak i ekonomicznych odgrywają szynowe środki transportu. Komunikacja tramwajowa należy obecnie do najszybciej rozwijających się segmentów transportu publicznego w Polsce i w Unii Europejskiej. Wynika to przede wszystkim ze stosunkowo niskich kosztów inwestycyjnych budowy i modernizacji sieci tramwajowej, dostępności dla pasażera oraz wysokiej wydajności przewozowej przy stosunkowo niskich jednostkowych kosztach przypadających na pasażera. Zalety te wpłynęły między innymi na to, że komunikacja tramwajowa zaczyna powracać także do miast, które zlikwidowały tramwaje kilkadziesiąt lat temu [7]. 2. Kształtowanie klimatu akustycznego miasta Intensywny rozwój miast, przemysłu, sieci komunikacyjnych oraz lotnisk niesie ze sobą oprócz niewątpliwych korzyści gospodarczych, wiele negatywnych zjawisk. Jednym z nich jest zwiększanie emisji i zasięgu hałasu komunikacyjnego i przemysłowego na tereny zurbanizowane. Imisja hałasu na terenach osiedlowych i rekreacyjnych osiągnęła obecnie tak wysoki poziom, że przydatność ich do celów, do których zostały przeznaczone znacznie zmalała. Coraz częściej 44 można spotkać tereny mieszkalne w ogóle nie przydatne do celów osiedlowych [11]. Badania monitoringu hałasu przeprowadzone przez organy Inspekcji Ochrony Środowiska wykazały, że liczba osób zagrożonych hałasem w Polsce zawiera się w granicach 13 ÷ 15 mln, a w porze dziennej średni równoważny poziom dźwięku w centrum miast wynosi około LAeq,dzień ≈ 72 dB [3, 4]. Rozpatrując zagrożenie hałasem komunikacyjnym w mieście nie sposób pominąć ruchu tramwajowego. Wpływa na to fakt, że tramwaje eksploatowane są w centrach miast często o bardzo gęstej zabudowie, co sprawia, że ich uciążliwość dla mieszkańców może stawać się relatywnie duża szczególnie w porze wieczorno-nocnej. Badania wykonane w 1997 r. w ramach tzw. Państwowego Monitoringu Środowiska wykazały, że na oddziaływanie hałasu tramwajowego w Polsce było narażonych około 2,6 mln osób [3]. W chwili obecnej liczba osób narażonych na hałas tramwajowy w Polsce może okazać się większa, ze względu na fakt, że Polska zajmuje drugie miejsce w Unii Europejskiej pod względem długości sieci tramwajowej (14 systemów tramwajowych obejmujących 27 miast, łącznie 204 linie i 1445 km sieci) [7] W tabeli 1 zamieszczono przykładowe wyniki ekspozycyjnych poziomów dźwięku generowane przez tramwaje typu 105N i 116N podczas jazdy na różnych typach torowisk oraz podczas fazy hamowania. Wyniki pomiarów ekspozycyjnych poziomów dźwięku dla taboru tramwajowego [4] Tabela 1 Typ tramwaju Torowisko starego typu Torowisko nowe Hamowanie 105N 87,6 72,9 82,7 116N 82,8 67,5 76,0 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 Z danych zaprezentowanych w tabeli 1 wynika, że wartości ekspozycyjnego poziomu dźwięku generowanego przez wskazane tramwaje przekraczają poziom 70 dB. Na uzyskane tak wysokie poziomy dźwięku wpływa prędkość z jaką porusza się tramwaj jak również stan techniczny pojazdu oraz torowiska. Autorzy w publikacji zajęli się zdarzeniami niestacjonarnymi wynikającymi z faz ruchu tramwaju, który dojeżdża do przystanku, otwiera i zamyka drzwi oraz odjeżdża z przystanku. Pomiarami objęto trzy typy tramwajów eksploatowanych przez MPK Wrocław: - 105Na, - Škoda 16T, - 205 WrAs. Na podstawie uzyskanych wyników badań dokonano oceny narażenia akustycznego osób przebywających na przystanku tramwajowym i oczekujących na przyjazd tramwaju oraz przeanalizowano jak tramwaje wpływają na klimat akustyczny panujący w centrum miasta w porze wieczornej. Przedstawione wyniki pomiarów są wynikami badań wstępnych i będą stanowiły wprowadzenie do kolejnych bardziej szczegółowych badań i analiz. 3. Uregulowania prawne związane z monitorowaniem hałasu tramwajowego w Polsce Wzrost zainteresowania w Polsce komunikacją tramwajową spowodował, że obecnie brakuje przepisów odnoszących się bezpośrednio do tramwajów. Podobna sytuacja występuje również w zakresie przepisów związanych z hałasem generowanym przez tramwaje w środowisku. Unia Europejska w dyrektywie 2002/49/CE z dnia 25.06.2002 r w sprawie oceny i zarządzania poziomem hałasu w środowisku rekomenduje metody do prognozowania hałasu w środowisku związanymi z ruchem samochodowym, kolejowym i lotniczym, pomijając hałas tramwajowy. W rekomendowanej, holenderskiej metodzie prognozowania hałasu kolejowego, jedną z kategorii pociągów są metro i szybki tramwaj. Jednak ze względu na różnorodność konstrukcji torowisk i taboru tramwajowego eksploatowanego w Europie, bezpośrednie zastosowanie tej metody w Polsce nie jest możliwe. Brak referencyjnego modelu prognozowania hałasu tramwajowego może oznaczać, że hałas ten nie stanowi poważnego zagrożenia w skali europejskiej. Inna sytuacja występuje w polskich miastach, gdzie hałas tramwajowy jest porównywany z hałasem samochodowym (zwłaszcza przy dużej prędkości tramwajów). Jest to konsekwencją złego stanu technicznego torowisk jak i taboru [1]. W zakresie diagnozowania poziomu hałasu tramwajowego w środowisku można wskazać dwa rozporządzenia Ministra Środowiska: POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 + + rozporządzenie w sprawie dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku [9]; które określa poziomy dopuszczalne uzależniając je od kategorii terenu objętego ochroną przed hałasem, rodzaju obiektu bądź działalności będącej źródłem hałasu, rozporządzenie w sprawie wymagań w zakresie prowadzenia pomiarów poziomów w środowisku substancji lub energii przez zarządzającego drogą, linią kolejową linią tramwajową, lotniskiem, portem [10]; które ustala ogólne metodyki wykonywania pomiarów hałasu w środowisku związane z eksploatacją lądowych, wodnych i powietrznych środków transportu. Rozporządzenie to również nakłada obowiązek na zarządzających drogami, liniami kolejowymi, liniami tramwajowymi obowiązek okresowego monitorowania poziomu dźwięku. W odniesieniu do hałasu samego pojazdu tramwajowego również brakuje jednoznacznych przepisów. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 22 grudnia 2003 r w sprawie warunków technicznych tramwajów i trolejbusów oraz zakresu ich niezbędnego wyposażenia określa, że podczas jazdy tramwaju w odległości 7,5 m od osi toru na wysokości 1,6 m od główki szyny nie powinien być przekroczony poziom 88 dB(A) przy założeniu, że pojazd porusza się z prędkością 50 km/h po wydzielonym torowisku z podkładami żelbetowymi na tłuczniu. W przypadku postoju tramwaju przepis określa, że w odległości 3 m od dowolnej ściany wagonu, na wysokości 1,6 m od główki szyny poziom dźwięku nie powinien przekraczać 70 dB(A) [8]. Bardzo często do pomiarów normatywnych hałasu tramwajowego zaleca się stosowanie norm kolejowych. W zakresie pomiarów hałasu zewnętrznego i wewnętrznego pojazdów szynowych wyróżnić można dwie normy [5, 6]: - PN-EN ISO 3095:2005 Kolejnictwo – Akustyka – pomiar hałasu emitowanego przez pojazdy szynowe. - PN-EN ISO 3381:2005 Kolejnictwo – Akustyka – pomiar hałasu wewnątrz pojazdów szynowych. Obie z wymienionych norm określają tylko metodyki wykonania pomiaru hałasu zewnętrznego i wewnętrznego pojazdów szynowych jednak nie odnoszą się one bezpośrednio do tramwajów oraz nie zawierają wskazanych poziomów dźwięków, które byłyby uznane jako wartości dopuszczalne. 4. Charakterystyka badanych tramwajów 4.1. Tramwaj typu Škoda 16T Tramwaje typu Škoda 16T są częściowo niskopodłogowymi (udział niskiej podłogi wynosi 65%), pięcioczłonowymi i jednokierunkowymi tramwajami wyprodukowanymi w Pilznie przez czeskie zakłady Škoda Holding. Tramwaje te eksploatowane są od 2006 roku we Wrocławiu. 45 Pudło tramwaju oparte jest na trzech wózkach. Wózki napędne wyposażone są w dwa trójfazowe asynchroniczne silniki o mocy 95 kW każdy. Pojazd wyposażono w trzy rodzaje hamulców: elektrohydrauliczny hamulec szczękowy, elektromagnetyczny hamulec szynowy oraz trakcyjny z odzyskiem energii lub wytracaniem jej w rezystorach. Wymianę pasażerów zapewniają cztery pary podwójnych i dwie pary pojedynczych drzwi. Dodatkowo przy pierwszych drzwiach znajduje się wysuwana platforma umożliwiająca wjazd do tramwaju osobom niepełnosprawnym. Tramwaj ten posiada 69 miejsc siedzących i 174 miejsca stojące. Długość wagonu wynosi 31 800 mm, szerokość 2 460 mm, wysokość 3 400 mm, masa całkowita wagonu 37 400 kg a maksymalna prędkość tramwaju wynosi około 70 km/h. 4.2. Tramwaj typu 205 WrAs Są to tramwaje produkowane od 2006 roku przez firmę RMT Protam Wrocław Sp.zo.o wzorowane na konstrukcji tramwaju 105N i eksploatowane we Wrocławiu. Pojazd typu 205 WrAs to przegubowy, trójczłonowy tramwaj z 22% udziałem niskiej podłogi, która została umieszczona w środkowej części wagonu (człon pierwszy i trzeci pojazdu nawiązuje do wagonów typu 204 WrAs). Wymiana pasażerów zapewniona jest przez pięć par podwójnych drzwi. Tramwaj wyposażony jest w osiem asynchronicznych silników o mocy 50 kW każdy. Pojazd posiada dwa rodzaje hamulców: hamulec bębnowy i elektromagnetyczny hamulec szynowy. Podczas hamowania istnieje możliwość rekuperacji energii elektrycznej do sieci. Tramwaj typu 205 WrAs jest przystosowany do przewozu około 135 osób, z czego 37 na miejscach siedzących. Długość wagonu wynosi 26 550 mm, szerokość 2 355 mm, wysokość 3 300 mm, masa całkowita wagonu wynosi 35 000 kg a maksymalna prędkość z jaką może poruszać się wynosi około 80 km/h. 4.3. Tramwaj typu 105Na Tramwaje typu 105Na wyprodukowane przez chorzowskie zakłady Konstal i stanowią najpopularniejszy typ tramwajów eksploatowanych w Polsce. Konstrukcja tego tramwaju powstała w latach 70-tych, a ich produkcję zakończono w latach 90-tych. Pojazdy te wyposażone są w cztery silniki prądu stałego o mocy 41,5 kW każdy, połączone szeregowo z własnym wentylatorem. Hamowanie odbywa się elektrodynamicznie oraz za pomocą hamulców szczękowo-bębnowych i hamulca szynowego. Wagon posiada 20 miejsc siedzących i 105 stojących. Długość wagonu wynosi 13 500 mm, szerokość 2 400 mm, wysokość 3 600 mm, masa całkowita 16 800 kg, a maksymalna prędkość z jaką może poruszać się tramwaj wynosi około 70 km/h [2, 12, 13, 14]. 46 5. Metodyka pomiarów Badania polegały na rejestracji niestacjonarnych poziomów dźwięku, które wynikały z faz ruchu tramwaju przyjeżdżającego i odjeżdżającego z przystanku. Do badań wybrano trzy typy tramwajów: 105Na, 205 WrAs i Škoda 16T. Pomiary zrealizowane były na przystanku tramwajowym znajdującym się w centrum Wrocławia przy ulicy Oławskiej w dzień powszedni w porze wieczornej około godziny 21. Wybór godzin wieczornych był podyktowany próbą oceny, jak dźwięki generowane przez przyjeżdżające i odjeżdżające z przystanku tramwaje mogą wpływać na klimat akustyczny miasta, oraz osób znajdujących się w otoczeniu przystanku. Na podstawie przeprowadzonych badań wstępnych przyjęto poziom tła LAeq,Tla ≈ 58 dB. Pomiary wykonano podczas normalnej pracy przewozowej tramwaju (razem z pasażerami). Punkt pomiarowy zlokalizowano w odległości w odległości 3 m od osi toru, na wysokości 1,6 m od główki szyny. Wszystkie pomiary wykonano całkującym miernikiem poziomu dźwięku typu 2250 firmy Brüel & Kjær. W ramach pojedynczego pomiaru rejestrowano sygnał akustyczny oraz w czasie rzeczywistym wyznaczano następujące parametry sygnału akustycznego: maksymalny poziom dźwięku LAmax, minimalny poziom dźwięku LAmin, równoważny poziom dźwięku LAeq, oraz szczytowy poziom dźwięku LCpeak. 6. Wyniki badań i wnioski Analizie poddano pięć sytuacji związanych z fazami ruchu tramwaju: przyjazd na przystanek, akustyczny sygnał dźwiękowy: wewnętrzny i zewnętrzny, zamknięcie drzwi i odjazd tramwaju z przystanku. W tabeli 2 przedstawiono uśrednione wyniki pomiarów uzyskane podczas przyjazdu tramwaju na przystanek. Poziomy dźwięku zarejestrowane podczas przyjazdu tramwaju Tabela 2 LAeq [dB] LCpeak [dB] LAmax [dB] LAmin [dB] Škoda 16T 75 96 78 76 205 WrAs 71 93 72 69 105Na 74 95 75 72 Typ tramwaju Przeprowadzone pomiary wykazały, że zmierzone równoważne poziomy dźwięku LAeq, maksymalne poziomy dźwięku LAmax i minimalne poziomy dźwięku LAmin dla wszystkich analizowanych typów tramwajów podczas przyjazdu tramwajów na przystanek przekroczyły poziom 70 dB. Poziomy równoważne zawierały się w przedziale LAeq = 71÷75 dB, poziomy maksymalne mieściły się w zakresie LAmax = 72÷78 dB POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 a poziomy minimalne obejmowały wartości LAmin = 69÷76 dB. Najwyższą wartość równoważnego poziomu dźwięku zarejestrowano w tramwajach typu Škoda 16T, LAeq = 75 dB, a najniższą w tramwajach typu 205 WrAs LAeq = 71 dB. Biorąc pod uwagę poziomy szczytowe LCpeak uzyskane wyniki badań zawierały się w przedziale LCpeak = 93÷96 dB. Najwyższe poziomy szczytowe LCpeak = 96 dB uzyskały tramwaje typu Škoda 16T. Tabele 3 i 4 obejmują wyniki pomiarów związane z akustycznymi sygnałami dźwiękowymi. Uzyskane wartości zarejestrowano w odległości 3 m od tramwaju. Poziomy dźwięku zewnętrznej sygnalizacji akustycznej Tabela 3 LAeq [dB] LCpeak [dB] LAmax [dB] LAmin [dB] Škoda 16T 70 82 72 68 205 WrAs 72 86 75 58 105Na 77 109 81 66 Typ tramwaju Analizując uzyskane wyniki pomiarów dotyczące akustycznego zewnętrznego sygnału dźwiękowego stwierdzono, że najwyższe poziomy dźwięku uzyskały tramwaje typu 105Na. Zmierzone równoważne poziomy dźwięku wynosiły LAeq = 77 dB a szczytowe poziomy dźwięku przekroczyły poziom LCpeak = 100 dB. Najcichszym wśród badanych typów tramwajów okazał się dzwonek w tramwajach typu Škoda 16T; zmierzone poziomy: równoważne, maksymalne i minimalne zawarte były w zakresie 68÷72 dB. Poziomy szczytowe wynosiły w tramwajach tego typu LCpeak = 82 dB. Poziomy dźwięku wewnętrznej sygnalizacji akustycznej Tabela 4 Typ tramwaju LAeq [dB] LCpeak [dB] LAmax [dB] LAmin [dB] Škoda 16T 60 83 62 58 205 WrAs 65 85 67 61 105Na 63 85 66 59 W przypadku wyników badań wykonanych dla sygnału dzwonka wewnętrznego (tabela 4) uzyskane wyniki pomiarów poziomu: równoważnego maksymalnego i minimalnego zawierały się w przedziale 58÷67 dB. W przypadku poziomu równoważnego zanotowane poziomy dźwięku dla wszystkich typów badanych tramwajów nie przekroczyły poziomu LAeq = 66 dB. Najcichszymi wśród badanych typów tramwajów okazały się tramwaje typu Škoda 16T. Dla tego typu tramwajów średni równoważny poziom dźwięku wyniósł LAeq = 60 dB. Najgłośniejszy sygnał dzwonka zarejestrowano w tramwajach typu POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009 205 WrAs. Średni równoważny poziom dźwięku wynosił w tych tramwajach LAeq = 65 dB. Poziomy szczytowe dla wszystkich typów badanych tramwajów nie przekroczyły LCpeak = 85 dB. Kolejna analizowana sytuacja odnosi się do zdarzeń akustycznych związanych z zamknięciem drzwi tramwaju. W tabeli 5 przedstawiono wyniki pomiarów hałasu podczas zamknięcia drzwi badanych tramwajów. Poziomy dźwięku generowanego przez zamykanie drzwi Tabela 5 LAeq [dB] LCpeak [dB] LAmax [dB] LAmin [dB] Škoda 16T 65 97 71 61 205 WrAs 64 82 66 61 105Na 65 98 79 58 Typ tramwaju W analizowanych przypadkach zarejestrowane równoważne, maksymalne i minimalne poziomy dźwięku zawierały się w przedziale 58÷71 dB. Najwyższe poziomy równoważne zanotowano w tramwajach typu Škoda 16T i 105Na LAeq = 65 dB. Poziomy maksymalne w obu analizowanych przypadkach nie przekroczyły LAmax = 80 dB, natomiast poziomy minimalne dźwięku nie przekroczyły LAmin = 62 dB. W tramwaju typu 205 WrAs równoważny poziom dźwięku wynosił LAeq = 64 dB natomiast poziomy maksymalne i minimalne nie przekroczyły 67 dB. Najwyższe szczytowe poziomy dźwięku uzyskały tramwaje dwóch typów Škoda 16T LCpeak = 97 dB i 105Na LCpeak = 98 dB. W tramwajach typu 205 WrAs szczytowy poziom dźwięku nie przekroczył LCpeak = 82 dB. Ostatnimi analizowanymi zdarzeniami akustycznymi były odjazdy tramwajów z przystanku. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 6. Poziomy dźwięku zarejestrowane podczas odjazdu tramwajów z przystanku Tabela 6 LAeq [dB] LCpeak [dB] LAmax [dB] LAmin [dB] Škoda 16T 76 98 78 75 205 WrAs 75 97 77 74 105Na 74 95 74 73 Typ tramwaju Dla badanych tramwajów zmierzone równoważne poziomy dźwięku zawierały się w przedziale LAeq = 74÷76 dB, maksymalne poziomy dźwięku LAmax = 74÷78 dB, minimalne poziomy dźwięku LAmin = 73÷75 dB. Najwyższe poziomy dźwięku uzyskały tramwaje typu Škoda 16T: poziom równoważny wynosił LAeq = 76 dB, poziom maksymalny LAmax = 78 dB, poziom minimalny LAmin = 75 dB, poziom szczytowy LCpeak = 98 dB. Wśród badanych typów 47 tramwajów podczas odjazdu z przystanku najcichszymi okazały się tramwaje typu 105Na. Zarejestrowane poziomy równoważne, maksymalne i minimalne dźwięku dla tego tramwaju nie przekroczyły 75 dB, natomiast zmierzony szczytowy poziom dźwięku wynosił LCpeak = 95 dB. 7. Podsumowanie W artykule przedstawiono wyniki pomiarów hałasu związanych z fazami jazdy trzech typów tramwajów 105Na, 205 WrAs i Škoda 16T. Pomiary wykonano w jednoznacznie powtarzalnych warunkach, co umożliwia obiektywne porównanie uzyskanych wyników. Otrzymane wyniki badań pozwalają na ogólną ocenę poziomu dźwięku wynikającego z poszczególnych faz jazdy wybranych typów tramwajów (przyjazdu i odjazdu z przystanku, wewnętrznych i zewnętrznych akustycznych sygnałów dźwiękowych oraz fazy zamykania drzwi). Na podstawie przeprowadzonych badań sformułowano następujące wnioski: + Najwyższe równoważne poziomy dźwięku LAeq przekraczające poziom 70 dB zarejestrowano dla faz związanych z przyjazdem, odjazdem tramwaju z przystanku oraz zewnętrznego akustycznego sygnału dźwiękowego. Zmierzone równoważne poziomy dźwięku osiągały dla tych przypadków poziom nawet 76 dB. + Dla wewnętrznego akustycznego sygnału dźwiękowego i zamknięcia drzwi tramwaju we wszystkich objętymi pomiarami typach tramwajów zmierzone równoważne poziomy dźwięku nie przekroczyły poziomu 70 dB. + Poziomy szczytowe LCpeak zarejestrowane podczas pomiarów dla faz związanych z przyjazdem i odjazdem tramwaju z przystanku, zewnętrznego akustycznego sygnału dźwiękowego i zamknięciem drzwi tramwaju przekraczają we wszystkich typach badanych tramwajów poziom 90 dB. Dla wewnętrznego akustycznego sygnału dźwiękowego uzyskane poziomy szczytowe LCpeak osiągają nawet poziom 86 dB. Analizując uzyskane wyniki pomiarów stwierdzono, że hałas generowany podczas badanych faz jazdy tramwajów może również znacząco wpływać na klimat akustyczny miasta. Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku z dnia 14 czerwca 2007 roku dla terenów w strefie śródmiejskiej miasta ustala poziom dopuszczalnych na poziomie 65 dB w ciągu dnia i 55 dB w ciągu nocy [9]. 48 Literatura [1] Kokowski P.: Mapa akustyczna hałasu tramwajowego. W: Materiały Problem hałasu w mieście. Hałas w mieście – doświadczenia i wyzwania, Poznań 16-17.10.2008, s. 163÷173. [2] Komunikacja Miejska Szczecin. Komunikat internetowy www.mkm.szczecin.pl, lipiec 2008. [3] Kucharski R J.: Zagrożenie hałasem komunikacyjnym w Polsce. Ekopartner, 1999, nr 5, s. 20÷22. [4] Kucharski R J., Chyla A., Koszarny Z., Kraszewski M., Szymański Z., Sakowska P., Taras A.: Stan klimatu akustycznego w kraju w świetle badań WIOŚ. Wyd. Biblioteki Monitoringu Środowiska, Warszawa 2002. [5] Norma PN-EN ISO 3381:2005 Kolejnictwo – Akustyka – pomiar hałasu wewnątrz pojazdów szynowych. [6] Norma PN-EN ISO 3095:2005 Kolejnictwo – Akustyka – pomiar hałasu emitowanego przez pojazdy szynowe. [7] Raczyński J.: Miejski transport szynowy w Unii Europejskiej. Transport Miejski i Regionalny, 2005, nr 6, s. 2÷9. [8] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 22 grudnia 2003 roku, w sprawie Warunków technicznych tramwajów i trolejbusów oraz zakresu ich niezbędnego wyposażenia. Dz. U nr 230, poz. 2300 i 2301. [9] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 14 czerwca 2007 roku, w sprawie Dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku. Dz. U. Nr 120, poz. 826. [10] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 2 października 2007 roku, w sprawie Wymagań w zakresie prowadzenia pomiarów poziomów w środowisku substancji lub energii przez zarządzającego drogą, linią kolejową, linią tramwajową, lotniskiem, portem. Dz. U. nr 192, poz. 1392. [11] Sadowski J.: Podstawy akustyki urbanistycznej. Wyd. Arkady, Warszawa, 1982. [12] Tomaszewski F., Orczyk M.: Ocena poziomu hałasu wewnętrznego tramwajów na podstawie badań. Pojazdy Szynowe, 2007 nr 4, s. 1÷7. [13] Transport szynowy. Komunikat internetowy www.transportszynowy.pl, czerwiec 2008. [14] Tramwaje w Polsce. Komunikat internetowy www.mlyniec.gda.pl, czerwiec 2008. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2009