environmental aspects of rail vehicles with combustion engines · environmental aspects of rail...

POJAZDY SZYNOWE NR 3/2015

prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz Poznań University of Technology Faculty of Working Machines and Transport dr Włodzimierz Stawecki, prof. IPS Rail Vehicles Institute „TABOR” in Poznań

Environmental aspects of rail vehicles with combustion engines

This paper covers the environmental issues related to the operation of rail vehicles. The evaluation of the environmental impact is based in most cases on a comparison of the current state of the internal combustion engine (its emissivity) with emission limit values of harmful exhaust components. These values relate to specific emission tests for engines or vehicles. For the national rail vehicles operating conditions these requirements take a slightly different form, as having a wide range of rolling stock markedly alters the environmental impact of these vehicles. Thus it becomes necessary to consider the issue of the method of evaluation of engine emissions in rail vehicles in terms of their actual operating conditions. Thus, efforts to assess the actual level of emissivity for rail vehicles and attempts to improve it are necessary and justified.

1 INTRODUCTION Due to their advantages internal combustion

compression ignition (CI) engines with direct injec-tion remained the main source of power for rail vehi-cles. However, the harmful effect of these engines on the environment is significant (Fig. 1). Many types of combustion engine powered traction vehicles are used in Poland, many of their engines do not meet the requirements and criteria for exhaust emissions [12, 13].

Figure 1. The relative environmental impact of different modes of transport

Effect of diesel locomotives on the environ-ment depends on the nature of their work. The oper-ating conditions of locomotives determine the spe-cific fuel consumption and thus the emission levels. The share of operating time for a shunting locomo-tive spent in conditions of idling is 51.6% of the total operating time, 33% of the total operating time corre-sponds to 10% of the rated power output, while the remaining shares are negligible.

Ecological evaluation of diesel traction is very unfavorable compared to the electrical rail traction (Fig. 2). The amount of environmental damage caused by combustion engine vehicles of the rail traction in Poland during freight is 4 times higher than the damage caused by electric rail vehicles, and 1.8 times higher than for inland waterway vessels, however, still 5 times lower than the damage caused by trucks with diesel engines (especially in terms of particulate emissions [7]). The emissions of harmful compounds contained in the exhaust of off-road sources, which include combustion rail vehicles, represents a significant share with respect to road vehicles.

Figure 2. The share of diesel and electric locomotives in rail transport in individual countries

1


2 DIESEL LOCOMOTIVES IN PASSENGER AND CARGO TRANSPORT IN POLAND AND IN THE WORLD

A characteristic feature of passenger locomo-tives is that they are designed to pull passenger and express trains. They have a source of energy for heat-ing the train in the period of low temperatures (boiler heating systems, heat generators). Passenger locomo-tives also have a specific traction characteristic, espe-cially in terms of speed. Freight locomotives do not have a source of energy for heating the train, and the traction characteristics should be adjusted to high loads at low speeds. Universal locomotives have both the qualities of freight and passenger locomotives.

Shunting locomotives are designed to pull or push (marshalling) wagons on tracks, sidings and in hump yards. One can also distinguish industrial lo-comotives, which are basically shunting locomotives, only some of which work in specific conditions, such as very high air pollution (e.g. in steel mills, coal sorting plants and mines) and elevated temperature (e.g. in steel mills during the transportation of the products of metallurgical process). Due to the type of transmission used, i.e. the method of moving and adjusting the torque of the internal combustion en-gine onto the driving wheelsets, three types of loco-motives are distinguished: with mechanical transmis-sion, hydraulic (hydrostatic, hydrodynamic) trans-mission and electric transmission (DC, AC).

The significant share of this type of internal combustion traction vehicles in the world undoubt-edly also stems from the benefits of this mode of transport. Diesel locomotives have the following characteristics that are favorable compared to electric locomotives:

– power supply independent of an external source, which is important in case of natural disas-ters, in emergency situations; diesel locomotives can fully replace electric locomotives,

– the possibility of applying innovations in die-sel locomotive drive system, different ways of power conversion and processing, different types of electric transmission,

– the ability to operate the locomotives even in difficult weather conditions, which could pose a sig-nificant impediment to electric locomotives,

– higher efficiency of diesel traction (ηo = 0.26) than the electric traction (ηo = 0.21).

The Polish State Railways are currently operating 12 diesel locomotive series of standard gauge with combustion engine power outputs from 110 kW to 2200 kW (Fig. 3 and 4). Every year the number of diesel locomotives, both in the European Union and in Poland, is decreasing as a result of being replaced by electric locomotives (which have lower operating costs on lines with heavy traffic).

Figure 3. The rolling stock of combustion engine locomotives in Poland

Figure 4. Electric and diesel locomotives in Poland

By 2020 the number of locomotives in Europe will decrease, but the number of diesel multiple units for the support of local passenger services will in-crease. UIC (International Union of Railways) analy-sis shows that by 2020 companies are planning to buy about 9000 new locomotives and 8500 diesel multi-ple units.

The characteristics of internal combustion en-gines of locomotives used on railway lines in the US is significantly different from their European coun-terparts. The US currently employs 21 000 diesel locomotives with a mean power of 3467 HP. The large majority of locomotives (61%) has engines with power of 4000–4400 HP installed. Internal combus-tion engines are built as medium-speed engines with large a displacement (e.g. GE engine with a capacity of 4400 HP). Modern European designs are high-speed engines with relatively small displacements. Engines with power above 2700 HP account for only 9% and engines with low power (to 750 HP) account for about 28% of the market share. The remaining 63% are medium power engines with the power range of 750–2700 HP. Due to the larger cylinder displacements and lower engine speeds of locomo-tives operating in the US the emission levels from these engines may be lower. This concerns mainly the emissions of nitrogen oxides (lower combustion temperature, in particular the flame front), and the ability to accurately control fuel delivery (important aspect is the time required to burn the injected fuel dose). Despite the favorable working conditions of

2


locomotive engines in the US attempts to limit their emissions of particulates began much earlier. The first attempts to apply filters were imposed by the EPA through the introduction of strict regulations for exhaust emissions from off-road vehicles. In Europe, the first attempts to use particulate filters have been taken in Switzerland and Germany (2004-2006).

The development of locomotives in the field of new fuels for combustion engines is in line with the development trends of combustion drives of road vehicles and other off-road means of land transport, and is consistent with changes that are currently ob-served in the air transport [10]. Their development will depend on the development of new technologies in land and air transport, and will follow in the direc-tion of advanced propulsion technology for locomo-tives, which will ensure the best use of the energy supplied to the vehicle while maintaining high safety of completing the transport task and low emission factors [3, 6, 8, 9]. Trends in the development of die-sel locomotives will be characterized by the desire to:

− use modern combustion units in new and cur-rently operated locomotives,

− increase the power output of the engine with unchanged fuel consumption,

− reduce harmful emissions and noise, − reduce heat emitted from the diesel engine, − design optimization of auxiliary engine

equipment with regards to fuel consumption and manufacturing costs,

− design and develop diesel-electric drives for locomotives and to adapt these drives to cooperate with other systems in locomotives,

− develop electric drives with a new generation of batteries and electric motors,

− design and develop biofuels for use in diesel and diesel-electric locomotives for different transport tasks and industrial applications.

The increase in use of microprocessor technol-ogy in vehicles indicates that diesel locomotives will be increasingly equipped with such systems, both for engine control, security systems as well as locomo-tive diagnostics which, in the final version, will be realized by on-board diagnostic systems similar to the OBD systems used in road vehicles.

European emission regulations concerning rail traction engines: for locomotives (including shunting locomotives) and rail buses are outlined in UIC 624. The emission limit values were established in 2001 and they apply to newly manufactured diesel engines for rail vehicles. The currently designated test is an ISO 8178-F. These regulations do not apply to spe-cial locomotives (operated at a refinery or a mine) and traction motors with the power output of less than 100 kW. It is worth noting that since 2008 the UIC limits are close to the limits of the Euro Stage IV standard [1, 2, 11].

3 AIM OF THE RESEARCH Assessing the impact of vehicles used for na-

tional railways requires the knowledge of actual emissions of harmful components for these vehicles. This task cannot always be realized in the form of tests according to relevant provisions, due to the dif-ferent operating conditions of rail vehicles, because there are different conditions for the same locomotive (engine) used for the transport of passengers and goods.

The aim of the study was to determine the en-vironmental impact of rail vehicles and to set direc-tions for changes that would allow its reduction. The ecological situation of diesel rail vehicles is not satis-factory. They cause a significant increase in envi-ronmental pollution (high emission of harmful com-ponents), taking into account the technically outdated internal combustion engines used in locomotives and rail vehicles operating on the national railway routes. Thus, the main task was to determine the directions of improvement of the environmental impact of die-sel rail vehicles (not limited to locomotives only) using methods such as repairs, re-motorization and the replacement of rail vehicles with other vehicles that meet the required criteria.

4 RESEARCH METHODOLOGY The research subjects were divided into several

groups depending on the stage of research carried out. For the analysis of the current state of emissions; tests of presently operated rail vehicles in the form of diesel locomotives were performed:

− for passenger transport: locomotives: SP32, ST43, SU45, SU46 and SP42,

− for cargo transport: locomotives: ST43, ST44, M62, M62M, BR231 and BR232,

− for shunting: locomotive SM42. The possibilities of using light rail vehicles are

presented on the example of one/two-bodied DH1/DH2, two-bodied Y, and three-bodied MR rail-cars. The effects of substituting shunting locomotives with road-rail vehicles are based on the studies of road-rail tractor Orion Crystal 13. Research of emis-sions of light rail vehicles cannot be carried out on a water resistor due to the hydrokinetic torque con-verter used in these vehicles. In these cases a mobile laboratory was used, allowing for emission measure-ments to be made anywhere on the track.

5 RESULTS 5.1. Analysis of current emissivity and develop-

ment of new testing methods Determination of the share of operating time of

parameters for diesel locomotive engines shows that, in most cases, locomotives working in passenger transport:

3


a) according to the ISO 8178-F test a substantial amount of operating time of the locomotive is spent on idling; therefore, it is appropriate to give point 1 (which indicates idling in the certification and control tests) a significant share ui of this work phase;

b) in the remaining work phases of the combus-tion engine it is impossible to determine regions which could suggest the selection of the point of maximum power for measurements in tests; evalua-tion of operating time shares does not confirm the occurrence of notable shares of the highest settings of the power controller during passenger transport; hence replacing that point with several intermediate points is advisable.

c) intermediate settings of power controller are close to the certification test; which indicates that the intermediate points can correctly reproduce real traf-fic conditions, assuming a larger number of points is used (the research was not restricted to only one in-termediate point).

Observations on the operation of internal com-bustion engines and their loads in shunting locomo-tives:

a) prevalence of time spent idling; b) small shares of operating time at partial loads

indicate a need for adjustments in the engine test, due to a significant disparity of the certification test re-sults compared with the real engine operating condi-tions;

c) the absence of maximum engine loads during shunting operations of the locomotives – which makes it impossible to match the ISO 8178 test to the combustion engine’s operating conditions and thus makes determining the extent of the locomotive’s environmental performance in real operating condi-tions impossible.

Analysis of the operation of locomotives in freight traffic conditions leads to the following con-clusions:

a) it is appropriate to consider the idling condi-tions in engine tests, as the analyzed locomotives will typically often utilize idling in their operating time (about 40%);

b) in both cases partial loads are used in a small operating range, it is thus not necessary to incorpo-rate the results of this testing phase in any significant proportion;

c) operating time under maximum load is sig-nificant for both locomotives; which indicates the necessity of taking these operating phases into ac-count when constructing engine tests.

Knowledge of the load histograms of individ-ual locomotives allows for the development of tests and determining the relation of the loads with respect to the current certification test. Due to the different traffic conditions for locomotives working in the movement of people and goods, as well as other traf-fic maneuvering (with or without hump) it became

necessary to arbitrarily choose the selection of work phases and their operating time share. Due to the existence of set ranges of engine speed (power controller setting), as well as their resulting values of engine power, it is assumed that continuous functions do not comply with the conditions of selection of operating points in developing a new test. The operating conditions of each of the locomotives are discrete, not continuous. This results in having no ability to control (choose) the engine speed or power, which is not allowed due to the method of controlling the operating parameters of the engine. This analysis allowed for the establishment of the requirements that are to be met by a new test, while also complying with several conditions (Fig. 5):

a) due to different operating conditions the idea of designing a single engine test for all diesel loco-motives was abandoned (such a simplification would not allow for determining the real working conditions of diesel locomotives),

b) the number of phases is not limited to three as it is the case in certification tests; their number depends on the number of settings available on the power controller – for the purposes of this research that number was assumed to be in the range of 3 to 6,

c) the test should take idling phase into account, because it has a significant share of operation time in the operating conditions for all types of locomotives (passenger transport, freight transport and shunting),

d) the choice of test phases should include the possibility of combining adjacent (or grouped) oper-ating points (settings of the power controller),

e) the share of each operating point included in the new test should reflect the shares of operating time for each power controller setting.

Figure 5. Comparison of existing and newly developed engine tests

4


A comparison was made for exhaust emissions of a locomotive, whose histogram is shown above. The obtained results show that the emission values obtained by the new test are lower than those in the standard test. The new test shows the actual values obtained based on the work of the locomotive. Emissions from the locomotive (regardless of the type of test) exceed acceptable limits in terms of carbon monoxide and hydrocarbons. This indicates a substantial level of wear of the internal combustion engine. Lower values of NOx indicate that the obtained maximum power is lower than stated in the manufacturer’s catalog data (Fig. 6). A similar analysis was made for a shunting locomotive. Emissions of CO and HC are much lower in the new test than in the standard test [4]. The specificity of operation for this locomotive is a significant share of engine operating time spent idling. But even in this case the emissions significantly exceed the limits outlined in the UIC 623 standard (Fig. 7).

Figure 6. Exhaust emissions under real operating conditions of railway vehicles - a passenger locomotive SP32

Figure 7. Exhaust emissions under real operating conditions of railway vehicles – shunting locomotive SM42

5.2. Possibilities of emission reduction

In order to determine the effect of the set operating parameters on the environmental indicators for com-bustion engines of rail vehicles; measurements of exhaust emissions were performed in relation to the changes in the crankshaft angle at fuel injection in the engine of a M62M locomotive. The study of variation in settings of the fuel injection system was carried out using discrete changes in the crankshaft angle at the start of fuel stamping for all twelve cylinders. Ex-haust emission measurements were made by increas-ing and decreasing the angle by α = ±4o of crankshaft

rotation with the accepted incremental value equal to ∆ α= 2o of crankshaft rotation (Fig. 8). Opportunities to achieve a reduction in emissions, mainly nitrogen oxide emission, can be noticed. Additionally, the emission results at standard settings have been identified in order to determine the level of emissions from an engine of a newer design. The results indicate that in the case of engines whose emissions are close to current requirements changing the settings of the injection system is important and useful [5].

Figure 9. Comparison of emission from different fuels to the norm for diesel locomotives

Major repairs of diesel locomotives allow for partial reduction of emissions of hazardous components: the values obtained meet or exceed the ORE B13 stan-dards, as well as the UIC standard (only for carbon monoxide emission). This allows for determining whether the boost pressure is correct or the value is maintained too high (suggested by the high NOx emission). HC emissions increase could be caused by insufficient run-in of the engine, but the result far exceeds the acceptable limits of the UIC standard. The injection process (injection timing) has been im-proved, as evidenced by the lower nitrogen oxide emission value, allowing compliance with the ORE B13 standards (Fig. 10).

Figure 10. The effects of engine repairs on emissions of freight locomotive ST44

Changing the engine type leads to significant environmental benefits. Compared to the standard 14D40 engine, a reduction of hourly emissions of carbon monoxide by more than 80% was achieved. Hydrocarbon emissions were reduced by 36%. While there was a 4% increase in nitrogen oxide emissions the 645E3B engine has more than 50% more power than its predecessor (Fig. 11).

5


5.3. Replacing diesel locomotives with light rail vehicles

The range of regulatory changes in the engines, their repairs and re-motorization presented in previous chapters does not exhaust the possibilities of emis-sion reduction for the engines of rail vehicles. Inter-nal combustion engines of diesel locomotives mainly consist of worn-out high power engines. These en-gines often do not meet the emission limits for toxic components. They are often subject to additional regulations or major repairs aimed at improving their environmental performance. The situation with re-gard to the engines of light rail vehicles, including rail buses, is slightly different. They use heavy duty types of vehicle engines – loaded diesel engines with displacement volumes not exceeding 25 dm3.

Due to the possibility of replacing worn-out diesel locomotives operating in passenger traffic the environmental indicators of rail buses were pre-sented. The one-, two- or three-bodied traction rail vehicles currently imported into our country allow for significant reduction of emission of harmful ingredi-ents. As a result of performed research it is possible to obtain more than 90% reduction in emissions of carbon monoxide when using these vehicles. Thanks to the newer engines used in those vehicles it is pos-sible to reduce emissions of hydrocarbons anywhere between 70 to over 90%. Emissions of nitrogen ox-ides would be reduced by almost 50% in the worst case scenario. It is also possible to reduce it by more than 95% (Fig. 12).

Figure 12. Emission impact of proposed changes in the rolling stock

SM42 type locomotives, used mainly for shunting work, could be replaced by road-rail vehi-cles. Road and rail tractor is a tractor designed to work in shunting of wagons on tracks (both narrow and wide).

Emission tests were carried out by comparing the work of such a shunting locomotive and a road-rail tractor with a capacity of approximately 100 kW. Due to the different values of tractive force of these vehicles the exhaust emission analysis was performed by assuming that the operating time of road-rail trac-tor would be greatly extended. This analysis indi-cated the reduction of carbon monoxide emissions by more than 90%. The hourly hydrocarbon emission is also more than 90% lower. Emission of nitrogen ox-ides is reduced under such conditions by more than 80%. Measurements of particulate emissions were also performed and showed a 70% reduction in hourly emissions of particulate matter (Fig. 13).

Figure 13. Replacing shunting locomotives with light rail vehicles

Utilizing the possibilities of emission reduction presented in this paper would require taking ecologi-cally dominant directions in rolling stock develop-ment. For this purpose, these proposals are presented using as an indicator the percentage of change in the emission of harmful ingredients. The situation con-cerning the potential use of traction rail vehicles – railcars seems very advantageous. Their use can offer nearly 4-fold reduction of the emissions of nitrogen oxides, 5-fold reduction of hydrocarbons, and up to 10-fold reduction in carbon monoxide emissions (Fig. 14). Thanks to the presented solutions, it is possible to reduce the negative impact of exhaust emissions of rail vehicles on the environment.

Figure 14. Environmental benefit: as multiples of ecological benefits offered by the best available solutions

6


The economic benefits of utilizing methods and means of limiting the adverse impact of rail vehi-cles on the environment include:

− 50% reduction of fuel consumption, − 70% reduction of engine oil consumption, − 60% increase in engine power, − extending locomotive lifespan by at least 20

years, − extending the time between overhaul, − fault indicator decreased 2.5-fold, − return on investment within a 10 year period.

Particularly beneficial are the economic effects of replacing shunting locomotives with road-rail ve-hicles (Fig. 15), which include:

− cost of purchase for a road-rail shunting trac-tor is a third of the price for the cheapest shunting locomotive,

− exploitation costs for a road-rail tractor are a sixth of the equivalent costs of a shunting locomo-tive,

− three-fold improvement in traction properties, − the ability to drive the tractor without the

need for a train driving license on all owned railway sidings,

− the possibility of mechanization of cleaning of the rail and tram infrastructure,

− the possibility of adapting used road vehicles for road-rail uses,

− the possibility of purchase on appealing fi-nancing terms.

Replacement of shunting locomotives with road-rail vehicles with a two-shift work day provides a return for the costs of purchase of this vehicle in less than two years.

Figure 15. Comparison of advantages presented by a road-rail vehicle over a shunting locomotive

6 CONCLUSIONS

The presented possibilities of changes to the traditional rail vehicles in the form of modernization, replacement of internal combustion engines with more modern units, use of alternative fuels, use of railcars and special vehicles (road-rail tractors) all required finding the ecologically dominant directions. Understanding the impact of rail vehicles on the envi-ronment requires an assessment of their real traffic

conditions, as well as the need to define exhaust emissions under these conditions. This is possible only after taking into account their specific operation. This task is made even more complicated by the fact that the locomotives do not have the same load histo-gram – dynamic operating conditions generate differ-ent emission values. In order to get the full "picture" of the ecological status of internal combustion en-gines a mobile testing laboratory for the measurement of exhaust emissions was developed. Based on performed research it was found that it is possible to limit the negative effects of rail vehicles on the environment, under actual working conditions of these vehicles, which in turn allows the use of measures to reduce their environmental impact. The most effective method to reduce the impact of rail vehicles on the environment is the replacement of the engine unit and the replacement of diesel locomotives with light rail vehicles. Other methods of reducing emissions such as: engine control, use of alternative fuels, engine repairs, do not have the desired effect.

Specific conclusions: 1. The use of new tests for diesel locomotives oper-

ated in Poland is beneficial because it provides in-formation on the real environmental impact of these types of locomotives.

2. According to a newly developed test the exhaust emissions for locomotives used in: − passenger transport – is 20–40% lower for all

exhaust components, − shunting – is approx. 50% smaller, − freight transport – no notable changes.

3. Replacement of diesel locomotives with light rail vehicles reduces the emissions of: − carbon monoxide by 90–95%, − hydrocarbons by 69–94%, − nitrogen oxides by 47–95%.

4. The use of railcars compared to diesel locomotives can result in: − 10-fold carbon monoxide emission reduction, − 5-fold hydrocarbon emission reduction, − 4-fold nitrogen oxides emission reduction. This study did not exhaust the issues related to the

environmental aspects of rail vehicles. Further studies are to be conducted in the fields of:

− research that determines the load histograms for new rail vehicles imported from abroad and put into operation,

− study of environmental pollution in real traf-fic conditions for rail vehicles (an equivalent of Real Driving Emissions tests for motor vehicles),

− determining the correlation of emission test results between both the standard tests and those pro-posed in this paper and the real exhaust emission values,

7


− determining the particulate matter emissions of the remaining types of rail vehicles (especially locomotives which could be replaced with light rail vehicles) working in shunting and ancillary service conditions,

− analysis of uses of oxidation catalysts or particulate filters in diesel locomotives.

R E F E R E N C E S

[1] Directive 2004/26/EC of the European Parliament and of the Council amending Directive 97/68/EC on the approximation of the laws of the Member States relating to measures against the emission of gaseous and particulate pollutants from internal combustion engines to be installed in non-road mobile machinery, 21.04.2004.

[2] ISO: Reciprocating internal combustion engines – exhaust emission measurement – Part 1: Test-bed measurement of gaseous and particulate exhaust emissions. Draft International Standard ISO/DIS 8178–1.2, 1995.

[3] Kettner J., Moving Towards Sustainable Mobility a Strategy for 2030 and Beyond for the European Railway Sector. 12 UIC Sustainability Conference, Venice 2012.

[4] Marciniak Z., Stawecki W., Merkisz J., Pielecha I., Pielecha J., Możliwości modyfikacji taboru spalinowego w celu zmniejszenia jego oddziaływania na środowisko naturalne. Technika Transportu Szynowego, 3, 2011, 43–48.

[5] Marciniak Z., Stawecki W., Pielecha I., Pielecha J., Ekologiczne aspekty spalinowych pojazdów szynowych eksploatowanych na krajowych liniach kolejowych. Logistyka, 4, 2010.

[6] Merkisz J., Pielecha J., Emissions and Fuel Consumption during Road Test from Diesel and Hybrid Buses under Real Road Conditions. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC’10), Lille 2010.

[7] Merkisz J., Pielecha J., Nanoparticle Emissions from Combustion Engines. Springer Tracts on Transportation and Traffic, 8, 2015.

[8] Merkisz J., Pielecha J., Fuć P., Emissionsfaktoren aus PEMS-basierter RDE-Prüfung für Fahrzeuge aller Gewichtklassen/ LDV and HDV vehicle exhaust emission indexes in PEMS-based RDE tests. Fortschritt-Berichte VDI. Rheine 12, Nr 783, Vol. 1, 240–265.

[9] Merkisz J., Pielecha J., Gis W., Exhaust Emission Results from Light Duty Diesel in a Road Tests. Automobiles and Sustainable Mobility, FISITA 2010 World Automotive Congress, F2010-A-045. Scientific Society for Mechanical Engineering (GTE), Budapest 2010.

[10] Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S., New Trends in Emission Control in the European Union. Springer Tracts on Transportation and Traffic, 1, 2014.

[11] Norma PN-EN ISO 8178-4, Silniki spalinowe tłokowe. Pomiar emisji spalin. Cykle badawcze silników o różnym zastosowaniu. Wyd. 1999.

[12] Pielecha I. Marciniak Z., Wpływ silników spalinowych pojazdów trakcyjnych eksploatowanych w kraju na środowisko – próby i badania oraz wytyczne dla redukcji emisji składników szkodliwych. Pojazdy Szynowe, 1, 2009, 34–43.

[13] Pielecha I., Pielecha J., Tendencje w przepisach dotyczących emisji związków toksycznych przez silniki spalinowe pojazdów szynowych. Pojazdy Szynowe, 1, 2005, 52–59.

8


prof. dr hab. inż. Marianna Jacyna prof. dr hab. inż. Wojciech Wawrzyński

Politechnika Warszawska

Nowe trendy w rozwoju transportu szynowego

Transport szynowy a zwłaszcza kolejowy to istotny element systemu transportowe-go. Postrzegany jest on jako rozwiązanie narastających problemów ekologicznych i przewozowych integrującej się Europy. W artykule szczególny nacisk położono na transport kolejowy. Wskazano, iż rozwój transportu lotniczego w zakresie połą-czeń lokalnych (krajowych) oraz dynamiczny rozwój prywatnej komunikacji auto-busowej wymusza na transporcie kolejowym wdrażanie innowacyjnych rozwiązań celem dostosowania się do oczekiwań rynku, w tym przede wszystkim klienta. Rozwiązania te dotyczą zarówno infrastruktury transportu kolejowego, środków transportu oraz infrastruktury dodatkowej pozwalającej na kompleksową obsługę klienta. W artykule przedstawiono problemy związane z wdrażaniem innowacyj-nych rozwiązań na kolei w Polsce. Wskazano na problemy wynikające ze strony popytowej tj. kolei i jej gotowości do wdrażania innowacyjnych rozwiązań oraz strony podażowej tj. podaży wiedzy i rozwiązań innowacyjnych ze strony przed-stawicieli nauki, instytutów badawczych i uczelni.

1 WPROWADZENIE Jednym z priorytetowych zadań polityki go-

spodarczej i transportowej państw europejskich jest ożywienie działalności transportu kolejowego. Po-strzegany jest on jako rozwiązanie narastających problemów ekologicznych i przewozowych integru-jącej się Europy (np. aby przewieźć 2000 ton towaru potrzebnych jest 125 samochodów 16t, lub 1-2 skła-dy pociągowe (w zależności od masy). W tym aspek-cie głównym celem Komisji Unii Europejskiej staje się stworzenie wspólnego rynku kolejowego bez ograniczeń politycznych, gospodarczych i technicz-nych. Ma to również przełożenie na politykę trans-portową poszczególnych członków UE. Realizując postulaty zrównoważonego rozwoju transportu w Polsce zakłada się, iż kolej powinna dominować w tych segmentach, gdzie generuje największe korzyści gospodarcze i społeczne.

Od zawsze transport kolejowy był predyspo-nowany do przewozów przede wszystkim ładunków masowych (w komunikacji krajowej oraz międzyna-rodowej między ośrodkami o dużej emisji (jak np. kopalniami czy rafineriami) i zaniku potoków ładun-ków (jak np. elektrowniami czy portami) na średnie i duże odległości) oraz do obsługi pasażerów (w rela-cjach międzynarodowych (na duże odległości), re-gionalnych (na średnie odległości) oraz przede wszystkim na terenach aglomeracyjnych (na małe odległości). W 2013 roku transportem kolejowym przewieziono około 233 mln ton ładunków oraz oko-ło 270 mln pasażerów, co stanowi wzrost w stosunku do 2012 roku.

Działania podejmowane przez transport szy-nowy w ostatnich latach skupiają się przede wszyst-kim na dostosowaniu oferowanych usług do

oczekiwań rynku. Dotyczy to zwłaszcza decyzji ukie-runkowanych na zdobyciu większego zaufania klien-tów i pasażerów poprzez podnoszenie poprawy jako-ści usług. Osiągnięcie tych celów jest możliwe dzięki wykorzystaniu innowacyjnych rozwiązań umożliwia-jących projektowanie nowoczesnej infrastruktury, stosowanie technologii informatycznych wspomaga-jącej podejmowanie decyzji w różnych obszarach funkcjonowania oraz efektywnej alokacji dostępnych zasobów finansowych. Wszystkie działania sektora transportu szynowego powinny prowadzić do:

− zapewnienia konkurencyjności kolei w relacji do innych gałęzi transportu w najbardziej rozwojowych segmentach rynku,

− zapewnienia warunków do podnoszenia jako-ści obsługi klientów przez przewoźników ko-lejowych,

− szybszej i efektywniejszej modernizacji in-frastruktury transportu kolejowego,

− efektywnej wymiany taboru na nowoczesny, − modernizację infrastruktury dodatkowej do-

stosowanej do nowych trendów i oczekiwań użytkowników tego sektora, np. zintegrowa-ne węzły przesiadkowe zapewniające inte-grację różnych środków transportu,

− wprowadzania nowych rozwiązań w komu-nikacji miejskiej z zastosowaniem nowocze-snych szybkich tramwajów i metra. Z zapisu w Master Plan opracowanego dla

transportu kolejowego wynika, że spełnienie oczeki-wań transportowych, związanych w szczególności z intensywnym rozwojem społeczno-gospodarczym kraju, wymaga podjęcia szeregu działań o charakte-

9


rze organizacyjnym i modernizacyjnym oraz inten-sywnych działań inwestycyjnych, tak w zakresie linii kolejowych, taboru, obiektów dworcowych jak i sze-roko rozumianych systemów obsługi podróżnych. Podyktowane to jest znacznym wzrostem przewozów zwłaszcza aglomeracyjnych i międzyaglomeracyjnych.

2 UWARUNKOWANIA TECHNICZNE ZMIAN W INFRASTRUKTURZE TRANS-PORTU KOLEJOWEGO

Sprawne przemieszczanie pasażerów czy ła-dunków między poszczególnymi rodzajami transpor-tu jest możliwe, pod warunkiem odpowiednio rozwi-niętej infrastruktury liniowej oraz punktowej (punkty przeładunkowe, terminale w przewozach towarowych oraz rozwiniętych zintegrowanych węzłów komuni-kacyjnych w przewozach pasażerskich). Każda taka operacja wpływa na zmianę parametrów przewozu takich jak: czas, koszt czy jakość. Przyjęcie odpo-wiednich kryteriów umożliwia optymalizowanie pro-cesów przewozowych ze względu na czas, koszt i jakość oraz wybór najwygodniejszego sposobu orga-nizacji przewozu. Na tej podstawie można także określać potrzebę dostosowania infrastruktury trans-portu do nowych zadań przewozowych lub poprawy kosztu i jakości przewozu. Zatem kształtowanie pa-rametrów infrastruktury wiąże się ściśle z odpowied-nim doborem parametrów techniczno-eksploatacyjnych taboru używanego do przewozu.

Układ sieci głównych linii kolejowych w ostatnim okresie ulega ciągłym zmianom. Dla po-równania na rys. 1 a) i b) przedstawiono mapę sieci głównych linii kolejowych Polski z 1996 roku (rys. 1 a)) i z 2015 roku (rys. 1 b)). Analizując dane można zauważyć, iż w 1996 roku większość linii kolejo-wych była czynna w ruchu pasażerskim. Do wyjąt-ków należą linia kolejowa 65 (LHS) z Łudina do Sławkowa Południowego LHS, linia kolejowa 132 Bytom – Wrocław Główny na odcinku Bytom – Py-skowice, linia kolejowa 226 Pruszcz Gdański – Gdańsk Port Północny, linia kolejowa 275 Wrocław Muchobór – Gubinek na odcinku Żagań – Gubinek, linia kolejowa 357 Sulechów – Luboń koło Poznania na odcinku Sulechów – Wolsztyn oraz linia kolejowa 420 Worowo – Wysoka Kamieńska na odcinku Re-sko Północne – Wysoka Kamieńska.

Rys. 1. a) - Mapa sieci kolejowej Polski – stan na 1996r

Źródło: http://mapa.bazakolejowa.pl/

b) Mapa sieci kolejowej Polski – stan na 2015 r. Źródło: http://mapa.bazakolejowa.pl/

Natomiast z danych zamieszczonych na ma-pie (rys.1 b) wynika, że z mapy zasadniczej sieci kolejowej Polski niektóre odcinki zniknęły. Oznacza to, że nie jest prowadzony na nich ani ruch pasażerski ani ruch towarowy. Są to zazwyczaj linie nieprze-jezdne lub fizycznie zlikwidowane. Często też na niektórych prowadzony jest tylko ruch towarowy.

Zmiany w zakresie struktury sieci linii kole-jowych w Polsce (tab. 1) dotyczą nie tylko likwidacji niektórych odcinków linii ale również budowy no-

wych odcinków linii kolejowej np. linia kolejowa 118 Kraków Mydlniki – Kraków Balice MPL (planowany termin uruchomienia we wrześniu 2015 r.), linia kolejowa 434 podg Mosty – Goleniów Port Lotniczy Szczecin, linia kolejowa 440 Warszawa Okęcie – Warszawa Lotnisko Chopina, linia kolejowa 581 Świdnik Miasto – Lublin AIRPORT.

Jednym z głównych zadań stojących przed transportem kolejowym to konieczność dostosowania infrastruktury do potrzeb rynku – zarówno przewoź-ników jak i pasażerów. Dotyczy to przede wszystkim zmian takich parametrów jak: czas, koszt czy jakość przewozu. W tym aspekcie brakuje linii kolejowych o prędkości mak. 160 km/h i wyższych. Z prędkością 160 km/h można przemieszczać się tylko po terenie korytarza drugiego (po liniach kolejowych dedyko-wanych pociągom pasażerskim), częściowo po li-niach kolejowych stanowiących korytarz trzeci (oko-lice Wrocławia, po liniach kolejowych dedykowa-nych pociągom pasażerskim) oraz po liniach koryta-rza transportowego VI (po większej części linii dedy-kowanych pociągom pasażerskim oraz po części linii dedykowanych pociągom towarowym) (rys.2).

Dużym wyzwaniem a zarazem poważnym problemem decyzyjnym jest budowa linii dużych prędkości. Na chwilę obecną brak jest pociągów kur-sujących z prędkością wyższą niż 200 km/h.

10


Rys. 2 - Sieć kolejowa z dopuszczalnymi prędkościami Źródło: PTV VISUM - Zakład Logistyki i Systemów

Transportowych Wydział Transportu PW

W Polsce zaplanowano budowę linii „Y” łączącej Warszawę z Łodzią i dalej z Poznaniem oraz Wrocławiem, po której pociągi będą się przemiesz-czać z prędkością 300 km/h (rys. 3).

Rys. 3. Linie dużych prędkości na terenie Polski Źródło: PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.

Planowana długość linii to około 700 km. Li-nia miała zostać wybudowana 2025 r. Niestety na skutek sytuacji gospodarczo-politycznej zaniechano budowy linii. Dla porównania w Europie [5] w 2009 roku istniało 5566 km linii dużych prędkości, w bu-dowie jest 3474 km linii, natomiast zaplanowano do wybudowania 8501 km linii.

W 2025 roku sieć linii dużych prędkości w Europie ma osiągnąć 17541 km. Zaplanowana linia „Y” stanowiłaby 4% długości linii dużych prędkości w Europie. Należy zauważyć, że w Polsce były dobre pomysły na budowę linii dużych prędkości. Oddana w 1977 roku do użytku CMK (droga kolejowa 4 Grodzisk Mazowiecki – Zawiercie) została zaprojek-towana do kursowania pociągów z prędkością mak-

symalną 220 km/h. Niestety brak taboru, który mógł-by osiągnąć taką prędkość nie pozwolił na jazdę z taką prędkością. Stopniowe zużycie linii spowodowa-ło, że w ostatnich latach pociągi kursowały z prędko-ścią maksymalną 160 km/h. Aktualnie prowadzone są intensywne prace modernizacyjne i na większej czę-ści linii prędkość maksymalna została podniesiona do 200 km/h.

Z aktualnych inwestycji infrastrukturalnych na szczególną uwagę zasługuje budowa Pomorskiej Kolei Metropolitalnej Gdańsk Wrzeszcz – Gdańsk Port Lotniczy – Gdańsk Osowa/Rębiechowo. Jest to całkowicie nowa linia kolejowa, która ma zostać oddana do użytku we wrześniu 2015 roku.

Dostosowanie linii kolejowych do wyższych standardów w zakresie jakości infrastruktury wpływa znacząco na zmniejszenie czasów przejazdów dla wszystkich kategorii pociągów. Przekładem mogą być dane ze studium wykonalności dotyczące przy-stosowania Wrocławskiego Węzła Kolejowego (WrWK) do obsługi KDP. Analizie w trakcie wyko-nywania studium poddano cztery opcje:

− opcję bezinwestycyjną „0” (tzw. opcja „nic nie robić”) – dot. ukończenia rozpoczętych lub zaplanowanych modernizacji elementów infrastruktury transportowej WrWK oraz utrzymania linii kolejowych WrWK w ich obecnym lub uzyskanym (po ukończeniu za-planowanych prac) stanie. W opcji „0” nie przewiduje się budowy KDP,

− opcję inwestycyjną „1” (tzw. opcja „mini-mum”) – dot. przeprowadzenia rewitalizacji linii kolejowych w celu przywrócenia pier-wotnych parametrów technicznych i eksplo-atacyjnych linii kolejowych objętych stu-dium. W opcji „1” przewiduje się budowę li-nii kolejowej do portu lotniczego oraz budo-wę KDP,

− opcję inwestycyjną „2” oraz opcję inwesty-cyjną „3”, w których uwzględniono moderni-zację istniejącej lub budowę nowej infra-struktury kolejowej (w tym budowę lub przebudowę obiektów i stacji, modernizację istniejących lub budowę nowych odcinków linii kolejowych lub nowych linii kolejo-wych). W opcji „2” i „3”, tak jak w opcji „1”, założono budowę linii kolejowej do portu lotniczego oraz budowę KDP.

Zaproponowane prace modernizacyjne i rewi-talizacyjne na sieci kolejowej dla Wrocławskiego Węzła Kolejowego, pozwoliły na ocenę efektów m.in. w postaci redukcji czasów przejazdu na po-szczególnych odcinkach dla poszczególnych katego-rii pociągów (rys. 4 - rys.7).

11


Rys. 4 - Redukcja czasów przejazdu dla pociągów

regionalnych

Źródło: PTV VISUM - Zakład LiST WT PW


międzyregionalnych



kwalifikowanych



towarowych


Lp. Parametr 1996 1998 2002 2006 2010 2013 1 Długość linii czynnych [km] 22285 22113 20223 18964 19267 18533 2 Długość linii magistralnych [km] 4075 4075 4252 4249 4245 b.d. 3 Długość linii pierwszorzędnych [km] 10784 10821 10297 10103 10282 b.d. 4 Długość linii drugorzędnych [km] 4167 4115 3492 3408 3396 b.d. 5 Długość linii znaczenia miejscowego [km] 3259 3102 2182 1204 1353 b.d. 6 Długość linii zelektryfikowanych [km] 11626 11614 12005 11871 11916 11868

Tab. 1. Struktura linii kolejowej w Polsce na przełomie lat 1996 - 2013

3 ZMIANY W STRUKTURZE TABORU TRANSPORTU KOLEJOWEGO

Zmiany jakie zachodzą w transporcie szyno-wym, w zakresie dostosowywania się do oczekiwań klienta, dotyczą również taboru. Tabor to przede wszystkim wizerunek przewoźnika. Wpływa on m.in.

na ocenę podróży przez pasażerów. Należy zauwa-żyć, że w ostatnich latach rozpoczęła się rewolucja taborowa zarówno na kolei jak i ruchu tramwajowym. Stare pojazdy są modernizowane, pozyskiwany jest nowy tabor. Strukturę taboru na przełomie lat 2003-2013 przedstawiono w tab. 2.

Lp. Typ taboru 2003 2006 2009 2012 2013 1 Lokomotywy elektryczne 1 816 1 848 1 887 1 849 1 838 2 Lokomotywy spalinowe 2 405 1 969 2 531 2 264 2 194 3 Lokomotywy parowe 25 - - - - 4 Elektryczne zespoły trakcyjne 1 176 1 353 1 202 1 226 1 268 5 Spalinowe wagony silnikowe 21 95 131 209 221 6 Wagony towarowe 111532 103527 95462 91483 87726 7 Wagony osobowe 5 093 4 397 3 800 3 293 3 010

8 Wagony osobowe przystosowane do przewozu osób niepełnosprawnych - - - 63 73

9 Wagony składające się na zespoły trakcyjne 3 580 4 242 3 817 3 325 3 626

10 Zespoły trakcyjne i silnikowe przystosowane do przewo-zu osób niepełnosprawnych - - - 649 769

Tab. 2. Struktura taboru na przełomie lat 2003 - 2013

Źródło: opracowanie własne na podstawie Raportu GUS z 2003, 2006, 2009, 2012 i 2013 r.

12


Należy wspomnieć, iż parowozy obecnie wy-korzystywane są jedynie do prowadzenia pociągów turystycznych i stacjonują w Chabówce, Wolsztynie, Pyskowicach i Jaworzynie Śląskiej. Poza tym paro-wozy obsługują ruch turystyczny na kolejach wąsko-torowych. Co istotne liczba spalinowych wagonów silnikowych z roku na rok rośnie. Pojazdy te generują mniejsze koszty eksploatacyjne, dzięki temu mogą kursować na liniach mało-obciążonych.

W celu dostosowania do potrzeb rynku, tabor jest sukcesywnie odnawiany i dostosowywany do wymagań obowiązujących w UE. Prace moderniza-cyjne prowadzone są m.in. w zakładach PESA Byd-goszcz, ZNTK Mińsk Mazowiecki, NEWAG w No-wym Sączu i ZNLE Gliwice. Prace modernizacyjne lokomotyw elektrycznych polegają m.in. na {19] (rys. 8) zmianach wyglądu zewnętrznego, zmianach w konstrukcji mechanicznej (silniki, prędkościomie-rze, przetwornice, szafy napięcia), zainstalowaniu komputerowego systemu sterowania i diagnostyki, zabudowaniu klimatyzacji, regulacji oświetlenia, zmianie urządzeń radiołączności, zmianie pulpitu, wymianie foteli, montażu wycieraczek sterowanych elektrycznie, zapewnieniu izolacji termicznej i aku-stycznej kabiny. Podobnie modernizowane są loko-motywy spalinowe [12], [14] (rys. 9) oraz elektrycz-ne zespoły trakcyjne [18}.

Rys. 8 - Zmodernizowana lokomotywa elektryczna EU07A-495 przez IPS Tabor oraz ZNTK Oleśnica Źródło: http://www.tabor.com.pl/

Rys. 9 - Zmodernizowana lokomotywa spalinowa ST45-01 przez IPS Tabor oraz PESĘ Bydgoszcz

Źródło: http://www.tabor.com.pl/

Modernizacja elektrycznych zespołów trak-cyjnych polega m.in. na [18]: zmianie wyglądu ze-wnętrznego, dostosowaniu do potrzeb osób niepełno-sprawnych, zamontowaniu stojaków na rowery, za-stosowaniu rozruchu impulsowego i silników asyn-chronicznych, montażu gniazdek elektrycznych, bez-przewodowego dostępu do Internetu, wyposażeniu w drzwi odskokowo-przesuwne.

Istotną grupę taboru stanowią zespoły trak-cyjne napędzane silnikiem spalinowym. W grupie tej można wyróżnić spalinowe zespoły trakcyjne, wago-ny spalinowe i autobusy szynowe. Na terenie Polski największą liczbę poruszających się pojazdów sta-nowią te, które zostały wyprodukowane w zakładach PESA Bydgoszcz. Aktualnie produkowane pojazdy dostosowane są do potrzeb osób niepełnosprawnych (są nisko-wejściowe). Obowiązkowo wyposażone są w klimatyzację przestrzeni pasażerskiej oraz stojaki na rowery. Dodatkowym wyposażeniem montowa-nym w pojazdach są gniazdka elektryczne oraz bez-przewodowy dostęp do Internetu. Bezpieczeństwo w pojazdach zapewnia monitoring przestrzeni pasażer-skiej, dodatkowo zamontowany jest monitoring wspomagający pracę maszynisty. Podróż wspomaga głosowy oraz wizualny system informacji pasażer-skiej.

Należy zaznaczyć, że oprócz modernizacji ta-boru i zakupu spalinowych zespołów trakcyjnych dokonuje się zakupu nowych pojazdów, jak np. elek-trycznych zespołów trakcyjnych serii ED250 (PEN-DOLINO przez PKP Intercity) czy lokomotyw elek-trycznych.

Modernizacje i inwestycje taborowe można dostrzec także na rynku komunikacji tramwajowej. Stary tabor jest sukcesywnie wycofywany z eksplo-atacji (jak np. tramwaje typu 13N w Warszawie). Niektóre pojazdy są modernizowane w większym (ze zmianą wyglądu zewnętrznego i dostosowaniem do potrzeb osób niepełnosprawnych) lub mniejszym stopniu (bez zmiany wyglądu zewnętrznego). Dzięki środkom pomocowym z Unii Europejskiej kupowane są nowe pojazdy. W większości są one wyproduko-wane przez polskich producentów, takich jak: PESA Bydgoszcz, SOLARIS BUS & COACH Bolechowo, MODERTRANS Poznań czy ALSTOM-KONSTAL Chorzów. Pojazdy te są na ogół niskopodłogowe, jednoprzestrzenne i wyposażone w klimatyzację w przestrzeni pasażerskiej. Co ważne posiadają udo-godnienia dla niepełnosprawnych. W wybranych miastach nowoczesne tramwaje posiadają wydzielone miejsce do przewozu rowerów oraz automaty bileto-we wewnątrz pojazdu. Niektóre modele mogą być dwukierunkowe i posiadać superkondensatory umoż-liwiające rekuperację energii. Bezpieczeństwo pasa-żerów zapewnia monitoring pojazdu, natomiast

13


podróż wspomaga głosowy oraz wizualny system informacji pasażerskiej.

Nowoczesny tabor kursuje także po liniach Metra Warszawskiego. Ostatnia duża inwestycja taborowa związana była z uruchomieniem II linii. Tabor cechuje się przede wszystkim dużą pojemnością oraz dobrą wymianą pasażerską. Mimo, że dużą część taboru stanowią wagony produkcji rosyjskiej, są one przystosowane do podróży osób niepełnosprawnych. Jednym z podstawowych wymogów zapewnienia komfortu podróżujących jest zapewnienie odpowiednio częstej wymiany powietrza, dlatego pojazdy wyposażone są w odpowiedni system wentylacji. Wysokość podłogi wagonu jest zrównana z wysokością peronu. Podróż wspomaga głosowy oraz wizualny system informacji pasażerskiej.

4 NOWE ROZWIĄZANIA W KOMUNIKACJI MIEJSKIEJ - NOWOCZESNE SZYBKIE TRAMWAJE I METRO

Dokonując analizy zmian w transporcie szy-nowym należy podkreślić rolę komunikacji tramwa-jowej. Tramwaj pozwala na szybkie przemieszczanie się po obszarach miejskich.

W większości miast torowisko jest wydzielo-ne, co daje przewagę środkom transportu szynowego nad transportem drogowym, ze względu na coraz większa kongestię w ruchu miejskim. Ostatnio ob-serwowany jest trend rozwoju sieci tramwajowej w Polsce. Tramwaje kursują w 14 polskich miastach. W dziewięciu z nich sieć tramwajowa stale jest rozwija-na. W pięciu miastach na chwilę obecną budowane są nowe linie. Nie można tego powiedzieć o konurbacji górnośląskiej, gdzie od kilku lat likwidowane są linie tramwajowe.

We wszystkich miastach, gdzie istnieją tram-waje prowadzone są prace rewitalizacyjne lub mo-dernizacyjne. Na początku XXI wieku, dzięki pomo-cy Unii Europejskiej nastąpił znaczy rozwój sieci tramwajowych w Polsce. W zakresie budowy no-wych linii tramwajowych można wyróżnić takie mia-sta jak:

− Bydgoszcz, gdzie w listopadzie 2012 r. za-kończono odbudowę linii tramwajowej od przystanku Garbary do Dworca Głównego PKP i dobudowanie odcinka do pętli Rycer-ska; w październiku 2013 r. podpisano umo-wę na budowę linii tramwajowej do Fordonu (od pętli Wyścigowa),

− Częstochowa, gdzie we wrześniu 2012 roku zakończono budowę linii tramwajowej od przystanku Estakada do pętli Stadion Raków,

− Elbląg, gdzie systematycznie sieć jest rozbudowywana,

− Gdańsk, gdzie w 2012 roku otwarto trasę od przystanku Brama Wyżynna przez pętlę Chełm Witosa (2007) do pętli Łostowice Świętokrzyska; we wrześniu 2015 roku ma być oddany do użytku kolejny odcinek – od pętli Siedlce do przystanku Pomorskiej Kolei Metropolitalnej Brętowo,

− Kraków, gdzie w 2010 roku oddano odcinek od przystanku Rondo Grzegórzeckie do pętli Mały Płaszów, a w 2012 roku otwarto trasę od przystanku Kobierzyńska do pętli Czer-wone Maki; na uwagę zasługuje także budo-wa tunelu Krakowskiego Szybkiego Tram-waju między przystankiem Rondo Mogilskie a pętlą Dworzec Towarowy; w 2015 roku ma być oddany do użytku kolejny odcinek – od pętli Dworcowa do przystanku Lipska,

− Olsztyn, gdzie tramwaje istniały do 1965 ro-ku; w roku 2012 rozpoczęto odbudowę sieci tramwajowej – planowany termin zakończe-nia inwestycji to 2015 rok,

− Poznań, gdzie w 2012 roku otwarto trasę od przystanku Marcinkowskiego przez pętlę Osiedle Lecha (2007) do pętli Franowo, a w 2013 roku przedłużenie Poznańskiego Szyb-kiego Tramwaju od przystanku Most Te-atralny do przystanku Dworzec Zachodni,

− Toruń, gdzie w 2014 roku zakończono bu-dowę linii tramwajowej od przystanku Sien-kiewicza do pętli Uniwersytet,

− Warszawa, gdzie w 2014 roku zakończono budowę linii tramwajowej od przystanku Za-jezdnia Żoliborz do pętli Tarchomin Kościel-ny, a w 2015 roku otwarto fragment linii tramwajowej od przystanku Bemowo Ratusz do przystanku Radiowa. W rozwiązywaniu problemów komunikacyj-

nych w dużych aglomeracjach miejskich projektuje się metro. W Polsce aktualnie metro funkcjonuje jedynie w Warszawie ale budową podziemnej kolejki zainteresowane jest miasto Kraków, którego studium wykonalności ma zostać wykonane do 2017 roku oraz Wrocław. W Warszawie do 2015 roku funkcjo-nowała tylko jedna linia – M1 z Kabat przez Poli-technikę (1995), Centrum (1998), Ratusz (2001), Dworzec Gdański (2003), Plac Wilsona (2005), Ma-rymont (2006), Słodowiec (2008), do Młocin (2008). W marcu 2015 roku otwarto drugą linię (według do-kumentacji projektowej jest to trzecia linia metra) Połczyńska – Bródno na odcinku Rondo Daszyńskie-go – Dworzec Wileński. Do 2017 roku ma zostać wybudowana część w kierunku Bemowa, natomiast do 2020 roku w kierunku Bródna.

Alternatywą dla metra jest system premetra, czyli tramwajów kursujących po bezkolizyjnych od-cinkach. Odcinki te na etapie budowy mogą zostać

14


przystosowane do późniejszego włączenia w sieć metra. Zasadniczo odchodzi się od tej koncepcji i na bazie idei metra tworzy się trasy szybkiego tramwaju, w których skrzyżowania z innymi drogami wykonane są w układzie wielopoziomowym, co umożliwia osiągnięcie wyższych prędkości poruszania się. W Polsce istnieją dwa systemy premetra: Poznański Szybki Tramwaj (PST) i Krakowski Szybki Tramwaj (KST). 5 DOSTOSOWYWANIE INFRASTRUKTURY

DODATKOWEJ DO OCZEKIWAŃ PASA-ŻERÓW TRANSPORTU SZYNOWEGO

Jak już wspomniano w punkcie 1 i 2 istotne znaczenie w sprawnym przemieszczaniu pasażerów i ładunków mają zintegrowane węzły przesiadkowe w przewozach pasażerskich i punkty przeładunkowe typu centra logistyczne czy terminale intermodalne w przewozach ładunków. Węzły te integrują różne środki transportu, dzięki czemu jest możliwość zmia-ny środka transportu w obrębie takiego węzła.

Wymagania rynkowe, nowe standardy obsłu-gi klienta spowodowały bardzo duże zmiany w infra-strukturze dodatkowej transportu szynowego. Doty-czy to zintegrowanych węzłów komunikacyjnych, składających się, na ogół, z dworca kolejowego, przystanku bądź dworca autobusowego oraz przy-stanków komunikacji miejskiej (tramwajowych i autobusowych) i stacji metra. Działania dotyczą bar-dzo często całkowitej przebudowy dworca kolejowe-go. Budynki dworca są odnawiane i przywracana jest im dawna świetność. Tak dzieje się zarówno w du-żych miastach, gdzie prowadzony jest ruch kolejowy o dużym natężeniu jak np. w Krakowie, Wrocławiu (rys. 10), Poznaniu czy Warszawie jak i w mniej-szych miastach, gdzie natężenie ruchu kolejowego jest mniejsze jak np. w Nowym Sączu (rys. 11) czy Kłodzku.

Rys. 10 - Dworzec Wrocław Główny po remoncie Źródło: http://www.wroclaw.pl/

Rys. 11 - Dworzec Nowy Sącz po remoncie Źródło: http://budownictwo.inzynieria.com/

Co istotne budowana lub modernizowana in-frastruktura dworcowa i otoczenia dworca dostoso-wywana jest dla pasażerów podróżujących z małym dzieckiem, z dużym bagażem oraz dla osób o ograni-czonej mobilności lub osób poruszającymi się na wózku, np. rozwiązania ułatwiające dostanie się na peron, zwłaszcza osób niepełnosprawnych, na mo-dernizowanych liniach kolejowych realizowane jest

zazwyczaj z wykorzystaniem dźwigów osobowych. W przypadku gdy nie zastosowano wind na schodach umieszczane są pochylnie lub taśmy jak zastosowano na stacji Wrocław Główny, które służą do wwie-zienia bagażu z tunelu na peron.

Ponadto można zauważyć łączenie wielko-powierzchniowych obiektów handlowych z dworcami kolejowymi, np. w Warszawie (połącze-nie CH Złote Tarasy z dworcem Warszawa Central-na) czy w Poznaniu (połączenie Poznań City Center z dworcem Poznań Główny).

Zmiany dostosowania do oczekiwań klientów dotyczą również przystanków tramwajowych i auto-busowych. Przystanki te sukcesywnie wyposażane są w wiaty ochronne oraz barierki zabezpieczające przed wejściem na jezdnię, elementy ułatwiające przemieszczanie się osobom niepełnosprawnym. Wprowadza się nowe systemy informacji dotyczące czasu oczekiwania i odjazdu np. tramwaju czy auto-busu z danego przystanku.

6 WPROWADZANIE INNOWACJI SZANSĄ DLA POLSKIEGO TRANSPORTU SZY-NOWEGO

6.1 Potencjał innowacyjny w Polsce w zakresie transportu szynowego

Problemy związane z wdrażaniem innowa-cyjnych rozwiązań na kolei w Polsce związane są z potencjałem innowacyjnym, który musi być rozpa-trywany:

1. Od strony popytowej – kolej i jej gotowość do wdrażania innowacyjnych rozwiązań. 2. Od strony podażowej – podaż wiedzy i

rozwiązań innowacyjnych ze strony przed-stawicieli nauki – instytutów badawczych i uczelni.

Z dwoistości problemu wynika ścisły charak-ter koniecznej współpracy. Jednostki naukowe, które powinny być źródłem wiedzy i rozwiązań technicz-nych, często istnieją i pracują w pewnym odosobnie-niu od potrzeb praktycznych. Prace badawcze nie zawsze ściśle ukierunkowane są na rozwiązywanie konkretnych problemów systemu kolejowego w Pol-sce. Natomiast badania prowadzone przez ośrodki

15


naukowe, w dużej części, są wynikiem samodzielne-go dostrzeżenia problemu na kolei i rozpoznania tematu badań przez ośrodek.

Inicjatywa, w zakresie potrzeb kolei, powinna pochodzić od zarządców kolei, spółek kolejowych i innych podmiotów, co znacznie zwiększyłoby efek-tywność prowadzonych badań i skutkowało obopólną korzyścią. Brak ścisłej współpracy kolei związany jest z zachowawczym podejściem kolei w pewnych kwestiach. Kolej powinna znacznie bardziej dobitnie artykułować swoje potrzeby oraz precyzować wyma-gania. Większe zaangażowanie kolei powinno obej-mować:

1. Zwiększenie liczby zleceń na prace badawcze. 2. Utworzenie i ciągłe aktualizowanie hierarchicz-

nej listy problemów i zagadnień, które powinny być przedmiotem badań naukowych – poten-cjalnych rozwiązań innowacyjnych.

Wymienione podpunkty 1 i 2 są ze sobą ściśle powiązane. Niestety, aktualnie obserwowany jest napływ gotowych rozwiązań zagranicznych, które wdrażane są przez koleje w Polsce, co zmniejsza zakres prowadzonych badań. Analogicznie rozwiąza-nia rozwijane w Polsce są transferowane poza granice kraju. Najlepszym przykładem tego typu działań są prace prof. Mirosławy Dąbrowy-Bajon z Wydziału Transportu PW, które w swoim czasie znacznie wy-przedzały pod względem zaawansowania rozwiąza-nia zagraniczne. Analogiczne rozwiązania dotyczą systemów monitorowania stanu infrastruktury kole-jowej i stanu technicznego taboru. Nowe technologie trafiają do zagranicznych przedsiębiorstw kolejo-wych, omijając polskie spółki.

Z natury rzeczy resortowe instytuty badawcze są lepiej przygotowane do prowadzenia rozwiniętych badań nad technologiami innowacyjnymi. Dysponują laboratoriami i torami testowymi. Ich działalność polega głównie na rozwoju technologii. Uczelnie wyższe działają szerzej na polu dydaktyki, muszą więc rozwijać infrastrukturę badawczą, w tym labora-toria dostosowując je jednocześnie do wymogów dydaktyki. Dobrym przykładem takiego działania jest Wydział Transportu PW, który wykorzystując środki finansowe NCBR oraz środki unijne rozwija istnieją-cą bazę laboratoryjną, w tym nowoprojektowane laboratorium Organizacji Ruchu Kolejowego i Za-rządzania Procesem w Transporcie Intermodalnym, które będzie wyposażone w:

− makietę kolejową z terminalem intermodal-nym zintegrowaną z nowoczesnym, w pełni automatycznym systemem sterowania ru-chem kolejowym na szlakach i stacjach kole-jowych wykorzystywanym do prowadzenia ruchu na sieci kolejowej Polski.

− oprogramowanie służące do kompleksowej organizacji ruchu kolejowego na sieci kole-jowej (konstrukcja rozkładu jazdy pociągów, zarządzanie terminalem intermodalnym) oraz zarządzania ruchem na sieci kolejowej. Oprogramowanie to jest wykorzystywane przez zarządców infrastruktury i przewoźni-ków kolejowych w Polsce.

6.2. Przygotowanie kadr a rozwiązania innowa-cyjne w transporcie szynowym

Warunkiem powstawania i wdrażania rozwią-zań innowacyjnych są dobrze przygotowane kadry. Przygotowanie kadr leży w gestii:

− sektora transportu szynowego – kierowanie pracowników na kursy oraz studia, a także staranna selekcja pracowników zatrudnia-nych pod względem ich wykształcenia, szko-lenia wewnętrzne, transfer wiedzy od innych dostawców usług kolejowych, własne ko-mórki badawcze.

− uczelni wyższych o określonym profilu na-ukowym, posiadających odpowiednie zaple-cze dydaktyczno-laboratoryjne, kształcących kadry zarządzające oraz podejmujące prace rozwojowe i badawcze.

− szkół średnich dających wykształcenie tech-niczne.

Możliwości ośrodków kształcenia kadr po-winny być rozważane w aspekcie ilościowym (wy-starczająca liczba miejsc dla kandydatów określona zgodnie z zapotrzebowaniem rynku) oraz jakościo-wym (poziom kształcenia oraz adekwatny do potrzeb zakres kształcenia). Przygotowanie kadr powinno być realizowane w powiązaniu w następujących obsza-rach: technicznym, organizacyjnym, eksploatacyj-nym, ekonomicznym, prawny.

Objęcie tak szerokiego zakresu zagadnień można osiągnąć przez tworzenie:

− ukierunkowanych wyłącznie na problemy transportu szynowego międzywydziałowych kierunków studiów, lub

− poprzez konstruowanie branżowego progra-mu kształcenia, który koordynowałby odgór-nie działania ośrodków akademickich z zapo-trzebowaniem na specjalistów z dziedzin po-krewnych sektora transportu szynowego. Próby tego typu działania podejmowane były

przez Wydział IV Nauk Technicznych PAN przy okazji rozwijania programu budowy kolei dużych prędkości w Polsce. Ze względu na trudności tech-niczne z realizacją tego programu oraz ogólny brak spójnej wizji uwarunkowań naukowych i edukacyj-nych realizacji programu, próby te nie znalazły szan-sy przełożenia na fazę współpracy kolei z ośrodkami

16


akademickimi.

Ważnym elementem wprowadzania innowa-cyjności jest popularność dyscyplin naukowych związanych z problemami transportu szynowego. Klimat polityczny, koniunktura na rynku transporto-wym oraz perspektywy zatrudnienia nie sprzyjają popularności dyscyplin naukowych (a tym samym kierunków kształcenia) związanych z sektorem trans-portu szynowego, zwłaszcza z koleją. Skutkuje to negatywnymi zjawiskami takimi jak:

− spadek popularności kierunków kształcenia związanych z koleją.

− pogorszeniem się jakości kształcenia związa-nej z pewnego rodzaju „negatywną” selekcją kandydatów.

− spadkiem prestiżu zawodu „kolejarza”.

Kontrprzykładem dla tego trendu jest pro-gram budowy dróg ekspresowych i autostrad, który – chociaż nie pozbawiony wad – widoczny jest w me-diach oraz w skutkuje nowymi inwestycjami drogo-wymi, które silnie oddziałują na poczucie wzrostu jakości życia. Takie działanie przyciąga studentów, którzy decydują się na kształcenie związane z trans-portem drogowym i infrastrukturą drogową (co po-twierdzają obserwacje poczynione na Politechnice Warszawskiej oraz na Politechnice Wrocławskiej) i wynikający z tego rozwój bazy naukowej.

6.3. Polski przemysł a potencjał innowacyjności

Przemysł i transport szynowy to układ naczyń połączonych. Nie można rozpatrywać ich oddzielnie, w związku z tym uzasadnione jest poszukiwanie ko-relacji między poziomem innowacyjności w przemy-śle a poziomem innowacyjności na kolei. Odpowiedź na pytanie o poziom innowacyjności w przemyśle nie jest oczywista, przy czy nie jest ona także negatywna. W unijnej tablicy wyników innowacyjności z 2013 r. państwa członkowskie zostały podzielone na cztery grupy:

− liderzy innowacji: Szwecja, Niemcy, Dania i Finlandia – to kraje osiągające wyniki znacz-nie powyżej średniej UE;

− kraje doganiające liderów: Holandia, Luk-semburg, Belgia, Wielka Brytania, Austria, Irlandia, Francja, Słowenia, Cypr i Estonia – wszystkie osiągnęły wynik powyżej średniej UE;

− umiarkowani innowatorzy: Włochy, Hiszpa-nia, Portugalia, Czechy, Grecja, Słowacja, Węgry, Malta i Litwa – wyniki poniżej śred-niej UE;

− innowatorzy o skromnych wynikach: wy-niki w Polsce, na Łotwie, w Rumunii i Bułgarii są znacznie niższe od średniej UE.

Unijna tablica wyników innowacyjności opie-ra się obecnie na 24 wskaźnikach, które są pogrupo-wane w trzy główne kategorie i osiem wymiarów:

− „warunki podstawowe” – podstawowe ele-menty, które umożliwiają innowacje (zasoby ludzkie, otwarte, doskonałe i atrakcyjne sys-temy badań oraz finansowanie i wsparcie);

− „działalność przedsiębiorstw” – kategoria odzwierciedlająca wysiłki europejskich przedsiębiorstw w zakresie innowacji (ich inwestycje, powiązania i przedsiębiorczość, aktywa intelektualne); oraz

− „produkty”, które pokazują, jak innowacje przekładają się na korzyści dla całej gospo-darki (innowatorzy i skutki gospodarcze, w tym zatrudnienie).

Najbardziej innowacyjne kraje UE wykazują pewną liczbę wspólnych mocnych stron w zakresie krajowych systemów badań i innowacji, wśród któ-rych znajduje się kluczowa rola innowacyjnej przed-siębiorczości i szkolnictwa wyższego. Sektory go-spodarki wszystkich liderów innowacji osiągają bar-dzo wysokie wskaźniki nakładów na badania nauko-we i rozwój oraz przodują w składaniu wniosków patentowych. W krajach tych istnieje również dobrze rozwinięty sektor szkolnictwa wyższego oraz ścisłe powiązania między przemysłem i nauką.

Istnieją oczywiście przykłady pozytywne rozwoju innowacji na rynku kolejowym. Firma Vo-estalpine TENS Sp. z o.o. jest firmą inżynierską, nastawioną na stały rozwój, postęp techniczny i or-ganizacyjny, innowacyjność. Firma współpracuje z wieloma ośrodkami naukowymi i instytutami badaw-czymi, a także bierze czynny udział w konferencjach naukowych i publikuje swoje rozwiązania proble-mów technicznych i naukowych. Firma proponuje rozwiązania m.in. z zakresu: diagnostyki na potrzeby utrzymania i produkcji taboru, detekcji stanów awa-ryjnych w taborze podczas jazdy, systemów automa-tycznego rozrządzania i technik rozjazdowych.

Firma wdrożyła rozwiązania na polskich ko-lejach, takie jak np. stanowisko diagnostyczne do ważenia i pomiaru nacisków lokomotyw i wagonów TENSAN zamówione przez Spółka PKP CARGO TABOR – KARSZNICE Sp. z o.o.

Innym pozytywnym przykładem może być współdziałanie Instytutu Kolejnictwa zaangażowane-go w testy pociągów Pendolino. W ramach testów

7 WNIOSKI

Wymagania rynkowe i nowe standardy ob-sługi klienta nakładają na transport szynowy wymóg dostosowania się do potrzeb i oczekiwań klienta. Rozwój transportu lotniczego w zakresie komunikacji krajowej oraz rozwój prywatnych przewoźników

17


autobusowych wymusił na transporcie kolejowym wejście w fazę gruntownego rozwoju. Zmiany dotyczą wszystkich obszarów działalności.

Działania podejmowane przez transport szy-nowy w ostatnich latach skupiają się przede wszyst-kim na dostosowaniu oferowanych usług do oczeki-wań rynku. Wymaga to od decydentów transportu szynowego wykorzystania innowacyjnych rozwiązań umożliwiających projektowanie nowoczesnej infra-struktury, stosowanie technologii informatycznych wspomagającej podejmowanie decyzji w różnych obszarach funkcjonowania oraz efektywnej alokacji dostępnych zasobów finansowych. Wszystkie działa-nia sektora transportu szynowego powinny prowadzić do:

− zapewnienia konkurencyjności kolei w wy-branych segmentach przewozów,

− podnoszenia jakości obsługi klientów przez przewoźników kolejowych,

− szybszej i efektywniejszej modernizacji in-frastruktury transportu szynowego oraz wy-miany taboru na nowoczesny,

− dostosowywanie infrastruktury dodatkowej do nowych trendów i oczekiwań użytkowni-ków tego sektora, np. zintegrowane węzły przesiadkowe zapewniające integrację róż-nych środków transportu,

− wprowadzania nowoczesnych rozwiązań w komunikacji miejskiej np. z zastosowaniem nowoczesnych szybkich tramwajów czy me-tra.

Wymagania rynkowe, nowe standardy obsłu-gi klienta spowodowały bardzo duże zmiany w infra-strukturze dodatkowej transportu szynowego, np. powstawanie zintegrowanych węzłów komunikacyj-nych. Działania w tym zakresie dotyczą bardzo czę-sto całkowitej przebudowy dworca kolejowego i jego otoczenia. Infrastruktura staje się bardziej przyjazna dla pasażerów podróżujących z małym dzieckiem, z dużym bagażem oraz dla osób o ograniczonej mobil-ności lub osób poruszającymi się na wózku. Następu-je łączenie wielkopowierzchniowych obiektów han-dlowych z dworcami kolejowymi, np. w Warszawie (połączenie CH Złote Tarasy z dworcem Warszawa Centralna) czy w Poznaniu (połączenie Poznań City Center z dworcem Poznań Główny).

Bibliografia [1] Bałuch H. i in.: Leksykon terminów kolejowych.

Warszawa, 2011. [2] Coase R.: The Problem of Social Cost. Journal of

Law and Economics, 1960, nr 3, s. 1-14. [3] Główny Urząd Statystyczny: Transport. Wyniki

działalności w 2013 r. Warszawa, 2014r. [4] Jacyna M., Basiewicz T., Gołaszewski A.:

Parametry infrastruktury transportu dla tworzenia modelu systemu logistycznego w Polsce. Problemy Kolejnictwa, 2012, z. 154, str. 5-26.

[5] Jakubowski L.: Technologia prac ładunkowych. Warszawa, 2009.

[6] Keller D.: Dzieje kolei w Polsce. Rybnik, 2012. [7] Krukowski P., Olszewski P., Wapniarski M.:

Wskaźniki oceny węzłów przesiadkowych. Dostępny on-line: http://www.niches-transport.org/.

[8] Korzhenevych A.: Update of the Handbook on External Costs of Transport. Londyn, 2014.

[9] PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.: Program budowy linii dużych prędkości w Polsce. Uwarunkowania społeczne i ekonomiczne. Warszawa, 2010 r.

[10] PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.: Raport roczny 2013. Warszawa, 2014 r.

[11] Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 9.10. 2012 r. w sprawie planu zrównoważonego rozwoju publicznego transportu zbiorowego w zakresie sieci komunikacyjnej w międzywojewódzkich i międzynarodowych przewozach pasażerskich w transporcie kolejowym (Dz. U. 2012, poz. 1151).

[12] Smolana A., Dyląg W.: Koncepcja i realizacja modernizacji lokomotywy ST-44. Technika transportu szynowego, 2005, nr 9, s. 9 – 12.

[13] Stiasny M., Danyluk Z.: Atlas sieci tramwajowych Polski 2014. Rybnik 2013.

[14] Terczyński P.: Zmodernizowana lokomotywa SM42 typu 6Dg PKP Cargo. Świat kolei, 2011, nr. 1, s.12-13.

[15] Ustawa z dnia 15 listopada 1984 r. Prawo przewozowe (Dz. U. 1984, nr 53, poz. 272, z późn. zm.).

[16] Ustawa z dnia 16 grudnia 2010 r. o publicznym transporcie zbiorowym (Dz. U. 2011, nr 5, poz. 13, z późn. zm.).

[17] http://metro.waw.pl/ [18] http://pl.wikipedia.org/wiki/EN57 [19] http://pl.wikipedia.org/wiki/Pafawag_4E/HCP_303E [20] http://pl.wikipedia.org/wiki/Pesa_Swing

18


dr hab.inż. Adam Szeląg, prof. PW doc. dr inż. Tadeusz Maciołek Politechnika Warszawska

Rozwiązania techniczne w układach zasilania poprawiające

efektywność energetyczną transportu szynowego

W artykule przedstawiono zagadnienia dotyczące zużycia energii przez transport zelektryfikowany. Omówiono wpływ różnych czynników decydujących o efektyw-ności energetycznej transportu. Podkreślono rozwiązania techniczne stosowane w celu zmniejszenia zużycia energii transporcie poprzez zmniejszenie strat przesyło-wych i przetwarzania, a w szczególności zwiększające wykorzystanie energii ha-mowania odzyskowego. Główny nacisk położony został na tematykę zastosowania falowników w podstacjach trakcyjnych w celu przesyłu nadwyżkowej energii ha-mowania odzyskowego do sieci prądu przemiennego. Omówiono uwarunkowania tego rozwiązania, przedstawiono wyniki przeprowadzonych w studium przypadku analiz oraz zasygnalizowano problemy, z jakimi mogą spotkać się operatorzy sys-temów transportu elektrycznego przy wdrażaniu tego typu rozwiązania.

1. Zużycie energii przez elektryczne pojazdy trakcyjne

Ruchowi pojazdu przeciwstawiają się zewnętrzne siły - opory trakcji (ruchu) W będące sumą tzw. zasadni-czych (podstawowych) Wv (niezależnych od trasy) i oporów lokalnych (dodatkowych) Ws., które występują na pewnych odcinkach trasy lub w pewnych określo-nych warunkach środowiskowych. Aby utrzymać ruch pojazdu ze stałą prędkością napęd pojazdu musi wy-tworzyć siłę trakcyjną równoważącą opory trakcji. Zużycie energii Etr elektrycznej pobranej z sieci zasilającej dla pojazdów sieciowych (lub ze źródła energii na pokładzie w pojazdach autonomicznych) na potrzeby trakcyjne (pojazd pobiera również z sieci energię En na potrzeby nietrakcyjne, urządzenia własne i pomocnicze) w poszczególnych fazach ruchu możemy wyznaczyć z następujących zależności:

- dla fazy rozruchu Etr

Etr = tr ·Pmsrr /ηsrr (1) gdzie: Pmśrr – moc mechaniczna średnia rozwijana na kołach w okresie rozruchu, ηsrr - średnia sprawność przetwarzania energii elektrycznej w energię mecha-niczną ‘na kołach’ w pojeździe w okresie rozruchu, tr – czas rozruchu;

- dla fazy jazdy z prędkością ustaloną Etu:

Etu = tu Pmu/ηsru (2)

gdzie: Pmu – moc mechaniczna średnia rozwijana na kołach w okresie jazdy z prędkością ustaloną

(v = const), tu – czas jazdy z prędkością ustaloną, ηsru - średnia sprawność przetwarzania energii elektrycznej w energię mechaniczną ‘na kołach’ w pojeździe w trakcie jazdy z prędkością ustaloną,

- w fazie wybiegu: brak poboru energii na po-trzeby trakcyjne,

- w fazie hamowania: gdy stosowane jest hamowanie odzyskowe istnieje możliwość odzyskania energii – przetworzenie energii mechanicznej na elektryczną Eo (praca generatorowa maszyny elektrycznej, pod warunkiem, że znajdzie się odbiór tej energii – inny pojazd pobierający prąd z sieci lub zasobnik energii, w innym przypadku ta energia zostanie wytracona w rezystorze hamowania):

Eo = ½ mp (vp2 - vk

2) · ηo (3) gdzie: vp – prędkość początku hamowania odzyskowe-go, vk – prędkość końca hamowania odzyskowego, ηo - średnia sprawność przetwarzania energii mechanicz-nej w elektryczną w trakcie hamowania elektrycznego. Jeśli czas hamowania wynosi th, to średnia moc ha-mowania wyniesie: Psrh = Eo/th, zakładając zmienność tej mocy od Phmax do 0 w czasie th, wtedy Phmax = 2 Pśrh. Całkowite zużycie energii na potrzeby trakcyjne w danym cyklu jazdy pojazdu trakcyjnego wyniesie za-tem:

Et = Etr+Etu-Eo (4)

19


Energię na potrzeby nietrakcyjne En można wyznaczyć wykorzystując średnią moc potrzeb nietrakcyjnych Pnsr dla cyklu jazdy:

En = Pnsr (tr+tu+tw+th) (5) gdzie: tw- czas jazdy z wybiegu (wybiegiem). Parametrem charakteryzującym energochłonność po-jazdów trakcyjnych jest jednostkowe zużycie energii jze podawane w [Wh/btkm] lub [kWh] na [brutto to-nokm] – (najbardziej ogólne) lub dla pojazdów pasa-żerskich w [Wh/(1000 pasażerokm)] albo (dla jedno-stek trakcyjnych i tramwajów) w [Wh/wozokm]. Jed-nostkowe zużycie energii może być podawane z uwzględnieniem lub nie energii potrzeb nietrakcyj-nych En. Wyznacza się je wykorzystując dane doty-czące: całkowitej zużytej energii Ec=Etr+En), długości trasy L i masy brutto m (lub liczby pasażerów, liczby wozów). Poniżej podany jest wzór dla przypadku wy-znaczania jze tylko na cele trakcyjne:

jze = Ec/(m L) [Wh/btkm] (6)

2. Metody zmniejszenia zużycia energii w transpor-cie elektrycznym 2.1 Metody zmniejszania zużycia energii na cele trakcyjne pojazdu [4,9,10,14,18,19,24, 26,27,28] Zmniejszanie oporów ruchu można przeprowadzać na etapach: - konstrukcji taboru (zmniejszenie masy i nacisku na oś, stosowanie łożysk tocznych, uresorowanie, stoso-wanie wózków miękko wpisujących się w łuki, tabor z wychylnym pudłem, opływowe kształty, budowa po-ciągów zespołowych zamiast lokomotywowych) - budowy trasy (likwidacja łuków, odpowiednie pro-filowanie, tor bezstykowy eliminacja rozjazdów), - eksploatacji taboru (regulacja hamulców, odpo-wiednie smarowanie części ciernych i zestawów ko-łowych, prawidłowe ciśnienie w kołach pojazdów drogowych, kontrola owalizacji kół, jazda z prędko-ścią zbliżoną do średniej i wg zadanego, optymalnego dla trasy profilu prędkości, zapełnienie wagonów, prawidłowe zestawianie składów i stosowanie wago-nów krytych, zamykanie drzwi i okien, wyłączanie pracujących na jałowo urządzeń w taborze) i trasy (smarowanie szyn na łukach, wymiana uszkodzonych i zużytych szyn).

2.2 Oszczędności w układach przesyłu i przetwa-rzania energii Układ zasilania pojazdów w energię elektryczną jak i obwód główny mają istotny wpływ na sprawność do-stawy i przetwarzania energii elektrycznej [10,21,22,23,24,25]. Podstawę stanowią straty przesy-łowe, uzależnione od pobieranych prądów i rezystan-cji obwodów oraz straty w układach przetwarzania energii elektrycznej, które w ostatnich latach mają

charakter energoelektronicznych układów łączenio-wych. Od dawna w celu zmniejszenie strat przesyło-wych zwiększano napięcie sieci trakcyjnej oraz zmniejszano rezystancję w obwodzie zasilania poprzez stosowanie:

• odpowiednich schematów zasilania (zasilanie dwustronne, stosowanie połączeń poprzecz-nych),

• większych przekrojów sieci trakcyjnej czy zmianę stosowanych materiałów (np. szyna o zmniejszonej rezystancji, stalowo-aluminiowa w metrze),

• poprawę charakterystyki źródła zasilania (ze-społy o większej liczbie pulsów, wyższe na-pięcie zasilania podstacji).

2.3 Zwiększenie wykorzystania energii hamowania odzyskowego Zastosowanie maszyny elektrycznej do napędu pojaz-du pozwala wykorzystać możliwość jej pracy w trybie silnikowym i generatorowym w trakcie hamowania elektrycznego. Z historii rozwoju trakcji elektrycznej wiadomo, że hamowanie elektryczne zaczęto stosować na liniach o znacznych profilach w celu zapewnienia efektywności hamowania i zmniejszenia zużycia hamulców mecha-nicznych, odzysk energii nie był wtedy istotny. W przypadku pracy w tunelach, hamowanie odzyskowe wpływa także pozytywnie na utrzymanie stałej tempe-ratury, na skutek mniejszego użycia hamulców me-chanicznych (np. klimatyzacja w metrze). Odzyski-wanie energii mechanicznej w trakcie hamowania pojazdu jest obecnie rozwiązaniem powszechnie wy-korzystywanym w napędach elektrycznych [2,11,12,16,24]. Hamowanie odzyskowe daje w efekcie mniejsze zuży-cie energii, ale w przypadku rzadkich zatrzymań oszczędności ze stosowania hamowania odzyskowego nie będą zbyt wielkie (ok. kilku procent). Z kolei każ-de dodatkowe zatrzymanie na trasie zmniejsza nie tylko średnią prędkość, ale powoduje wzrost zużycia energii. Ponadto warunkiem uzyskania oszczędności jest, aby w pobliżu hamującego odzyskowo pociągu znajdował się pociąg pobierający energię w tym sa-mym czasie. W trakcji kolejowej ze względu na znaczne odstępy między pociągami i nieregularny ruch dość często zdarzają się przypadki, że rekuperowana energia z hamującego pojazdu nie jest odbierana przez inny pojazd. Wynika to również z faktu, że rozruch lub jazda z poborem dużej energii trwają bardzo krótko w stosunku do całkowitego czasu przejazdu. Długość odcinków sekcyjnych oraz ograniczenie poziomów napięć w praktyce wyklucza wykorzystanie odzyski-wanej energii przez pociągi znajdujące na tej samej linii, ale daleko od pociągu hamującego. Zwiększenie efektywności hamowania odzyskowego uzyskuje się przez:

20


• umożliwienie wymiany pomiędzy pojazdami (odpowiedni rozkład jazdy, sterowanie zorien-towane na wymianę energii pomiędzy pojaz-dami),

• zasobniki energii na pojazdach i w układzie zasilania [1,2,5,11,12,16,27,28].

• falowniki w podstacjach prądu stałego [3,6,7,8,11,13,15,17,20,25,27,28].

Przewidywanie rodzaju rozwiązania, celowości zasto-sowania, umiejscowienia ewentualnych zasobni-ków/falowników energii nie jest możliwe bez prze-prowadzenia szczegółowych analiz technicznych, ekonomicznych dla określonych przypadków. Roz-wiązaniem korzystnym technicznie – szczególnie dla lokomotyw byłoby zastosowanie pokładowego zasob-nika energii, który wspomagałby każdy kolejny roz-ruch po fazie hamowania. Oddzielnym zagadnieniem pozostaje analiza ekonomiczna takiego rozwiązania. Wykorzystanie np. superkondensatorów, jako pojaz-dowych zasobników energii, w sposób istotny zwięk-sza efektywność rekuperacji energii szczególnie w przypadku pojazdów o krótkich odcinkach między zatrzymaniami. W przypadku zasobników stacjonar-nych dołączonych do układu zasilania sieci trakcyjnej nie nastąpi tak duża poprawa efektywności energe-tycznej. Znaczna część energii powstającej podczas hamowania nowoczesnego napędu zasilanego z sieci trakcyjnej jest przekazywana bezpośrednio do sieci trakcyjnej. Możliwości przyjmowania energii przez sieć nie są jednakowe w każdych warunkach. Zależą one między innymi od liczby pojazdów i ich chwilo-wego stanu pracy. W przypadku trolejbusów, które charakteryzują się wyższymi oporami ruchu, sytuacje, w których prostownikowe podstacje i sąsiednie pojaz-dy nie są w stanie odebrać energii od hamującego pojazdu, zdarzają się rzadziej niż w przypadku tram-wajów, metra czy kolei. Wysokie ceny zasobników w połączeniu z niską gęstością ruchu pojazdów sprawia-ją, że ich stosowanie, tylko w celu poprawy efektyw-ności związanej z gromadzeniem energii powstałej podczas hamowania, może być nieopłacalne lub przy-nosić zwrot dopiero po bardzo długim okresie użyt-kowania. Wyznaczenie warunków granicznych opła-calności wymaga dokładnych analiz prowadzonych dla konkretnych rozwiązań technicznych zasobników jak i pojazdów oraz ich ruchu w obszarze zasilania. Dostarczanie energii do pojazdów za pomocą sieci trakcyjnej jest zagadnieniem złożonym. Istnieje wiele czynników mających wpływ na jakość dostarczanej energii oraz możliwości jej swobodnego przepływu od podstacji do pojazdu i z pojazdu do podstacji. Istotną rolę w tym zagadnieniu pełni zdolność podstacji do odbierania energii powstającej podczas hamowania, obecność innych pojazdów na tym samym odcinku zasilania oraz rezystancja elementów obwodów zasi-lania. Każdy z tych elementów ma znaczący wpływ na powstawanie strat.

Zasobnik energii elektrycznej stosowany do groma-dzenia energii (głównie nadmiarowej, pochodzącej od hamujących odzyskowo pojazdów o napędzie elek-trycznym) w celu ponownego wykorzystania zwiększa efektywność hamowania odzyskowego i zmniejsza zużycie energii oraz obciążenie systemu zasilania. Stosowany jest w pojazdach trakcyjnych i w podsta-cjach trakcyjnych, szczególnie trakcji miejskiej prądu stałego o niskim napięciu (jako zasobniki stosowane są: akumulatory, zasobniki wirujące – bezwładniki, superkondensatory). Zastosowanie zasobnika w pojeź-dzie zapewnia pełne wykorzystanie energii hamowa-nia. Eliminuje straty na jej przesył poprzez sieć trak-cyjną. Mankamentem jest jednak ograniczenie masy zasobnika. W przypadku pojazdów następuje wzrost masy własnej co prowadzi do dodatkowych strat ener-gii na transport zwiększonej masy. Zastosowanie za-sobnika w podstacji trakcyjnej nie jest ograniczone dopuszczalną masą. Związane jest jednak ze stratami na przesył energii. Straty te są tym większe im dalej od podstacji znajdzie się hamujący pojazd trakcyjny.

3. Zastosowanie falowników w podstacjach trak-cyjnych W trakcyjnych układach zasilania, charakteryzujących się gęstym ruchem, energia pochodząca z hamowania odzyskowego jest przekazywana przede wszystkim do innych pojazdów. Niestety, nie zawsze sieć jest recep-tywna, co oznacza, że w chwili możliwości przekaza-nia energii hamowania, nie ma na nią zapotrzebowania (żaden pociąg nie pobiera energii). Takie przypadki stanowią główną podstawę do stosowania przekształt-nikowych podstacji trakcyjnych, które wykorzystują energię pochodzącą z hamowania pociągów. Ocena celowości zastosowania falownika w podstacji wy-maga wcześniejszego przeprowadzenia analiz tech-nicznych i ekonomicznych. W przypadku analizy technicznej należy uwzględnić szereg czynników wpływających na funkcjonowanie falownikowej podstacji trakcyjnej, są nimi m.in.: • zaprojektowanie podstacji trakcyjnej z

uwzględnieniem uwarunkowań (czy to podstacja nowa czy istniejąca, czy węzłowa czy szlakowa, jaki ruch jest prowadzony w obszarze podstacji) w celu uzyskania odpowiednio wysokiej efektywności energetycznej odzysku przy względnie małej liczbie przekształtników,

• algorytmu sterowania i charakterystyk przekształtników, ma to wpływ na parametry takie jak: receptywność układu, współczynnik mocy i zawartość wyższych harmonicznych w po stronie AC oraz ew. prądy wyrównawcze w obwodzie prostownik-falownik,

• harmoniczne w systemie zasilającym - zarówno falowniki jak i prostowniki powodują powstawa-nie wyższych harmonicznych po stronie AC i DC.

21


• zapotrzebowanie mocy po stronie AC, wska-zane jest, aby po stronie AC istniała możli-wość poboru całej energii hamowania odzy-skowego, jaką jest w stanie przesłać falownik,.

Wykorzystanie falownika wiąże się teoretycznie z wysoką efektywnością odzyskiwania energii hamowa-nia pociągów. Należy jednak mieć na uwadze straty wynikające z dostawy energii z SE i jej przetwarzania w podstacji. Ilość energii i sprawność procesu odzy-skanie – wykorzystanie energii jest porównywalna z układem wykorzystującym zasobnik z superkondensa-torami o bardzo dużej pojemności. Podstawowym warunkiem efektywnej pracy falowników jest obec-ność odbiorów po stronie prądu przemiennego pobie-rających wystarczająco dużą moc (gdyż w tym ukła-dzie nie ma możliwości gromadzenia energii). Drugim warunkiem efektywnego wykorzystania dostępnej w systemie DC nadwyżkowej energii hamowania jest wystarczająca moc maksymalna falownika. Moc ta jest wyznaczana po określeniu mocy odzyskiwanej z pojazdów, a możliwej do dostarczenia do podstacji w da-nym kroku czasowym analizy i:

Jeżeli Ppi >0 Pfi = Ptpi (7)

Jeżeli Ppi ≤0 Pfi = 0 (8)

gdzie: Ppi – moc energii docierającej do podstacji w kolej-nych krokach czasowych i Pfi – wymagana moc falownika w kolejnych krokach czasowych . Poniżej przedstawiona jest zależność do wyznaczania wymaganej mocy falownika Pf1

mi

ifif PP Max=

==

11 }{ (9)

Ilość energii Ef1i transferowana do SE AC w każdym kroku i jest wyznaczana jako wartość uwzględniająca sprawność falownika.

Jeżeli Eri >0 Ef1i = Eri · ηf1 (10) Jeżeli Eri ≤0 Ef1i = 0 (11)

gdzie: Eri – ilość energii w podstacji pochodząca z hamowa-nia odzyskowego ηf1 - sprawność falownika Energia przetransferowana Ef1 w trakcie okresu jedne-go analizowanego rozkładu jazdy jest równa sumie energii po uwzględnieniu sprawności elementów sys-temu.

∑=

=

=mi

iflifl EE

1 (12)

Obniżenie mocy falownika Pfj i transformatora w sto-sunku do wartości maksymalnej Pf1 zmniejszy ilość przetransferowanej energii. Moc ta Pfj jest określona jako część Opj mocy maksy-malnej Pf1.

Pfj= Pf1· Opj (13)

gdzie: Pfj – moc maksymalna kolejnych wielkości falowni-ków. j- zmienna symboliczna opisująca kolejne zasobniki, Opj < 1. W trakcie obliczeń dla każdego kroku czasowego i wyznaczana jest moc Pfji , która jest ograniczana przez moc maksymalną falownika j:

Jeżeli Ppi > Pfj to Pfji = Pfj (14 )

Jeżeli Ppi ≤ Pfj to Pfji = Ppi (15) Ilość energii transferowana do systemu prądu prze-miennego w każdym kroku czasowym wyznaczana jest jako wartość uwzględniająca sprawność falownika j:

Efji = Eri ·ηfj (16) gdzie: ηfj - sprawność falownika j i dołączonego do niego transformatora. Energia przetransferowana do systemu AC Efj w przy-padku falownika j w trakcie okresu jednego rozkładu jazdy jest równa sumie energii po uwzględnieniu sprawności elementów systemu (równanie (12) analo-gicznie jak dla falownika o maksymalnej mocy) . W wyniku analizy technicznej można oszacować moż-liwą do odzyskania przez falownik wielkość energii, która gdyby nie został zastosowany falownik została-by wytracona w rezystorach. W oparciu o analizę tech-niczną można przeprowadzić analizę finansową, której wynikiem końcowym analizy jest roczny efekt finan-sowy wyrażony w pieniądzu, uzyskany po zasto-sowaniu rozwiązania oszczędzającego energię (tu falownik) przez właściciela instalacji (ponoszącego nakłady inwestycyjne) i jednocześnie będącego bene-ficjentem efektów inwestycji Wynik ten może być dodatni lub ujemny. Dodatkowym wynikiem jest licz-ba lat zwrotu nakładów inwestycyjnych. W literaturze [6,7,8,11,17,20] można znaleźć dane techniczne istniejących rozwiązań falowników, po-zwalają na określenie wymaganych parametrów tech-nicznych możliwych do zastosowania nowych rozwią-zań. Mimo praktycznie braku gotowych rozwiązań produkowanych dla potrzeb odzysku energii w syste-mach 3 kV DC (poza testowanymi w RPA czy ofero-wanymi przez estońską firmę ESTEL falownikami tyrystorowymi) możliwe jest oszacowanie oszczędno-ści energetycznych. Inaczej jest z parametrami eko-nomicznymi. Nie istnieją dotychczas produkowane rozwiązania urządzeń dostosowanych do systemu 3kV DC. Istniejąca eksperymentalna instalacja falownika na 3kV w RPA została wykonana wiele lat temu w technologii tyrystorowej. Obecnie stosuje się w czope-rach jak i w falownikach pojazdowych zasilanych napięciem 3 kV tranzystory IGBT.

22


4. Studium przypadku analizy efektywności ener-getycznej falownika w podstacji trakcyjnej 3 kV DC Wyniki analiz podawane w literaturze [6,8,13,17,20, 27,28] wskazują, że ok. 10÷20 % energii pobranej z podstacji jest ponownie przekształcana przez falowni-ki, w przypadku niektórych linii kolejowych zareje-strowano efektywność na poziomie 8 %. Jest wiele czynników wpływających na bilans mocy w systemie dostawy energii do pojazdów: a) charakterystyka trasy:

- nachylenie, - odległości pomiędzy stacjami,

b) organizacja ruchu: - następstwa, masy i prędkości pociągów, - synchronizacja czasu pomiędzy cyklem ruchu

na torach różnych kierunków ruchu, - stosowanie lub nie jazdy z wybiegu, - ograniczenia prędkości,

c) stosowane rozwiązania techniczne: - charakterystyki trakcyjne i hamowania pocią-

gów, - rozmieszczenie podstacji i rodzaj stosowanych

prostowników (sterowane, niesterowane), - rozmieszczenie falowników i ich charaktery-

styki, - maksymalny dopuszczalny poziom napięcia

na odbieraku pociągu, - konfiguracja układu zasilania (odległości PT-

PT, zasilanie 1-str., 2-str., z kabiną i bez) i re-zystancje sieci zasilającej.

W oparciu o analizy wstępne oraz wyniki przeglądu literaturowego można sformułować zalecenia dotyczą-ce wyboru odcinków do analiz efektywności zastoso-wania odbiorników nadwyżkowej energii hamowania odzyskowego. Zasadniczo należy wziąć pod uwagę linie cechujące się: a) ruchem dużej liczby pociągów zatrzymujących

się i wyposażonych w układy hamowania odzy-skowego (zwykle odnosić się to będzie do linii aglomeracyjnych i podmiejskich),

b) występowaniem odcinków z podhamowaniem / hamowaniem od dużych prędkości,

c) znacznym profilem pionowym (linie górskie), bez możliwości przekazania energii do innych pocią-gów (np. linie jednotorowe),

d) częstymi i krótkimi zatrzymaniami na przystan-kach, a nie na stacjach z długimi postojami (więk-sze stacje z długimi postojami, tory postojowe plus hale postojowe powodują że cała energia kie-rowana jest na potrzeby własne innych pociągów),

e) relatywnie małymi odległościami między podsta-cjami i małymi rezystancjami sieci trakcyjnej – ni-skie straty energii w sieciach trakcyjnych.

W jednej z przeprowadzonych w Zakładzie Trakcji elektrycznej IME PW analiz przeprowadzono symula-cje ruchu pociągów na odcinku jednotorowej linii górskiej o profilu dochodzącym do 30 promili. Założono rozkład jazdy (rys. 1) z następującymi ro-dzajami pociągów: P1 - zespół trakcyjny o mocy 4 MW (2 x ED74), P2 – pociąg o masie 500 t z lokomotywą 6 MW, T1 – pociąg towarowy o masie 1250 t z lok. 6 MW.

Rys.1 Przyjęty do analiz rozkład jazdy (linia 1-torowa), kierunek rosnącego profilu (TAM) od km 90 do 110 km.

Rys. 2 Przebieg w funkcji czasu oraz wartości średnie mocy obcią-żeń systemu zasilania 3 kV DC na odcinku – pobór mocy z pod-

stacji Ppt oraz moc chwilowa pobrana przez pojazdy Ppoj, moc rekuperacji Prek oraz moc dostarczona do falownika Pfal.

0

2

4

6

8

10

1000 2000 3000 4000 5000

Pfal, Psr==0.37 MWPrek, Psr=0.6 MW

czas[s]

P[M

W]

Przebieg mocy rekuperacji pojazdow Prek i mocy odbieranej przez falownik , odcinek Milowka-Zwardon

Rys.3 Powiększony przebieg mocy chwilowej rekuperacji Prek oraz mocy dostarczonej do falownika Pfal.

23


Rys.4 Napięcie w sieci trakcyjnej Usiec w funkcji miejsca położenia pociągów.

Moce maksymalne Ppt i Ppoj na odcinku zasilania prze-kraczają 15 MW, przy średnich ich wartościach na poziomie 2 MW (rys. 2). Moce maksymalne rekupera-cji Prek przekraczały 8 MW, a moce rekuperacji Pfal na szynach DC falownika były poniżej 8 MW, przy śred-nich ich wartościach odpowiednio: Prek = 0,6 MW i Pfal = 0,37 MW. A zatem falownik byłby w stanie odebrać ponad 60% energii hamowania odzyskowego. Z kolei hamowanie odzyskowe stanowiło ok. 28% energii pobranej z podstacji (w tym 17% odebranej przez fa-lownik w PT). Warte zwrócenia uwagi jest, że (rys.2 i 3) przebieg mocy Prek (i odpowiednio Pfal) od ok. 1800 s czasu symulacji traci swój impulsowy charakter, pojawiają się dłuższe okresy oddawania energii, z tym że jest to przede wszystkim efekt długo trwających podhamo-wań pociągów jadących w kierunku POWRÓT (z góry), wynikający z dużego spadku trasy. Stanowi to istotny argument do zainstalowania falownika na tym odcinku. Na rys. 4 przedstawiono przebiegi napięć na odbierakach Usiec w funkcji położenia pociągów. Za-uważalne są dłuższe odcinki czasu hamowania odzy-skowego (napięcia powyżej 3500 V). 6. Podsumowanie

Biorąc pod uwagę aktualny stan zaawansowa-nia i rozwiązań dla systemów, które mogłyby zostać zastosowane w trakcji elektrycznej można stwierdzić że:

• w trakcji elektrycznej prądu przemiennego ze względu na charakter stosowanego zasilania i dłuższe zasilane odcinki nadwyżkowa energia hamowania (ta, której nie są w stanie odebrać pociągi) może zostać przesłana bezpośrednio do sieci zasilającej AC,

• z kolei w systemie prądu stałego DC, dla które-go zgodnie z TSI dla kolei w Europie dla pod-systemu Energia stosowanie urządzeń do stoso-wani hamowania odzyskowego jest zalecane, ale nie obowiązkowe:

dla niskich napięć systemu zasilania (do 1,5 kV DC) istnieją rozwiązania, które pozwa-lają na zastosowanie zarówno falowników jak i zasobników energii (przede wszystkim superkondensatorów) [1,5,7],

• dla napięcia 3 kV DC efektywnym ekono-micznie rozwiązaniem wydaje się być zasto-sowanie falownika do zwrotu energii do sie-ci energetycznej prądu przemiennego.

Stosowanie falowników w podstacjach wyma-ga jednak rozwiązania problemów dotyczących moż-liwości transferu energii do sieci AC. Znacznie prost-sze to będzie, gdy operator systemu transportowego dysponuje wewnętrzną siecią AC o odpowiedniej zdolności odbioru energii. Gdy energia zwracana bę-dzie do sieci lokalnego operatora systemu dystrybu-cyjnego (OSD) do rozwiązania będzie szereg zagad-nień formalno-prawnych (np. możliwość transferu energii z systemu transportowego, gdy operator tego systemu nie ma formalnych uprawnień do odsprzeda-ży energii, zasady rozliczeń itp.) i technicznych (ja-kość energii – harmoniczne, wahania kierunku prze-pływu energii – dynamiczne przechodzenie od poboru do krótkotrwałego oddawania dużych mocy do sieci).

Mimo tego typu trudności, dla których trzeba będzie znaleźć rozwiązanie, wydaje się, że doświad-czenia innych krajów (np. Hiszpanii) czy wprowadzo-na właśnie ustawa prosumencka pozwolą znaleźć sa-tysfakcjonujący wszystkie strony kompromis. Pozwoli to na dalsze zwiększenie efektywności energetycznej transportu elektrycznego i zmniejszenie emisji zanie-czyszczeń, coraz bardziej odczuwalnych szczególnie w środowisku polskich miast.

Literatura

1. ABB Review. ENVILINE™ ESS Energy Storage System for DC rail transportation. ABB. edition ABB Review. SEPTA’s (Southeastern Pennsylvania Transit Author-ity) Wayside Energy Storage Project. ABB. edition 06.2014

2. Barrero R., Tackoen X., Van Mierlo J.- Improving en-ergy efficiency in public transport: stationary superca-pacitor based energy storage systems for metro net-work, IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), September 3-5, 2008, Harbin, China

3. Dolecek R., Dobrovolny M. – Traction converting sub-station from viewpoint of feeding interlocking plant At Czech Railways..Traction Substation, Advances in Electrical and Electronic Engineering, 2008

4. Durzyński Z.-Podstawy metody wyznaczania parame-trów energooszczędnej jazdy pojazdów trakcyjnych na obszarach aglomeracyjnych., Pojazdy Szynowe, 3/2011, s.1-5.

5. Hamacek Š., Bartłomiejczyk M., Hrbáč R., Mišák S., Stýskala V. Energy recovery effectiveness in trolleybus transport. Electric Power Systems Research, Vol. 112, 2014, p. 1-11.

24


6. Henning P. H., Fuchs H. D., le Roux A. D., Mouton H. Du T. – A 1,5 MW Seven_Cell Series Stack Converter as an Active Power Filter and Regeneration Converter for a DC Traction Substation. IEEE Trans. On Power Electronics, vol. 23, no 5. Sept. 2008

7. Hesop All in one Energy&Cost Saver, TRANS/PRSHT/TGS.HESOP/EN/01.2014/FR - ALSTOM 2014.

8. Jang S., Choi C., Bae C., Song S., Won C.; Study of regeneraton Power control inverter for DC traction with active power filter ability, Industrial Electronics Society, 2005. IECON 2005. 31st Annual Conference of IEEE 6-10 Nov. 2005

9. Jarzębowicz L., Judek S., Karwowski K., Lipiński L., Miszewski M. - Kompleksowa analiza symulacyjna układu napędowego zespołu trakcyjnego. Czasopismo Techniczne. Elektrotechnika, 108, 2011, s. 121-131.

10. Jefimowski W. - Analiza porównawcza zużycia energii przez pociągi dużych prędkości w zależności od stosowanego systemu zasilania. TTS Technika Transportu Szynowego 1-2/2014, s. 48-51,64

11. Konishi Takeshi, Tobito Masahiro - Fixed Energy Storage Technology Applied for DC. Electrified Railway (Traction Power Substation). Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion (ESARS), Bologna 2012

12. Maciołek T., Drążek Z. - Zasobnik energii w tramwaju zmniejszający zużycie energii. TTS Technika Transportu Szynowego 11/2004, s. 54-57.

13. Mellitt B., Mouneimne Y.S., Goodman C.J.Simulation study of DC transit szstems with inverting substations, Proc. IEE Pt. B, No 2, vol. 131, pp. 38-50 ,March 1984

14. Mierzejewski L.,Szeląg A. - Zagadnienia racjonalizacji zużycia energii elektrycznej w systemie zelektryfikowanego transportu kolejowego. TTS Technika Transportu Szynowego 8/2001, s. 39-48.

15. Mierzejewski L., Szeląg A.- Funkcjonowanie systemu elektroenergetyki trakcyjnej prądu stałego w warunkach eksploatacji taboru z rekuperacją energii. TTS Technika Transportu Szynowego 6/2001, s. 43-51.

17. Randewijk P.J., Enslin HR J.- Inverting DC Traction Substation with Active Power Filtering Incorporated, IEEE, 1995; pp 360-366

18. Rawicki S. - Semi-automatic control of tram vehicle with intent to attain minimum electric energy use, Przegląd Elektrotechniczny 7/2009, pp. 159-162.

19. Rawicki, S. - Energooszczędne przejazdy pojazdów tramwajowych z silnikami indukcyjnymi przy za-kłóceniach płynności ruchu i złożonym profilu trasy. Przegląd Elektrotechniczny 7a/2012, s. 235-241.

20. Suzuki T., DC-power supply system with inverting substations for traction systems using regenerative brakes. IEE Proc., vol. 129, Pt B, No 1, January 1982

21. Szelag A., Mierzejewski L. - Modelling and verification of simulation results in computer aided analysis of electric traction systems. International conference on computers in railways. COMPRAIL, 2000, Bologna.

22. Szeląg A., Maciołek T.- A 3 kV DC electric traction system modernisation for increased speed and tra-ins power demand-problems of analysis and synthesis. Przegląd Elektrotechniczny 3a/2013, pp. 21-28

23. Szeląg A., Mierzejewski L. - Systemy zasilania linii kolejowych dużych prędkości jazdy, TTS Technika Transportu Szynowego 11/2005,s. 80-90.

24. Szelag A., Mierzejewski L. -Ground Transportation Systems, Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering (1999), USA

25. Szeląg A., Maciołek T., Drążek Z., Patoka M. - Aspekty efektywności i energooszczędności w procesie modernizacji układów zasilania trakcji tramwajowej. Pojazdy szynowe,3/2011.s. 34-42.

26. Szeląg A.- Zwiększanie efektywności energetycznej transportu szynowego. TTS Technika Transportu Szynowego 12/2008, s. 12-18.

27. WP4: Integrating carbon reduction in decision making and key business processes. Business Cases, Procurement, Financing and Capacity-Building. Ticket to Kyoto. June 2014

28. Zrównoważone i inteligentne zarządzanie energią dla inteligentnych systemów kolejowych w Europie: zintegrowane podejście optymalizacyjne D1.1 Najważniejsze elementy sieci kolejowej i specyfikacja głównych podsystemów EC Contract No. FP7 – 314125 Project co-funded by the European Commission within the Seven Framework Programme (2007-2013). Raport 2013 r.

16. Pawełczyk M.: Rozwój systemów wykorzystujących akumulację energii w transporcie szynowym. Pojazdy Szynowe 2/2011, s.14-19.

25


Koszty zewnętrzne w transporcie szynowym

W artykule przedstawiono zagadnienia związane z szacowaniem kosztów zewnętrznych w transporcie ze szczególnym uwzględnieniem transportu szynowego. Przedstawiono wybrane wyniki badań wykorzystywanych między innymi przez instytucje europejskie do oceny kosztów zewnętrznych generowanych przez poszczególne gałęzie transportu. Wskazano także na nowe kategorie kosztów zewnętrznych, będące obecnie w obszarze zainteresowania badaczy.

dr hab. Agnieszka Merkisz-Guranowska, prof. PP mgr inż. Paweł Zmuda-Trzebiatowski Politechnika Poznańska

Wstęp Wykorzystywanie transportu szynowego, zwłaszcza w stosunku do transportu wyłącznie drogowego, wpi-suje się w politykę zrównoważonego rozwoju. Wybór gałęzi transportu w kontekście kosztów społeczno-środowiskowych powinien zapewniać ochronę przy-rody i jej zasobów np. poprzez akceptowalną emisję substancji szkodliwych czy hałasu, a przy tym za-pewnić mobilność społeczeństwa oraz dostawy ła-dunków po przystępnych cenach, a także w bezpiecz-ny sposób. Transport drogowy jest gałęzią najbardziej konkuren-cyjną w realiach polskiej gospodarki. Decydujący wpływ na to ma dostępność usług i poziom cen. Gdy-by jednak uwzględnić całokształt oddziaływań, w tym wpływ na środowisko naturalne, zdrowie ludzkie czy generowanie kongestii, transport drogowy traci swoją przewagę konkurencyjną. Jednym ze sposobów pełnej oceny realizacji usług poszczególnymi gałęziami transportu, poza czystą kalkulacją rentowności wyni-kającej z rachunku ekonomicznego, jest szacowanie kosztów zewnętrznych. Kosztami zewnętrznymi transportu są wszelkie koszty zużycia środków służą-cych do wytworzenia usługi transportowej, które nie są ponoszone przez producenta usługi, ale przez ogół społeczeństwa. Do kosztów zewnętrznych wliczane są koszty związane z negatywnymi dla środowiska naturalnego i życia człowieka skutkami działalności transportu, do których zalicza się przede wszystkim:

− zanieczyszczenie wody, gleby, powietrza, − emisję gazów cieplarnianych, − emisję hałasu, − wypadki, − kongestia, − zajętość terenu i wpływ na zmiany w krajobra-

zie, w tym zajmowanie cennych przyrodniczo terenów i rozcinanie ich ciągłości (fragmenta-cja) nowo budowanymi ciągami infrastruktury technicznej, co przyczynia się do utraty różno-rodności biologicznej, a także utrudnień w funkcjonowaniu dotkniętych tym oddziaływa-niem społeczności.

Szacowanie poziomu kosztów zewnętrznych jest trudne z uwagi na to, iż otwartym pozostaje sam pro-blem definiowania szkód spowodowanych zniszcze-niem środowiska naturalnego. W wielu przypadkach szkody te nie są dostrzegane natychmiast. Nie zawsze można także z pełnym przekonaniem stwierdzić, że takie czy inne zmiany w przyrodzie lub oddziaływa-nia na zdrowie ludzkie wynikają na pewno z ingeren-cji człowieka w środowisko, a w szczególności są rezultatem oddziaływań transportu. Co więcej, szkody te często nie są przedmiotem bezpośredniej wymiany rynkowej, a zatem nie są mierzalne bezpośrednio w wartościach pieniężnych. Wyznaczane muszą być one w oparciu o różnego rodzaju techniki waluacji, jak gotowość do zapłaty, czy też gotowość do akceptacji. W zależności od wykorzystanej techniki, wartości wyceny tychże kosztów mogą się różnić, co rodzi wątpliwości odnośnie poziomu poprawności odwzo-rowania rzeczywistości przez te narzędzia [2, 3,5]. Dodatkowo rozwój techniki powoduje zmiany nie tylko o charakterze ilościowym (np. poziom emisji związków toksycznych), ale także o charakterze jako-ściowym (np. zmiana w strukturze emisji) [7]. Skut-kuje to względnie szybką dezaktualizacją prowadzo-nych w tym zakresie badań. Ponadto koszty różnią się w zależności od konkretnej lokalizacji infrastruktury transportowej oraz gałęzi transportu [2, 5]. Ostatecz-nie należy zauważyć, iż niektóre spośród wskazanych powyżej kategorii kosztów mogą być częściowo ze-wnętrzne, a częściowo ponoszone, jako koszty we-wnętrzne, przez użytkowników transportu [5]. W artykule przedstawiono wybrane wyniki badań wykorzystywanych między innymi przez instytucje europejskie do oceny kosztów zewnętrznych genero-wanych przez poszczególne gałęzie transportu. Wska-zano także na nowe kategorie kosztów zewnętrznych, będące obecnie w obszarze zainteresowania badaczy. Koszty środowiskowe Zmniejszenie wykorzystania transportu drogowego oraz przeniesienie przewozów na kolej w dużym stopniu może wpłynąć na zmniejszenie negatywnego

26


oddziaływania transportu ładunków na środowisko. Dominujący w strukturze przewozu ładunków transport drogowy generuje największe obciążenia środowiskowe. Jeżeli skutki oddziaływań wyrazimy w pieniądzu jako koszty, które ponosi społeczeństwo w związku z degradacją środowiska, to koszt generowany przez transport samochodowy wyniesie 10,77 euro/1000 tkm [4]. Koszt generowany przez transport kolejowy jest o 28% niższy i wynosi 7,75 euro. Natomiast koszty zewnętrzne żeglugi śródlądowej są ponad 3,5-krotnie niższe, a żeglugi bliskiego zasięgu ponad pięciokrotnie niższe. Poszczególne kategorie kosztów dla powyższych gałęzi transportu wskazane zostały w tabeli 1.

[euro/1000 tkm] Transport samochodowy

Transport kolejowy

Żegluga śródlądowa

Żegluga bliskiego zasięgu

Poziom hałasu 2,138 3,45 0 0 Emisja zanieczyszczeń 7,85 3,8 3 2 Emisja gazów cieplarnianych 0,79 0,5 Nieistotne Nieistotne Suma 10,77 7,75 około 3 około 2

Tabela 1. Koszty generowane przez czynniki oddziałujące negatywnie na środowisko w różnych gałęziach transportu

Źródło: European Commission, Commission calculation of the external cost savings according to Article 5(3)of the draft Regulation, 2002

Tabela 2. Porównanie negatywnych oddziaływań środowiskowych transportu drogowego, kolejowego i kombinowanego drogowo-kolejowego w zależności od typu oddziaływania

euro centy/tkm %

HDV 33 t,

Euro 3 Pociąg 348t

Oszczędność kosztów

Hałas Obszary miejskie, dzień 0,61 0,12 80% Obszary miejskie, noc 1,12 0,49 56% Obszary niezabudowane dzień 0,09 0,11 -22% Obszary niezabudowane noc 0,17 0,19 -12%

Wypadki Obszary miejskie 0,92 0,02 98% Teren niezabudowany 0,23 0,02 91%

Zanieczyszczenie Obszary miejskie

Powietrza pociąg elektryczny 0,93 0 100%

pociąg spalinowy/diesel 0,93 1,05 -13% Teren niezabudowany pociąg elektryczny 0,73 0 100% pociąg spalinowy/diesel 0,73 0,88 -21%

Zmiana klimatu Obszary miejskie

/emisja gazów pociąg elektryczny 0,23 0 100%

cieplarnianych pociąg spalinowy/diesel 0,23 0,08 65% Teren niezabudowany pociąg elektryczny 0,19 0 100% pociąg spalinowy/diesel 0,19 0,08 58%

Wpływ na zmiany Obszary miejski 0 0 0%

krajobrazu Teren niezabudowany 0,1 0,02 80%

Zanieczyszczenie wód i gruntów Obszar miejski/ teren niezabudowany 0,09 0,02 78%

Źródło: Opracowanie własne na podstawie Handbook on estimation of external costs in the transport sector, Produced within the study Internalisation Measures and Policies for All external Cost of Transport (IMPACT),Version 1.1, CE Delft, 2008.

Oszczędność kosztów środowiskowych jaką można uzyskać wykorzystując transport kolejowy jest naj-większa w obszarze wpływu na zdrowie i życie ludz-kie (wypadki) oraz na zanieczyszczenie powietrza i emisję gazów cieplarnianych przy założeniu wyko-rzystywania pociągów elektrycznych. Bardziej nieko-rzystne oddziaływania porównując transport kolejowy z drogowym uzyskano w obszarach „hałas w terenie niezabudowanym” oraz „zanieczyszczenie powietrza” przy założeniu wykorzystania lokomotyw spalino-

27


wych. Jednak sumując oddziaływania z wymienio-nych w tabeli 2 sześciu grup dla obszarów miejskich i niezabudowanych dodatkowo w podziale na dzień i noc, okazuje się, że w każdym przypadku sumaryczne oddziaływania transportu kolejowego są niższe od transportu drogowego i to niezależnie od tego czy wykorzystywane są lokomotywy spalinowe czy elektryczne (rysunek 1).

Rysunek 1. Sumaryczne oddziaływania transportu drogowego i kolejowego dla obszarów miejskich i terenów niezabudowanych Źródło: Opracowanie własne na podstawie Handbook on estimation of external costs in the transport sector, Produced within the study Internalisation Measures and Policies for All external Cost of Transport (IMPACT),Version 1.1, CE Delft, 2008.

Sumaryczny koszt oddziaływań środowiskowych wynosi dla transportu drogowego 1,66 eurocenta/tkm w ciągu dnia w terenie niezabudowanym do 3,55 eurocenta/tkm w nocy w obszarze miejskim. Dla przewozów kolejowych oddziaływania kształtują się w granicach od 0,29 eurocenta/tkm w obszarze miej-skim w ciągu dnia w przypadku wykorzystywania lokomotyw elektrycznych do 1,77 eurocenta/tkm w obszarze miejskim w nocy w przypadku wykorzysty-wania lokomotyw spalinowych (por. tabela 3).

Transport drogowy

Transport kolejowy eurocenty

/tkm eurocenty

/tkm Obszar miejski dzień: diesel/pociąg elektryczny 3,04 0,29

diesel/pociąg spalinowy 3,04 1,4

Obszar miejski noc:

diesel/pociąg elektryczny 3,55 0,66

diesel/pociąg spalinowy 3,55 1,77 Teren niezabudowany dzień:



Teren niezabudowany noc:



Tabela 3. Porównanie sumarycznych negatywnych oddziały-wań środowiskowych transportu drogowego i kolejowego

Źródło: Handbook on estimation of external costs in the transport sector, Produced within the study Internalisation Measures and Policies for All external Cost of Transport (IMPACT),Version 1.1, CE Delft, 2008.

Koszty społeczne Przeniesienie ładunków z transportu drogowego na transport kolejowy powoduje zmniejszenie potoku ruchu na drogach, co jest bezpośrednio przyczyną zmniejszenia kongestii w niektórych węzłach komu-nikacyjnych. Zmniejszenie tejże kongestii może w pozytywny sposób wpłynąć na skrócenie traconego czasu, zwiększenie niezawodności dostaw, a także zużycie paliwa. Warto jednakże zauważyć, iż jedno-cześnie przyczynia się to do wzrostu zatłoczenia na szlakach kolejowych, w którym to przypadku także można mówić o kosztach kongestii związanych np. z ograniczoną dostępnością slotów [5]. Tabela 4 przedstawia koszty wypadków oraz konge-stii w systemach transportowych generowane przez różne gałęzie transportu. Transport drogowy generuje największe koszty, natomiast bezkonkurencyjny w

tym zestawieniu jest transport wodny, który praktycz-nie nie generuje żadnych kosztów. W związku z większym bezpieczeństwem transportu szynowego, przeniesienie przewozów na tę gałąź skutkuje zmniejszeniem liczby wypadków. Wykorzy-stanie transportu kolejowego pozwala na obniżenie kosztów wypadków o 73%. Jeszcze większe korzyści można zauważyć z punktu widzenia kosztów konge-stii, które dla transportu kolejowego są o blisko 96% niższe niż dla transportu drogowego. Sumarycznie, z punktu widzenia kosztów społecznych wykorzystanie transportu kolejowego daje oszczędność kosztów na poziomie 83%.

28


Tabela 4. Koszty społeczne generowane przez wypadki oraz kongestię w różnych gałęziach transportu

[euro/1000 tkm] Transport samocho-

dowy

Transport kolejowy

Żegluga śródlądo-

wa

Żegluga bli-skiego zasięgu

Wypadki 5,44 1,46 0 0

Koszty kongestii 5,45 0,235 nieistotne nieistotne

Suma 9,99 1,695 minimalne minimalne


Inne koszty zewnętrzne

Przedstawione powyżej rozważania dotyczyły sto-sunkowo najlepiej rozpoznanych w literaturze rodza-jów kosztów zewnętrznych. W literaturze przedmiotu [1, 5, 6, 8] wskazuje się jednakże na potencjalne inne oddziaływania mogące generować koszty zewnętrzne. Kosztom tym jednakże częstokroć trudno jest przypi-sać jakąkolwiek wartość pieniężną. Jeden z takiego rodzaju kosztów wynika z oddziały-wania na abiotyczne zasoby naturalne. W przypadku transportu koszt ten dotyczy przede wszystkim zuży-cia zasobów stanowiących źródła energii nieodna-wialnej (ropa naftowa, gaz ziemny). Fridell i in. [5] wskazali wysokość tego kosztu na 0,022-0,221 eu-ro/kg, przy najbardziej prawdopodobnej wartości wynoszącej 0,104 euro/kg. Przy czym warto zauwa-żyć, że ostateczna wysokość tego kosztu uzależniona jest od poziomu udziału surowców odnawialnych w paliwach, a w przypadku stosowania lokomotyw elek-trycznych miksu energetycznego pozyskiwanego z sieci prądu. Ważnym oddziaływaniem społecznym, generującym koszty zewnętrzne, jest również tzw. odcięcie. Jest ono definiowane, jako występowanie w rzeczywisto-ści lub odczuciu ludzkim barier dla ruchu na danym obszarze, które spowodowane są przez infrastrukturę transportową lub ruch pojazdów [8]. Bariery te mają negatywny wpływ na decyzje odnośnie korzystania z różnego rodzaju obiektów, a także mogą powodować utrudnienia społecznych interakcji (np. wśród dzieci) [8] oraz zmniejszenie poziomu bezpieczeństwa, zwiększenie przestępczości, czy też powstanie poczu-cia wykluczenia [1]. Wyróżnia się dwa rodzaje odcię-cia, tj.: pierwotne związane z faktem istnienia fizycz-nej bariery oraz wtórne, związane jest z brakiem za-stosowania lub zastosowaniem niewystarczających działań mających przeciwdziałać odcięciu pierwot-nemu, np. poprzez budowę przejść podziemnych utrudniających ruch osób niepełnosprawnych i rowe-rzystów, a także nieodpowiedni poziom utrzymania skutkujący oblodzeniem lub podtopieniem/zalaniem, czy też brakiem utrzymania porządku, co z kolei

skutkuje zwiększeniem obaw o bezpieczeństwo oraz zniechęceniem pieszych do korzystania z infrastruktu-ry [8]. Koszty zewnętrzne powstawać mogą także w związku z wibracjami generowanymi przez transport [8]. Lite-ratura w tym zakresie koncentruje się w dużej części na kwestii wpływu transportu na zabytkowe budynki. Wskazuje się tu, że w dłuższej perspektywie czasu wibracje powodują uszkodzenia budynków. Nawet niewielkie uszkodzenia traktowane mogą być jako znacząco rzutujące na ich wartość [8]. Stąd biorąc pod uwagę nieodwracalność zniszczeń, zasoby histo-ryczne, czy też kulturowe mogą być chronione po-przez wprowadzanie ograniczeń możliwości plano-wania infrastruktury transportowej w ich sąsiedztwie. Kolejnym rodzajem kosztów są te wywołane intruzją wizualną infrastruktury [1]. Intruzja ta może przyczy-nić się do „zniszczeń scenerii”, a co za tym idzie ob-niżenia wartości sąsiadujących zasobów historycz-nych, kulturowych, czy też rekreacyjnych [1]. Do-stępna na ten temat literatura koncentruje się w głów-nej mierze na transporcie drogowym, przy bardzo niewielkiej liczbie prac dotyczących innych gałęzi transportu [8]. Jakość wizualna może być w szcze-gólności obniżona przez fakt instalowania ekranów akustycznych oddzielających analizowaną infrastruk-turę od sąsiadujących działek w celu zmniejszenia negatywnego oddziaływania hałasu [9]. W tym przy-padku wskazuje się [8] na narastający trend przedkła-dania aspektów estetycznych ponad aspekty zdrowot-ne związane z podwyższonym poziomem hałasu. Oprócz powyższych w literaturze wskazywane są także kwestie zakłóceń elektromagnetycznych [6].

Podsumowanie

Dzięki rozwojowi transportu szynowego (w tym mul-timodalnego) polepsza się perspektywa rozwoju ryn-ków globalnych. W przypadku Polski daje to możli-wość umocnienia kraju na pozycji łącznika między Europą Zachodnią a Europą Wschodnią oraz Rosją. Z punktu widzenia klientów usług transportowych na dalekich trasach transport szynowy może przynosić wymierne oszczędności. Najważniejsze jednak korzy-ści ekonomiczne transport szynowy generuje na po-ziomie makroekonomicznym, w szerokim ujęciu spo-łeczno-gospodarczym. Korzyści te wyrażają się oszczędnościami związanymi ze zmniejszonymi kosztami zewnętrznymi oraz kosztami tworzenia in-frastruktury. Tabela 5 przedstawia całkowity rozkład kosztów, jakie należy ponieść na 1000 tkm w zależności od gałęzi transportu. Natomiast rysunek 2 pokazuje po-ziom oszczędności generowany w stosunku do trans-portu drogowego. Widać wyraźnie, że transport dro-gowy generuje koszty dwa razy większe w porównaniu do transportu kolejowego, a pięć i sześć razy większe w porównaniu do transportu wod-nego.

29


Tabela 5. Koszty globalne generowane przez różne gałęzie transportu

[euro/1000 tkm] Transport samochodo-wy

Transport kolejo-wy Żegluga śródlądowa Żegluga bliskiego

zasięgu

Wypadki 5,44 1,46 0 0

Poziom hałasu 2,138 3,45 0 0

Emisja zanieczyszczeń 7,85 3,8 3 2

Emisja gazów cieplarnia-nych 0,79 0,5 nieistotne nieistotne

Infrastruktura 2,45 2,9 1 < 1

Koszty kongestii 5,45 0,235 nieistotne nieistotne

Suma 24,12 12,35 około 4,0 około 3,0


Rysunek 2. Oszczędności wynikające ze zmiany gałęzi transpor-towej i przeniesieniem ładunków z transportu drogowego na inne

gałęzie transportu[euro/1000tkm] Źródło: European Commission, Commission calculation of the

external cost savings according to Article 5(3)of the draft Regula-tion, 2002

Bibliografia

[1] Annema J., Koopmans C., The practice of valuing the environment in cost-benefit analyses in transport and spatial projects, Journal of Environmental Planning and Management, 2014 (w druku, DOI:10.1080/09640568.2014.941975)

[2] Damart S., Roy B., The uses of cost–bene?t analysis in public transportation decision-making in France, Transport Policy, vol. 16, 2009, s. 200–212

[3] De Brucker K., Macharis C., Verbeke A., Multi-criteria analysis and the resolution of sustainable development dilemmas: A stakeholder management approach, European Journal of Operational Research, vol. 224, 2013, s. 122–131

[4] European Commission, Commission calculation of the external cost savings according to Article 5(3)of the draft Regulation, 2002

[5] Fridell E., Belhaj M., Wolf C., Jerksjö M., Calculation of external costs for freight transport, Transportation Planning and Technology, vol. 34, nr 5, s. 413-432

[6] Griškevičiūtė-Gečienė A., Burinskienė M., Towards creating the assessment methodology for urban road transport development projects, Technological and Economic Development of Economy, vol. 18, nr 4, 2012, s. 651-671

[7] Handbook on estimation of external costs in the transport sector, Produced within the study Internalisation Measures and Policies for All external Cost of Transport (IMPACT),Version 1.1, CE Delft, 2008

[8] Markovich J., Lucas K., The Social and Distributional Impacts of Transport: A Literature Review. Transport Studies Unit, School of Geography and the Environment, Working Paper N° 1055, Sierpień 2011, Oksford

[9] Zmuda-Trzebiatowski P., Bieńczak M., Kiciński M., Fierek S., Żak J., Wielokryterialna ocena wariantów przebudowy skrzyżowania z ruchem okrężnym na przykładzie modernizacji Ronda Rataje w Poznaniu, Technika Transportu Szynowego, nr 9, 2012, cd, s. 4585–4594

30


dr inż. Zbigniew Durzyński, prof. IPS Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”

Prawne regulacje w zakresie taboru kolejowego Ocena zgodności podsystemu „Sterowanie – urządzenia pokładowe”

i jego składników interoperacyjności

Poniższy artykuł jest kolejnym, czwartym z cyklu pod wspólnym tytułem „Prawne regulacje w zakresie taboru kolejowego”. Zawiera podstawowe informacje opra-cowane na podstawie różnego rodzaju dokumentów obowiązujących dla taboru kolejowego. Przedstawione zestawienia, omówienia i komentarze mogą być po-mocne w codziennej pracy specjalistów zajmujących się konstrukcją, badaniami oraz certyfikacją systemów sterowania taboru kolejowego i jego głównych skład-ników. Artykuł zawiera także tzw. link do strony internetowej, na której dostępne są całe teksty przytoczonych i omawianych dokumentów. W kolejnym numerze kwartalni-ka ukaże się ostatni artykuł dotyczące praktycznego stosowania przepisów doty-czących taboru kolejowego.

1. Interfejsy między podsystemami Interfejsy „Tabor kolejowy” i „Sterowanie – urządzenia pokładowe” zostały zestawione i opisane w trzech dokumentach: [1], [2] i [3]. W pkt. 4.3.4 w [1] interfejsy „tabor sterowanie” zostały opisane tabelarycznie następująco:

W pkt. 4.3.2 [3] interfejsy „sterowanie tabor ” zostały opisane następująco: a) Zgodność z przytorowymi systemami detekcji pociągu; konstrukcja pojazdu (pkt. 4.2.10):

- parametry taboru związane z zapewnieniem zgodności z systemami detekcji pociągu oparty-mi na obwodach torowych; patrz TSI LOC & PAS 4.2.3.3.1.1 oraz TSI WAG 4.2.3.2

31


- parametry taboru związane z zapewnieniem zgodności z systemami detekcji pociągu opartymi na licznikach osi; patrz TSI LOC & PAS 4.2.3.3.1.2 oraz TSI WAG 4.2.3.3.1

- parametry taboru związane z zapewnieniem zgodności z pętlami indukcyjnymi; patrz TSI LOC & PAS 4.2.3.3.1.3 Pkt. 4.2.10. Przytorowe systemy detekcji pociągu Ten parametr podstawowy określa wymagania dotyczące interfejsu pomiędzy przytorowymi systemami detekcji pociągu a taborem. Wymagania dotyczące interfejsu, które muszą spełniać systemy detekcji pociągu, określono w poz. 4.2.10a załącznika A. (tj. poz. 77, pkt. 3.1): 77. ERA/ERTMS/033281: Interfaces between CCS track-side and other subsystems; 1.0

b) Kompatybilność elektromagnetyczna między taborem a urządzeniami przytorowymi podsys-temu „Sterowanie” (pkt. 4.2.11) - parametry taboru związane z zapewnieniem zgodności z systemami detekcji pociągu oparty-

mi na obwodach torowych; patrz TSI LOC & PAS 4.2.3.3.1 - parametry taboru związane z zapewnieniem zgodności z systemami detekcji pociągu oparty-

mi na licznikach osi; patrz TSI LOC & PAS 4.2.3.3.2 Pkt. 4.2.11. Kompatybilność elektromagnetyczna między taborem a urządzeniami przytoro-wymi podsystemu „Sterowanie” Ten parametr podstawowy określa wymagania w zakresie kompatybilności elektromagne-tycznej dotyczące interfejsu pomiędzy taborem a urządzeniami przytorowymi podsystemu „Sterowanie”. Wymagania dotyczące interfejsu, które muszą spełniać systemy detekcji po-ciągu, określono w poz. 4.2.11a załącznika A. (tj. poz. 77, pkt. 3.2 – patrz pkt. 4.2.10):

c) Skuteczność oraz charakterystyka hamowania pociągu (pkt. 4.2.2) - skuteczność hamowania nagłego; patrz TSI LOC & PAS: hamowanie nagłe 4.2.4.5.2, ha-

mowanie służbowe 4.2.4.5.3 oraz TSI WAG 4.2.4.1.2 d) Pozycja pokładowych anten podsystemu „Sterowanie” (pkt. 4.2.2)

- skrajnia kinematyczna; patrz TSI LOC & PAS 4.2.3.1 e) Izolowanie pokładowych funkcji ERTMS/ETCS (pkt. 4.2.2)

- przepisy ruchu; patrz TSI LOC & PAS 4.2.12.3 f) Interfejsy dla danych (pkt. 4.2.2)

- rozwiązania w zakresie monitorowania i diagnostyki; patrz TSI LOC & PAS 4.2.1.1 Pkt. 4.2.2. Funkcje pokładowe ERTMS/ETCS Ten parametr podstawowy opisuje wszystkie funkcje potrzebne do prowadzenia pociągu w sposób bezpieczny. Podstawową funkcją jest zapewnienie automatycznej kontroli pociągu oraz sygnalizacji kabinowej. Funkcje te muszą zostać wdrożone zgodnie z poz. 4.2.2b za-łącznika A (tj. poz. 1, 4, 13,15 i 60), a ich realizacja musi być zgodna z poz. 4.2.2a tego za-łącznika (tj. poz. 14). Wymagania dotyczące prób określone są w poz. 4.2.2c załącznika A (tj. poz. 31, 37b÷d). 1. ERA/ERTMS/003204: ERTMS/ETCS Functional requirement specification; 5.0 4. UNISIG SUBSET-026: System requirement specification; 3.3.0 13. UNISIG SUBSET-040: Dimensioning and engineering rules; 2.3.0 14. UNISIG SUBSET-041: Performance requirements for interoperability; 2.1.0 15. ERA SUBSET-108: Interoperability related consolidation on TSI Annex A documents; 1.2.0 31. UNISIG SUBSET-094: Functional requirements for an onboard reference test facility; 2.0.2 37b. UNISIG SUBSET-076-5-2: Test cases related to features; 2.3.3 37c. UNISIG SUBSET-076-6-3: Test sequences; 2.3.3 37d. UNISIG SUBSET-076-7: Scope of the test specifications; 1.0.2 60. (celowo usunięta) UNISIG SUBSET-104: ETCS System Version Management; 3.1.0

g) Widoczność przytorowych obiektów podsystemu „Sterowanie” (pkt. 4.2.15) - widoczność na zewnątrz. Światła czołowe; patrz TSI LOC & PAS 4.2.7.1.1 - zewnętrzne pole widzenia maszynisty; patrz TSI LOC & PAS: pole 4.2.9.1.3.1, szyba przed-

nia 4.2.9.2 4.2.15. Widoczność przytorowych obiektów podsystemu „Sterowanie Ten parametr podstawowy opisuje: 1) charakterystykę znaków odblaskowych zapewniającą odpowiednią widoczność;

32


2) charakterystykę interoperacyjnych tablic sygnalizacyjnych. Załącznik A poz. 4.2.15a. (tj. poz. 38) 38. 06E068: ETCS Marker-board definition; 2.0 Przytorowe obiekty podsystemu „Sterowanie” muszą być ponadto zainstalowane w sposób uwzględniający pole widzenia maszynisty i zgodny z wymaganiami infrastruktury.

h) Interfejs do rejestracji danych do celów prawnych (pkt. 4.2.14) - urządzenie rejestrujące; patrz TSI LOC & PAS 4.2.9.6

4.2.14. Interfejs do rejestracji danych do celów prawnych Ten parametr podstawowy opisuje: 1) wymianę danych pomiędzy pokładowymi urządzeniami ERTMS/ETCS a rejestratorem

prawnym w pojeździe; 2) protokoły łączności; 3) interfejs fizyczny. Załącznik A poz. 4.2.14a (tj. poz. 5). 5. UNISIG SUBSET-027: FFFIS Juridical recorder-downloading tool; 2.3.0

i) Polecenia do urządzeń pokładowych (pkt. 4.2.2 i 4.2.3) - separacja faz; patrz TSI LOC & PAS 4.2.8.2.9.8

4.2.3. Funkcje przytorowej części ERTMS/ETCS Ten parametr podstawowy opisuje funkcje przytorowej części systemu ERTMS/ETCS. Obej-muje on wszystkie funkcje ERTMS/ETCS służące zapewnieniu bezpiecznej drogi dla danego pociągu. Podstawowe funkcje obejmują: 1) lokalizowanie danego pociągu w systemie współrzędnych wyznaczanym przez eurobalisy

(poziomy 2 i 3); 2) translację informacji od przytorowych urządzeń sterowania ruchem kolejowym do stan-

dardowego formatu stosowanego w pokładowych urządzeniach podsystemu „Sterowa-nie”;

3) generowanie zezwolenia na jazdę dla danego pociągu, włącznie z opisem toru i polece-niami przypisanymi do danego pociągu.

Funkcje te muszą zostać wdrożone zgodnie z poz. 4.2.3b załącznika A (tj. poz. 1, 4, 13,15 i 60), a ich realizacja musi być zgodna z poz. 4.2.3a tego załącznika (tj. poz. 14). Wymagania dotyczące prób określone są w poz. 4.2.3c załącznika A (tj. poz. 31, 37b÷d) – lista ww. do-kumentów: patrz pkt. f.

j) Polecenie hamowania nagłego (pkt. 4.2.2) - polecenie hamowania nagłego; patrz TSI LOC & PAS 4.2.4.4.1.

2. Pokładowe funkcje ERTMS/ETCS a) Podstawową funkcją jest zapewnienie automatycznej kontroli pociągu oraz sygnalizacji kabi-

nowej: 1) ustalenie charakterystyki pociągu (np. prędkości maksymalnej, charakterystyki hamowania); 2) wybór trybu nadzoru na podstawie informacji z urządzeń przytorowych; 3) realizacja funkcji odometrycznych; 4) lokalizowanie pociągu w systemie współrzędnych wyznaczanym przez eurobalisy; 5) obliczanie dynamicznego profilu prędkości dla jazdy na podstawie charakterystyki pociągu i

informacji z urządzeń przytorowych; 6) nadzorowanie dynamicznego profilu prędkości podczas jazdy pociągu; 7) realizowanie funkcji interwencji.

b) Funkcje te muszą zostać wdrożone zgodnie z poz. 4.2.2b załącznika A, a ich realizacja musi być zgodna z poz. 4.2.2a tego załącznika.

c) Wymagania dotyczące prób określone są w poz. 4.2.2c załącznika A. (tj. poz. 31, 37 – patrz pkt. 1f)

d) Zarządzanie identyfikatorami urządzeń ETCS musi być realizowane zgodnie z pkt 4.2.9 (Zarzą-dzanie ETCS-ID).

e) Funkcje podstawowe wspierane są przez inne funkcje, do których również zastosowanie mają poz. 4.2.2a i 4.2.2b załącznika A, (tj. poz. 1, 4, 13÷15 – patrz pkt. 1f) w połączeniu ze wskaza-nymi niżej dodatkowymi specyfikacjami: 1. Łączność z podsystemem „Sterowanie – urządzenia przytorowe”

a) Transmisja sygnałów eurobalisy. Zob. pkt 4.2.5.2 (Łączność z pociągiem przy użyciu eu-robalis).

33


b) Transmisja sygnałów europętli. Zob. pkt 4.2.5.3 (Łączność z pociągiem przy użyciu europętli). Funkcja ta jest opcjonalna dla urządzeń pokładowych, chyba że europętla jest zainstalowana w przytorowym ETCS poziomu 1, a maksymalna prędkość dojazdu jest ustawiona na zero ze względów bezpieczeństwa (np. ochrona punktów niebezpiecznych).

c) Radiowa transmisja danych na potrzeby przekazywania informacji uaktualniających. Zob. poz. 4.2.2d załącznika A, (tj. poz. 18, 20) 18. UNISIG SUBSET-046: Radio infill FFFS; 2.0.0 20. UNISIG SUBSET-048: Trainborne FFFIS for radio infill; 2.0.0 oraz pkt 4.2.5.1 (Łączność radiowa z pociągiem), pkt 4.2.6.2 (Interfejs między radiową wymianą danych GSM-R a ERTMS/ETCS) i pkt 4.2.8 (Zarządzanie kluczami). Funkcja ta jest opcjonalna dla urządzeń pokładowych, chyba że radiowa transmisja danych na potrzeby przekazywania informacji uaktualniających jest zainstalowana w przytorowym ETCS poziomu 1, a maksymalna prędkość dojazdu jest ustawiona na zero ze względów bezpieczeństwa (np. ochrona punktów niebezpiecznych).

d) Radiowa transmisja danych. Zob. pkt 4.2.5.1 (Łączność radiowa z pociągiem), pkt 4.2.6.2 (Interfejs między radiową wymianą danych GSM-R a ERTMS/ETCS) i pkt 4.2.8 (Zarządzanie kluczami). Funkcja ta jest obowiązkowa dla urządzeń pokładowych tylko dla zastosowań ERTMS/ETCS poziomu 2 lub 3.

2. Łączność z maszynistą. Zob. poz. 4.2.2e (tj. poz. 6) 6. UNISIG SUBSET-033: FIS for man-machine interface; 2.0.0

i pkt 4.2.12 (Pokładowy pulpit ERTMS/ETCS). 3. Łączność z STM (Specific Transmission Module). Zob. pkt 4.2.6.2 (Interfejs między

ERTMS/ETCS a STM). Funkcja ta obejmuje: a) zarządzanie sygnałami wyjściowymi modułów STM; b) dostarczanie danych wykorzystywanych przez moduł STM; c) zarządzanie stanami przejściowymi modułu STM.

4. Zarządzanie informacjami na temat kompletności pociągu (ciągłości pociągu) – obowiązkowe dla poziomu 3, niewymagane dla poziomów 1 i 2.

5. Monitorowanie stanu urządzeń oraz pomoc w trybie pracy podczas awarii. Funkcja ta obejmuje: a) inicjalizację pokładowych funkcji ERTMS/ETCS; b) realizowanie pomocy w trybie pracy podczas awarii; c) izolowanie pokładowych funkcji ERTMS/ETCS.

6. Pomoc w rejestrowaniu danych do celów prawnych. Zob. pkt 4.2.14 (Interfejs do rejestracji danych do celów prawnych).

7. Przekazywanie informacji i poleceń oraz odbieranie informacji o stanie pojazdów: a) do pulpitu pokładowego. Zob. pkt 4.2.12 (Pokładowy pulpit ERTMS/ETCS); b) do/z interfejsu pociągu. Zob. poz. 4.2.2f załącznika A. (tj. poz. 7)

7. UNISIG SUBSET-034: FIS for the train interface; 2.0.0 W podsystemie „Sterowanie – urządzenia pokładowe” muszą zostać wdrożone, zgodnie z podany-mi specyfikacjami, poniższe funkcje (numeracja rozdziałów zgodna z [3].

4.2.4. Funkcje kolejowej łączności ruchomej – GSM-R Ten parametr podstawowy opisuje funkcje łączności radiowej. Funkcje takie muszą zostać wdrożone w podsystemach „Sterowanie – urządzenia pokładowe” i „Sterowanie – urządze-nia przytorowe” zgodnie z podanymi niżej specyfikacjami. 4.2.4.1. Funkcja łączności podstawowej Wymagania ogólne określone są w poz. 4.2.4a załącznika A (tj. poz. 64, 65). Ponadto speł-nione muszą zostać następujące specyfikacje:

1) funkcje ASCI; załącznik A poz. 4.2.4b (tj. poz. 66); 2) karta SIM; załącznik A poz. 4.2.4c (tj. poz. 67); 3) sygnalizacja użytkownik-użytkownik; załącznik A poz. 4.2.4d(tj. poz. 68); 4) adresowanie uzależnione od lokalizacji; załącznik A poz. 4.2.4e (tj. poz. 73, 74).

64. EN 301515. Global System for Mobile Communication (GSM). Requirements for GSM operation on railways; 2.3.0

65. TS 102281. Detailed requirements for GSM operation on railways; 2.2.0 66. (MORANE) A 01 T 0004 1. ASCI Options for Interoperability; 1 67. (MORANE) P 38 T 9001. FFFIS for GSM-R SIM Cards; 4.1

34


68. TSI TS 102 610. Railway Telecommunication; GSM. Usage of the UUIE for GSM operation on railways; 1.1.0

73. (MORANE) F 10 T6001. FFFS for Location Dependent Addressing; 4 74. (MORANE) F 12 T6001. FIS for Location Dependent Addressing; 3 4.2.4.2. Łączność głosowa i eksploatacyjna Wymagania ogólne określone są w poz. 4.2.4f załącznika A (tj. poz. 32, 33). Wymagania do-tyczące prób określone są w poz. 4.2.4g załącznika A (tj. poz. 48). Ponadto spełnione muszą zostać następujące specyfikacje:

1) potwierdzanie wywołań priorytetowych; załącznik A poz. 4.2.4h (tj. poz. 69, 70); 2) adresowanie funkcjonalne; załącznik A poz. 4.2.4j (tj. poz. 71, 72); 3) prezentacja numerów funkcjonalnych; załącznik A poz. 4.2.4k (tj. poz. 75, 76).

32. EIRENE FRS. GSM-R Functional requirements specification; 7.3.0 33. EIRENE SRS. GSM-R System requirements specification; 15.3.0 48. Test specification for mobile equipment GSM-R (Zastrzeżona) 69. (MORANE) F 10 T 6002. FFFS for Confirmation of High Priority Calls’; 4 70. (MORANE) F 12 T 6002. FIS for Confirmation of High Priority Calls; 4 71. (MORANE) E 10 T 6001. FFFS for Functional Addressing; 4 72. (MORANE) E 12 T 6001. FIS for Functional Addressing; 5.1 75. (MORANE) F 10 T 6003. FFFS for Presentation of Functional Numbers to Called and

Calling Parties; 4 76. F 12 T 6003. FIS for Presentation of Functional Numbers to Called and Calling Parties;

4 4.2.4.3. Przesyłanie danych na potrzeby ETCS Wymagania ogólne określone są w poz. 4.2.4f załącznika A (tj. poz. 32, 33). Wymagania do-tyczące prób określone są w poz. 4.2.4g załącznika A (tj. poz. 48) – patrz pkt. 4.2.4.2. Funkcja ta jest obowiązkowa tylko w przypadku zastosowań ETCS poziomu 2 i 3 oraz ra-diowego przesyłania informacji uaktualniających. 4.2.5. Interfejsy transmisji bezprzewodowej ERTMS/ETCS i GSM-R Ten parametr podstawowy określa wymagania dotyczące transmisji bezprzewodowej pomię-dzy podsystemami „Sterowanie – urządzenia przytorowe” i „Sterowanie – urządzenia po-kładowe” i musi zostać uwzględniony w powiązaniu z wymaganiami dotyczącymi interfejsów pomiędzy urządzeniami ERTMS/ETCS i GSM-R, 4.2.5.1. Łączność radiowa z pociągiem Interfejsy dla łączności radiowej klasy A muszą pracować w paśmie GSM-R – zob. załącznik A poz. 4.2.5a (tj. poz. 65, 66 – patrz pkt. 4.2.4.1). Protokoły muszą być zgodne z załączni-kiem A poz. 4.2.5b (tj. poz. 10, 39, 40). 10. UNISIG SUBSET-037. EuroRadio FIS; 2.3.0 39. UNISIG SUBSET-092-1. ERTMS EuroRadio Conformance Requirements; 2.3.0 40. UNISIG SUBSET-092-2. ERTMS EuroRadio test cases safety layer; 2.3.0 W przypadku, gdy wdrożona jest funkcja radiowego przesyłania informacji uaktualniają-cych, spełnione muszą zostać wymagania określone w poz. 4.2.5c załącznika A (tj. poz. 19, 20). 19. UNISIG SUBSET-047. Trackside- Trainborne FIS for Radio infill; 2.0.0 20. UNISIG SUBSET-048. Trainborne FFFIS for Radio infill; 2.0.0 4.2.5.2. Łączność z pociągiem przy użyciu eurobalis Interfejsy dla łączności przy użyciu eurobalis muszą być zgodne z poz. 4.2.5d załącznika A (tj. poz. 9, 43). 9. UNISIG SUBSET 036. FFFIS for Eurobalise; 2.4.1 43. UNISIG SUBSET 085. Test specification for Eurobalise FFFIS; 2.2.2 4.2.5.3. Łączność z pociągiem przy użyciu europętli Interfejsy dla łączności przy użyciu europętli muszą być zgodne z poz. 4.2.5e załącznika A (tj. poz. 16, 50). 16. UNISIG SUBSET-044. FFFIS for Euroloop; 2.3.0 50. UNISIG SUBSET-103. Test specification for Euroloop; 1.0.0 4.2.6. Interfejsy urządzeń pokładowych wewnątrz podsystemu „Sterowanie” 4.2.6.1. Kontrola pociągu ERTMS/ETCS i kontrola pociągu klasy B

35


W przypadku, gdy na pokładzie zainstalowane są funkcje kontroli pociągu ERTMS/ETCS i funkcje klasy B, zarządzanie przejściami pomiędzy nimi może odbywać się przy użyciu standardowego interfejsu określonego w poz. 4.2.6a załącznika A (tj. poz. 8, 25, 26, 36c, 49, 52). 8. UNISIG SUBSET-035. Specific Transmission Module FFFIS; 2.1.1 25. UNISIG SUBSET-056. STM FFFIS Safe time layer; 2.2.0 26. UNISIG SUBSET-057. STM FFFIS Safe link layer; 2.2.0 36c. UNISIG SUBSET-074-2. FFFIS STM Test cases document; 1.0.0 49. UNISIG SUBSET-059. Performance requirements for STM; 2.1.1 52. UNISIG SUBSET-058. FFFIS STM Application layer; 2.1.1 Załącznik A w poz. 4.2.6b (tj. poz. 29, 45) zawiera specyfikację interfejsu K (umożliwiające-go niektórym modułom STM odczytywanie informacji z balis klasy B poprzez pokładową an-tenę ERTMS/ETCS), a w poz. 4.2.6c (tj. poz. 46) – specyfikację interfejsu G (transmisji bez-przewodowej pomiędzy pokładową anteną ETCS, a balisami klasy B). 29. UNISIG SUBSET-102. Test specification for interface „K”; 1.0.0 45. UNISIG SUBSET-101. Interface „K” Specification; 1.0.0 46. UNISIG SUBSET-100. Interface „G” Specification; 1.0.1 Zastosowanie interfejsu K jest opcjonalne, ale w przypadku jego użycia musi być on zgodny z poz. 4.2.6b załącznika A. Ponadto w przypadku zastosowania interfejsu K funkcja pokładowego kanału transmisyjne-go musi być zgodna z charakterystyką określoną w poz. 4.2.6c załącznika A. W przypadku, gdy zarządzanie przejściami pomiędzy pokładowymi funkcjami kontroli pocią-gu ERTMS/ETCS i funkcjami klasy B nie odbywa się przy użyciu standardowego interfejsu określonego w poz. 4.2.6a załącznika A, należy podjąć kroki celem zapewnienia, by zastoso-wana metoda nie wiązała się z dodatkowymi wymaganiami wobec podsystemu „Sterowanie – urządzenia przytorowe”. 4.2.6.2. Interfejs między radiową wymianą danych GSM-R a ERTMS/ETCS Wymagania dotyczące interfejsu między radiem klasy A, a funkcjami pokładowego systemu ERTMS/ETCS określono w poz. 4.2.6d załącznika A (tj. poz. 34). 34. A11T6001. (MORANE) Radio Transmission FFFIS for EuroRadio; 12.4 W przypadku, gdy wdrożona jest funkcja radiowego przesyłania informacji uaktualniają-cych, spełnione muszą zostać wymagania określone w poz. 4.2.6e załącznika A (tj. poz. 20 – patrz pkt. 4.2.5.1). 4.2.6.3. Odometria Interfejs między funkcją odometrii, a pokładowymi urządzeniami ETCS musi spełniać wyma-gania podane w poz. 4.2.6f załącznika A (tj. poz. 44). Interfejs ten należy do parametru pod-stawowego tylko wtedy, gdy urządzenia odometryczne dostarczane są jako oddzielny skład-nik interoperacyjności. 44. Odometry FIS (zastrzeżone).

Łącznie wymienione wyżej dokumenty (52 pozycje) to kilka tysięcy stron. Link do dokumentów ws. ETRMS/ETCS (kliknięcie po otwarciu pliku otwiera wybrany dokument): http://www.utk.gov.pl/pl/wymagania-wspolnotowe/prawo-wspolnotowe/1799,Wymagania-dla-ERTMS.html 3. Procedury weryfikacji i oceny

A) Wymagania dotyczące oceny podsystemu pokładowego: W tabeli przedstawiono zestawienie kontroli, jakie należy przeprowadzić w ramach weryfikacji podsystemu „Sterowanie – urządze-nia pokładowe”, oraz parametrów podstawowych, które muszą zostać spełnione. Niezależnie od wybranego modułu: 1) weryfikacja musi wykazać, że po zintegrowaniu z pojazdem podsystem „Sterowanie –

urządzenia pokładowe” spełnia parametry podstawowe; 2) te funkcje i parametry eksploatacyjne składników interoperacyjności, które zostały już objęte

deklaracją zgodności WE, nie wymagają dodatkowej weryfikacji. B) W celu weryfikacji podsystemu „Sterowanie – urządzenia pokładowe” wnioskodawca może

wybrać: 1) procedurę badania typu (moduł SB) dotyczącą fazy projektowania i rozwoju, w połączeniu z

procedurą systemu zarządzania jakością produkcji (moduł SD) dla fazy produkcyjnej; lub

36


2) procedurę badania typu (moduł SB) dotyczącą fazy projektowania i rozwoju, w połączeniu z procedurą weryfikacji produktu (moduł SF); lub

3) pełny system zarządzania jakością oraz badanie projektu (moduł SH1). W odniesieniu do modułu SB - pkt 4.2 (badanie typu) wymagany jest przegląd projektu. W odniesieniu do modułu SH1 - pkt 4.2, wymagane jest wykonanie badania typu (dotyczy także podsystemu pokładowego).

C) Jednostka notyfikowana przeprowadza weryfikację WE podsystemu „Sterowanie – urządzenia pokładowe” lub „Sterowanie – urządzenia przytorowe” zgodnie z załącznikiem VI do dyrekty-wy ws. interoperacyjności kolei na żądanie wnioskodawcy. Wnioskodawca sporządza deklarację weryfikacji WE podsystemu „Sterowanie – urządzenia pokładowe” lub „Sterowanie – urządzenia przytorowe” zgodnie z art. 18 ust. 1 dyrektywy ws. interoperacyjności kolei i z załącznikiem V do niej. Treść deklaracji weryfikacji WE musi być zgodna z załącznikiem V do dyrektywy ws. interope-racyjności kolei. Procedurę oceny przeprowadza się przy użyciu jednego z modułów wymienionych w pkt 6.3.2 (Moduły oceny podsystemów „Sterowanie”). Jednostka notyfikowana odpowiedzialna za weryfikację WE ocenia projekt i produkcję podsystemu i sporządza certyfikat weryfikacji przeznaczony dla wnioskodawcy, który z kolei sporządza deklarację weryfikacji WE przeznaczoną dla organu nadzoru w państwie członkowskim, w którym podsystem jest zlokalizowany lub działa. W tabeli 6.2 przedstawiono zestawienie kontroli, jakie należy przeprowadzić w ramach weryfi-kacji podsystemu „Sterowanie – urządzenia pokładowe”, oraz parametrów podstawowych, któ-re muszą zostać spełnione.

37


Niezależnie od wybranego modułu: 1) weryfikacja musi wykazać, że po zintegrowaniu z pojazdem podsystem „Sterowanie –

urządzenia pokładowe” spełnia parametry podstawowe; 2) te funkcje i parametry eksploatacyjne składników interoperacyjności, które zostały już

objęte deklaracją zgodności WE, nie wymagają dodatkowej weryfikacji. 4. Składniki interoperacyjności podsystemu „Sterowanie - urządzenia pokładowe” W tablicy 5.1.a w TSI [3] określono poniżej zestawione składniki (grupy składników) interoperacyj-ności podsystemu „Sterowanie – urządzenia pokładowe”.

a) pokładowy ERTMS/ETCS b) urządzenia odometryczne c) interfejs zewnętrznego STM d) radiotelefon kabinowy GSM-R e) radio GSM-R na potrzeby transmisji danych ETCS f) karta SIM GSM-R.

Definicja i funkcję STM określone zostały w zał. nr 1 do [4] następująco: STM - specyficzny moduł transmisyjny pośredniczący między urządzeniami pokładowymi ERTMS/ETCS a:

1) eksploatowanym na polskich liniach kolejowych systemem bezpiecznej kontroli jazdy pocią-gu, należącym do klasy systemów automatycznego ostrzegania, jakim jest system Samoczyn-nego Hamowania Pociągu, oraz

2) wykorzystywaną na polskich liniach kolejowych funkcją hamowania obszarowego, jaką jest funkcja „radiostop”.

Zgodnie z pkt. 6.2.4.2. [3]: Każde państwo członkowskie odpowiada za weryfikację zgodności STM ze swoimi wymaganiami krajowymi. Weryfikacja zgodności interfejsu STM z pokładowym systemem ERTMS/ETCS wymaga przeprowadzenia oceny zgodności przez jednostkę notyfikowaną.

Składniki mogą tworzyć grupę składników (przykład dla składników a) i b) przedstawia tablica 5.1.b).

39


W celu oceny składników interoperacyjności należących do podsystemów „Sterowanie” produ-cent lub jego upoważniony przedstawiciel mający siedzibę na terenie Wspólnoty może wybrać:

1) procedurę badania typu (moduł CB) dotyczącą fazy projektowania i rozwoju, w połącze-niu z procedurą systemu zarządzania jakością produkcji (moduł CD) dla fazy produkcyj-nej, lub

2) procedurę badania typu (moduł CB) dotyczącą fazy projektowania i rozwoju, w połącze-niu z procedurą weryfikacji produktu (moduł CF); lub

3) pełny system zarządzania jakością oraz badanie projektu (moduł CH1). Według 4.2.2-3:

Łączność z STM wg pkt. 4.2.6.2: „Interfejs między ERTMS/ETCS a STM” obejmuje: a) zarządzanie sygnałami wyjściowymi modułów STM; b) dostarczanie danych wykorzystywanych przez moduł STM; c) zarządzanie stanami przejściowymi modułu STM.

Wymagania dotyczące systemów klasy B i modułów STM (umożliwiających pokładowe-mu systemowi klasy A funkcjonowanie w infrastrukturze klasy B) leżą w zakresie odpo-wiedzialności odpowiedniego państwa członkowskiego. W przypadku, gdy na pokładzie zainstalowane są funkcje kontroli pociągu ERTMS/ETCS i funkcje klasy B, zarządzanie przejściami pomiędzy nimi może odbywać się przy użyciu standardowego interfejsu określonego w poz. 4.2.6a załącznika A. (tj. poz. 8, 25,26 i 49 – patrz 4.2.6.1 w pkt. 2). Załącznik A w poz. 4.2.6b zawiera specyfikację interfejsu K (umożliwiającego niektórym modułom STM odczytywanie informacji z balis klasy B poprzez pokładową antenę ERTMS/ETCS). Zastosowanie interfejsu K jest opcjonalne, ale w przypadku jego użycia musi być on zgod-ny z poz. 4.2.6b załącznika A (tj. poz. 45 - patrz 4.2.6.1 w pkt. 2), a w poz. 4.2.6c – specyfikację interfejsu G (transmisji bezprzewodowej pomiędzy pokła-dową anteną ETCS a balisami klasy B). Ponadto w przypadku zastosowania interfejsu K funkcja pokładowego kanału transmisyjnego musi być zgodna z charakterystyką określoną w poz. 4.2.6 c załącznika A (tj. poz. 46 - patrz 4.2.6.1 w pkt. 2).

40


W przypadku, gdy zarządzanie przejściami pomiędzy pokładowymi funkcjami kontroli po-ciągu ERTMS/ETCS i funkcjami klasy B nie odbywa się przy użyciu standardowego inter-fejsu określonego w poz. 4.2.6a załącznika A, należy podjąć kroki celem zapewnienia, by zastosowana metoda nie wiązała się z dodatkowymi wymaganiami wobec podsystemu „Sterowanie – urządzenia przytorowe”.

5. Podsumowanie W przedstawionym artykule zwrócono m. in. uwagę na obszerność dokumentów odnoszących się do podsystemu „Sterownie”, jednak tylko część z ich odnosi bezpośrednio do urządzeń pokłado-wych podsystemu sterowanie, zatem w przypadku oceny tej części podsystemu konieczna jest staranna selekcja wymagań zawartych w dokumentach związanych z tym podsystemem. Należy podkreślić szczególną rolę jednostek notyfikowanych w procesie weryfikacji WE podsys-temu „Sterowanie – urządzenia pokładowe” i oceny zgodności składników interoperacyjności ze względu na interdyscyplinarność problemów związanych z wyposażeniem elektrotechnicznym pojazdów, jak i z telekomunikacją. Dotychczas w poprzednich numerach kwartalnika przedstawiono podstawowe informacje na następujące tematy: - unijne i krajowe przepisy dotyczące taboru kolejowego - akredytacja, autoryzacja i notyfikacja ośrodków certyfikujących i laboratoriów badawczych - ocena zgodności podsystemu „Tabor” i jego składników interoperacyjności, A kolejnym numerze zostanie przedstawiona ocena bezpieczeństwa podsystemu „Tabor” w za-kresie wyceny i oceny ryzyka. 6. Dokumenty źródłowe [1] Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1302/2014 z dnia 18 listopada 2014 r. w sprawie technicz-

nej specyfikacji interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu „Tabor - lokomotywy i ta-bor pasażerski” systemu kolei w Unii Europejskiej

[2] Decyzja Komisji z dnia 6 listopada 2012 r. zmieniająca decyzję 2012/88/UE w sprawie tech-nicznej specyfikacji interoperacyjności w zakresie podsystemów „Sterowanie” transeuropej-skiego systemu kolei (2012/696/UE)

[3] Decyzja Komisji z dnia 25 stycznia 2012 r. w sprawie technicznej specyfikacji interoperacyj-ności w zakresie podsystemów „Sterowanie” transeuropejskiego systemu kolei (2012/88/UE)

[4] Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 6 listopa-da 2013 r. w sprawie interoperacyjności kolei (Dz. U. 2013 poz. 1297)

41


dr inż. Marek Sobaś, prof. IPS Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”

Badania przejazdu pojazdów szynowych przez tory wichrowate w warunkach quasi-statycznych z uwzględnieniem kąta nabiegania koła na szynę

W artykule przedstawiono nowatorskie podejście do problemów bezpieczeństwa przejazdu pojazdów przez tory wichrowate w warunkach quasi-statycznych z uwzględnieniem kąta nabiegania koła na szynę. W ten sposób kryterium Nadala zostało rozszerzone o następny parametr. Można wyciągnąć wniosek, że kryte-rium to ulega zmianie, wskutek postępu prac analityczno-badawczych.

1. WSTĘP

Bezpieczeństwo przejazdu pojazdu przez tory wichrowate w warunkach quasi-statycznych jest jed-nym z najistotniejszych problemów kolejnictwa. Kry-terium bezpieczeństwa przed wykolejeniem zostało wprowadzone przez Nadala w 1908 roku. Rozwój tego kryterium oraz zabezpieczenie pojazdów szynowych przed wykolejeniem, jest procesem ciągłym i podlega dalszym badaniom [2,6,7,8], pomimo istotnych osią-gnięć w tej dziedzinie dla wagonów towarowych, co jest wyrażone raporcie ORE/ERRI B55 Rp.8 [13]. W świetle dzisiejszej wiedzy istotnymi czynnikami, które działają w kierunku polepszenia bezpieczeństwa przed wykolejeniem w warunkach quasi-statycznych są:

wielkość poprzecznych sił prowadzących Y, działających w punkcie styku koła i szyny w kierunku poprzecznym, wielkość nacisków pionowych Q koła (niem.

„Radaufstandskräfte”), działających w punk-cie styku koła i szyny oraz ich rzeczywisty rozkład w pojeździe, wartość współczynnika tarcia µ między kołem

a szyną, zarys koła, a zwłaszcza kąt pochylenia obrzeża γ, przyjęty w stanie nowym na poziomie 70? zgodnie z normą europejską PN-EN 13715+A1:2011 wg [11], wichrowatość toru, mierzona w promilach i

określona w przepisach utrzymania infrastruk-tury, wielkość kątów nabiegania α koła pojazdu na

szynę, promień łuku toru R, przez który przejeżdża

pojazd oraz wielkość pochylenia rampy prze-chyłkowej toku zewnętrznego szyny na łuku o promieniu R, bazy wózka 2a, w przypadku pojazdów czte-

roosiowych oraz baza pojazdu w przypadku wagonów dwuosiowych, sztywność skrętna nadwozia, sztywność usprężynowania, sztywność skrętna ramy wózka.

2. Wskaźnik wykolejenia

Wskaźnik wykolejenia, który jest znany od 1908 roku jako kryterium Nadala, przedstawia się następująco:

1,2QY

0,36µ,70γ 0

≤

==

(1)

gdzie: Y- siła prowadząca, działająca w punkcie styku w kierunku poprzecznym (niem. „laterale Führungskra-ft”) Q- siła nacisku pionowego koła na szynę (niem. „Ra-

daufstandskraft”). Kryterium w takiej formie, aby można było je bardziej zrozumieć, musi ulec rozwinięciu do następującej formy:

1,2tgγµ1µtgγ

QY ≤

⋅+−= (2)

gdzie: γ-kąt pochylenia obrzeża (niem.

„Spukranzwinkel”), µ- współczynnik tarcia pomiędzy kołem, a

szyną (niem. „Reibwert”) Rozkład sił oraz kąt pochylenia obrzeża jest

przedstawiono na rys.1

Rys.1. Siły działające w punkcie styku koło-szyna podczas prze-jazdu przez łuk toru

42


Legenda: Y- siła poprzeczna działająca w punkcie styku koło-szyna Q- siła pionowa działająca w punkcie styku koło-szyna N –siła normalna, prostopadła do linii, wyznaczającej kąt pochylenia obrzeża µN- siła tarcia, działająca w punkcie styku koło-szyna.

Proces wykolejenia odbywa się w wyniku wspinania koła (niem. „das Aufklettern des Rades”) w rejonie obrzeża po główce szyny. Wspinanie koła bokiem obrzeża po zarysie zewnętrznym szyny odbywa się w wyniku działania siły tarcia T=µ·N (niem. „Tangentialkraft”) oraz składowej siły poprzecznej Y. Wartość tej siły jest tym większa im większy jest współczynnik tarcia pomiędzy kołem, a szyną. Jeżeli stosunek sił Y i Q przekroczy wartość wynoszącą 1,2, to wówczas, prawdopodobne jest wykolejenie. Należy jednak podkreślić, że kryterium to obowiązuje dla kąta pochylenia obrzeża γ=70° oraz współczynnika tarcia na styku koło-szyna wynoszącego µ=0,36. Po wstawieniu danych γ=70° oraz µ=0,36 do wzoru (2) otrzymuje się:

1,2002,74740,361

0,362,7474tg700,361

0,36tg70QY =

⋅+−=

⋅+−= (3)

Tak więc poprawnie sformułowane kryterium Nadala przedstawia się następująco:

1,2QY

0,36µ,70γ 0

≤

==

(4)

Wskaźnik wykolejenia zależy w dużym stopniu od kąta pochylenia obrzeża γ. Zależność tę przedstawiono w tabeli 1.

l.p. Wartość kąta pochylenia obrzeża γ

Wartość wskaźnika

wykolejenia (Y/Q) 1 60° 0,845 2 61° 0,875 3 62° 0,906 4 63° 0,939 5 64° 0,972 6 65° 1,007 7 66° 1,042 8 67° 1,079 9 68° 1.118

10 69° 1,158 11 70° 1,200 12 71° 1,243 13 72° 1,289 14 73° 1,336 15 74° 1,386 16 75° 1,438 17 76° 1,493 18 77° 1,551 19 78° 1,612 20 79° 1,677 21 80° 1,746

Zależność wskaźnika wykolejania (Y/Q) od kąta pochylenia obrzeża koła Tabela 1

Należy jednak zaznaczyć, że kąt pochylenia obrzeża γ można używać do oceny bezpieczeństwa przed wykolejeniem jeśli główka szyny nie jest na tyle zużyta, że ma wpływ na ostateczny kąt pochylenia. Jeśli główka szyny jest na tyle zużyta, jak pokazano na rys.4, to wówczas rzeczywisty kąt styku wynosi α=55opodczas przejazdu pojazdu z kołami o kącie pochylenia obrzeża γ=70o.

Rys.2. Maksymalne dopuszczalne zużycie szyny, które wywołuje kąt pochylenia obrzeża α=55°

Przyjmując kąt pochylenia obrzeża α=55° oraz współ-czynnik tarcia µ=0,36 i wstawiając do wzoru (2) otrzy-muje się:

0,705tg550,3610,36tg55

QY

0

0

≤⋅+−= (5)

3. Wskaźnik wykolejenia, a kąt nabiegania

W przypadku przejazdu pojazdu przez łuk dochodzi bardzo często do nabiegania koła pojazdu na szynę pod kątem α, który nazywa się w kolejnictwie kątem nabiegania (niem. „Anlaufwinkel”, ang. „stricking angle”, fr „angle d’ attage”). Sytuację koła pojazdu na łuku toru opisuje rys.2 oraz rys.3.

Legenda: a- mała półoś elipsy b- duża półoś elipsy r- promień krzywizny wierzchołka hiperboli γ- kąt pochylenia obrzeża Rys.3. Aproksymacja przebiegu punktu styku przez łuk toru wg [2]

43


Rys.4. Przemieszczenie punktu styku podczas przejazdu koła pojazdu przez łuk toru wg [2]

Kąty nabiegania α mogą przyjmować różne wartości, przy czym jedną z maksymalnych wartości α=3,23° wyliczono podczas przejazdu wagonu towarowego 218K (Hbbins) przez łuk o promieniu R=70 m [2,3]. Jak wynika z doświadczeń eksploatacyjnych pojazdów tramwajowych duże kąty nabiegania ok. 3°, występują podczas przejazdu przez łuk o promieniu R=17,5 m i wózków o bazie 1850 mm [2]. Duże kąty nabiegania α powyżej 3? występują podczas przejazdu wagonów towarowych przez łuki o małym promieniu, tzw. tory warsztatowe, co zostało wykazane w [6÷8]. Analizując rys.3 oraz rys.4 można zauważyć, że jeśli punkt styku koło szyna wędruje na wycinku hiperboli, to wówczas powstaje kąt nabiegania α. Punkt wierzchołkowy (niem. „Scheitelpunkt”) hiper-boli można wyznaczyć ze wzoru:

a

br2

= (6)

Półoś b odpowiada promieniowi koła R w punkcie styku. Półoś a może być wyliczona za pomocą kąta pochyle-nia obrzeża na podstawie następującego wzoru:

tanγRa = (7)

Z zależności (6) oraz (7) wynika zależność dla aprok-symowanego przemieszczenia promienia koła:

r=R⋅tanγ (8)

W wyniku kąta nabiegania α punkt styku na kole przemieszcza się na odcinku drogi c, w wyniku czego można zapisać:

sinαrc ⋅= (9) względnie:

c=R⋅tanγ⋅sinα (10) Skośne nabieganie koła pojazdu na szynę przedstawia również rys.5.

Rys.5. Skośne nabieganie koła na szynę

Oznaczenia na rys.5:

A, B punkty styku koła z szyną, odpowiednio na powierzchni tocznej i obrzeżu koła γ- kąt pochylenia obrzeża α- kąt nabiegania koła na szynę µ- współczynnik tarcia r- promień powierzchni tocznej r’- promień obrzeża, sięgający do ostatniego punktu na boku obrzeża ∆h- odległość w kierunku pionowym pomiędzy punktami A i B.

3.1. Uwzględnienie poślizgu podczas jazdy przez łuk toru Poślizg w kierunku pionowym można określić z rys.6.

Rys.6. Prędkości przy przemieszczeniu punktu styku wg [2]

44


Legenda: R- promień punktu styku koła i szyny c- przemieszczenie punktu styku koła i szyny (punkt styku B znajduje się na obrzeżu koła) ω- prędkość obrotowa koła v- prędkość liniowa w punkcie styku vx- składowa prędkości w kierunku jazdy vy- składowa prędkości w kierunku poprzecznym do kierunku jazdy.

Przemieszczeniu c punktu styku, wynikającemu z prędkości na kole towarzyszy poślizg. Poślizg w kie-runku pionowym można wyznaczyć z następującej zależności:

v

vzZ =s (11)

Z warunków geometrycznych wynika zależność:

Rc

vv Z = (11)

Z zależności (11) wynika wzór na poślizg w kierunku pionowym:

Sz=tanγ⋅sinα (12)

W karcie UIC 510-2 [10] znajduje się zależność, okre-ślająca zależność współczynnika tarcia od poślizgu:

⋅

+

=

n

y

nn

sK1

µ1

µ1

S

(13)

Poszczególne parametry wyrażają się wzorami:

( )571,524,25QQ1000

1µ 2S +−⋅= (14)

219,5Q24,25QK 2 +⋅−= (15) 2,205,0 +⋅= Qn (16)

gdzie: -Q nacisk pionowy koła na szynę wyrażony w

tonach.

n1

n

yS sK1

µ1µ

n −

⋅

+

= (17)

Równanie (17) można aproksymować do funkcji wy-kładniczej:

( )ysdS e1µµ ⋅−−⋅= (18)

Wyraz d wyznacza się ze wzoru empirycznego: d=-10⋅Q+460 (19)

gdzie: Q- nacisk koła w tonach. Na rys.7 przedstawiono graficzne zależności pomię-dzy współczynnikiem tarcia i poślizgiem, natomiast na rys.8 przedstawiono tzw. krzywe aproksymacyjne.

Rys.7. Związek między współczynnikami tarcia koła-szyny i poślizg dla różnych nacisków pionowych zestawu kołowego 2Q na tor wg [2]

Rys.8. Aproksymacja ustalonych krzywych w karcie UIC 510-2 [10] poprzez funkcję wykładniczą dla różnych pionowych naci-sków zestawów kołowych (2Q) na tor wg [2]

Zakładając, że przebieg współczynnika tarcia w zależ-ności od poślizgu jest niezależny od kierunku, względ-nie zależność współczynnika tarcia od poślizgu pionowego przebiega identycznie jak zależność współ-czynnika tarcia od poślizgu poprzecznego. Obowiązu-je więc równanie:

Zy ss = (20)

Niniejszą funkcję można wyrazić za pomocą aprok-symacji przez funkcję wykładniczą:

( ) ( )( ) ( )γtane1µ1

e1µγtanQY

sinαdtanγS

sinαtanγdS

⋅−+−−

= ⋅−

⋅⋅⋅−⋅ (21)

Kąt nabiegania α koła pojazdu na szynę wyraża się wzorem:

R1

22aα ⋅= (22)

gdzie: 2a-baza pojazdu R- promień łuku toru. Na rys.9 przedstawiono zależność współczynnika (Y/Q) wg kryterium Nadala (czerwona linia) oraz rozszerzoną wartość współczynnika Nadala o kąt na-biegania dla kąta pochylenia obrzeża 70°, nacisku zestawu kołowego na tor wynoszącego 19t oraz współczynnika tarcia µ=0,36 i dla różnych promieni łuku toru. Jak widać z rys.9 przy uwzględnieniu kąta nabiegania kryterium Nadala przyjmuje większe wartości od usta-lonej w przepisach 1,2. Jeśli tak, to należy uznać, że w kryterium Nadala istnieją rezerwy, zależne od kąta nabiegania koła pojazdu na szynę. Krzywa wg Nadala, uwzględniająca kąt nabiegania dla większych jego wartości jest tożsama z tradycyjnym kątem nabiega-nia. Na rys.10 przedstawiono zależności wskaźnika wykolejenia od kąta nabiegania i łuku toru, dla kątów

45


Rys.9. Dopuszczalne wartości (Y/Q) wg kryterium Nadala i wg rozszerzonego równania wg Nadala w zależności od kąta nabiega-nia dla kąta pochylenia obrzeża 70°, 2Q=19t i współczynnika tarcia µ=0,36 wg [2]

pochylenia obrzeża, wynoszących odpowiednio: γ=80o, γ=76o,γ=73o,γ=70o, γ=68o, γ=64o,γ=60oi γ=50o. Wykresy wskaźnika wykolejania (Y/Q) przedstawiono dla nacisku zestawu kołowego na tor wynoszącego 19t, współczynnika tarcia µ=0,36 i pojazdu o bazie 2a=2,5 m.

Rys.10. Dopuszczalne wartości wskaźnika (Y/Q) wg rozszerzone-go kryterium Nadala w zależności od kąta nabiegania dla różnych kątów pochylenia obrzeża, 2Q=19t i µ=0,36. Promienie łuku toru ustalone dla pojazdu o bazie 2a-=2,5 m wg [2]

Następnie przeprowadzono obliczenia dla wagonu 218 K (Hbbins) z rozsuwanymi ścianami o bazie 10m. Wagon 218 K przedstawiono na rys.11.

Rys.11. Wagon dwuosiowy typu 218K (Hbbins) z rozsuwanymi ścianami

Wagon 218K (Hbbins) posiada następujące parametry techniczne: masa własna wagonu - max.16,5t długość ładowana -14 636 mm szerokość ładowana-2580 mm wysokość ładowna-3050 mm baza wagonu -10 000 mm maksymalny nacisk pionowy zestawu kołowego

na tor-22,5t maksymalna prędkość wagonu załadowanego -

100 km/h maksymalna prędkość wagonu próżnego -120

km/h szerokość (prześwit) toru - 1435 mm.

Wyniki obliczeń wskaźnika wykolejenia (Y/Q) ze-brano w tabeli 2. Przed wykonaniem analizy wyników należy zwrócić uwagę, że wyprowadzona zależność na wskaźnik wy-kolejenia, określona wzorem (21), przyjmuje postać wzoru (2) jeżeli:

µ=µS (23) Wówczas zależność, określona wzorem (18) przyjmu-je taką postać pod warunkiem, że

( ) 1e1 ysd =− ⋅− (24) A to oznacza, że funkcja e-dsinγ⋅sinα zmierza do wartości 0. Wyniki obliczeń dla współczynnika µs=0,36 dla wa-gonu 218 K przedstawiono w tabeli 3.

3.2. Radialne ustawianie się zestawu kołowego w łuku, a wskaźnik wykolejenia Analizując wyniki przedstawione w tabeli 2 można zauważyć, że wraz ze wzrostem kąta nabiegania α, którego wartość rośnie wraz ze zmniejszeniem się promienia łuku toru można wyciągnąć wniosek, że kryterium Nadala może przyjmować: większe wartości od tradycyjnie wyliczonych dla ma-łych kątów nabiegania α, które pojawiają się na od-cinkach prostych toru R>1800 m oraz łukach o du-żych promieniach 600m<R?1800 m

wartości równe tradycyjnie przyjmowanych dla du-żych kątów nabiegania α, które pojawiają się na łu-kach małych 250≤R<600 m oraz na łukach bardzo małych 250≤R<400 m (definicje zakresów łuków zgodnie PN-EN 14363:2007[12]).

46


Zestawienie wyników obliczeń wskaźnika wykolejenia (Y/Q) dla różnych kątów nabiegania α i współczynnika tarcia µ=0,488 dla wagonu dwuosiowego z rozsuwanymi ścianami 218 K (Hbbins) Tabela 2

L.p. Q [t]

µs

[-]

d [t]

R [m]

α [rad]

α [°]

sinα [-]

QY

NADAQY

1. 4,125 0,488 418,75 10000 5⋅10-4 0,0286 4,9916⋅ 10-4 1,59 0,96

2. 4,125 0,488 418,75 5000 1⋅10-3 0,0572 9,9832⋅ 10-4 1,26 0,96

3. 4,125 0,488 418,75 3000 1,66⋅10-3 0,0951 1,6598⋅ 10-3 1,08 0,96

4. 4,125 0,488 418,75 1000 5⋅10-3 0,2864 4,9986 10-3

0,964

0,96

5. 4,125 0,488 418,75 800 6,25⋅10-3 0,3580 6,2482 10-3

0,9615

0,96

6. 4,125 0,488 418,75 600 8,33⋅10-3 0,4772 8,3286 10-3

0,9610 0,96

7. 4,125 0,488 418,75 300 0,016 0,9167 0,0159 0,96 0,96 8. 4,125 0,488 418,75 250 0,02 1,1459 0,0199 0,96 0,96 9. 4,125 0,488 418,75 200 0,025 1,4323 0,0249 0,96 0,96 10. 4,125 0,488 418,75 150 0,033 1,8907 0,0331 0,96 0,96 Zestawienie wyników obliczeń wskaźnika wykolejenia (Y/Q) dla różnych kątów nabiegania α i współczynnika tarcia µ=0,36 dla wagonu dwuosiowego z rozsuwanymi ścianami 218 K (Hbbins) Tabela 3

L.p. Q [t]

µs

[-]

d [t]

R [m]

α [rad]

α [°]

sinα [-]

QY

NADAQY

1. 4,125 0,360 418,75 10000 5⋅10-4 0,0286 4,9916⋅ 10-4 1,808 1,200

2. 4,125 0,360 418,75 5000 1⋅10-3 0,0572 9,9832⋅ 10-4 1,493 1,200

3. 4,125 0,360 418,75 3000 1,66⋅10-3 0,0951 1,6598⋅ 10-3 1,324 1,200

4. 4,125 0,360 418,75 1000 5⋅10-3 0,2864 4,9986 10-3 1,202

1,200

5. 4,125 0,360 418,75 800 6,25⋅10-3 0,3580 6,2482 10-3

1,200

1,200

6. 4,125 0,360 418,75 600 8,33⋅10-3 0,4772 8,3286 10-3

1,200 1,200

7. 4,125 0,360 418,75 300 0,016 0,9167 0,0159 1,200 1,200 8. 4,125 0,360 418,75 250 0,02 1,1459 0,0199 1,200 1,200 9. 4,125 0,360 418,75 200 0,025 1,4323 0,0249 1,200 1,200 10. 4,125 0,360 418,75 150 0,033 1,8907 0,0331 1,200 1,200

Wyniki teoretyczne skłaniają do wyciągnięcia wnio-sku, że w przypadku ciasnych i średnich zakresów promieni, jednym z technicznych rozwiązań byłoby zmniejszenie kątów nabiegania poprzez zastosowanie radialnego sterowania zestawów kołowych układów biegowych lub zastosowania sprzęgów wózkowych w lokomotywach. Przykład nowoczesnego wózka z ha-mulcami tarczowymi oraz radialnym sterowaniem zestawów kołowych typu RC25NT (RadialCon-trol25NewTechnology), zaprojektowany i wyprodu-kowany przez firmę Eisenbahnlaufwerke GmbH &Co.KG w Halle (ELH) jest przedstawiony na rys 12 i rys.13. W wyniku takiego zabiegu, kąty nabiegania maleją, zestawy kołowe wpisują się łatwiej w łuk toru. Kolejną korzyścią, jest zmniejszenie zużyć obrzeży

kół, co pozwala na zwiększenie żywotności kół jezd-nych, a w efekcie na poprawienie konkurencyjności transportu szynowego na rynku przewozowym towa-rów. Reasumując mechanizm radialnego sterowania zesta-wów kołowych wózka RC25NT zapewnia:

bezpieczną równoległość zestawów kołowych na torach prostych oraz udoskonalone usta-wianie się zestawów kołowych w łuku, niskie koszty napraw i konserwacji; przy wy-

mianie zestawów kołowych mechanizm ste-rowania nie musi być demontowany, przez co zapewnione jest utrzymanie dokładności pro-wadzenia zestawów kołowych.

47


Wózek typu RC25NT jest przeznaczony do wagonów towarowych, przystosowanych do nacisku zestawów kołowych na tor, wynoszącego 25t oraz prędkości 100 km/h. Badanie pojazdów, a w szczególności wagonów to-warowych w stanie próżnym, ma istotne uzasadnie-nie, gdyż najczęściej dochodzi do wykolejania w tym stanie. Wynika to ze wskaźnika wykolejenia, gdyż wtedy odciążenie koła ∆Q może być decydujące dla bazowej wartości nacisku Q. Wyliczone wartości ką-tów nabiegania dla analizowanych przypadków są realne i pokrywają się z praktyką eksploatacyjną,

Rys.12.Wózek RC25NT, przeznaczony do ciężkich przewozów towarowych wg [5]

Należy podkreślić, że każdy luz wzdłużny zwiększa możliwość wpisywania się pojazdu w łuki. W ten spo-sób zmniejsza się kąt nabiegania w łukach. Uzasadnia to wzór na określenie minimalnego promienia łuku toru, przez który może przejechać pojazd np. dwu-osiowy wagon towarowy. W przypadku przejazdu przez łuk o promieniu R wagonu dwuosiowego o ba-zie 2p, luzach poprzecznych 2q, luzach wzdłużnych 2qw i luzie zestawu kołowego w torze ε minimalny promień łuku toru, w który może wjechać pojazd wy-nosi:

+−+

+−

=

p2qε

sq

tgγψcosarcsin

2ε

sq

tgγcosψarcsin

2p

Rw

w

(25)

Rys.13. Mechanizm sterowania radialnego wózka RC25NT wg [5]

Wyniki uzyskanych kątów nabiegania α dla wagonu z rozsuwanymi ścianami typu 218K są realne i mają swoje potwierdzenie w praktyce kolejowej. Należy wziąć pod uwagę, że wskaźnik wykolejenia, jako kryterium w tradycyjnej formie jest funkcją dwóch zmiennych tzn. kąta pochylenia obrzeża γ oraz współczynnika tarcia µ pomiędzy kołem a szyną. Dzięki dalszym badaniom udało się uwzględnić w kryterium wykolejania kąt nabiegania α. Należy pod-kreślić, że wskaźnik wykolejania jest zależny od współczynnika tarcia między kołem a szyną, który z kolei zależy od:

prędkości pojazdu, warunków atmosferycznych (temperatura

otoczenia, wilgotność powietrza), wyposażenia pojazdu w urządzenia do sma-

rowania obrzeży kół, wyposażenia w urządzenia stacjonarne przy-

torowe do zwilżenia powierzchni szyn na łu-kach toru (stosowane głownie przez koleje szwajcarskie SBB oraz koleje austriackie ŐBB), wyposażenia pojazdu w urządzenia do pia-

skowania, zanieczyszczenia i zużycia szyn (patrz rys.2), chropowatości powierzchni tocznej i obrzeży

kół oraz szyn kolejowych itd. Zależność wskaźnika wykolejenia dla poszczególnych kątów pochylenia obrzeża γ od współczynnika tarcia przedstawiono w tabeli 4. Należy zwrócić uwagę na to, że wartość współczynni-ka tarcia µ=0,36 nie jest wartością maksymalną wy-stępującą w kolejnictwie. Norma PN-EN 14363:2007 [12] przedstawia wykres zależności wskaźnika wyko-lejania od kąta pochylenia obrzeża dla różnych współ-czynników tarcia. Wykres ten jest przedstawiony na rys.14. Jak widać z rys.14, współczynnik tarcia między kołem i szyną może wynosić nawet µ=0,5. Jak wynika z do-świadczeń eksploatacyjnych, zdobytych poza grani-cami kraju współczynnik tarcia może osiągnąć nawet w sprzyjających warunkach wartość 0,6 [1,3,4]. Tak więc kryterium Nadala, jako wskaźnik wykolejania o wartości 1,2 ma charakter umowny i jego spełnienie w warunkach ekstremalnych może być niewystarczające.

48


Zależność współczynnika wykolejenia (Y/Q dla różnych kątów pochylenia obrzeży koła od współczynnika tarcia mię-dzy kołem a szyną Tabela 4

l.p.

Wartość kąta pochylenia obrzeża γ [?]

Współczy--nnik tarcia [-]

Wartość wskaźnika wykolejenia

Wpółczynnik tarcia [-]

Wartość wskaźnika wykolejenia [-]

Współczynnik tarcia [-]

Wartość wskaźnika wykolejenia [-]

1 60° 0,36 0,845 0,2 1,137 0,1 1,391 2 61° 0,36 0,875 0,2 1,178 0,1 1,443 3 62° 0,36 0,906 0,2 1,221 0,1 1,498 4 63° 0,36 0,939 0,2 1,265 0,1 1,557 5 64° 0,36 0,972 0,2 1,312 0,1 1,618 6 65° 0,36 1,007 0,2 1,360 0,1 1,683 7 66° 0,36 1,042 0,2 1,411 0,1 1,752 8 67° 0,36 1,079 0,2 1,465 0,1 1,825 9 68° 0,36 1.118 0,2 1,521 0,1 1,903 10 69° 0,36 1,158 0,2 1,581 0,1 1,987 11 70° 0,36 1,200 0,2 1,644 0,1 2,076 12 71° 0,36 1,243 0,2 1,710 0,1 2,173 13 72° 0,36 1,289 0,2 1,781 0,1 2,276 14 73° 0,36 1,336 0,2 1,856 0,1 2,389 15 74° 0,36 1,386 0,2 1,936 0,1 2,511 16 75° 0,36 1,438 0,2 2,022 0,1 2,644 17 76° 0,36 1,493 0,2 2,114 0,1 2,791 18 77° 0,36 1,551 0,2 2,213 0,1 2,952 19 78° 0,36 1,612 0,2 2,320 0,1 3,131 20 79° 0,36 1,677 0,2 2,437 0,1 3,330 21 80° 0,36 1,746 0,2 2,563 0,1 3,555

Rys.14.Przebieg funkcji wskaźnika wykolejenia (Y/Q) w zależności od współczynnika tarcia µ między kołem a szyną oraz

kąta pochylenia obrzeża γ koła wg PN-EN 14363:2007 [12]

4. WNIOSKI Jak widać z przedstawionych analiz kryterium

wykolejenia, zwane kryterium Nadala mające już bar-dzo długą historię podlega ciągłemu rozwojowi. Roz-wój ten odbywa się na drodze analiz teoretycznych oraz badań empirycznych. Badanie samego kryterium i jego uściślanie ma na celu, zwiększenie bezpieczeń-stwa kursujących pojazdów podczas przejazdu w eks-tremalnych warunkach (mała prędkość, wysoki współ-czynnik tarcia) przez tory wichrowate. Zwiększenie tego kryterium ,w sensie wartości, daje bardzo duże

korzyści i przyczynia się do zwiększenia konkuren-cyjności transportu szynowego. Warto zauważyć, że w okresie eksploatacji pojazdu szynowego, dopuszczalna wartość współczynnika wykolejenia zmienia się w zależności od prędkości pojazdu (współczynnika tar-cia), trajektorii toru (tory proste, łuku o dużym pro-mieniu, łuki o małym promieniu oraz łuki o bardzo małym promieniu), wartości kąta pochylenia obrzeża, stanu utrzymania zarysu zewnętrznego koła oraz szyn. Badania nad wskaźnikiem wykolejenia (Y/Q) powinny być przeprowadzone równolegle z pracami nad zabez-pieczeniami technicznymi pojazdów szynowych przed wykolejeniami..Polega to na ciągłych inwestycjach technicznych w zakresie wyposażeniu taboru szyno-wego w system zapobiegawczo-prewencyjny, jeśli chodzi o wykolejenia. W przypadku zastosowania mechanizmów, umożliwiających qausi-radialne lub radialne ustawianie się zestawów kołowych w łuku, osiąga się jeszcze jedną zaletę zawieszenia lub układu biegowego, do jakich można zaliczyć mniejsze zuży-cie obrzeża kół zestawu kołowego oraz powierzchni szyn. Zgodnie z tendencjami rozwoju pojazdów szy-nowych, rośnie zapotrzebowanie na ultralekkie kon-strukcje. W związku z powyższym, bezpieczeństwo przed wykolejeniem nabiera priorytetowego znacze-nia.

49


5. LITERATURA

[1] Böhmer A., Ertz M., Kontothe k., Bucher-Mersch F., Klimpel T.: Beanspruchungen von Schienen unter dy-namischen und thermischen Belastungen. ZEV Rail Glasers Annalen. Nr. 3 i 4 .2003.

[2] Dede J., Reimann U : Nadals Gleichung, erweitert um den Analaufwinkel. ZEVrail nr. 4 2014

[3] Kik.W., Menssen R., Moelle D.: Kräfte und Verschleiss in der Wendenschleife und im Abzweig einer Weiche. Der Eisenbahningenieur 04.2003.

[4] Krugmann H.L.: Lauf der Schienefahrzeuge im Gleis. Eine Einführung. Oldenburg. Verlag München-Wien.1982

[5] Scholdan D., Gabriel N, Kik W.: Ein neues gleisfreund-liches Drehgestell für den schweren Güterverkehr. Glassers Annalen. Sonderheft Tagungsband. Moderne Schienefahrzeuge. 09.2011.

[6] Sobaś M.: Zawieszenia i układy biegowe wagonów towarowych. Wydawnictwo IPS Tabor 2014.

[7] Sobaś M.: Analiza przejazdu wagonów towarowych dwuosiowych przez łuk o minimalnym promieniu (1). Pojazdy Szynowe nr 1/2003

[8] Sobaś M.: Stan i doskonalenie kryteriów bezpieczeństwa przed wykolejeniem pojazdów szynowych (1). Pojazdy Szynowe nr 4/2005.

[9] Sobaś M.: Stan i doskonalenie kryteriów bezpieczeństwa przed wykolejeniem pojazdów szynowych (2). Pojazdy Szynowe nr 2/2006.

[10] Karta UIC 510-2: Pojazdy doczepne. Warunki dla stosowania kół o różnych średnicach w układach biegowych różnego typu. 4-te wydanie z października 2002 i kwietnia 2004.

[11] PN-EN 13715+A1:2011: Kolejnictwo. Zestawy kołowe i wózki. Koła. Zewnętrzne zarysy wieńców kół.

[12] PN-EN 14363:2007:Kolejnictwo- Badania właściwości dynamicznych przed dopuszczeniem pojazdów szynowych. Badania właściwości biegowych i próby stacjonarne.

[13]Raport ORE/ERRI B55 Rp.8: Sicherheit gegen Entgleisen von Güterwagen in Gleisverwindungen. Bericht 8 (Schlussbericht). Utrecht. April, 1983.

dr hab. inż. Nikolay Lukov Moskiewski Państwowy Uniwersytet Komunikacji dr inż. Marek Babeł Politechnika Krakowska

Zastosowanie do napędu na lokomotywach spalinowych trakcyjnych prądnic prądu zmiennego pozwala opracować przekładnię elektryczną prądu zmiennego bez użycia falowników trakcyjnych, zwiększyć wskaźniki techniczno-ekonomiczne tego typu lokomotyw. W artykule przedstawiono opis schematów, właściwości i charakterystyk przekładni elektrycznej, w skład której wchodzą - trakcyjna prądnica asynchroniczna i asynchroniczne silniki trakcyjne zwarte.

Przekładnia elektryczna lokomotywy spalinowej prądu zmiennego z asynchronicznymi silnikami trakcyjnymi zwartymi

bez falowników trakcyjnych

W lokomotywach spalinowych stosowane są prze-kładnie elektryczne w wariantach: prąd stały; zmienny - stały i zmienny - stały - zmienny. Przekładnie elek-tryczne w wariancie prąd zmienny - stały i zmienny - stały - zmienny posiadają określone zalety w stosunku do przekładni prądu stałego. Przekładnie elektryczne w wariancie prąd zmienny - stały - zmienny składają się z trakcyjnej prądnicy synchronicznej (ТPS) z blo-kiem wzbudzenia, prostownika trakcyjnego, falowni-ka trakcyjnego (FT) i asynchronicznych silników trakcyjnych (AST) [1-3]. Przekładnie takie opracowa-no na podstawie układów napędu elektrycznego ze-

stawów kołowych elektrycznych pojazdów trakcyj-nych, w których nie występują prądnice prądu zmien-nego, а energia elektryczna dostarczana jest z sieci trakcyjnej. W przypadku występowania w napędzie lokomotywy spalinowej trakcyjnej prądnicy prądu zmiennego mogą zostać zbudowane przekładnie elek-tryczne z zastosowaniem AST zwartych bez wykorzy-stania FT, które będą charakteryzować się określony-mi wymiarami gabarytowymi, masą, ceną oraz wskaźnikami niezawodnościowymi. W opracowanym projekcie przekładni elektrycz-nej lokomotywy, w celu zapewnienia płynnej zmiany

50


siły pociągowej na obwodzie kół, poszerzenia zakresu prędkości, zwiększenia niezawodności, efektywności oraz poprawy właściwości trakcyjnych lokomotywy, zastosowano trakcyjną prądnicę asynchroniczną (ТPA) pierścieniową obcowzbudną [4,5], napędzaną silnikiem spalinowym. Do zacisków TPA podłączone są bezpośrednio AST zwarte, а do jej obwodu wirnika z pierścieniami podłączona jest przetwornica często-tliwości (PC), która podłączona jest do wzbudnicy synchronicznej (WS) napędzanej silnikiem spalino-wym. Opracowany projekt przekładni elektrycznej prądu zmiennego składa się z następujących elemen-tów (rys.1): ТPA 1, której uzwojenie wzbudzenia 2 podłączone jest do PC 3, ТPA 1 połączona jest z wa-łem silnika spalinowego D 4 i z wałem WS 5, której uzwojenie wzbudzenia podłączone jest do regulatora napięcia (RN) 6 ТPA 1, а uzwojenie stojana WS 5 podłączone jest do PC 3, połączonej z regulatorem częstotliwości (RC) 7 fP napięcia ТPA 1. Do uzwoje-nia stojana ТPА 1 podłączone są bezpośrednio AST zwarte 8, których wały połączone są z osiami zesta-wów kołowych 9 lokomotywy. Regulatory RN 6 i RC 7 podłączone są do nastawnika maszynisty 10. Przekładnia elektryczna działa w następujący sposób. Stojan TPA posiada typowe uzwojenie trójfa-zowe prądu zmiennego. Uzwojenie wzbudzenia, roz-mieszczone na wirniku, musi posiadać taką samą licz-bę par biegunów jak uzwojenie stojana. Wskazanym jest aby uzwojenie wirnika wykonane było jako roz-proszone w celu otrzymania sinusoidalnego pola ma-gnetycznego w szczelinie powietrznej TPA. Cechą charakterystyczną TPA jest jej wzbudzenie prądem zmiennym o zmienianej częstotliwości ωB i zmienna prędkość wirowania wirnika ωP [4,5]. Ponieważ pole magnetyczne, wytwarzane przez trójfazowy prąd wzbudzenia w uzwojeniu wirnika, wiruje względem wirnika z częstotliwością ωB, to częstotliwość wiro-wania pola magnetycznego względem uzwojeń stoja-na ω równa jest sumie algebraicznej częstotliwości wirowania wirnika ωP i pola magnetycznego ωB, wy-twarzanego przez prąd wzbudzenia. W wyniku tego częstotliwość wirowania pola magnetycznego ω moż-na zmieniać poprzez zmianę ωP i ωB, tj. można zmie-niać jej wartość i kierunek za pomocą PC. Uzwojenie stojana TPA jest uzwojeniem wyjściowym. Niezależ-nie od stosunku częstotliwości ωP / ω pracuje ono w trybie prądnicowym. Uzwojenie wzbudzenia (wirnika) ТPA jest dla niej wejściowym. Tryb jego pracy zależy od poślizgu pola magnetycznego S = 1 - ωP / ω. Przy ujemnym poślizgu S (w zakresie ωP > ω, S < 0), tj. w przypadku opóźniania się pola magnetycznego względem wirnika, uzwojenie wirnika wzbudzane jest prądem przy odwrotnym przebiegu faz. Przy tym, uzwojenie wzbudzenia TPA generuje moc aktywną Р (rys. 2, а).

Rys. 1. Schemat blokowy przekładni elektrycznej lokomotywy spalinowej prądu zmiennego z TPA i AST zwartymi bez FT

1 - TPA; 2 - uzwojenie wzbudzenia ТPA; 3 - PC; 4 - D; 5 - WS; 6 - RN; 7 - RC; 8 - AST; 9 - osie zestawów kołowych; 10 - nastaw-

nik maszynisty

Rys. 2. Schemat blokowy i przepływ mocy aktywnej ( Р) i reaktywnej (----- Q) w obwodzie elektrycznym przekładni prądu zmiennego lokomotywy z TPA i AST zwartymi bez FT а) przy

poślizgu dodatnim; b) przy poślizgu, równym zero; c) przy poślizgu ujemnym

Poprzez PC ta moc poślizgu przekazywana jest do wzbudnicy WS, która pracuje w trybie silnikowym, tj. moce aktywne Р, generowane w obwodzie uzwojeń stojana i wirnika ТPA, powstają w wyniku prze-kształcenia mocy mechanicznej PD silnika spalinowe-go. Przy ruszaniu lokomotywy koniecznym jest, aby różnica częstotliwości ω i ωB zapewniła wielkość czę-stotliwości napięcia ТPА fP = 1-2 Hz. Ruszanie loko-motywy realizowane jest poprzez zmniejszenie czę-stotliwości ωB do zera za pomocą PC. Przy częstotli-wości ωB = 0 (S = 0) w uzwojeniu wzbudzenia ТPА przepływa prąd stały (synchroniczny tryb pracy TPA przy S =0) (rys. 2, b). Przy tym, moc Р, doprowadzona do uzwojenia wzbudzenia ТPА, jest równa wartości strat elektrycznych w tym uzwojeniu, a moc elektro-magnetyczna ТPА РEM wytwarzana jest tylko w wyni-ku przekształcenia mocy PD silnika spalinowego. Przy częstotliwości ωB = 0 (S = 0) częstotliwość fP określa-na jest tylko przez częstotliwość ωP.

51


Dalszy rozruch lokomotywy realizowany jest przy częstotliwości ωB = 0 przez zwiększenie częstotliwo-ści ωP od wartości minimalnej do maksymalnej ωP NOM (rys. 2, b). Przy częstotliwości ωPMAX dalsze zwięk-szanie prędkości lokomotywy może być realizowane przez zwiększanie ωB, jednakże o kierunku przeciw-nym, przy czym ω = ωP + ωB. Przy tym РAST lub РEM są większe od mocy Р uzwojenia wzbudzenia (tj. są większe od mocy poślizgu) (rys. 2, c). Różnica mię-dzy nimi pokrywana jest z mocy silnika spalinowego PD. Oznacza to, że moc Р, przekazywana na drodze elektromagnetycznej do obwodu uzwojenia stojana ТPА, dostarczana jest do ТPА od strony wału i od strony uzwojenia wzbudzenia. Źródłem mocy reak-tywnej QP układu (ТPА, AST, WS) jest WS, а jej od-biornikami - ТPА i AST. Bilans QP podczas pracy ТPА i AST QWS - (QAST + QPC) = QTPA. W całym zakresie częstotliwości ω TPA ma zdolność filtracji, co zapewnia dobry sinusoidalny przebieg napięcia UP, wzrost sprawności, niezawodności i zmniejszenie temperatury AST. Regulacja UP i ωB w zależności od I, ωP, fP oraz obrotów nAST AST odbywa się za pomo-cą RN. Ponieważ TPA może pracować w trzech trybach (przy ujemnym poślizgu, równym zero lub dodatnim), obszar charakterystyk trakcyjnych lokomotywy po-dzielony jest linią podziałową (przy S = 0) na dwa zakresy. Część charakterystyk w górnym zakresie odpowiada trybowi pracy przekładni przy ω = ωP - ωB , а część charakterystyk w dolnym zakresie - trybowi pracy przekładni przy ω = ωP + ωB. Właściwości dynamiczne przekładni elektrycznej odzwierciedla charakter zmian w czasie podstawo-wych wielkości, określających stan przekładni elek-trycznej lokomotywy podczas jazdy pociągu, szcze-gólnie przy ruszaniu i rozpędzaniu się pociągu [6] (rys. 3).

Rys. 3. Charakterystyki zmiany w czasie podstawowych wielkości, określających stan przekładni elektrycznej lokomotywy przy ruszaniu i rozpędzaniu się pociągu, po zmianie nastawnika maszynisty z pozycji 0 na pozycję 15-ą

1 - częstotliwość wirowania pola magnetycznego wirnika ωP; 2 - moc Р TPA ; 3- prędkość jazdy pociągu V; 4 – prędkość kątowa wału ωAST AST; 5 - częstotliwość wirowania pola magnetycznego stojana ω ТPА; 6 - częstotliwość wirowania pola

magnetycznego prądu wzbudzenia ωB; 7 - poślizg pola magnetycznego S

Ustalono, że przekładnia elektryczna przy rusza-niu i zwiększaniu prędkości pociągu pracuje w trybie ujemnego poślizgu pola magnetycznego tylko na krótkim odcinku czasu (120 s, rys. 3). Przy ruszaniu pociągu przy dużym poślizgu wykorzystywana jest bardzo mała moc ТPА (o 15-20 razy mniejsza od mo-cy nominalnej) [7]. Jest to uwarunkowane tym, że w celu ograniczenia maksymalnego prądu rozruchowego ТPА i AST przy ruszaniu pociągu, napięcie ТPА utrzymywane jest na niskim poziomie poprzez ograni-czenie prądu wzbudzenia ТPА. W wyniku tego, nawet przy dużym ujemnym poślizgu moc wzbudzenia ТPА okazuje się niewielka. Przy tym, wraz ze zwiększa-niem mocy ТPА i prędkości pociągu (rys. 3, linia 2, 3), częstotliwość wirowania pola magnetycznego prą-du wzbudzenia ωB w początkowym okresie ulega zwiększeniu, а następnie zmniejsza się do zera. Przy częstotliwości ωP max dalsze zwiększanie prędkości lokomotywy może być realizowane przy dodatnim S przez zwiększanie ωB, jednakże już o kierunku prze-ciwnym, przy czym ω = ωP + ωB. Przy tym, co jest szczególnie ważne, zmniejszenie poślizgu pola ma-gnetycznego S (rys. 3, linia 7), pozwala zastosować WS i PC o mniejszej mocy i o mniejszych wskaźni-kach masy i wymiarów gabarytowych. W opracowa-nej przekładni elektrycznej lokomotywy należy zasto-sować PC z bezpośrednim połączeniem (bez ogniwa prądu stałego), która nazywana jest przetwornicą „ni-skiej” częstotliwości. Do wzbudzenia ТPА, która mo-że pracować przy bardzo małej częstotliwości ωB względem wirnika, wskazanym jest zastosowanie PC właśnie o „niskiej” częstotliwości, zapewniającej otrzymanie sinusoidalnego prądu wzbudzenia przy pełzających „niskich” częstotliwościach. Jeżeli ТPA i WS posiadają jednakową liczbę par biegunów (np. 6), to zastosowanie jako PC prądu wzbudzenia TPA prze-twornic o komutacji wymuszonej pozwala realizować

52


najbardziej prosty układ sterowania PC. Charaktery-styczną i ważną właściwością takich PC jest zmiana znaku obciążenia reaktywnego Q przy większej czę-stotliwości komutacji zaworów (ωT), niż częstotliwość przetwarzanego napięcia przez WS (ωWS). Z zasady działania przekładni elektrycznej lokomotywy wyni-ka, że PC dla TPA powinna być wielofazową; przy przejściu przez częstotliwość synchroniczną ωB = 0 (S = 0) przebieg napięcia w fazach na wyjściu PC musi zmieniać swój znak, dzięki czemu pole magne-tyczne zmienia swój kierunek wirowania względem wirnika; przy częstotliwości synchronicznej ωB = 0 (S = 0) PC musi, w zależności od położenia fazowego wirnika, w odpowiedni sposób rozdzielać prąd stały wzbudzenia pomiędzy fazami uzwojenia wirnika ТPА. PC musi być rewersyjną dla mocy aktywnej i reaktywnej; wysoka sprawność musi być zapewniona przez kluczowy tryb pracy przełączanej aparatury półprzewodnikowej. PC nie jest wykonywana na peł-ną moc AST, а jedynie na wielkość mocy wzbudnicy ТPА. W trybie zwarcia przez PC nie przepływa cały prąd zwarcia, co zapewnia bardziej dogodniejsze warunki jej pracy w porównaniu z przekładnią elek-tryczną, w której przez FT przechodzi pełna moc AST. Masa i wymiary gabarytowe elementów prze-kładni elektrycznej lokomotywy w znacznym stopniu zależą od mocy wzbudzenia ТPА, która równa jest pierwiastkowi kwadratowemu z sumy aktywnej mocy wzbudzenia do kwadratu i mocy reaktywnej wzbu-dzenia do kwadratu i określa moce WS i PC (rys. 2). Przyjmując, w celu uproszczenia analizy, że straty w uzwojeniu wzbudzenia ТPА nie występują, tj. moc obwodu wzbudzenia równa jest mocy poślizgu РB = S⋅PEM, oraz uwzględniając zależność QB = | S | ⋅ Q, można zależność do określenia pełnej mocy obwodu wzbudzenia przedstawić w postaci SB = | S | ⋅ , gdzie Q - moc reaktywna ТPА i AST. Z ostatniej za-leżności wynika, że moc obwodu wzbudzenia jest tym większa, im większy jest maksymalny poślizg wg wartości bezwzględnej. Stąd wynika wniosek: uwzględniając jako kryterium - zmniejszenie wskaź-ników masy przekładni elektrycznej, pożądanym, z zakresów roboczych poślizgu, jest ten, przy którym maksymalna moc obwodu wzbudzenia posiada naj-mniejszą wartość względną. Moc wzbudzenia, masa i wymiary gabarytowe podstawowych elementów prze-kładni elektrycznej (rys. 2) okazują się największe przy pracy ТPА w zakresie ujemnego poślizgu i naj-mniejsze - podczas pracy z S > 0 i z S = 0.

We wszystkich przypadkach racjonalny zakres pośli-zgu S wybierany jest z uwzględnieniem mocy, zakre-sów zmian nAST i prędkości, przy których swobodna moc silnika spalinowego w pełni wykorzystywana jest na cele trakcyjne. Opracowany projekt przekładni elektrycznej po-siada znaczące zalety w stosunku do znanych prze-kładni prądu zmiennego. Zapewnia ona płynną i cią-głą zmianę siły pociągowej na obwodzie kół, а także zmianę prędkość lokomotywy bez stosowania FT. Przekładnia ta cechuje się dużą niezawodnością, mniejszą ceną, wyższą sprawnością, niż znane prze-kładnie elektryczne lokomotyw.

BIBLIOGRAFIA

1. Луков Н. М. Передачи мощности тепловозов: учеб. для вузов ж.-д. трансп.; под ред. Н. М. Лукова. Москва. Транспорт, 1987. 279 с.

2. Струнге Б. Н. Регулирование частоты вращения и мощности дизель - генераторов тепловозов . Москва. Транспорт, 1976. 112 с.

3. Быков В. Г. Пассажирский тепловоз ТЭП70. Москва. Транспорт, 1976. 232 с.

4. Алюиіин Г. Н. Асинхронные генераторы повышенной частоты. Основы теории и проектирования. Москва. Машиностроение, 1974. 352 с.

5. Торопцев Н. Д. Асинхронные генераторы автономных систем. Москва. Знак, 1998. 288 с.

6. Луков Н. М. Автоматические системы управления локомотивов: учеб. для вузов ж.-д. трансп. Москва. ГОУ «Учебно¬методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007. 429 с.

7. Винокуров В. А. Электрические машины железнодорожного транспорта. Москва. Транспорт, 1986. 511 с.

53


dr inż. Rafał Cichy dr inż. Zbigniew Durzyński, prof. IPS Instytut Pojazdów Szynowych “TABOR”

Wymagania dyrektyw, technicznych specyfikacji interoperacyjności oraz przepisów krajowych w zakresie ochrony środowiska i zużycia energii

Nowe regulacje prawne obowiązujące w Unii Europejskiej sformułowały wymaga-nia zasadnicze zgodnie z którymi należy projektować, produkować, oceniać, eksploatować oraz wycofywać z eksploatacji pojazdy. Wymagania w sposób jednoznaczny odnoszą się do zarówno do wymagań wspólnotowych jak i do wymagań krajowych. W rozumieniu przepisów należy dążyć do ujednolicenia wymagań. W niniejszym artykule zaprezentowano wymagania stawiane systemowi kolei europejskich w kontekście ochrony środowiska. Tezy niniejszego artykułu zostały wygłoszone w trakcie sesji plenarnej konferencji „Ochrona środowiska i oszczędność energii w transporcie szynowym”.

Zestawienie kolejnych aktualizacji TSI w latach 2008÷2015 Tablica 1

Rok TSI SRT TSI PRM HS TSI RST CR TSI LOC&PAS CR TSI WAG TSI NOI

2008 2009

2010

Decision 2008/163

(1st SRT TSI) EiF: 21/12/2007 DoA: 1/7/2008

Decision 2006/66 Decision 2006/860

(2nd HS CCS TSI)

DoA: 7/11/2006

2011 2012 2013

Decision 2006/861

(1st CR WAG TSI) DoA

31/01/2008

2014

Decision 2011/291

(amendment) DoA: 1/6/2011

Decision 2008/164

(1st PRM TSI) EiF: 27/12/2007 DoA: 1/7/2008

Decision 2008/232

(2nd HS RST TSI)

EiF: 21/2/2008 DoA: 1/9/2008 Decision

2011/291 (1st LOC& PAS TSI)

DoA: 1/6/2011

Regulation 321/2013

(2nd CR WAG TSI)

EiF 13/4/2013 DoA: 1/1/2014

Regulation 1236/2013 amendment

EiF 4/12/2013 DoA:1/1/2014

Decision 2011/229

(2nd NOI TSI ) (CR only)

2015

Regulation 1303/2014 (2nd

SRT TSI) EiF/DoA: 1/1/2015

Regulation 1300/2014 (2nd

PRM TSI) EiF/DoA: 1/1/2015

Regulation 1302/2014 (1st merged RST TSI)

EiF/DoA: 1/1/2015

Amendment on CBB Positive

RISC opinion in Nov 2014

Regulation 1304/2014 (3rd

NOI TSI) EiF/DoA: 1/1/2015

1. Wstęp

Podstawowym dokumentem regulującym obszar kolei europejskich są dyrektywy w sprawie kolei europej-skich [1÷6].

Przepisy wykonawcze zawarte w Technicznych Specy-fikacjach Interoperacyjności [11÷15] opartych na ww. dyrektywach ulegają ciągłym zmianom w zakresie wymagań i procesu dopuszczenia podsystemów do eksploatacji i dotyczą całej sieci kolejowej państw Unii Europejskiej.

Podsystemami strukturalnymi w rozumieniu dyrektyw są:

- infrastruktura - energia - sterowanie – urządzenia przytorowe - sterowanie – urządzenia pokładowe - tabor.

54


Częstość zmian w obowiązujących w Unii Euro-pejskiej kluczowych dokumentach, jakimi są Techniczne Specyfikacje Interoperacyjności dokumen-tuje zestawienie na rys. 1. [24].

Dopuszczenia do eksploatacji pojazdów szynowych w Polsce muszą być zgodne z Ustawą o transporcie kolejowym [9]. Ustawa dostosowuje polskie prawo do wyżej wymienionej unijnej dyrektywy, czyli do europejskiej strategii, która ma poprawić kon-kurencyjność sektora kolejowego w stosunku do innych rodzajów transportu.

Ostatnia nowelizacja ustawy o transporcie kolejowym wprowadziła zmiany, które weszły w życie 1 kwietnia 2014 r. za wyjątkiem niektórych przepisów dotyczących m. in. postępowań w sprawie wydania decyzji o ustaleniu lokalizacji linii kolejowej, które zaczęły obowiązywać od 15 października 2013 r. Odnosząc się do zapisów dyrektywy należy przytoczyć te, które kształtują strategię rozwoju cywilizacyjnego Europy:

- Unia Europejska, podpisując protokół przyję-ty w Kioto w dniu 12 grudnia 1997 r., zobo-wiązała się do redukcji emisji gazów cieplar-nianych. Cele te wymagają dostosowań na drodze do osiągnięcia równowagi między różnymi rodzajami transportu, a co za tym idzie zwiększenia konkurencyjności transpor-tu kolejowego

- strategia Wspólnoty dotycząca włączenia środowiska naturalnego oraz zrównoważo-nego rozwoju do jej polityki transportowej podkreśla potrzebę podjęcia działań celem ograniczenia wpływu transportu na środowi-sko naturalne

- analiza koszty-korzyści dla proponowanych środków będzie uwzględniała m.in. korzyści dla środowiska naturalnego wynikające z technicznych udoskonaleń systemu kolejowe-go.

Zgodnie z zał. III do [1] należy stosować się do następujących ogólnych zaleceń, zawartych w rozdz. 1.4. tego załącznika (pt. Ochrona środowiska naturalnego):

1.4.1. Wpływ, jaki na środowisko ma utworzenie i funkcjonowanie systemu kolei, musi zostać oceniony i uwzględniony na etapie projek-towania systemu zgodnie z obowiązującymi przepisami wspólnotowymi.

1.4.2. Materiały wykorzystywane w pociągach i in-frastrukturze muszą uniemożliwiać emisję spalin lub gazów, które są szkodliwe lub groźne dla środowiska, w szczególności w przypadku pożaru.

1.4.3. Tabor oraz systemy dostaw energii muszą być zaprojektowane i wykonane w sposób gwarantujący ich kompatybilność elektro-magnetyczną z instalacjami, urządzeniami i sieciami publicznymi lub prywatnymi, z którymi mogą się wzajemnie zakłócać.

1.4.4. Funkcjonowanie systemu kolei musi opierać się na przestrzeganiu istniejących przepisów w zakresie poziomu hałasu.

1.4.5. Funkcjonowanie systemu kolei nie może powodować osiągnięcia niedopuszczalnego poziomu drgania gruntu w odniesieniu do działań i obszarów położonych w pobliżu infrastruktury i będących w normalnym stanie utrzymania.

Realizacja tych strategicznych celów wymagała sformułowania konkretnych wymagań i wymagania takie znalazły się we wdrożonych w różnych terminach Technicznych Specyfikacji Interoperacyjności.

Wymagania zasadnicze, które musi spełniać każdy pojazd kolejowy, zostały sformułowane ww. załączniku do Dyrektywy. Wymagania mają gwarantować bezpieczną, nie mającą negatywnego wpływu na środowisko eksploatację pojazdów oraz zgodność techniczną z innymi podsystemami, z który-mi podsystem tabor ma interfejsy. Wymagania zasad-nicze muszą być bezwzględnie spełnione, zarówno przez pojazdy zgodne z TSI, jak i przez pojazdy z nimi niezgodne.

Wymagania zasadnicze obejmują następujące aspekty: – bezpieczeństwo – niezawodność i dostępność – zdrowie – ochrona środowiska naturalnego – zgodność techniczna.

Ochrona środowiska naturalnego jest jednym z najważniejszych aspektów stawianych przez Unię Europejską. Wymagania zasadnicze przytoczone w Załączniku III dyrektywy 2008/57/WE uszczegó-ławiają zakresy na które należy zwrócić szczególną uwagę w aspekcie ochrony środowiska.

W dalszej części referatu w układzie przedstawionym w pkt. 1 (1.4.1÷5), zostaną przedstawione wymagania wynikające z przepisów europejskich i krajowych.

2. Szczegółowa analiza wymagań zasadniczych

2.1. Projektowanie pojazdów kolejowych Ocena wszystkich etapów życia pojazdu czyli projektowania, produkcji, eksploatacji i wycofania z eksploatacji winna być oceniona już na etapie projektu. Istotną wagę należy przywiązywać do stosowanych materiałów. Proponowane materiały winny być wykorzystywane powtórnie (recykling) lub być biodegradowalne. Należy zwrócić uwagę, że dotyczy

55


to materiałów zarówno stosowanych na pojeździe jak i materiałów niezbędnych do ich wytworzenia. Istnieje więc konieczność, już na etapie projektowania przewidzieć możliwość zastosowania odpowiednich procesów technologicznych wykorzystywanych przy budowie pojazdów, a także właściwego zapro-jektowania procesów utrzymaniowych pojazdów.

Zgodnie z wytycznymi Dyrektyw proces projekto-wania pojazdów winien być prowadzony w sposób, który zapewni maksymalną ochronę środowiska naturalnego. Wymagania, zawarte w będących nas-tępstwem dyrektywy, Technicznych Specyfikacji Interoperacyjności wskazują na elementy podsystemu „Tabor”, które powinny być spełnione. Tablica 1 za-wiera zestawienie wymagań zasadniczych określonych i wymienionych w załączniku III do dyrektywy [1], które są uwzględnione w specyfikacjach przed-stawionych w rozdz. 4 TSI [11].

Fragment tablicy zawierającej wymagania zasadnicze dla podsystemu „Tabor” Tablica 2

Punkt refe-rencyjny Element podsystemu „Tabor” Bezpieczeństwo Niezawodność

i dostępność Zdrowie Ochrona środowiska naturalnego

Zgodność techniczna

4.2.5.1 Instalacje sanitarne 1.4.1

4.2.10.2 Bezpieczeństwo przeciwpo-żarowe – środki zapobiega-

nia pożarom 1.1.4 1.3.2 1.4.2

Jak przedstawiono w tablicy 1 dla instalacji sani-tarnych należy spełnić wymagania określone w pun-kcie referencyjnym 4.2.5.1, przedstawionym poniżej:

1) Jeżeli w pojeździe kolejowym znajduje się kran, a woda z tego kranu nie spełnia wymagań dyrektywy Rady 98/83/WE, znak wizualny musi wyraźnie wskazywać, że woda z tego kranu nie jest wodą pitną

2) Zamontowane instalacje sanitarne (toalety, umywalnie, zaplecze baru/restauracji) nie mogą uwalniać materiałów, które mogą być szkodliwe dla zdrowia ludzi lub dla środowiska.

Uwalniane materiały (tj. uzdatniona woda; z wyłączeniem wody z mydłem uwalnianej bezpośrednio z umywalni) są zgodne z następującymi dyrektywami:

— miano bakterii w wodzie zrzucanej z instalacji sanitarnych nie może przekraczać miana bakterii dla enterokoków jelitowych i Escherichia coli określonego dla jakości „dobrej” wód wewnętrznych w europejskiej dyrektywie 2006/7/WE Parlamentu Europejskiego i Rady dotyczącej zarządzania jakością wody w kąpieliskach,

— w procesach uzdatniania wody nie można wprowadzać substancji określonych w załączniku I do dyrektywy 2006/11/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie zanieczyszczenia spowodowanego przez niektóre substancje niebezpieczne odprowadzane do środowiska wodnego Unii.

3) Aby ograniczyć rozproszenie uwalnianego płynu na pobocze toru, niekontrolowany zrzut z dowolnego źródła może odbywać się wyłącznie w dół, pod ramą nadwozia pojazdu, w odległości nie większej niż 0,7 m od wzdłużnej osi środkowej pojazdu.

4) W dokumentacji technicznej opisanej w pkt 4.2.12 uwzględnia się następujące elementy:

— obecność i typ toalet w danym pojeździe kolejowym

— charakterystykę substancji do spłukiwania toalet, jeżeli nie jest to czysta woda

— rodzaj systemu uzdatniania wypuszczanej wody oraz normy stanowiące kryteria oceny zgodności.”

1) W przypadku, gdy instalacje sanitarne umożliwiają wypuszczanie płynów do środowiska (np. na tory), ocena zgodności może się opierać na wcześniejszych badaniach eksploatacyjnych, jeżeli spełniono następujące warunki:

— wyniki badań eksploatacyjnych uzyskano dla typów urządzeń, które wykorzystują taką samą metodę uzdatniania,

— warunki przeprowadzania badania są zbliżone do warunków, jakie można zakładać w przypadku danego pojazdu kolejowego, w odniesieniu do wielkości załadunku, warunków środowiskowych oraz wszystkich innych parametrów, które będą miały wpływ na wydajność i

Dodatkowe wymagania dotyczące instalacji sanitar-nych można znaleźć w punkcie 6.2.3.11:

56


Jak pokazuje powyższy przykład, już etap projekto-wania musi uwzględniać elementy chroniące środo-wisko. Aspekty ochrony środowiska zostały ujęte rów-nież w ppolskich przepisach z zakresu dopuszczania pojazdów kolejowych do eksploatacji.

W § 14, pkt. 10 rozporządzenia [18] zawarte są bardzo ogólne wytyczne:

§ 14. 1. Zakres badań technicznych dla wszys-tkich typów pojazdów kolejowych obejmuje:

10) potwierdzenie poprawności zastoso-wanych w pojeździe kolejowym roz-wiązań, decydujących o bezpieczeństwie ruchu, bezpieczeństwie przewozu osób i rzeczy oraz ochronie środowiska.

skuteczność procesu uzdatniania. Jeżeli brak jest odpowiednich wyników prób eksploa-tacyjnych, przeprowadza się badania typów.”

Dalsze wytyczne, co należy sprawdzić przed dopusz-czaniem pojazdu do ruchu można znaleźć w rozporządzeniu [18], odnoszącym się do wagonów osobowych, wagonów towarowych oraz do pojazdów specjalnych.

Dla pojazdów niezgodnych z TSI, poruszających się po całej linii PLK, zastosowanie ma Rozporządzenie w sprawie interoperacyjności systemu kolei [19]. Wykaz właściwych krajowych specyfikacji technicznych i dokumentów normalizacyjnych, których zastosowanie umożliwia spełnienie zasadniczych wymagań dotyczą-cych interoperacyjności systemu kolejowego został zawarty w Rozporządzeniu [17]. Rozpo-rządzenie przywołuje Listę Prezesa UTK gdzie w punkcie nr 66 dotyczących kwestii pasażerów można znaleźć szczegółowe wymagania dotyczące toalet. Przywołane tam zostały karty UIC 563, UIC 565-3, UIC 567.

Należy zauważyć, że transport kolejowy należy do jednych z najbardziej ekologicznych środków transportu. W wymaganiach Technicznych Specy-fikacji Interoperacyjności oraz w polskich przepisach znajduje się niewiele szczegółowych wytycznych dotyczących ochrony środowiska. Może to oznaczać, że przez lata istnienia tabor kolejowy wypracował rozwiązania, które czynią go jednym z najbardziej przyjaznych środowisku, a spełnienie wymagań norm zapewnia osiągnięcie tego celu.

2.2. Materiały wykorzystywane w budowie pojaz-dów szynowych

Stosowanie w budowie pojazdów szynowych materia-łów spełniających wymagania odpowiednich norm w zakresie palności, na poziomie europejskim, jest skomplikowane. Wynika to z rozbieżności stanowisk różnych państw członkowskich Unii Europejskiej, co

do jednoznacznego wyznaczenia kryteriów jakim podlegać mają stosowane materiały. Wiele państw członkowskich stoi na stanowisku, że należy stosować wymagania charakterystyczne dla kraju członkow-skiego a nie odwoływać się do wymagań wspólnej normy europejskiej. Owocuje to nieustannie prze-dłużającym się okresem wprowadzenia nowej normy.

W TSI [11] postawiono wymagania dotyczące stosowanych materiałów. W pkt. 7.1.1.5 (Środek przejściowy w zakresie wymogu bezpieczeństwa przeciwpożarowego) ustanowiono kolejny okres przejściowy dla stosowania norm krajowych trwający trzy lata od daty wdrożenia TSI [11], tj. od 01.01.2015 r. Po raz kolejny wydłużył się okres, w którym można stosować normy krajowe w tym normę polską. W TSI [11] alternatywnie wobec wymagań materiałowych określonych w pkt 4.2.10.2.1 tych TSI odnoszących się do normy EN 45545, zezwala się na weryfikacje zgodności materiałów w oparciu o wymagania bezpieczeństwa przeciwpożarowego dla materiałów określonych w notyfikowanych przepisach krajowych. Należy przy tym pamiętać o zastosowaniu odpo-wiedniej kategorii eksploatacyjnej pojazdu określonej w TSI [8]. TSI zezwala na dopuszczenie pojazdu do eksploatacji na podstawie jednej z poniższych norm:

– brytyjskie normy BS6853, GM/RT2130 wyd. 3;

– francuskie normy NF F 16-101:1988 i NF F 16-102/1992;

– niemiecka norma DIN 5510-2:2009 łącznie z pomiarami toksyczności;

– włoskie normy UNI CEI 11170-1:2005 i UNI CEI 11170-3:2005;

– polskie normy PN-K-02511:2000 i PN-K-02502:1992;

– hiszpańska norma DT-PCI/5 A. Zapisy zastosowane w TSI LOC&PAS oznaczają, że okres przejściowy dla polskich norm trwa do 31.12.2017r., a więc w tym okresie badania w zakresie palności materiałów stosowanych na pojazdach szynowych według ww. norm będą akceptowalne i w pełni ważne. W tym okresie dozwolone jest także zastępowanie poszczególnych materiałów innymi, już zgodnymi z normą PN-EN 45545-2:2013 (jak określono w pkt. 4.2.10.2.1 TSI LOC&PAS).

W tablicach 2÷4 zestawiono wymagania przeciw-pożarowe określone w TSI Tabor, TSI Energia oraz TSI Infrastruktura. W polskich przepisach dotyczących palności możemy przytoczyć dwa rozporządzenia. Pierwsze z nich Roz-porządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 13 maja 2014 r. w sprawie dopuszczania do eksplo-atacji określonych rodzajów budowli, urządzeń i pojazdów kolejowych. (Dz.U.2014 poz. 720) odnosi się do pojazdów nie podlegających pod prawo międzynarodowe. Stanowi ono najczęściej o prze-pisach lokalnych, odnoszących się do warunków jakie

57


panują na obszarach zamkniętych takich jak bocznice, linie metra itp. Charakterystyki taboru poruszającego się w tym zamkniętym obszarze często muszą być zgodne z istniejącym taborem i istniejącą infrastrukturą (np. inna niż wymagania normy wysokość zderzaków). Wymagania dotyczące palności, toksyczności spalin należy dostosowywać do istniejących przepisów. W rozporządzeniu w sprawie interoperacyjności w §14.2 pkt 10 zdefiniowano wymaganie dotyczące palności:

Fragment tablicy zawierającej wymagania zasadnicze dla podsystemu „Tabor” w zakresie palności [11] Tablica 3

Element podsystemu „Tabor”

Punkt referen-cyjny Bezpieczeństwo Niezawodność i

dostępność Zdrowie Ochrona środowiska naturalnego


Środki zapobiegania pożarom 4.2.3.1

1.1.4

2.4.1 1.3.2 1.4.2

Fragment tablicy zawierającej wymagania zasadnicze dla podsystemu „Energia” w zakresie palności [13] Tablica 4

Element podsystemu „Energia”




Wymagania dotyczące kabli elektrycznych sto-sowanych w tunelach

4.2.2.4 2.2.1

1.1.4 1.3.2 1.4.2

Fragment tablicy zawierającej wymagania zasadnicze dla podsystemu „Infrastruktura” w zakresie palności [14] Tablica 5

Element podsystemu „Infrastruktura”




Odporność na działanie ognia materiałów budow-

lanych 4.2.1.3

1.1.4

2.1.1 1.3.2 1.4.2

Zakres badań technicznych dla typów pojazdów technicznych, w tym lokomotyw, zespołów trak-cyjnych, wagonów silnikowych i innych pojaz-dów kolejowych z napędem, obejmuje dodat-kowo:

10) sprawdzenie zabezpieczenia przeciw-pożarowego pojazdu trakcyjnego przez badanie:

a) materiałów i wyrobów, w tym przewo-dów elektrycznych, użytych w kon-strukcji i wyposażeniu pojazdu trakcyj-nego pod względem palności, toksycz-ności oraz właściwości dymotwórczych i rozprzestrzeniania się płomienia,

b) zainstalowanych w pojeździe trak-cyjnym gaśnic.”

Identyczne wymagania zostały ujęte w rozporządzeniu [18] odnoszącym sie do wagonów osobowych, wagonów towarowych oraz dla pojazdów specjalnych. Jednocześnie należy zauważyć, że ustawodawca nie przypisał poszczególnym wymaganiom jednoznacznie ani norm, ani kart UIC, pozostawiając jednostkom wyznaczonym 1) ocenę zgodnie z ich wiedzą i doświadczeniem.

Rozporządzenie w sprawie interoperacyjności [19] odwołuje się do Listy Prezesa UTK, w której w punktach 173 - 180 zawarto wymagania, których speł-nienie należy ocenić w celu dopuszczenia do bezpiecznego ruchu pojazdu, dodając jednocześnie określone wymagania w postaci norm i kart UIC lub innych przepisów. W tablicy 5 przedstawiono wymagania zgodne z Listą Prezesa UTK.

Pojazdy niezgodne z TSI winny spełniać wymagania listy, w której jak można zauważyć, zagadnienia pal-ności materiałów nie odnoszą się do ochrony środo-wiska. To oczywiste przeoczenie powinno być jak najszybciej naprawione i ujednolicone z wymaganiami Unii Europejskiej. Jednostki wyznaczone oceniając spełnienie przez pojazd wymagań zasadniczych w zakresie ochrony środowiska winny odnieść się z dużą uwagą do kwestii palności i toksyczności elementów stosowanych w pojazdach.

1) - jednostki wyznaczone - jednostki organizacyjne, o których mowa w art. 22g ust. 9 Ustawy [7]

2.3. Emisja spalin

Jednym z podstawowych wymagań w zakresie ochrony środowiska jest ograniczenie emisji spalin do okreś-lonego poziomu. Podstawowym dokumentem w spra-wie emisji była Dyrektywa 97/68/.WE [7]. Dyrektywa straciła ważność wraz z wejściem w życie Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2011/88/UE z dnia 16 listopada 2011 r. zmieniająca dyrektywę 97/68/WE w odniesieniu do przepisów dotyczących silników spalinowych wprowadzanych do obrotu według „for-muły elastycznej”[8].

58


Fragment Listy Prezesa UTK w zakresie punktów dotyczących palności Tablica 6

Wymagania zasadnicze

Lp. Zakres wymagań Regulacje krajowe

Bezp

iecz

eń-

stwo

Nie

zaw

odność

i d

ostę

pność

Och

rona

śro-

dow

iska

Zdro

wie

Zgod

ność

tech

-ni

czna

173 Klasyfikacja pojazdu/klasy odporności ogniowej

PN-EN 14033 (seria), PN-EN 15746 (seria), UIC 564-2, PN-K-02506, PN-K-02507, PN-K-02511, projekt prEN 45545 (seria)

x x x

174 Środki ochrony przeciwpoża-rowej. Ogólne środki ochrony pojazdów

PN-EN 3-7, UIC 564-2, PN-K-02506, PN-K-02507, PN-K-02511, prEN 45545 (seria) x x x

175

Środki ochrony przeciwpoża-rowej. Środki ochrony prze-ciwpożarowej dla specjalnych rodzajów pojazdów

PN-EN 3-7, PN-EN 14033 (seria), PN-EN 15746 (seria), UIC 564-2, PN-K-02506, PN-K-02507, PN-K-02511, prEN 45545 (seria) x x x

176 Środki ochrony przeciwpoża-rowej. Ochrona kabiny maszy-nisty

PN-EN 3-7, UIC 564-2, PN-K-02506, PN-K-02507, PN-K-02511, prEN 45545 (seria) x x x

177 Środki ochrony przeciwpoża-rowej. Przegrody ogniowe

UIC 564-2, PN-K-02506, PN-K-02507, PN-K-02511, prEN 45545 (seria) x x x

178 Środki ochrony przeciwpoża-rowej. Charakterystyka mate-riałów

PN-EN ISO 4589, UIC 564-2, PN-K-02501, PN-K-02502, PN-K-02505, PN-K-02508, PN-K-02511, PN-K-02512

x x x

179 Środki ochrony przeciwpoża-rowej. Czujki przeciwpożaro-we

PN-K-02506, PN-K-02507 x x x

180 Środki ochrony przeciwpoża-rowej. Środki gaśnicze

PN-EN 3-7, UIC 564-2, PN-K-02506, PN-K-02507 x x x

„Formuła elastyczna” oznaczała możliwość dopusz-czania silników z poziomem emisji spalin 3A. Możliwość ta wygasła 31 grudnia 2014. Obecnie istnieje możliwość dopuszczenia do eksploatacji pojazdów spełniających kryteria emisji spalin na poziomie 3B. Krajowe wymagania w zakresie poziomu emisji spalin można znaleźć w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 19 sierpnia 2005 r. w sprawie szcze-gółowych wymagań dla silników spalinowych w zakresie ograniczenia emisji zanieczyszczeń gazowych i cząstek stałych przez te silniki (Dz. U. 2005 nr 202 poz. 1681) [20]. Rozporządzenie zostało zmienione Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 29 marca 2011 r. zmieniającym rozporządzenie w sprawie szczegółowych wymagań dla silników spalinowych w zakresie ograniczenia emisji zanieczyszczeń gazowych i cząstek stałych przez te silniki (Dz. U. 2011 nr 69 poz. 366) [21].

2.4. Energia elektryczna

W dyrektywie [1] w pkt. 2.2.2 podane zostało ogólne zalecenie o następującej treści:

Funkcjonowanie systemów dostaw energii elek-trycznej i cieplnej nie może szkodzić środowisku na-turalnemu ponad określone limity.

W kolejnych dokumentach dotyczących regulacji w zakresie kolei europejskich ten zapis przełożył się na konkretne wymagania. W TSI „Energia” do zagadnień ochrony środowiska zostały włączone tematy przed-stawione poniżej (numeracja punktów przed tytułem zagadnienia wg [13], po tytule wg zał. III do [1]):

− 4.2.6 Hamowanie odzyskowe: 1.4.1, 1.4.3 − 4.2.8 Zakłócenia harmoniczne i dynamiczne

systemów zasilania sieci prądem przemiennym: 1.4.1, 1.4.3

− 4.2.12 Charakterystyka dynamiczna i jakość odbioru prądu: 1.4.1, 2.2.2

− 4.2.14 Materiał przewodu jezdnego: 1.4.1 − 4.2.15 Sekcje separacji faz; 1.4.1, 1.4.3 − 4.2.16 Sekcje separacji systemów: 1.4.1, 1.4.3 − 4.2.18 Środki ochrony przed porażeniem

elektrycznym: 1.4.1, 1.4.3, 2.2.2 − 4.7 Warunki bezpieczeństwa i higieny pra-

cy: 1.4.1, 1.4.3, 2.2.2.

59


W punktach podanych przed tytułem zagadnienia okre-ślono podstawowe parametry oraz ich zgodność z za-sadniczymi wymaganiami określonymi w załączniku III do dyrektywy [1].

Jednym z praktycznych sposobów ochrony środowiska jest racjonalne zużycie energii, co w transporcie kole-jowym przekłada się m.in. na prowadzenie pociągów w energooszczędny sposób [23]. Narzędziem pomoc-nym do oceny wielkości i zasadności zużycia energii są układy jej pomiaru. Zapis w tej sprawie znajduje się w art. 3 [11]:

− 4. Instalowanie pokładowych systemów po-miaru energii określonych w pkt 4.2.8.2.8 za-łącznika jest obowiązkowe w przypadku no-wych, zmodernizowanych lub odnowionych pojazdów przeznaczonych do eksploatacji w sieciach wyposażonych w naziemny system gromadzenia danych o zużyciu energii (DCS) określony w pkt 4.2.17 rozporządzenia Komi-sji (UE) nr 1301/2014 [15].

Wymagania określone są w pkt. 4.2.8.2.8 „Pokładowy system pomiaru energii”:

1) Pokładowy system pomiaru energii jest sys-temem do pomiaru energii elektrycznej po-bieranej z sieci trakcyjnej (OCL- overhead catenary line) lub oddawanej (w procesie hamowania odzyskowego) do sieci trakcyjnej przez elektryczny pojazd kolejowy.

2) Pokładowe systemy pomiaru energii muszą spełniać wymagania dodatku D do niniejszej TSI.

3) System ten jest odpowiedni do celów rozlicze-niowych; dane z tego systemu są akceptowa-ne do celów rozliczeniowych we wszystkich państwach członkowskich.

4) Zamontowanie pokładowego systemu pomia-ru energii oraz jego pokładowej funkcji loka-lizacji należy odnotować w dokumentacji technicznej opisanej w pkt 4.2.12.2 niniejszej TSI; opis komunikacji urządzeń pokładowych z naziemnymi stanowi część takiej dokumen-tacji.

5) Dokumentacja utrzymania opisana w pkt 4.2.12.3 niniejszej TSI obejmuje wszelkie procedury okresowej weryfikacji służące do zapewnienia wymaganego poziomu dokładności pokładowego systemu pomiaru energii w okresie jego eksploatacji.

Wymieniony wyżej dodatek D określa następujące zagadnienia: - wymagania systemowe dotyczące pokładowego

systemu pomiaru energii - funkcję pomiaru energii

- system obróbki danych - funkcję lokalizacji - komunikację między urządzeniami pokładowymi a

naziemnymi - szczególne procedury oceny.

Innym, związanym z energią elektryczną istotnym elementem ochrony środowiska jest jego „czystość” elektromagnetyczna. Prawidłowe działanie wielu urzą-dzeń elektronicznych i mikroprocesorowych, w tym także stymulatorów medycznych, wymaga braku ponadnormatywnych zakłóceń w otoczeniu, w którym działają. W TSI [13] zamieszczone są następujące wymagania dotyczące kompatybilności elektromag-netycznej:

4.2.8. Zakłócenia harmoniczne i dynamiczne systemów zasilania sieci trakcyjnej prądem przemiennym

1) Współdziałanie systemu zasilania sieci trakcyjnej i taboru może prowadzić do niestabilności elektrycznej w systemie.

2) W celu osiągnięcia kompatybilności syste-mów elektrycznych, przepięcia harm-oniczne muszą być ograniczone do wartości poniżej wartości krytycznych zgodnie z normą EN 50388:2012, pkt 10.4.

Dodatkowo, w celu niezawodnej i bezpiecznej pracy systemów sterowania ruchem kolejowym, mających bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo, uszczegóło-wiono wymagania chroniące środowisko otaczające urządzenia tych systemów [22].

Wymagania te, ujęte w § 13 ust. 2, odnoszą się do kil-ku infrastrukturalnych elementów systemu zasilania:

7) dla trzeciej szyny w metrze sprawdzenie zgodno-ści jej parametrów z wymaganiami techniczny-mi, dotyczącymi w szczególności: a) parametrów geometrycznych trzeciej szyny, b) współpracy odbieraka prądu z trzecią szyną, c) układu mocowania, d) oceny skuteczności ochrony przeciwporaże-niowej;

8) dla systemu sieci powrotnej: a) ocenę jednostkowej konduktancji przejścia

pomiędzy szynami a ziemią, b) ocenę wytrzymałości układów mocowania, c) ocenę skuteczności ochrony przeciwporaże-

niowej, d) ocenę skuteczności ochrony taboru oraz

urządzeń sterowania ruchem kolejowym przeciw wyładowaniom atmosferycznym.

oraz do zakresu badań w trakcie eksploatacji pojazdu, ujętych w § 14:

1. Zakres badań technicznych dla wszystkich typów pojazdów kolejowych obejmuje:

60


10) potwierdzenie poprawności zastosowanych w pojeździe kolejowym rozwiązań, decydują-cych o bezpieczeństwie ruchu, bezpieczeń-stwie przewozu osób i rzeczy oraz ochronie środowiska;

2. Zakres badań technicznych dla typów pojazdów trakcyjnych, w tym lokomotyw, zespołów trakcyj-nych, wagonów silnikowych i innych pojazdów kolejowych z napędem, obejmuje dodatkowo: 9) badanie oddziaływania na otoczenie w

zakresie hałasu emitowanego na zewnątrz pojazdu trakcyjnego oraz zawartości spalin;

10) sprawdzenie zabezpieczenia przeciwpożaro-wego pojazdu trakcyjnego

11) badanie pojazdu trakcyjnego w zakresie: a) .... d) oddziaływania pól magnetycznych wystę-pujących wewnątrz pojazdu na organizm ludzki.

Kategoria podsystemu „Tabor kolejowy” LpAeq,T [jedn.]

[dB] Li

pAeq,T [dB] LipAFmax [dB]

Lokomotywy elektryczne i OTM z napędem elektrycznym 70 75

Lokomotywy spalinowe i OTM z napędem wysokoprężnym 71 78

E.z.t. 65 68

S.z.t. 72 76

Wagony osobowe 64 68

85

Wagony towarowe 65 nie dotyczy nie dotyczy

Poziomy hałasu dopuszczalnego na postoju Tablica 7

2.5. Hałas

Podobnie jak dla poprzednich wymagań zasadniczych kwestie hałasu zostały ujęte we wszystkich aktach prawnych zawierających wymagania dla pojazdów. Rozporządzenie w sprawie dopuszczania do eksplo-atacji określonych rodzajów budowli, urządzeń i pojazdów kolejowych z dnia 13 maja 2014 podaje wymagania dla pojazdów. W §14.2 pkt 9 podaje zakres badań technicznych dla typów pojazdów trakcyjnych, w tym lokomotyw, zespołów trakcyjnych, wagonów silnikowych i innych pojazdów kolejowych z napę-dem, obejmuje badanie oddziaływania na otoczenie w zakresie hałasu emitowanego na zewnątrz pojazdu trakcyjnego. Dodatkowo w rozporządzeniu znajdują się wymagania dotyczące interfejsu „człowiek – ma-szyna”. W punkcie 13c zgodnie z wymaganiami Rozporządzenia należy sprawdzić poziom hałasu infradźwiękowego, słyszalnego i ultradźwiękowego w kabinie maszynisty, natomiast w punkcie 14b wymagane jest sprawdzenie poziomu hałasu słyszal-nego w przedziale pasażerskim. Podobnie jak dla

innych wymagań zasadniczych rozporządzenie nie definiuje kryteriów do jakich należy odnieść wyniki pomiarów.

Kryteria pomiaru zostały określone zarówno w załączniku do [17] (tzw. Lista Prezesa Urzędu Trans-portu Kolejowego) w pkt. 100, jak i w Technicznych Specyfikacjach Interoperacyjności. Należy jednak zwrócić uwagę na nieścisłości pojawiające się w dokumentach kryterialnych. Przykładem może być punkt 100 „Urządzenia ostrzegawcze. Sygnały urzą-dzenia ostrzegawczego” tej listy i odpowiadający mu punkt 4.2.7.2.2 „Poziomy dźwięku urządzenia ostrzegawczego” w TSI [10]. Zgodnie z jej zapisami poziom dźwięku z korekcją częstotliwości według krzywej C, wytwarzanego oddzielnie przez każde źródło (albo w grupie przy jednoczesnej emisji w formie akordu) powinien wynosić od 115 dB do 123 dB. Lista Prezesa UTK podaje jako wyznacznik oprócz normy PN-EN 15153-2 kartę UIC 644 „Ostrzegawcze sygnały dźwiękowe na pojazdach trakcyjnych w komunikacji międzynarodowej”. Poziom dźwięku wg kart UIC 644 wynosi 120 [dB] do 125 [dB]. Zgodnie z przepisami pojazd może być zgodny z polskimi wymaganiami, a nie spełniać wymagań TSI i w dolnej granicy pojazd może być zgodny z TSI i niezgodny z polskimi wymaganiami.

Oprócz oczywistych trudności dla projektantów pojazdów, szczególnie dla ruchu międzynarodowego, wynikających z zaprezentowanych różnic, istotną kwestią jest postawienie pytania, ile takich bardziej lub mniej istotnych różnic występuje pomiędzy wymaga-niami unijnymi i krajowymi [23]. Niezbędne jest podjęcie prac, które doprowadzą do ujednolicenia przepisów i wyeliminują zagadnienia budzące wiele kontrowersji i emocji. Jedyną instytucją, która może podjąć takie działania jest narodowy organ bezpieczeństwa (NSA), którym w Polsce jest Urząd Transportu Kolejowego.

61


Dopuszczalne wartości poziomu hałasu zostały podzielone na cztery grupy:

- dla pojazdu na postoju - dla pojazdu ruszającego - dla pojazdu jadącego - wewnątrz kabiny maszynisty.

Dla poziomu hałasu wytwarzanego przez pojazd na postoju, co jest istotne ze względu na uciążliwość pociągów stojących przy peronie, przyjęto górne granice przedstawione w tablicy poniżej, zestawionej na podstawie tabeli 2 w pkt. 4.2.1. [16].

Poziomy hałasu dopuszczalnego na postoju Tablica 6

K atego ria po dsystem u

„T abor ko lejow y”

L p A eq,T

[ jedn .]

[dB ]

L ip A eq,T

[dB ]

L ip A F m ax

[dB ]

L oko m otyw y elektryczne i

O T M z napęd em elek-

tryczn ym

70 75

L oko m otyw y spalinow e i

O T M z napęd em w ysoko-

p rężnym

71 78

E .z.t. 65 68

S .z.t. 72 76

W agony osob ow e 64 68

85

W agony tow arow e 65 n ie

do tyczy

n ie

do tyczy

gdzie:

- LpAeq,T [jedn.]) - równoważny ciągły poziom dźwięku A jednostki

- LipAeq,T - równoważny ciągły poziom dźwięku A w naj-bliższej pozycji pomiarowej „i”, z uwzględnieniem głów-nej sprężarki powietrznej

- LipAFmax - poziom dźwięku z korekcją typu A i stałą czasową F w najbliższej pozycji pomiarowej „i”, z uwzględnieniem hałasu impulsowego emitowanego przez zawór wydechowy suszarki powietrza

Wartości dopuszczalne określa się w odległości 7,5 m od osi toru i 1,2 m nad poziomem główki szyny.

2.6. Drgania gruntu

Wymagania dotyczące poziomu drgania gruntu w odniesieniu do działań i obszarów położonych w pobliżu infrastruktury i będących w normalnym stanie utrzymania są zagadnieniem odnoszącym się głównie do infrastruktury.

Zagadnienia drgań gruntu zostały opisane w TSI „Lo-komotywy i tabor pasażerski” w punkcie 1.4.5, w któ-rym czytamy:

„Funkcjonowanie systemu kolei nie może powodować osiągnięcia niedopuszczalnego poziomu drgania grun-tu w odniesieniu do działań i obszarów położonych w pobliżu infrastruktury i będących w normalnym stanie utrzymania”.

Ten wymóg zasadniczy jest objęty zakresem TSI „In-frastruktura”. Wymagania obejmujące zagadnienia drgań gruntu w TSI „Infrastruktura” z 2011 r [10] są następujące:

4.2.11.2. Wartości graniczne hałasu i drgań oraz środ-ki łagodzące

Wszystkie kategorie linii wg TSI

(1) Wartości graniczne hałasu oraz środki łago-dzące stanowią punkt otwarty.

(2) Wartości graniczne drgań oraz środki łago-dzące stanowią punkt otwarty.

W TSI „Infrastruktura” [14] obowiązującym od 1 stycznia 2015 zagadnienia ochrony środowiska ujęte zostały tylko w jednym punkcie, który zaprezentowano w tablicy 7.

Fragment tablicy zawierającej wymagania zasadnicze dla podsystemu „Infrastruktura” [14] Tablica 8

Punkt TSI Tytuł punktu TSI Bezpieczeństwo Niezawodność

i dostępność Zdrowie Ochrona środowiska naturalnego

Zgodność techniczna Dostępność

4.7 Warunki bezpie-czeństwa i higie-

ny pracy 1.1.5 1.2 1.3 1.4.1

Jak można zauważyć nie odnoszą się one bezpośrednio do zagadnień związanych z drganiami gruntu.

Podsumowanie

Wszystkie podsystemy, składniki interoperacyjne oraz wszystkie inne elementy wchodzące w skład systemu kolejowego muszą spełniać wymagania zasadnicze. Ochrona środowiska jest jednym z pięciu podstawo-wych wymagań zawartych w Dyrektywie 2008/57/WE dotyczącej kolei a szczegółowe wymagania znajdują

się we wszystkich TSI przeznaczonych dla systemu kolei.

Kolej z natury jest systemem dobrze wpisującym się w tematykę ochrony środowiska. Jej ekologiczny charak-ter jest opisywany w wielu publikacjach i prezento-wany na wielu konferencjach. Techniczne Specy-

62


fikacje dla Interoperacyjności są dodatkową wskazów-ką dla projektantów, wskazówką o tyle konieczną, że należy je stosować pod rygorem prawa. Ich stosowanie jest niezbędne w celu nie tylko uzyskania odpowied-nich dokumentów pozwalających na homologację pojazdów, infrastruktury itp., ale w przede wszystkim niezbędnym do celu nadrzędnego, jakim jest ochrona środowiska. Należy pamiętać, że zagadnienia ochrony środowiska są obecne na każdym etapie życia pojazdu, tzn. od założeń wstępnych aż do jego utylizacji. Literatura

1. Dyrektywa 2008/57/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 17 czerwca 2008 r. w sprawie interoperacyjności systemu kolei we Wspólnocie.

2. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2008/110/WE z dnia 16 grudnia 2008 r. zmieniająca dyrektywę 2004/49/WE w sprawie bezpieczeństwa ko-lei wspólnotowych (dyrektywę w sprawie bezpieczeń-stwa kolei)

3. Dyrektywa Komisji 2009/131/WE z dnia 16 paździer-nika 2009 r. zmieniająca załącznik VII do dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2008/57/WE w sprawie interoperacyjności systemu kolei we Wspólno-cie

4. Dyrektywa Komisji 2011/18/UE z dnia 1 marca 2011 r. zmieniająca załączniki II, V, VI do dyrektywy Par-lamentu Europejskiego i Rady 2008/57/WE w sprawie interoperacyjności kolei we Wspólnocie

5. Dyrektywa Komisji 2013/9/UE z dnia 11 marca 2013 r. zmieniająca załącznik III do dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2008/57/WE w sprawie interope-racyjności systemu kolei we Wspólnocie

6. Dyrektywa Komisji 2014/106/UE z dnia 5 grudnia 2014 r. zmieniająca załączniki V i VI do dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2008/57/WE w sprawie interoperacyjności systemu kolei we Wspólno-cie

7. Dyrektywa 97/68/.WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 16 grudnia 1997 r. w sprawie zbliżenia ustawodawstw Państw Członkowskich odnoszących się do środków dotyczących ograniczenia emisji zanie-czyszczeń gazowych i pyłowych z silników spalinowych montowanych w maszynach samojezdnych nieporusza-jących się po drogach

8. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2011/88/UE z dnia 16 listopada 2011 r. zmieniająca dyrektywę 97/68/WE w odniesieniu do przepisów do-tyczących silników spalinowych wprowadzanych do obrotu według „formuły elastycznej”.

9. Ustawa z dnia 28 marca 2003 r. o transporcie kolejowym (Dz. U. 2007 nr 16 poz. 94 z późniejszymi zmianami)

10. Decyzja Komisji nr 2011/275/UE z dnia 26 kwietnia 2011 r. dotycząca technicznej specyfikacji interoperacyjności podsystemu „Infrastruktura” transeuropejskiego systemu kolei konwencjonalnych

11. Decyzja Komisji (UE) nr 1302/2014 z dnia 18 listopada 2014 r. w sprawie technicznej specyfikacji interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu „Tabor - lokomotywy i tabor pasażerski” systemu kolei w Unii Europejskiej

12. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 321/2013 z dnia 13 marca 2013 r. dotyczące technicznej specyfikacji interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu „Tabor - wagony towarowe” systemu kolei w Unii Europejskiej i uchylające decyzję 2006/861/WE

13. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1301/2014 z dnia 18 listopada 2014 r. w sprawie technicznych specyfikacji interoperacyjności podsystemu „Energia” systemu kolei w Unii

14. Rozporządzenie Komisji (UE) NR 1299/2014 z dnia 18 listopada 2014 r. dotyczące technicznych specyfikacji interoperacyjności podsystemu „Infrastruktura” systemu kolei w Unii Europejskiej

15. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1303/2014 z dnia 18 listopada 2014 r. w sprawie technicznej specyfikacji interoperacyjności w zakresie aspektu „Bezpieczeństwo w tunelach kolejowych” systemu kolei w Unii Europejskiej

16. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1304/2014 z dnia 26 listopada 2014 r. w sprawie technicznych specyfikacji interoperacyjności podsystemu "Tabor kolejowy - hałas", zmieniające decyzję 2008/232/WE i uchylającą decyzję 2011/229/UE

17. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 27 grudnia 2012 r. w sprawie wykazu właściwych krajowych specyfikacji technicznych i dokumentów normalizacyjnych, których zastosowanie umożliwia spełnienie zasadniczych wymagań dotyczących interoperacyjności systemu kolei. Dz. U. 2013 poz. 43

18. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 13 maja 2014 r. w sprawie dopuszczania do eksploatacji określonych rodzajów budowli, urządzeń i pojazdów kolejowych. Dz. U. 2014 poz. 720

19. Rozporządzeniem Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 6 listopada 2013 r. w sprawie interoperacyjności systemu kolei. Dz. U. 2013 poz. 1297

20. Rozporządzeniu Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 19 sierpnia 2005 r. w sprawie szczegółowych wymagań dla silników spalinowych w zakresie ograniczenia emisji zanieczyszczeń gazowych i cząstek stałych przez te silniki (Dz. U. 2005 nr 202 poz. 1681)

21. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 29 marca 2011 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie szczegółowych wymagań dla silników spalinowych w zakresie ograniczenia emisji zanieczyszczeń gazowych i cząstek stałych przez te silniki (Dz. U. 2011 nr 69 poz. 366).

63


22. Określenie dopuszczalnych poziomów i parametrów zakłóceń dla urządzeń sterowania ruchem kolejowym. Instytut Kolejnictwa. Praca nr 4430/10. Warszawa 2011 r.

23. Durzyński Z.: Podstawy metody wyznaczania para-metrów energooszczędnej jazdy pojazdów trakcyjnych na obszarach aglomeracyjnych. X Międzynarodowa Konferencja "Nowoczesna Trakcja Elektryczna". Poznań 2011 r.

24. Durzyński Z., Królikowski J., Cichy R.: Porówna-nie wymagań dla pojazdów interoperacyjnych w świetle przepisów unijnych i krajowych. Pojazdy Szynowe nr 3/2014.

25. http://www.era.europa.eu/Document-Register /Documents/TSIs-chronology-2015%20ASC-for%2 0publication.pdf

64