Analiza Wypadków Z Powodu Niezdatności Układów Hamulcowych

prof. dr hab. inż. Franciszek Tomaszewski Politechnika Poznańska Poznań University of Technology mgr inż. Sylwin Tomaszewski Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Rail Vehicles Instytute „TABOR”

Analiza wypadków z powodu niezdatności układów hamulcowych

W artykule przedstawiono istotę działania układu hamulcowego oraz omówiono diagnostykę układów hamulcowych stosowanych w pojazdach szynowych i pojazdach samochodowych. Przeprowadzono analizę wypadków kolejowych i drogowych oraz zaprezentowano strukturę przyczyn ich powstawania z ukierunkowaniem na układ hamulcowy. Zaprezentowano i omówiono skutki wypadków w transporcie kolejowym i transporcie drogowym z uwzględnieniem kosztów finansowych i spo- łecznych oraz ich wpływ na środowisko i zewnętrzne koszty transportu. W pracy przedstawiono także przykłady jednych z najważniejszych wypadków kolejowych i drogowych ostatnich lat.

Analysis of accidents caused by faults in brake systems The article presents the principle of operation of a braking system and discusses the diagnosis of brake systems used in rail and motor vehicles. An analysis of rail and road accidents was performed, and the structure of their causes was presented with a focus on the braking system. The consequences of accidents in rail and road transport, taking into account the financial and social costs and their impact on the environment as well as the external costs of transport were presented and discussed. The study also shows examples of some of the most important road and rail accidents that occurred in recent years.

1. Wprowadzenie 1. Introduction Wraz z pojawienia się na świecie pierwszych With the emergence of the world's first vehicle pojazdów nieodłącznie towarzyszy im układ hamul- so did inherently the first braking system. It is used to cowy. Służy on do zmniejszania prędkości oraz za- reduce the speed and stop the vehicle, especially in an trzymania pojazdu, zwłaszcza w sytuacji zagrożenia, emergency situation, as quickly as possible and with w jak najkrótszym czasie i z jak największą pewno- the utmost confidence. Brakes are also used to ścią. Hamulce służą także do unieruchomienia pojazdu immobilize the vehicle when stationary. The braking na postoju. Układ hamulcowy jest jednym z podsta- system is one of the basic elements of a motor vehicle wowych elementów pojazdu mechanicznego i klu- and a key system for ensuring the safety of both the czowym układem w kwestii zapewnienia bezpieczeń- vehicle users and persons and objects located in their stwa zarówno użytkownikom pojazdów jak i osobom vicinity. Therefore, ensuring the effectiveness of the oraz przedmiotom znajdującym się w ich otoczeniu. braking system and its reliability is a major goal in the W związku z tym zapewnienie skuteczności układu design stage, the manufacturing stage and the hamulcowego i jego niezawodności jest głównym maintenance of all kinds of vehicles operating in the celem na etapie konstruowania, wytwarzania i eksplo- world. To date, the primary type of a brake is a friction atowania wszelkiego rodzaju pojazdów funkcjonują- brake, usually hydraulic or pneumatic. At the same cych na świecie. Do tej pory podstawowym hamulcem time, with the rapid development of technology and jest hamulec cierny, najczęściej hydrauliczny lub the increase in the speed of vehicles, there are more pneumatyczny. Jednocześnie, wraz z dynamicznym and newer systems supporting the classic friction rozwojem techniki oraz wzrostem prędkości porusza- system through electrical microprocessor control and nia się pojazdów, pojawiają się coraz nowsze układy the use of electrodynamic brakes. The main modes of wspomagające klasyczny układ cierny poprzez elek- transport, which seek to ensure the highest quality, tryczne sterowanie mikroprocesorowe oraz wykorzy- efficiency and reliability of brake systems, are road stywanie hamulca elektrodynamicznego. Podstawo- and rail transport. Therefore, the article will discuss wymi gałęziami transportu, w których dąży się do the diagnosis of braking systems and the analysis of accidents on that basis.

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 1 zapewnienia jak największej jakości, skuteczności i 2. Breaking systems diagnostics niezawodności układów hamulcowych, są transport Malfunctions of braking systems are one of drogowy i transport szynowy. Dlatego na ich podsta- the main causes of traffic accidents involving motor wie, w artykule zostanie omówiona diagnostyka ukła- vehicles. Therefore, the detection of faults in the dów hamulcowych oraz analiza wypadków. braking system is one of the most important tasks of 2. Diagnostyka układów hamulcowych technical diagnostics. The usefulness of the brakes to Niezdatności układów hamulcowych są jedną fulfill their tasks is determined by the effectiveness of z podstawowych przyczyn wypadków komunikacyj- their operation. The measure of the effectiveness of nych powodowanych przez pojazdy mechaniczne. W the brakes, that best reflects the realization of their związku z tym wykrycie niezdatności tego układu main tasks, are either the braking distance or their należy do najważniejszych zadań diagnostyki tech- delay [2]. nicznej. Przydatność hamulców do wypełniania zadań The brake performance can be assessed during jest determinowana skutecznością ich działania. Miarą the driving tests based on measurements of the braking skuteczności działania hamulców, najlepiej odzwier- distance or delay values or during stationary tests (on an engine test bench) based on the measurement of ciedlającą realizację ich głównych zadań, jest droga forces produced between the elements of the friction lub opóźnienie hamowania [2]. pair. Diagnosing braking systems for road vehicles can Skuteczność działania hamulców może być be divided into diagnosing the mechanisms of brake oceniona podczas badań ruchowych na podstawie actuators and determining the effectiveness of the pomiarów długości drogi hamowania lub wartości braking system [2]. In practice, the brake system opóźnienia hamowania oraz podczas badań stacjonar- diagnosis comes down to merely verify its nych (stanowiskowych) na podstawie pomiaru warto- effectiveness when carrying out periodic technical ści sił wytwarzanych pomiędzy elementami pary cier- inspections on a diagnostic station. Figure 2-1 shows nej. Diagnozowanie układów hamulcowych pojazdów an example of a tool for such diagnostics, which has a drogowych można podzielić na diagnozowanie me- built-in roller device for measuring the braking chanizmów uruchamiających hamulce oraz określanie efficiency of cars, tractors and motorcycles. skuteczności działania układu hamulcowego [2]. W About 80 percent of cars going into the service praktyce diagnostyka hamulca sprowadza się tylko do station come with some degree of damage to the brake sprawdzenia jego skuteczności podczas przeprowa- system. Frequently observed defects of the brake dzania okresowego badania technicznego na stacji system are: worn-out brake pads, discs, drums and diagnostycznej. Na rysunku 2.1 przedstawiono przy- brake shoes, faulty parking brake or leaks from the kładowe stanowisko diagnostyczne, na którym zabu- brake system. Unaddressed faults (from wear) result in dowane jest urządzenie rolkowe służące do pomiaru extended braking distance or may cause a loss of skuteczności działania hamulców samochodów, cią- control of the vehicle [1]. Usually diagnosis of the gników rolniczych oraz motocykli. mechanisms of brake actuators happens only if, during the periodic test the effectiveness of the braking system the results are objectionable,. In the case of rail transport, in which determining the condition of the vehicle cannot be reduced merely to a technical review carried out once a year, diagnosis of the brake is carried out much more thoroughly. The system for diagnostics of brake systems of rail vehicles with regular drives in accordance with the regulation [5] functioning in the country defines the program of tests for the main brake (PN) for the freight cars, passenger coaches and traction vehicles. This program, in addition to an inspection to check the correct state and assembly of the brake system and leak testing of the pneumatic system of the carriage requires stationary performance Rys. 2.1. Stanowisko diagnostyczne do pomiaru skuteczności tests of the PN brake consisting of checking: działania hamulców pojazdów drogowych [8] − patency of the main line, Fig. 2.1. A diagnostic station for measuring the effectiveness of the − filling time of the auxiliary reservoir and the brakes in road vehicles [8] control reservoir, − the sensitivity and the insensitivity of the Około 80 procent samochodów trafiających do brake to chosen pressure drops in the main stacji obsługi posiada większe lub mniejsze uszkodze- conduit, nia układu hamulcowego. Najczęściej stwierdzane

2 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 niezdatności układu hamulcowego to m.in.: zużyte − the highest values of cylinder pressure, the klocki, tarcze, bębny i szczęki hamulcowe, niesku- triggering pressure in "Freight" mode and the teczny hamulec postojowy, czy też wycieki z układu time of filling and emptying of the brake hamulcowego. Nieusunięte uszkodzenia (zużycia) cylinders in all brake operating modes, powodują wydłużenie drogi hamowania lub mogą − the brake’s ability to apply and release, wpłynąć na utratę kontroli nad pojazdem [1]. Jeśli − brake pipe emptying accelerator performance, podczas badania okresowego skuteczność działania − emergency brake performance, układu hamulcowego budzi zastrzeżenia, najczęściej − correct operation of the brake release, dopiero wtedy dochodzi do diagnozowania mechani- − stroke and operation of the transmission brake zmów uruchamiających hamulce. adjuster. W przypadku transportu kolejowego, w któ- Stationary tests of carriage braking system rym określenie stanu technicznego pojazdu nie spro- envisaged by the regulation [5] is to be performed wadza się jedynie do przeglądu technicznego prze- after connecting the rail vehicle to the system enabling prowadzanego raz w roku, diagnozowanie hamulca service brake control through control of the values and przeprowadza się dużo bardziej szczegółowo. Funk- the gradient of pressure in the main line. Equipping cjonujący w kraju system diagnozowania stanu ukła- the tested carriage with apparatus for measuring dów hamulcowych pojazdów szynowych sterowanych pressure is also necessary. Tests specified by the klasycznie zgodnie z normą [5] określa program prób regulation [5] should be made by means of the brake odbiorczych hamulca zasadniczego (PN) dla wagonów control device, which is powered from a stationary towarowych, wagonów pasażerskich i pojazdów trak- compressed air network, microprocessor-controlled cyjnych. Program ten, oprócz oględzin sprawdzają- and equipped with the necessary sensors to measure cych poprawność wykonania i montażu układu hamul- pressure. This device automatically changing the cowego oraz sprawdzenia szczelności instalacji pneu- corresponding pressure patterns in the main line matycznej wagonu, wymaga stacjonarnych prób funk- should perform a series of tests required by the cjonalnych hamulca PN polegających na sprawdzeniu: − aforementioned regulation. Pressure results obtained drożności przewodu głównego, during tests should be visualized in the form of − czasów napełniania zbiornika pomocniczego i characteristics (Fig.2.4), recorded and stored in digital zbiornika sterującego, form, and the evaluation of results should occur − czułości i nieczułości hamulca na odpowiednie automatically thus preventing any impact of staff on spadki ciśnienia w przewodzie głównym, that assessment. An example device that meets these − największych wartości ciśnień cylindrowych, criteria is a system for testing brake systems HADIAG ciśnienia zaskoku w nastawieniu "Towarowy" oraz shown in Figures 2.2 and 2.3, which shows the czasów napełniania i opróżniania cylindrów HADIAGL system for testing brake systems in hamulcowych we wszystkich nastawieniach ha- locomotives (Figure 2.2) and the HADIAGT system mulca, for testing brake systems in carriages (Fig.2.3). − zdolności hamulca do hamowania odhamo- wania, − działania przyspieszacza hamowania nagłego, − działania hamulca bezpieczeństwa, − poprawności działania odluźniacza, − skoku tłoka i działania nastawiacza przekładni hamulcowej. Próby stacjonarne układu hamulcowego wagonu przewidziane w normie [5] wykonuje się po podłączeniu pojazdu szynowego do układu umożli- wiającego sterowanie hamulcem zasadniczym poprzez kształtowanie wartości i gradientu ciśnienia w przewodzie głównym. Niezbędne jest też wyposażenie badanego wagonu w urządzenia do pomiaru ciśnień. Próby wymienione w normie [5] powinny być wyko- nywane za pomocą przyrządu do kontroli hamulca, który jest zasilany ze stacjonarnej sieci sprężonego powietrza, sterowany mikroprocesorowo i wyposa- żony w niezbędne przetworniki do pomiaru ciśnień. Rys. 2.2. Stanowisko diagnostyczne do kontroli i oceny stanu Przyrząd ten samoczynnie kształtując odpowiednie technicznego układów hamulcowych lokomotyw [9] przebiegi ciśnienia w przewodzie głównym powinien Fig. 2.2. Diagnostic station to monitor and evaluate the technical zrealizować program prób condition of brake systems in locomotives [9]

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 3 wymaganych w wyżej wspomnianej normie. Przebiegi ciśnień uzyskane podczas prób powinny być wizu- alizowane w postaci charakterystyk (rys.2.4), rejestrowane i zapisywane w postaci cyfrowej, a ocena wyników powinna następować samoczynnie uniemoż- liwiając wpływ personelu na tę ocenę. Przykładem przyrządu spełniającego powyższe kryteria jest system do badania układów hamulcowych HADIAG przedstawiony na rysunkach 2.2 i 2.3, gdzie pokazano system HADIAGL do badania układów hamulcowych lokomotyw (rys 2.2) oraz system HADIAGT układów hamulcowych wagonów towarowych (rys.2.3).

Rys. 2.3. Stanowisko diagnostyczne do kontroli i oceny stanu technicznego układów hamulcowych wagonów towarowych [9] Fig. 2.3. Diagnostic station to monitor and evaluate the technical condition of brake systems in freight carriers [9]

3. Statistics of rail and road accidents As defined by Ordinance No. 635 of the Chief of Police dated 30th June 2006, on the methods and Rys. 2.4. Przykładowy przebieg ciśnień realizowanych przez układ hamulcowy pojazdu szynowego. forms of conduct by the police when gathering statistics of road events, two types of traffic incidents are Fig. 2.4. An example of the pressures used by the braking system of a rail vehicle. distinguished: Car crash – it is a traffic incident, "which entailed 3. Statystyka wypadków kolejowych i drogowych human casualties, including at the perpetrator of this Zgodnie z definicją wg zarządzenia nr 635 incident, no matter how the case is closed". Komendanta Głównego Policji z dnia 30 czerwca Minor traffic collision – "it is a traffic incident, 2006 r. w sprawie metod i form prowadzenia przez which entailed only property damage". Policję statystyki zdarzeń drogowych, rozróżniamy However, in rail transport, according to the dwa rodzaje zdarzeń drogowych: Act on Rail Transport [7], we distinguish between the Wypadek drogowy – jest to zdarzenie drogowe, „któ- following concepts: re pociągnęło za sobą ofiary w ludziach, w tym także u Minor incident – an unintended sudden event or se- sprawcy tego zdarzenia, bez względu na sposób za- ries of such events with the participation of a railway kończenia sprawy”. vehicle, causing negative consequences for human Kolizja drogowa – „jest to zdarzenie drogowe, które health, property or the environment. Accidents include pociągnęło za sobą wyłącznie straty materialne”. in particular: collisions, derailments, rail-crossing Natomiast w kolejnictwie, zgodnie z ustawą o events, the events involving persons caused by a rail transporcie kolejowym [7], rozróżniamy następujące vehicle in motion, as well as a rail vehicle fire. pojęcia: Major accident – accident caused by collision, de- Wypadek – niezamierzone nagłe zdarzenie lub ciąg railment of a train or other similar event with at least takich zdarzeń z udziałem pojazdu kolejowego, powo- one fatality or at least five serious injuries or causing dujące negatywne konsekwencje dla zdrowia ludzkie- significant damage to a railway vehicle, the railway go, mienia lub środowiska. Do wypadków zalicza się infrastructure or the environment that can immediately w szczególności: kolizje, wykolejenia, zdarzenia na be assessed by the committee examining the case for przejazdach, zdarzenia z udziałem osób spowodowane at least €2 million having an obvious impact on rail- przez pojazd kolejowy będący w ruchu, a także pożar way safety regulations or safety management. pojazdu kolejowego. Figure 3.1. presents a summary of road and Wypadek poważny – wypadek spowodowany kolizją, rail accidents in Poland for a period of five years on wykolejeniem pociągu lub innym podobnym zdarze- the basis of data published by the Police and the Of- niem z przynajmniej jedną ofiarą śmiertelną lub przy- fice of Rail Transport. It can be seen that the number najmniej pięcioma ciężko rannymi lub powodujący of accidents in road transport is tens of times greater znaczne zniszczenie pojazdu kolejowego, infrastruktu- than in the case of rail transport. This result is closely ry kolejowej lub środowiska, które mogą zostać na- related to the number of cars on the roads in

4 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 tychmiast oszacowane przez komisję badającą wypa- relation to the number of trains, and the entanglement dek na co najmniej 2 mln €, mający oczywisty wpływ of road infrastructure compared with separate railway na regulacje bezpieczeństwa kolei lub na zarządzanie routes. The optimistic aspect of this statement is the bezpieczeństwem. fact that every year the number of accidents, both road Na rysunku 3.1. przedstawiono zestawienie and rail, decreases. wypadków kolejowych i drogowych w Polsce za okres Figures 3.2 and 3.3 presents the structure of pięciu lat na podstawie danych opublikowanych przez road accidents in the years 2009 - 2010. They show Policję oraz Urząd Transportu Kolejowego. Można na that the poor technical condition of vehicles is liable nim zauważyć, że liczba wypadków w transporcie only for 0.2% of accidents on the roads, which may drogowym jest kilkadziesiąt razy większa niż w indicate a high level of technical condition of vehicles przypadku transportu szynowego. Wynik ten jest operating on the Polish roads. After a detailed analysis ściśle związany z ilością samochodów poruszających of accidents due to poor technical condition of się po drogach w stosunku do liczby pociągów, oraz z vehicles it can be seen that the braking system is the kolizyjnością infrastruktury drogowej w porównaniu z third, immediately after lighting and tires, perpetrator wydzielonymi szlakami kolejowymi. Optymistyczny of road accidents. akcent tego zestawienia, to fakt że z roku na rok liczba In the case of rail transport, the technical state wypadków, zarówno drogowych jak i kolejowych, plays a much greater role. Figure 3.4 shows that rail maleje. vehicle technical faults account for 11% of all causes of railway accidents in years 2009 – 2010. Comparison of road and rail accidents in years 2009 – 2013

Rys. 3.2. Struktura wypadków drogowych wg sprawstwa w latach 2009-2010 [14,15] Rys. 3.1. Zestawienie wypadków kolejowych i drogowych w Fig. 3.2. The structure of road accidents listed by the persons latach 2009-2013 [4,6,15,16] responsible in years 2009-2010 [14,15]

Fig. 3.1. Summary of rail and road accidents in years 2009-2013 [4,6,15,16]

Na rysunkach 3.2 i 3.3 zaprezentowano struk- turę wypadków drogowych w latach 2009 – 2010. Wynika z nich, że zły stan techniczny pojazdów odpowiada za wypadki na drogach tylko w 0,2%, co może świadczyć o wysokim poziomie stanu technicznego pojazdów eksploatowanych na Polskich drogach. Po szczegółowym przeanalizowaniu wypadków spowodowanych złym stanem technicznym zaważamy że układ hamulcowy jest trzecim w kolejności, zaraz po oświetleniu i ogumieniu, sprawcą wypadków drogowych. W przypadku transportu kolejowego, stan techniczny taboru odgrywa zdecydowanie większą Rys. 3.3. Struktura wypadków drogowych spowodowanych złym rolę. Na rysunku 3.4 widać, że awarie pojazdów szy- stanem technicznym pojazdów w latach 2009-2010 [14,15] nowych stanowią aż 11% wszystkich przyczyn wy- Fig. 3.3. The structure of road accidents caused by poor technical padków kolejowych w latach 2009 – 2010. condition of vehicles in years 2009-2010 [14,15]

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 5

Rys. 3.5. Źródła techniczne zdarzeń kolejowych w Rys. 3.4. Podział zdarzeń kolejowych ze względu na przyczynę latach 2009-2010 [4] pierwotną zdarzenia w latach 2009-2010 [4] Fig. 3.4. Distribution of rail incidents based on the initial cause Fig. 3.5. Technical sources of rail incidents in years 2009-2010 [4] between 2009-2010 [4]

Dane z rysunku 3.5 pokazują, że układ hamul- The data from Figure 3.5 shows that the brake cowy znajduje się na drugim miejscu, zaraz po zesta- system is in second place, just after wheelsets, among wach kołowych, wśród źródeł technicznych wypad- the technical sources of rail accidents. Its failure ków kolejowych. Jego awarie były przyczyną zdarzeń caused train incidents in 2009 and 2010 in as many as kolejowych w latach 2009 i 2010 aż w 11%. 11% of cases. Z powyższych danych można zauważyć także, From the above data it can also be observed że awarie układów hamulcowych występują zarówno that failures in braking systems occur for both road w transporcie drogowym jak i transporcie kolejowym i and rail transport, and contribute proportionally equally to the occurrence of traffic accidents. proporcjonalnie w równej mierze przyczyniają się do powstawania wypadków komunikacyjnych. 4. The effects of accidents and their impact on the 4. Skutki wypadków i ich wpływ na środowisko environment

Najważniejszym skutkiem i jednocześnie naj- The most important result and also the highest wyższym kosztem każdego wypadku jest śmierć cost of each accident is the loss of life. Figure 4.1 człowieka. Na rysunku 4.1 przedstawiono zestawienie summarizes the number of deaths divided into road liczby ofiar śmiertelnych z podziałem na wypadki and rail accidents. Analysis of this figure shows that drogowe i kolejowe. Z jego analizy wynika, że w more than ten times more people are killed annually in transporcie drogowym ginie rocznie ponad dziesięć road transport than in rail transport. However, this is razy więcej osób niż w transporcie kolejowym. Jest to closely related to the number of accidents as discussed jednak ściśle związane z liczbą wypadków omówioną in chapter three. w rozdziale 3.

Rys. 4.1. Liczba ofiar śmiertelnych wypadków komunikacyjnych Rys. 4.2. Liczba osób rannych w wypadkach komunikacyjnych w w latach 2009-2013 [3,15,16] latach 2009-2013 [3,15,16] Fig. 4.1. The number of fatalities in road and rail accidents in years Fig. 4.2. The number of people injured in road and rail accidents in 2009-2013 [3,15,16] years 2009-2013 [3,15,16]

6 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 W przypadku osób rannych sytuacja wygląda In the case of persons injured the situation is podobnie. Dane na rysunku 4.2 wykazują nawet śred- similar. The data in Figure 4.2 shows an approxi- nio trzystukrotnie większą liczbę ofiar dla transportu mately three hundred times the number of victims of drogowego w porównaniu z kolejowym. road transport compared to rail. Rozpatrując dalsze skutki wypadków komuni- Considering secondary effects of traffic acci- kacyjnych należy skupić się na kosztach ekonomicz- dents one should focus on the economic and social nych i społecznych, które możemy podzielić na [13]: costs that can be divided into [13]: • bezpośrednie • direct − koszty medyczne i rehabilitacji, − medical and rehabilitation costs, − koszty uszkodzenia mienia (pojazdów, in- − costs of damage to property (vehicles, infrastruktury, itp.), frastructure, etc.), − koszty administracyjne (policji, straży po- − administrative expenses (police, fire bri- żarnej, pogotowia, sądowe, ubezpieczycie- gade, ambulance, legal fees, insurance li, itp.). costs, etc.). • pośrednie • indirect − straty PKB (utracona produkcja, niezreali- − loss of GDP (lost production, unrealized zowana konsumpcja, itp.), consumption, etc.), − koszty ludzkie (ból i cierpienie ofiar i ich − human cost (pain and suffering of the vic- rodzin, utrata jakości życia, itp.), tims and their families, loss of quality of • dodatkowe (straty czasu, zwiększenie zużycia life, etc.), paliwa, zanieczyszczenie środowiska, itp.). • other (loss of time, increased fuel consump- Zgodnie z powyższym podziałem, na rysunku tion, pollution, etc.). 4.4 przedstawiono strukturę udziału poszczególnych In accordance with the above distinction, Fig- kategorii kosztów zdarzeń drogowych w Polsce dla ure 4.4 shows the structure of the share of individual przykładowego roku 2013. Z rysunku wynika, ze naj- cost categories of road incidents in Poland for the year większe koszty zostają ponoszone na ciężko ranne 2013. The figure indicates that the highest costs are ofiary wypadków, co jest spowodowane kosztami incurred due to seriously injured victims of accidents, długoletniego leczenia i rehabilitacji oraz wypłatami which is caused by the costs of long-lasting treatment rent inwalidzkich i odszkodowań. Są to istotne koszty and rehabilitation, as well as the payment of disability zewnętrzne transportu. benefits and compensation. These are important exter- Biorąc pod uwagę koszty finansowe wypad- nal costs of transport. ków komunikacyjnych zaprezentowane na rysunkach 4.4 i 4.5 możemy zauważyć ogrom strat finansowych oraz rozbieżne tendencje zmiany kosztów z biegiem czasu. Obniżenie kosztów w kolejnictwie jest spowodowane zmniejszeniem ilości zdarzeń o charakterze znaczących wypadków oraz bardziej rzetelnym kalku- lowaniem kosztów przez wszystkie podmioty sektora kolejowego [3]. Analiza poziomu zdarzeń drogowych w ostatnich latach wykazuje, że pomimo spadkowemu trendowi statystyk, rozwój metod obliczeniowych i dynamiczny wzrost cen jednostkowych, generują coraz wyższe koszty ekonomiczne i społeczne wypad- ków drogowych [13]. Rys. 4.3. Struktura kosztów zdarzeń drogowych w Polsce w 2013 roku [13] Fig. 4.3. The cost structure of road incidents in Poland in 2013 [13] Taking into account the financial costs of traffic accidents presented in Figures 4.4 and 4.5, the magnitude of financial losses and the divergent trends in the change of costs over time can be seen. Lowering the cost of the railways is caused by a decrease in the incidence of major accidents and a more reliable cal-

Rys. 4.4. Koszty (mld zł) wypadków i kolizji drogowych w Polsce w latach culation of costs by all railway sector stakeholders [3]. 2010 – 2013 [13] Analysis of the level of traffic incidents in recent years Fig. 4.4. Costs (in billions PLN) of road accidents and collisions in Poland shows that despite the downward trend in the statistics, in years 2010 – 2013 [13] the development of more advanced computational

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 7 Na rysunku 4.6 przedstawiono koszty zdarzeń methods and dynamic growth in unit prices generate kolejowych w latach 2009 – 2010 nie uwzględniając w even higher economic and social costs of road nich kosztów poniesionych na ofiary wypadków. Wy- accidents [13]. nika z niego, że największy udział w tych kosztach Figure 4.6 shows the cost of rail incidents in mają koszty wewnętrzne kolei poniesione na straty w the years 2009-2010 without taking into account the pojazdach – ponad 58% wszystkich kosztów i na stra- costs incurred for the casualties involved. It shows that ty w infrastrukturze – prawie 34%. the largest share of these costs are internal costs incurred as losses in vehicles - more than 58% of all costs, and losses in infrastructure - almost 34%.

Rys. 4.5. Koszty (mln EURO) znaczących wypadków kolejowych w Polsce w latach 2010 – 2013 [3] Fig. 4.5. Costs (in millions of EUR) of significant rail accidents in Poland in years 2010 – 2013 [3] Rys. 4.6. Koszty zdarzeń kolejowych w latach 2009-2010 [4] Fig. 4.6. Cost of rail incidents in years 2009-2010 [4]

Rys. 4.7. Katastrofa kolejowa pod Szczekocinami - Rys. 4.8. Katastrofa kolejowa w Białymstoku - 8 li- 3 marca 2012 [10] stopada 2010 [10] Fig. 4.7. Train crash near Szczekociny – 3rd of Fig. 4.8. Train crash in Bialystok - November 8th, March 2012 [10] 2010 [10]

Rys. 4.9. Katastrofa kolejowa w Swarzędzu - 19 lu- Rys. 4.10. Katastrofa kolejowa w Babach - 12 tego 2007 [10] sierpnia 2011 [10] Fig. 4.9. Train crash in Swarzedz - February 19th, Fig. 4.10. Train crash in Baby - August 12th 2011 2007 [10] [10]

8 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 Na rysunkach od 4.7 do 4.10 przedstawiono Figures 4.7 to 4.10 show images of the most zdjęcia z najbardziej poważnych katastrof kolejowych significant railway catastrophes of recent years, which ostatnich lat, w których zginęło łącznie 18 osób, ponad killed a total of 18 people, more than 170 people were 170 osób zostało rannych i omal nie doszło do kata- wounded and an environmental disaster was narrowly strofy ekologicznej z powodu wycieku 70 ton mazutu averted due to the leaking of 70 tons of mazut (heavy (ciężki olej opałowy stosowany m.in. jako paliwo do fuel oil used, among others, as fuel for ships) near a statków) w pobliżu jeziora w Swarzędzu. lake in Swarzędz. Natomiast na rysunkach 4.11 i 4.12 pokazano In contrast, figures 4.11 and 4.12, showing zdjęcia z być może najtragiczniejszych wypadków w pictures of perhaps the most tragic accidents in road komunikacji samochodowej w Polsce. W wypadku transport in Poland. In the case of the suburban bus podmiejskiego autobusu pod Gdańskiem w 1994 roku near Gdansk in 1994, 32 passengers were killed and zginęło 32 pasażerów a 43 zostało rannych, a w wy- 43 were injured, while the bus accident in Jeżów killed padku autokaru w Jeżowie zginęło 13 osób, w tym 9 13 people, including 9 high school graduates. maturzystów.

Rys. 4.11. Katastrofa autokaru w Jeżowie – 30 Rys. 4.12. Katastrofa autobusu pod Gdańskiem – 2 września 2005 [12] maja 1994 [11] Fig. 4.11. Crash of a coach in Jeżów - September Fig. 4.12. Crash of a bus near Gdańsk - May 2nd 1994 30th 2005 [12] [11]

Taking into account the costs of accidents, as Biorąc pod uwagę koszty wypadków, jako koszty zewnętrzne transportu, spowodowanych nie- the external costs of transport caused by malfunctions zdatnościami układów hamulcowych oraz ich skutków in braking systems and their effects (on pictures), the (zdjęcia), problem poprawności działania układów problem of correct operation of braking systems is hamulcowych jest bardzo ważny dla poprawnego i very important for the proper and safe functioning of bezpiecznego funkcjonowania systemu transportowe- the transport system. go. 5. Conclusions 5. Podsumowanie Głównym celem pracy było wykazanie związku The main aim of this study was to demonstrate między nieprawidłowym działaniem układów hamul- the connection between the malfunctions in the brak- cowych a powstawaniem wypadków komunikacyj- ing systems and the incidence of traffic accidents. nych. Niezdatności układów hamulcowych są jedną z Malfunctions of braking systems are one of the main głównych przyczyn technicznych wypadków pojaz- causes of technical accidents of rail and road vehicles. dów szynowych jak i samochodowych. Dlatego roz- Therefore a properly developed and widely used diag- winięta i stosowana diagnostyka pozwala na spraw- nostics allows for checking their effectiveness and dzenie ich skuteczności i pewności działania oraz wy- reliability of operation as well as the elimination of eliminowanie z ruchu pojazdów z uszkodzonymi lub vehicles with defective or worn out braking systems. zużytymi układami hamulcowymi. Analiza wypadków Analysis of accident statistics shows that the number pozwala zauważyć, że liczba wypadków w transporcie of accidents in road transport is tens of times greater drogowym jest kilkadziesiąt razy większa niż w przy- than in the case of rail transport. From the data pre- padku transportu szynowego. Z danych przedstawio- sented in the article it can be concluded that malfunc- nych w artykule wynika, że niezdatności układów tions of braking systems - among technical sources in hamulcowych – wśród technicznych źródeł struktury the structure of accidents, in both types of transport, wypadków, w obydwu typach transportu, w równej equally contribute to the occurrence of traffic acci- mierze przyczyniają się do powstawania wypadków dents. A cost analysis of all accidents showed that they komunikacyjnych. Analiza kosztów wszystkich wy- are a significant part of the external costs of transport. padków wykazała, że stanowią one istotną część kosz- tów zewnętrznych transportu

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 9 6. Literatura 6. Bibliography

1. Diagnostyka wstępna hydraulicznego układu hamulcowego samochodu osobowego – instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu Eksploatacja Maszyn. Politechnika Białostocka, Wydział Mechaniczny, Kate- dra Budowy i Eksploatacji Maszyn. Białystok 2009 2. M. Hebda, S. Niziński, H. Pelc: Podstawy diagnostyki pojazdów mechanicznych. WKiŁ Warszawa 1980 3. Raport w sprawie bezpieczeństwa na kolei w Polsce za rok 2013. Urząd Transportu Kolejowego, Warszawa, wrzesień 2014 4. Ryś T., Sitarz M.: Analiza zdarzeń kolejowych w Polsce w latach 2009 – 2010. Katowice 2012 5. Tabor kolejowy. Hamulec. Wymagania i metody badań – norma PN-K-88177; styczeń 1998 z późn. zm. 6. Urząd Transportu Kolejowego: Ocena Funkcjonowania Rynku Transportu Kolejowego i Stanu Bezpieczeń- stwa Ruchu Kolejowego w 2013 roku. 7. Ustawa o transporcie kolejowym. (Dz.U. z 2003 r. nr 86, poz. 789, z późn. zm.). 8. www.producent.fudim.com/index.php/ofertaa/linie-diagnostyczne/13-ldp-3-5e/50-urzadzenie-rolkowe-typ- bhe-5cle 9. www.tens.pl/articles/172/n/2#!prettyPhoto 10. www.wiadomosci.onet.pl/kraj/katastrofy-kolejowe-w-polsce 11. www.wiadomosci.onet.pl/prasa/to-byl-najtragiczniejszy-wypadek-drogowy-w-powojennej-polsce/npsfc 12. www.wspolczesna.pl/apps/pbcs.dll/article?AID=/20120907/REG06/120909731 13. Wycena kosztów wypadków i kolizji drogowych na sieci dróg w Polsce na koniec roku 2013. Instytut Ba- dawczy Dróg i Mostów – Zakład Ekonomiki. Warszawa, listopad 2014 14. Wypadki drogowe w Polsce w 2009 roku. Komenda Główna Policji – Biuro Prewencji i Ruchu Drogowego – Wydział Ruchu Drogowego. Warszawa 2010 15. Wypadki drogowe w Polsce w 2010 roku. Komenda Główna Policji – Biuro Prewencji i Ruchu Drogowego – Wydział Ruchu Drogowego. Warszawa 2011 16. Wypadki drogowe w Polsce w 2013 roku. Komenda Główna Policji – Biuro Prewencji i Ruchu Drogowego – Wydział Ruchu Drogowego. Warszawa 2014

10 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 dr hab. Agnieszka Merkisz-Guranowska, prof. PP dr hab. inż. Ireneusz Pielecha, prof. PP mgr Dawid Gallas Politechnika Poznańska dr inż. Maciej Andrzejewski dr inż. Paweł Daszkiewicz Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”

Sposoby zmniejszenia emisji zanieczyszczeń w towarowym transporcie kolejowym

Silniki spalinowe o zapłonie samoczynnym pojazdów szynowych, ze względu na zalety jakimi dysponują, nadal pozostają głównym źródłem napędu tego typu po- jazdów. Szkodliwe oddziaływanie na środowisko naturalne tych silników jest jednak znaczące. W Polsce jest eksploatowanych wiele rodzajów spalinowych pojaz- dów trakcyjnych, których silniki często nie spełniają wymagań limitów toksyczno- ści spalin. W artykule przedstawiono aktualnie stosowane systemy i układy pozwa- lające na zmniejszenie negatywnego oddziaływania spalinowych pojazdów trakcyjnych na otoczenie. Ways of reducing the pollutant emissions in freight railway transport Combustion engines with self-ignition of rail vehicles, due to the good points that they have, still remain the main source of drive of such type vehicles. However, the harmful effect on natural environment of these engines is significant. In Poland many types of combustion traction vehicles, whose engines often do not meet the requirements of limits for toxicity of exhaust gas, are operated. The article presents the currently used systems and assemblies allowing to reduce the negative impact of combustion traction vehicles on the environment.

1 WPROWADZENIE 1 INTRODUCTION Silniki spalinowe stosowane w pojazdach szy- The combustion engines used in the rail nowych występują przede wszystkim vehicles are primarily in: shunting and freight w: lokomotywach manewrowych i towarowych, wa- locomotives, motor wagons, diesel multiple units gonach motorowych, spalinowych zespołach trakcyj- (railbuses) and auxiliary vehicles. The smaller vehicles nych (szynobusach) i pojazdach pomocniczych. W are equipped with typical usuable engines used in the mniejszych pojazdach są montowane typowe silniki trucks, but the large rail vehicles – the engines with użytkowane stosowane w pojazdach ciężarowych, power of even a few thousand kilowatts . natomiast w dużych pojazdach szynowych – silniki o Despite the relatively small part of combustion mocy rzędu nawet kilku tysięcy kilowatów. traction vehicles in the total emission of harmful Mimo stosunkowo małego udziału spalino- substances from the means of transport, the next goals wych pojazdów trakcyjnych w całkowitej emisji sub- allowing to limit their environmental nuisance are stancji szkodliwych ze środków transportu, wyznacza- determined. In the nearest years it is to be introduced ne są kolejne cele pozwalające na ograniczenie ich so-called stage V (Stage V), allowing for very small uciążliwości środowiskowej. W najbliższych latach quantity of toxic substances in the exhaust gas. wprowadzony ma zostać tzw. etap V (Stage V), do- Moreover, to 2020 year the European carriers should puszczający bardzo małą zawartość substancji tok- reduce energy consumption and the average emission sycznych of carbon dioxide by approximately 30% in w spalinach. Ponadto do roku 2020 przewoźnicy euro- comparison to 1990 (by measuring it in relation to pejscy powinni zmniejszyć zużycie energii i średniej passenger- or ton-kilometer) [2]. In the next decade the emisji dwutlenku węgla o około 30% w porównaniu CO2 emission should be reduced by 50% in do roku 1990 (mierząc ją w odniesieniu do pasażero- comparison to 1990 (Fig. 1). lub tonokilometra) [2]. W kolejnym dziesięcioleciu emisja CO2 powinna być ograniczona o 50% w po- równaniu do roku 1990 (rys. 1).

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 11 2 MODERNIZACJA LUB WYMIANA SILNI- KÓW SPALINOWYCH Specyfika dokonywanych zmian taboru spalinowego w warunkach polskich wymaga nie tylko określania zgodności poziomu emisji zanieczyszczeń z silników z normami, ale jednocześnie oceny stopnia jej ograniczania. W poruszonych aspektach należy zazna- Rys. 1 – Propozycje ograniczenia zużycia energii oraz emisji czyć, że stan techniczny krajowych spalinowych po- dwutlenku węgla ze źródeł kolejowych w Europie [2] jazdów szynowych wymusza konieczność ich ciągłego Fig. 1 – Proposals of energy consumption limitation and carbon monitorowania. W toku użytkowania tych pojazdów dioxide emission from the railway sources in Europe [2] może bowiem dojść do zwiększenia emisji toksycznych zanieczyszczeń w spalinach, w wyniku m.in. 2 MODERNIZATION OR REPLACEMENT OF zużycia, niewłaściwej regulacji lub uszkodzenia silni- COMBUSTION ENGINES ka [4, 10]. Ponadto część przewoźników kolejowych The specificity of carrying out the changes of operujących na krajowych szlakach komunikacyjnych, diesel rolling stock in Polish conditions requires not w tym tzw. operatorzy prywatni, na przestrzeni ostat- only compliance determination of level of pollutant nich lat sprowadzili do Polski spalinowe pojazdy szy- emissions from the engines with the standards, but at nowe, których silniki nie spełniają wymagań norma- the same time the assessment of its limitation degree. tywnych w zakresie toksyczności spalin. In the raised aspects it should be noted that this Wobec powyższego zachodzi konieczność technical condition of the national diesel rail vehicles modernizacji technicznej przedmiotowych pojazdów enforces the necessity of their continuous monitoring. szynowych oraz przystosowania ich w zakresie bez- During use of these vehicles the increase of toxic pieczeństwa ruchu po torach (tzw. polonizacja), pollutants in the fumes may occur as a result of among zwłaszcza pojazdów ciężkich wykorzystywanych w other wear, wrong regulation or damage of engine [4, przewozach towarowych. Modernizacja krajowego 10]. Moreover, part of railway carriers operating on taboru spalinowego polega głównie na zastępowaniu the national transport routes, including the so-called wyeksploatowanych tłokowych silników spalinowych private operators, imported to Poland the diesel rail jednostkami nowszymi (nie zawsze nowymi), podda- traction in recent years, whose engines do not meet the waniu ich naprawie głównej (rys. 2) lub remotoryzacji standard requirements in the range of exhaust gas [3]. Naprawa lub wymiana silnika spalinowego wiąże toxicity. się zarówno z korzyściami ekologicznymi, jak i eko- Due to above there is necessity of technical nomicznymi (mniejsze zużycie paliwa). modernization of the subject rail vehicles and their adaptation in the range of traffic safety along the tracks (so-called Polonization), especially heavy vehicles used in the freight transport. The modernization of diesel national rolling stock mainly consists in replacement of the worn out piston combustion engines with the newer ones (not always new), subjecting them to main repair (Fig. 2) or remotorization [3]. Repair or replacement of the combustion engine is connected with both ecological and economic benefits (lower fuel consumption). For example, the engine 2-5D49 of diesel locomotive BR232 (after main repair) in the aspect of level of toxic substances emission contains in limits of Rys. 2 – Silnik 2-5D49 lokomotywy BR232 z 1976 r. poddany unit emission of CO, HC and NO of standard ORE naprawie głównej x B13 (valid to 1981.). With reference to NO emission Fig. 2 – Engine 2-5D49 of locomotive BR232 from 1976. x subjected to main repair it was obtained the value by about 35% smaller than the value of limit, but the unit emission of CO and HC Przykładowo, silnik 2-5D49 lokomotywy spa- is by about 75 and 65% less than the values of limits linowej BR232 (po naprawie głównej) w aspekcie established in standard ORE B13 (Fig. 3). Moreover, poziomu emisji składników toksycznych bardzo do- with reference to carbon monoxide as a result of main brze wpisuje się w limity emisji jednostkowej CO, HC repair its unit emission was reduced so as to meet even i NOx normy ORE B13 (obowiązującej do 1981 r.). W the newer and restrictive standard UIC. The above odniesieniu do emisji NOx uzyskano wartość o około mentioned values indicating the significant 35% mniejszą od wartości limitu, natomiast emisja improvement of ecological indicators of modernized jednostkowa CO i HC jest aż o około 75 i 65% mniej- engine were obtained during measurements carrying sza od wartości limitów ustanowionych w normie out according to ISO test 8178-F on the water resistor.

12 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 ORE B13 (rys. 3). Ponadto w odniesieniu do tlenku węgla w wyniku naprawy głównej zmniejszono jego emisję jednostkową tak, by spełnić nawet nowsze i restrykcyjne normy UIC. Wyżej wymienione wartości, wskazujące na znaczącą poprawę wskaźników ekologicznych zmodernizowanego silnika, uzyskano podczas pomiarów prowadzonych według testu ISO 8178- F na oporniku wodnym.

3 HYBRYDYZACJA UKŁADÓW NAPĘDO- WYCH W ostatnich latach, w kwestii budowy i mo- Rys. 3 – Emisja jednostkowa toksycznych składników spalin lo- dernizacji spalinowych pojazdów szynowych, zaob- komotywy BR232 serwować można nasilone działania związane z ogra- Fig. 3 – Unit emission of exhaust gas toxic substances of niczaniem ich szkodliwego oddziaływania na środowi- locomotive BR232 sko naturalne oraz zmniejszeniem jednostkowego zu- życia energii w celu wykonywania założonych zadań 3 HYBRIDIZATION OF DRIVE SYSTEMS przewozowych i trakcyjnych. Duże nadzieje w tych In recent years, on the question of construction aspektach wiąże się między innymi z szerokim upo- and modernization of diesel rail vehicles, it can be wszechnieniem pojazdów trakcyjnych z układem na- observed the increased activities related to limitation pędu hybrydowego. of their harmful impact on the natural environment and Dostępne na rynku transportowym układy na- reduction of the unit energy consumption in order to pędu hybrydowego można podzielić głównie ze perform the established transport and traction tasks. względu na dwa kryteria. Według kryterium udziału The high hopes in these aspects are connected among układów napędu elektrycznego w pojeździe wyróżnia other with a wide dissemination of traction vehicles się następujące typy: micro hybrid, mild hybrid oraz with the hybrid drive system. full hybrid. Kryterium konstrukcyjne układów napędu The available on the transport market hybrid hybrydowego pozwala na ich podział na trzy grupy; drive systems can be divided mainly due to two można tu wyróżnić układy: równoległy, szeregowy criteria. According to the criterion of participation of oraz mieszany [7]. W spalinowych pojazdach szyno- electric drive systems in the vehicle the following wych wprowadzenie układu napędu hybrydowego types are : micro hybrid, mild hybrid and full hybrid. rozpoczęto dość późno. Najczęściej układy te są sto- The constructional criterion of hybrid drive systems sowane w lokomotywach spalinowych poddawanych allows them to divide into three groups; the systems procesom modernizacyjnym lub procesom odnowy. W can be: parallel, series and mixed [7]. The introduction ostatnich latach rozpoczęto też budowę nowych pojaz- of hybrid drive system in the diesel rail vehicles was dów z takimi napędami, przeznaczonych głównie do started quite late. Most often these systems are used in prac manewrowych oraz prowadzenia lekkich pocią- the diesel locomotives subjected to modernization or gów osobowych i towarowych (lokomotywy manew- renewal processes. In recent years the construction of rowe i liniowe). new vehicles with such drives, primarily intended for W roku 2007 amerykańska firma General shunting works and leading the light passenger and Electric zbudowała pierwszą na świecie lokomotywę freight trains (shunting and line locomotives), has also towarową przetwarzającą energię uzyskaną podczas been started. hamowania na energię elektryczną (rys. 4a). Energia ta In 2007 the American company General Electric magazynowana jest w wysokowydajnych zasobnikach produced the world’s first freight locomotive energii processing the energy obtained during braking into the i wykorzystywana następnie na potrzeby własne jako electric energy (Fig. 4a). This energy is stored in the źródło energii dodatkowej. Opisywana lokomotywa o high-efficient containers and then it is used for its own nazwie 2010 GE Evolution Hybrid i masie około needs as the source of additional energy. The described 207 000 kg może zaoszczędzić w ciągu roku tyle ener- locomotive named 2010 GE Evolution Hybrid and gii, ile zużywa 160 gospodarstw domowych. Jej eks- with mass of 207 000 kg can save as much energy ploatacja zmniejsza ponadto emisję zanieczyszczeń w during a year as it is consumed by 160 households. Its spalinach oraz zużycie paliwa. operation also reduces the pollutant emissions in Duże doświadczenie w montażu układów na- exhaust gas and fuel pędu hybrydowego w towarowych lokomotywach A lot of experience in the assembly of hybrid spalinowych ma także firma Railpower Technologies drive system in the diesel freight locomotives has also Corp, która przekształciła kilkadziesiąt sztuk tego ro- the company Railpower Technologies Corp, which dzaju lokomotyw w pojazdy przeznaczone do prac converted several dozen of pieces of this type

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 13 a) b)

Rys. 4 – Spalinowa lokomotywa hybrydowa: a) 2010 GE Evolution Hybrid, b) GG20B [13, 14] Fig. 4 – Hybrid diesel locomotive: a) 2010 GE Evolution Hybrid, b) GG20B [13, 14] liniowych (rys. 4b). Idea układu napędu hybrydowego locomotives into vehicles intended to line works (Fig. tej firmy polega na tym, że zespół prądotwórczy zło- 4b). The idea of hybrid drive system of this company żony z silnika spalinowego i prądnicy synchronicznej lies in fact that the generating set, consisting of the wytwarza energię elektryczną, która następnie jest combustion engine and the synchronous generator, magazynowana w wysokowydajnych zasobnikach generates the electric energy, which is then stored in energii o określonej liczbie modułów w zależności od the high-efficiency containers of energy with the przeznaczenia lokomotywy). Energia wytwarzana i definite number of modules (depending on the magazynowana przeznaczona jest do zasilania silni- locomotive application). The generated and stored ków trakcyjnych przez przekształtnik. W zależności od energy is intended to supply the traction engines by the zapotrzebowania mocy, silniki te mogą być zasilane converter. Depending on the power demands these zarówno z prądnicy głównej, jak również z pakietu engines can be supplied both from the main generator akumulatorów [1, 8]. and also from the battery pack [1, 8]. 4 DOPOSAŻANIE POJAZDÓW W UKŁADY 4 RETROFITTING OF VEHICLES WITH OCZYSZCZANIA SPALIN SYSTEMS OF GAS EXHAUST TREATMENT Minimalizacja udziału substancji toksycznych Minimization of the toxic substances share in w emitowanych przez silniki spalinach, jest procesem the exhaust gases emitted by engines is the permanent stałym i wymaga nowoczesnych układów oczyszcza- process and requires the modern gas exhaust treatment nia spalin. Pożądane jest stosowanie coraz doskonal- systems. It is desirable to use more and more excellent szych oraz efektywniejszych konstrukcji, które zapew- and efficient constructions, which provide the high nią dużą skuteczność ograniczania zanieczyszczeń w effectiveness of limitation of pollutants in exhaust gazach wylotowych. Obecnie zmniejszenie emisji gasses. Now the reduction of harmful products szkodliwych produktów niezupełnego i niecałkowitego emission of incomplete and partial fuel combustion in spalania paliwa w tłokowych silnikach spalinowych the piston combustion engines can be achieved by może być osiągnięte przez realizację dwóch typów realization of two types undertakings [11, 12]. They przedsięwzięć [11, 12]. Można je określić jako tzw. can be described as the so-called intraengine and out of wewnątrzsilnikowe i pozasilnikowe. Pierwsze z nich engine. The first ones consists in introduction of the polegają na wprowadzeniu zmian konstrukcyjnych lub constructional or regulating changes in the subsets and regulacyjnych w podzespołach i układach silnika, po- systems of engines, which make exhaust gas leaving wodujących, że spaliny opuszczające cylindry the cyliders contain less the harmful substances. zawierają mniej substancji szkodliwych. W ramach Within the second undertakings the special exhaust gas drugich przedsięwzięć w układach wylotowych treatment systems are installed in the exhaust system, silników instaluje się specjalne systemy oczyszczania including the catalytic reactors trifunctional (TWC – spalin, w tym reaktory katalityczne: trójfunkcyjne Three Way Catalyst), oxidizing reactors (DOC – (TWC – Three Way Catalyst), reaktory utleniające Diesel Oxidation Catalyst) and systems of selective (DOC – Diesel Oxidation Catalyst) oraz układy catalytic reduction (SCR – Selective Catalytic selektywnej redukcji katalitycznej (SCR – Selective Reduction). Catalytic Reduction). The modern technologies within the out of Nowoczesne technologie w zakresie pozasilni- engine methods of gas exhaust treatment are used not kowych sposobów oczyszczania spalin są wykorzy- only in the new produced vehicles, but also in those stywane nie tylko w nowo produkowanych pojazdach, already in use. This takes place at so-called lecz także w tych już użytkowanych. Ma to miejsce retrofitting, that is assembly of the high-tech exhaust przy tzw. retrofittingu, czyli montażu w układach wy- gas treatment systems in the exhaust systems (Fig. 5). lotowych zaawansowanych technicznie układów This results as among other fulfillment of the newer oczyszczania spalin (rys. 5). Skutkuje to m.in. spełnia- standard of pollutant emission in exhaust gas by the niem nowszej normy emisji zanieczyszczeń w spali- vehicles equipped with such systems. The subject

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 14 Rys. 6 – Towarowa lokomotywa spalinowa wyposażona w układ oczyszczania spalin redukujący emisję tlenków azotu [6] Fig. 6 – Freight diesel locomotive equipped with an exhaust gas treatment system reducing emission of nitrogen oxides [6]

modernization activities are appropriate and profitable Rys. 5 – Układ oczyszczania spalin złożony z dziewięciu for both the heavy-duty road vehicles (e.g. lorries, reaktorów utleniających i filtrów cząstek stałych przed montażem buses and coaches), and also for the heavy rail w lokomotywie [5] vehicles of diesel traction, which emit individually a Fig. 5 – The exhaust gas treatment consisted of nine oxidizing reactors and particulates filters before assembly in the locomotive lot of carbon monoxide, hydrocarbons, nitrogen oxides [5] and particulates. nach przez pojazdy wyposażone w takie układy. The applied BATS system (Blended Przedmiotowe działania modernizacyjne są zasadne i Aftertreatment System – an integrated exhaust gas opłacalne zarówno w przypadku ciężkich pojazdów treatment system emitted by combustion engines, drogowych (np. samochodów ciężarowych, autobusów intended for railway applications) by the American i autokarów), jak również w przypadku ciężkich po- company Rail Propulsion Systems is the example of jazdów szynowych trakcji spalinowej, które emitują activities in the range of retrofitting. The key issue in jednostkowo dużo tlenku węgla, węglowodorów, tlen- the realization of above mentioned company concept is ków azotu i cząstek stałych. combination of exhaust gas system come from the Przykładem działań w zakresie retrofittingu additional generator (Head-End Power Engine – HEP jest zastosowanie systemu BATS (Blended Aftertreat- Engine) with the outlet system of the locomotive main ment System – zintegrowany system oczyszczania engine in order to make the delivery easier and mix spalin, emitowanych przez silniki spalinowe, przezna- the appropriate amount of an urea aqueous solution– czony do zastosowań kolejowych) przez amerykańską AdBlue liquid– to optimize the reduction of NOx firmę Rail Propulsion Systems. Kluczowym zagadnie- emission from both engines (Fig. 6). The selective niem w realizacji koncepcji ww. firmy jest połączenie catalytic reduction system (SCR) consists of among układu wylotu spalin pochodzących z dodatkowego others the tank (Fig. 7) and the injector of urea solution generatora (Head-End Power Engine – HEP Engine), into the exhaust duct of generator and the control z układem wylotowym głównego silnika lokomotywy system. This latter monitors and provides regular doses w celu ułatwienia dostarczania i wymieszania odpo- of supplied urea as the load function of combustion wiedniej ilości wodnego roztworu mocznika – płynu sources of locomotive power. Application of the main engine (that meets the American emission standard AdBlue – dla optymalizacji redukcji emisji NOx z obu silników (rys. 6). System selektywnej redukcji katali- Tier 0) in connection with generator HEP (that meets tycznej (SCR) składa się m.in. ze zbiornika (rys. 7) i the emission standard Tier 3) and with using the wtryskiwacza roztworu mocznikowego do kanału wy- integrated exhaust gas treatment system BATS allow lotowego generatora oraz z systemu sterowania. Ten to achieve the NOx unit emission by the drive system ostatni monitoruje i dozuje ilość dostarczanego mocz- on the level of standard Tier 4 [6] . nika jako funkcję obciążenia spalinowych źródeł zasilania lokomotywy. Wykorzystanie silnika głównego (spełniającego amerykańską normę emisji Tier 0) w połączeniu z generatorem HEP (spełniającym normę emisji Tier 3) oraz przy zastosowaniu zintegrowanego układu oczyszczania spalin BATS, pozwala na osią- gnięcie przez układ napędowy emisji jednostkowej NOx na poziomie normy Tier 4 [6]. Rys. 7 – Zamontowany na lokomotywie zbiornik z wodnym roztworem mocznika [5] Fig. 7 – Mounted on the locomotive tank with an aqueous solution of urea [5]

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 15 Inne prace badawcze [9] również świadczą o Other research works [9] also show the korzyściach, jakie można uzyskać przy zastosowaniu benefits that can be achieved by using the modern nowoczesnych układów oczyszczania spalin w pojaz- exhaust gas treatment systems in the rail vehicles Five dach szynowych Pięć zmodernizowanych spalinowych modernized diesel freight locomotive Progress Rail lokomotyw towarowych Progress Rail typu PR30C o type PR30C with power of 2240 kW (Fig. 8), meeting mocy 2240 kW (rys. 8), spełniających normę Tier 2, the standard Tier 2, were equipped with oxidizing wyposażono w utleniające reaktory katalityczne DOC catalytic reactors DOC and the selective catalytic oraz technologię selektywnej redukcji katalitycznej. reduction technology. Such locomotive were subjected Lokomotywy takie poddano badaniom w typowych to tests in the typical operating conditions (total of warunkach eksploatacji (sumarycznie ponad 27000 h more than 27000 hours of work). For two selected pracy). Dla dwóch wybranych lokomotyw przeprowa- locomotives the measurements of changes in emission dzono pomiary zmiany emisji tlenku węgla, węglowo- of carbon monoxide, hydrocarbons, nitrogen oxides dorów, tlenków azotu i cząstek stałych. and particulates were carried out. W przypadku toksycznych substancji gazo- In case of toxic substances in the exhaust gas – wych w spalinach – CO, HC, NOx – uzyskano zmniej- CO, HC, NOx – reduction of unit emission was szenie emisji jednostkowej o odpowiednio: 90, 90 i achieved respectively: 90, 90 and 80%. However, with 80%. Natomiast w odniesieniu do emisji cząstek sta- regard to emission of particulates the reduction of 40– łych uzyskano zmniejszenie na poziomie 40–60% [9]. 60% [9] was obtained. The software controlling this Oprogramowanie sterujące tym systemem – w ukła- system – in a closed system – controlled successfully dzie zamkniętym – z powodzeniem kontrolowało pod- while running on the selected sections of testing the czas jazdy na wybranych odcinkach testowych emisję emission of nitrogen oxides with minimum excess of tlenków azotu, przy minimalnym nadmiarze dostar- provided ammonia. czanego amoniaku.

Rys. 8 – Zmodernizowana lokomotywa PR30C wyposażona w układ selektywnej redukcji katalitycznej [5] Fig. 8 – Modernized locomotive PR30C equipped with the selective catalytic reduction system [5]

5 ZAKOŃCZENIE 5 CONCLUSION Prace w zakresie transportu masowego (samo- The carried out in recent years works in the chodowego i kolejowego) prowadzone w ostatnich range of mass transport (road and railway) pay the latach zwracają szczególną uwagę na ograniczenie special attention to limitation of its harmful effect on jego szkodliwego oddziaływania na środowisko natu- the human natural environment – emission of toxic ralne człowieka – emisję toksycznych zanieczyszczeń pollutants in the exhaust gas. Taking into consideration w spalinach. Biorąc pod uwagę wysokie ceny paliw the high prices of fuels used as an energy source in the wykorzystywanych jako źródło energii w drogowych road usable and diesel traction it should be absolutely pojazdach użytkowych i spalinowych pojazdach trak- to strive to reduce their consumption, and thus to cyjnych, należy zdecydowanie dążyć do zmniejszenia increase the efficiency of transport both in passenger ich zużycia, a tym samym zwiększenia efektywności and freight traffic. Full modernization of still used przewozów, zarówno w ruchu pasażerskim, jak i towa- freight locomotives is one of solutions aimed at rowym. Jednym z rozwiązań, mających na celu wydłu- extending the courses, reducing the energy żenie przebiegów, zmniejszenie energochłonności consumption of vehicle and emission of toxic ruchu pojazdów oraz emisji toksycznych zanieczysz- pollutants. Despite the high initial costs of introducing czeń z układów wylotowych silników, jest pełna mo- the new systems the incurred financial outlays will be dernizacja użytkowanych dotychczas lokomotyw to- quickly paid back. warowych. Mimo wysokich początkowych kosztów High hopes in improving the economy and wprowadzania nowych systemów, poniesione nakłady ecology of using the rail vehicles are also involved finansowe szybko się zwrócą. wide dissemination of traction vehicles with hybrid

16 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 Duże nadzieje w kwestii poprawy ekonomiki i drive system. For the vehicles of diesel traction the ekologii użytkowania pojazdów szynowych wiąże się works involving the introduction to use this type of ponadto z szerokim upowszechnieniem pojazdów drive systems are currently in the initial stage of trakcyjnych z układem napędu hybrydowego. W realization and developed mainly in the high przypadku pojazdów trakcji spalinowej prace związane industrialized countries. The progressing in the world z wprowadzeniem do użytkowania tego rodzaju development of works on the hybrid drive systems układów napędowych są obecnie w początkowym should lead to realization of similar activities in stadium realizacji i rozwijane głównie w krajach Poland. wysokouprzemysłowionych. Postępujący na świecie In the range of set of measures making the rozwój prac nad układami napędu hybrydowego increase of efficiency in the railway freight transport powinien skłaniać do realizacji podobnych działań possible there is also the modern rolling stock The new także w Polsce. vehicles landed from the production lines in the W zakresie zbioru środków umożliwiających transport companies are able to provide not only high zwiększenie efektywności w kolejowych przewozach level of this efficiency, but also ecological one and the ładunków mieści się także nowoczesny tabor. Nowe safety of performed transports. This involves, for pojazdy trafiające z linii produkcyjnych do firm example with using in such type of mass transportation transportowych są w stanie zapewnić nie tylko duży means, the modern and efficient exhaust gas treatment poziom tej efektywności, lecz również ekologii i systems, which was the essence of this article. bezpieczeństwa wykonywanych przewozów. Wiąże się to na przykład ze stosowaniem w tego rodzaju środkach transportu masowego nowoczesnych i wydajnych układów oczyszczania spalin, co było istotą niniejszego artykułu.

BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAPHY

[1] Ekologiczna moc hybrydy. Materiał reklamowy firmy Railpower Technologies Corp. [2] Kettner J., Moving Towards Sustainable Mobility a Strategy for 2030 and Beyond for the European Railway Sector. 12 UIC Sustainability Conference, Venice 2012. [3] 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, nr 3, 2011, s. 43-48. [4] Marciniak Z., Stawecki W., Pielecha I., Pielecha J., Ekologiczne aspekty spalinowych pojazdów szynowych eksploatowanych na krajowych liniach kolejowych. Logistyka, nr 4, 2010. [5] Materiały firmy Progress Rail Services: www.progressrail.com. [6] Materiały firmy Rail Propulsion Systems: www.railpropulsion.com. [7] Merkisz J., Pielecha I., Alternatywne napędy pojazdów. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2006. [8] Multi Gensets Locomotives for Canadian Railways. Rail – Government Interface, 2007 (prezen- tacja firmy svensk tagtechnik AB (Szwecja). [9] Park P.W., Downey M., Youngren D., Bruestle C.: Advanced Aftertreatment System Development for a Locomotive Application, ASME 2012 Internal Combustion Engine Division Fall Technical Con- ference ICEF2012, September 23-26, 2012, Vancouver, Canada. [10] 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, nr 1, 2009, s. 34-43. [11] Postrzednik S., Żmudka Z., Termodynamiczne oraz ekologiczne uwarunkowania eksploatacji tło- kowych silników spalinowych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007. [12] Rokosch U., Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne samochodów. Wy- dawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2007. [13] http://railworksamerica.com/ (dostęp z dnia 13.04.2015). [14] http://www.up.com/ (dostęp z dnia 13.04.2015).

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 17 mgr inż. Jarosław Czerwiński mgr inż. Piotr Dobrowolski mgr inż. Wojciech Jakuszko mgr inż. Piotr Michalak Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”

Możliwości zmiany istotnych dla środowiska parametrów eksploatacyjnych spalinowych lokomotyw 6-osiowych przez modernizację zespołów

Wykorzystywane do prowadzenia pociągów towarowych oraz ciężkich prac manewrowych sześcioosiowe lokomotywy są przestarzałe technicznie i niekorzystnie wpływają na środowisko. W artykule przedstawiono nowe i zmodernizowane ukła- dy, systemy i zespoły, które zostaną zastosowane w platformie zmodernizowanych lokomotyw. Na przykładzie wybranego typu loko-motywy, przedstawiono różnice pomiędzy eksploatowanym taborem a zmodernizowanym, w odniesieniu do oddzia- ływania na środowisko i spełnienie wymagań Unii Europejskiej. Przed-stawiono również koncepcję zabudowy nowych urządzeń i zespołów w modułowej konstrukcji nadwozia. Artykuł powstał w ramach realizowanego projektu Programu Badań Stosowa- nych 3 nr PBS3/B6/33/2015 pt.: „Platforma zmodernizowanych spalinowych lokomotyw 6-osiowych spełniających wymagania Unii Europejskiej z wykorzystaniem lokomotyw eksploatowanych w kraju” wykonywanego przez Instytut Pojaz- dów Szynowych ‘TABOR” w Poznaniu i Pojazdy Szynowe „PESA” Bydgoszcz S.A.

1. Wstęp Wymagania jakie są obecnie stawiane nowym spa- − zmniejszenie szkodliwego oddziaływania na linowym lokomotywom, wymuszają na przewoźni- środowisko naturalne: kach dostosowanie również modernizowanego taboru a) zmniejszenie emisji do atmosfery (głównie modernizacji polegającej na wymianie agre- składników toksycznych spalin takich gatów prądotwórczych) do obowiązujących kryteriów. jak CO, HC, NOx Wiąże się to przede wszystkim z ograniczeniem b) zmniejszenie emisji cząstek stałych szkodliwego oddziaływania na środowisko naturalne c) zmniejszenie wydzielania CO2 do przestarzałych silników spalinowych oraz pośrednio atmosfery ze zmniejszeniem jednostkowego zużycia paliwa. d) ograniczenie emisji hałasu wewnętrz- Na chwilę obecną park maszynowy lokomotyw 6- nego i zewnętrznego osiowych w Polsce jest przestarzały. Wielu użytkow- e) ograniczenie pola magnetycznego w ników częściej skłania się w kierunku realizacji pro- kabinach sterowniczych. cesu modernizacji lokomotyw będących Modernizacja lokomotywy spalinowej wiąże się w eksploatacji, niż decyduje na zakup nowych loko- również z [4]: motyw spalinowych z uwagi na wyższe koszty. − zastosowaniem nowoczesnych i trwałych Podstawą rozpoczęcia procesu modernizacji loko- aparatów, urządzeń i elementów o motywy spalinowej jest osiągnięcie parametrów do- wydłużonym czasie eksploatacji’ równujących nowym lokomotywom znajdującym się − zwiększeniem przebiegów eksploatacyjnych obecnie w ofercie czołowych producentów taboru tj. pomiędzy przeglądami [3]: − poprawą komfortu obsługi i bezpieczeństwa w − zachowanie równowagi pomiędzy poziomem kabinach technicznym lokomotywy modernizowanej − poprawą widoczności sygnałów ze stanowiska a nowej sterowniczego. − spełnienie wymagań w zakresie komfortu ob- Do znanych serii (typów) lokomotyw spalinowych sługi lokomotyw przez maszynistów jak 6-osiowych wykorzystywanych przez operatorów i obsługi serwisowej kolejowych zaliczyć należy: − zmniejszenie zużycia oleju napędowego i − lokomotywy serii SM31 środków smarnych − lokomotywy serii SM48 (TEM2) − lokomotywy serii ST43

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 18 − lokomotywy serii ST44 2. Nowe i zmodernizowane układy, systemy i − lokomotywy serii SP45. zespoły platformy lokomotyw Przeprowadzona analiza efektywności moderniza- Platforma lokomotyw sześcioosiowych na bazie cji wszystkich spalinowych lokomotyw 6-osiowych lokomotywy TEM2/SM48 obejmować będzie cztery wymienionych powyżej w oparciu o analizy cyklu podstawowe kombinacje lokomotyw. Będą to dwie trwałości LCC wykazała, że pełna efektywność eko- lokomotywy o mocy 1800 kW i 1500 kW występują- nomiczna i techniczna zostanie osiągnięta w przypad- ce w wersji normalnotorowej i szerokotorowej. ku jednoczesnej modernizacji platformy lokomotyw Wstępną koncepcję rozmieszczenia urządzeń w obejmujących lokomotywę liniową serii ST44 (typu lokomotywie 19D przedstawiono na rys. 1. M62) i lokomotywę manewrową serii SM48 (typu Projekt modernizacji lokomotywy zakłada: TEM2). Stanowią one najliczniejszą grupę w eksplo- − pozostawienie bez znaczących zmian ostoi lo- atacji a ponadto zostały zabudowane na jednym pod- komotywy, która poddana zostanie naprawie woziu obejmującym zarówno ostoję jak i układy bie- głównej i modyfikacjom pozwalającym na gowe (wózki). Przy tym zakładamy, że modernizacja zabudowę nowego układu nadwozia dotyczyć będzie wszystkich najważniejszych węzłów − zmianę układu dźwigniowego hamulca na i układów. wózku w celu poprawienia skuteczności ha- Obecnie Instytut Pojazdów Szynowych TABOR mowania oraz zabudowę hamulca sprężyno- oraz PESA realizują wspólnie projekt modernizacji wego platformy lokomotyw spalinowych. Po procesie mo- − wymianę nadwozia lokomotywy na zupełnie dernizacji lokomotywy będą eksploatowane z ozna- nowe o budowie modułowej czeniem typu 19D. Wdrożenie projektu odbywa się na − wymianę zespołu prądotwórczego bazie lokomotywy SM48/TEM2. − zabudowę nowoczesnych układów pomocni- Lokomotywa SM48 (przemysłowe oznaczenie czych (sprężarki, wentylatorów silników trak- TEM2) jest jednokabinową lokomotywą o mocy 880 cyjnych, układu chłodzenia) napędzanych sil- kW z przekładnią elektryczną, przeznaczoną do ob- nikami prądu przemiennego i hydrostatycz- sługi wschodnich rejonów przygranicznych w pracach nymi przeładunkowych, ciężkich pracach manewrowych, a − zabudowę nowoczesnego systemu sterowania także (po zabudowie polskich systemów bezpieczeń- mikroprocesorowego lokomotywy z układem stwa) również do prowadzenia liniowych pociągów rozproszonych sterowników. towarowych. Lokomotywy były przygotowane do prac na torach o szerokości 1435 mm lub 1520 mm i były sprowa- dzane do Polski z byłego ZSRR od 1974 r. zarówno na potrzeby PKP jak i potrzeby kolei przemysłowych. Ogółem zakupiono 130 lokomotyw do PKP (na tor normalny i szeroki) oraz około 300 lokomotyw dla kopalni, hut, zakładów górniczych i przedsiębiorstw transportu kolejowego. 2

1 4 6 3

Rys. 1. Koncepcja rozmieszczenia urządzeń w lokomotywie 19D

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 19

8 9 1 – Zespół prądotwórczy 2 – Tłumik wylotu spalin filtrem cząstek stałych

3 – Zespół chłodnic 4 – Wentylator silników trakcyjnych 5 – Sprężarka z układem uzdatniania powietrza 6 – Zespół podgrzewczy WEBASTO

7 – Szafa NN 8 – Szafa SN 9 – Szafa przetwornic 7 10 – Tablica pneumatyczna 4

Rys. 1. Koncepcja rozmieszczenia urządzeń w lokomotywie 19D 10

3. Główne parametry techniczne lokomotywy 19D (SM48) przed i po modernizacji. Tabela 1 Jedno- Wartości parametru lub wielkości Nazwa parametru lub wielkości stka przed modernizacją po modernizacji Oznaczenie lokomotywy - SM48 (TEM2) 19D (SM48) Szerokość toru Mm 1435 Rodzaj pracy - manewrowa manewrowo-liniowa Układ osi - Co-Co Nacisk osi na szynę - 19,3 + 3 % Prędkość max. km/h 100 Moc lokomotywy kW 820 1800/1500 Rodzaj silnika wysokoprężnego - pionowy, cztero-suwowy, z wysokoprężny doładowa-niem turbosprężarką 12 cylindrowy, i między stopniowym w układzie V-90 chłodzeniem powietrza z elektronicznym doładowania typu PD1M systemem wtrysku paliwa z trzema turbosprężarkami, typu 12V4000 System sterowania - oporowy elektroniczny mikroprocesorowy

Platforma zmodernizowanych lokomotyw typu − mikroprocesorowym układem sterowania i 19D będzie się charakteryzować następującymi roz- diagnostyki napędem i całą lokomotywą wiązaniami: − nowoczesną kabiną sterowniczą z niezależ- − nowoczesnymi silnikami spalinowymi speł- nymi układami pulpit-fotel, z nową izolacją niającymi wymagania etapu IIIB (zgodnie akustyczną i termiczną oraz wyłożeniami, z wymogami Dyrektywy 2004/26/WE Parla- wyposażoną w klimatyzator (lub schładzacz) mentu Europejskiego w zakresie ograniczenia oraz innymi urządzeniami poprawiającymi emisji zanieczyszczeń gazowych i cząstek sta- komfort obsługi łych do atmosfery − zmodernizowanymi wózkami trakcyjnymi w − nowoczesnym zespołem prądnic synchronicz- zakresie prowadzenia zestawów kołowych nych (główna, pomocnicza) poprawiających oddziaływanie na tor, popra- − układem elektrycznym spełniającym wyma- wioną szczelnością przekładni głównej, gania w zakresie zakłóceń i hałasu zwiększoną trwałością obręczy (w wyniku − napędami o zwiększonej mocy pozwalającymi wprowadzenia systemów smarowania obrzeży na zwiększenie możliwości przywozowych kół) oraz polepszoną trwałością silników oraz napędami pomocniczymi z wykorzysta- trakcyjnych (zmiana izolacji) niem silników prądu zmiennego i silników hydraulicznych [6]

20 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 − nowoczesnymi systemami wykrywania, sy- 4. Główne modyfikacje znacząco ograniczające gnalizacji i gaszenia ewentualnego pożaru negatywny wpływ lokomotywy 19D na środo- przedziałów maszynowych. wisko naturalne Widok lokomotywy przed modernizacją przedsta- Zmodernizowane lokomotywy będą charaktery- wiono na rys. 2. Przewidywany wygląd po moderni- zowały się zmniejszonym negatywnym wpływem na zacji przedstawiono na rys. 3. środowisko dzięki wprowadzeniu następujących zmian: • zastosowanie nowego agregatu prądotwórcze- go z silnikiem MTU o mocy 1500 lub 1800 kW spełniającego wymagania Dyrektyw Unii Europejskiej w zakresie minimalnego oddzia- ływania na środowisko naturalne (zmniejszenie emisji substancji szkodliwych takich jak CO, HC, NOx oraz gazów cieplarnianych) [1], zmniejszenie zużycia paliw i środków smarnych oraz wydłużenie przebiegów między- przeglądowych i międzynaprawczych.

Widok ogólny agregatu prądotwórczego przedsta- wiamy na rys. 4. Przykładowy wykres emisji spalin dla silnika spalinowego typu PD1M 820 kW zabudowanego w lokomotywie podlegającej modernizacji tj. SM48 (TEM2) przedstawiono na rys. 5. Jak widać dotychczasowy silnik spalinowy typu PD1M lokomotywy podlegającej modernizacji SM48 (TEM2) spełnia wyłącznie limity emisji spalin substancji szkodliwych do atmosfery określonych w normie ORE B13.

Rys. 2. Widok lokomotywy SM48 (TEM2) przed modernizacją

Rys. 3. Widok lokomotywy 19D serii SM48 po modernizacji

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 21

1 2 stycznej w sposób umożliwiający łatwy dostęp

do urządzeń. Często w takich przypadkach niemożliwy jest remont wentylatorów bez cał-

kowi-tego demontażu obudowy.

Rozwiązaniem zapewniającym wówczas ograniczenie hałasu emitowanego przez korpus

wentylatorów przy jednoczesnym zapewnieniu

łatwego i szybkiego dostępu jest zamonto- wanie izolacji akustycznej bezpośrednio na

korpusie.

Izolacje mogą być montowane na stałe do korpusu lub w postaci demontowalnych paneli.

Właściwy dobór materiału akustycznego uwzględniający widmo akustyczne emitowane- Rys. 4. Widok ogólny agregatu prądotwórczego go hałasu, pozwala osiągnąć dużą skuteczność 1 – silnik MTU; 2 – zespół prądotwórczy przy niskich nakładach finansowych. Widok proponowanych wentylatorów przedstawiono na rys. 5.

a) b)

Rys. 5. Przykładowa emisja spalin dla silnika spalinowego lokomotywy SM48 (TEM2)

• zastosowanie układu chłodzenia z 2 wentylato- Rys. 7. Wentylator silników trakcyjnych rami firmy MAHLE Industry a) bez izolacji; b) z izolacją Zastosowanie układu przewietrzeniu bloków chło- • zastosowanie wibraizolatorów przy zabudowie dzących dwoma wentylatorami będzie miało pozy- poszczególnych urządzeń, układów tywny wpływ na ograniczenie hałasu. Widok ogólny na układ chłodzenia przedstawiono na rys. 6. Stosowanie wibroizolatorów do urządzeń, maszyn, przyczynia się zmniejszeniu hałasu i drgań przenoszonych z urządzeń do otoczenia. Skuteczność wykorzystania zależy od trafności wyboru odpowiednich wibroizolatorów. Wibroizolatory mogą pracować zarówno na ściskanie jak i rozciąganie. Przez właściwości sprężysto-tłumiące stanowią izolację dźwięko- wą i zmniejszają przenoszoną na podłoże am- pli-tudę obciążenia dynamicznego. Na modernizowanej lokomotywie 19D (SM48) przewidziano zastosowanie wibroizolatorów głównie przy posadowieniu zespołu prądo- twórczego, i w układzie posadowienia modułu kabiny maszynisty. Rys. 6. Układ chłodzenia firmy MAHLE Industry z dwoma Z uwagi na drgania występujące na lokomoty- wentylatorami wie, planuje się zastosowanie wibroizolatorów również przy innych urządzeniach pomocni- • zastosowanie wentylatorów wentylacji silni- czych np. przy zabudowie urządzeń elektrycz- ków trakcyjnych z dodatkową izolacją aku- nych. styczną. W warunkach zwartej zabudowy urządzeń i instalacji z udziałem wentylatorów niejednokrot- nie brak miejsca na zabudowę obudowy aku-

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 22 5. Podsumowanie [4] Marciniak Z: Doposażenie, remotoryzacja oraz Platforma lokomotywy 19D (SM48 po moderniza- modernizacja liniowych i manewrowych lokomotyw cji) będzie cechować się parametrami bardziej przyja- spalinowych w Pesa Bydgoszcz S.A., Technika znymi dla środowiska. Pojazdy będą posiadały znacz- Transportu Szynowego, 2009 nr 4÷5. nie obniżoną emisję CO do atmosfery dzięki zasto- [5] Marciniak Z.: Polonizacja, remotoryzacja i 2 modernizacja lokomotyw spalinowych sowaniu nowoczesnych silników spełniających wyeksploatowanych w kraju. Pojazdy Szynowe, 2010, magania poziomu IIIB a także obniżeniem emisji nr 1. substancji szkodliwych zawartych w spalinach (takich [6] Marciniak Z.: Nowe rozwiązania i układy w jak CO, HC, NOx i cząstki stałe PH). Nastąpi redukcja zmodernizowanej lokomotywie spalinowej typu hałasu wewnętrznego i zewnętrznego oraz drgań. 301Dd serii ST45 do ruchu towarowego. Materiały Zastosowane nowoczesne układy energoelektryczne XIX Konferencji Naukowej Pojazdy Szynowe, zapewnią poprawną kompatybilność elektromagne- Targanice k/Andrychowa, 2010. tyczną. [7] Marciniak Z.: Projekty modernizacyjne spalinowych lokomotyw liniowych i manewrowych wykonanych w Instytucie Pojazdów Szynowych, Logistyka, 2010 Literatura nr 4. [8] Marciniak Z.: Zmodernizowane w ostatnich latach [1] Marciniak Z., Pielecha I.: Wymagania w zakresie lokomotywy elektryczne i spalinowe w Polsce. ograniczenia emisji toksyczności składników spalin Technika Transportu Szynowego, 2011 nr 4. przez spalinowe pojazdy trakcyjne. TTS 11-12/2006. [2] Marciniak Z.: Modernizacja lokomotywy spalinowej typu M62 w oparciu o silnik 12CzN26/26 – konstrukcja i wyniki badań. Technika Transportu Szynowego, 2007 nr 1 i 2. [3] Marciniak Z.: Modernizacja lokomotyw spalinowych – stan obecny i zamierzenia. Materiały XVIII Konfe- rencji Naukowej „Pojazdy Szynowe”, Katowice – Ustroń, 2008.

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 23 dr inż. Marek Sobaś, prof. IPS Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”

Rozwój układów biegowych pojazdów szynowych, związanych z opłatami za użytkowanie infrastruktury kolejowej

W artykule przedstawiono nowoczesne podejście do problemów rozwoju taboru szynowego, zwłaszcza układów biegowych w obecnej sytuacji na rynku przewozowym, gdzie infrastruktura kolejowa została wyodrębniona ze struktury organizacyjnej po- szczególnych kolei i stanowi pod względem organizacyjnym i ekonomicznym nieza- leżną instytucję.

1.Wstęp

Dzięki wdrożeniu nowej Dyrektywy Europej- Aby pogodzić dwie przeciwstawne tendencje, logiczną skiej EG 2001/14 zasadniczo zmienił się rynek kole- konsekwencją jest rozwój pojazdów szynowych, a jowy w przeciągu ostatnich dziesięciu lat. Dzięki no- zwłaszcza ich układów biegowych, które powodują w wemu przepisowi umożliwiono przewoźnikom rów- konsekwencji jak najmniejsze zużycie infrastruktury. noprawny i nie dyskryminujący dostęp do infrastruk- Aby rozwój układów biegowych był opłacalny, lo- tury dla potencjalnych przewoźników. Ta regulacja giczne jest jak takie naliczanie opłat ze strony infra- prawna miała na celu zwiększenie konkurencyjności struktury, które premiuje przewoźników inwestują- transportu szynowego na rynku przewozowym osób i cych w rozwój układów biegowych. towarów. W wyniku użytkowania infrastruktury kolejowej przez poszczególnych przewoźników powstaje 2. Struktura opłat w wybranych krajach europej- jej zużycie. Przez zużycie rozumie się wszystkie skich

uszkodzenia pomiędzy kołem a szyną, które zostały Jak już wcześniej wspomniano system opłat za spowodowane przez eksploatację pojazdów. Wyma- użytkowanie infrastruktury jest zróżnicowany w za- ganie, dotyczące modeli opłat polegają na tym, że leżności od kraju. Parametry do modelu opłat dla czte- rekompensuje się udział kosztów eksploatacji i napraw rech krajów europejskich tzn. Niemiec, Austrii, oraz konserwacji infrastruktury, które nie są pokrywa- Szwajcarii oraz Wielkiej Brytanii przedstawiano w ne bezpośrednio z budżetu państwa użytkownikowi tabeli 1 i 2. infrastruktury kolejowej. Udziały dla dopłat z budżetu Porównując tabelę 1 i 2. które przedstawiają czynniki państwa jak również opłaty za użytkowanie infrastruk- składające się na opłaty za korzystanie infrastruktury tury są różne w zależności od rozpatrywanego kraju. Z można zauważyć, że są one mocno zróżnicowane od tego powodu nie mam możliwości bezpośredniego rozpatrywanego kraju. W przypadku niemieckiej in- porównania cen za używanie trasy kolejowej pomię- frastruktury nie ma praktycznie żadnych komponen- dzy dwoma lub w większej grupie państw. Opłaty za tów, wpływających na cenę które mają związek z po- korzystanie z użytkowania tras można podzielić na jazdem. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że po- dwie grupy tzn. zależne od kosztów i w zależności od dział na dwanaście klas toru odzwierciedla z jednej zapotrzebowania na jej korzystanie. Dalszy podział strony różne koszty inwestycyjne dla przygotowania i opłat wiąże się z czynnikami, związanymi z infra- utrzymania wymaganej jakości toru, zaś z drugiej strukturą oraz z pojazdem. Jeśli tak, to logiczną kon- strony silny aspekt gospodarki rynkowej, polegającym sekwencją jest: na tym że obciążenie trasy bardzo istotnie kształtuje zainteresowanie przewoźnika jak najmniej- poziom opłat za jej użytkowanie. W przypadku kolei szymi opłatami za użytkowanie infrastruk- austriackich występuje zróżnicowanie pomiędzy tury transportem szynowym ładunków i transportem oso- jak najmniejszym zapotrzebowaniem na bowym. Bazą do naliczania opłat jest czynnik mierzo- remonty i konserwacje infrastruktury, co ny w bruttotonokilometrach. Za pomocą pomiarów wiąże się z jej dyspozycyjnością i nieza- podczas procesu dopuszczenia i homologacji dla każ- wodnością do świadczenia usług przewo- dego typu pojazdu trakcyjnego na podstawie pomia- zowych dla zainteresowanych przewoźni- rów przydziela się kategorię A, B lub C. Wraz z przy- ków. działem do ww. kategorii za pomocą współczynnika

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 24 Zestawienie parametrów służących do oceny modeli opłat za użytkowanie tras dla Niemiec oraz Austrii Tabela1 Niemcy Austria DB Netz ÖBB Infra Związane z Zróżnicowanie ruchu lokalnego i dalekobieżnego tak nie kosztami Związane z jakość trasy tak tak infrastrukturą Związane z zróżnicowanie pory dnia tak tak zapotrzebowaniem Zróżnicowanie obciążenia trasy tak tak na korzystanie Zróżnicowanie transportu towarowego/ tak tak osobowego Ogólne Bruttotonokilometry nie tak Zróżnicowanie wózek trakcyjny/toczny nie nie Masa pojazdu nie tak Masa nieusprężynowana nie tak Nacisk zestawu kołowego na tor nie tak Udział w kierunku Prędkość eksploatacyjna nie nie Związane z pionowym pojazdem Ilość zestawów kołowych nie tak Średnica koła nie nie Moc ciagła nie tak Baza pojazdu tak Sztywność usprężynowania nie tak Udział w kierunku Pierwszego stopnia w kierunku poziomym poziomym Sztywność obrotowa w drugim stopniu nie tak usprężynowania

Zestawienie parametrów służących do oceny modeli opłat za użytkowanie tras dla Szwajcarii oraz Wielkiej Brytanii Tabela 2 Wielka Szwajcaria Brytania SBB Network Rail Związane z Zróżnicowanie ruchu lokalnego i dalekobieżnego nie tak Związane z kosztami jakość trasy tak tak infrastrukturą Związane z Zróżnicowanie pory dnia tak tak zapotrzebowaniem Zróżnicowanie obciążenia trasy tak tak na korzystanie Zróżnicowanie transportu towarowego/ tak tak osobowego Ogólne Bruttotonokilometry tak tak Zróżnicowanie wózek trakcyjny/toczny tak tak Masa pojazdu tak tak Masa nieusprężynowana tak tak Nacisk zestawu kołowego na tor tak tak Udział w kierunku Prędkość eksploatacyjna tak tak Związane z pionowym pojazdem Ilość zestawów kołowych tak tak Średnica koła tak nie Moc ciagła tak nie Baza pojazdu tak tak Sztywność usprężynowania Udział w kierunku pierwszego stopnia w kierunku tak tak poziomym poziomym Sztywność obrotowa w drugim stopniu tak tak usprężynowania pojazdu trakcyjnego przydziela się pojazd w system nia będą przyczynami naliczania kosztów i w dalszej opłat. Na uwagę zwraca fakt, że nie uwzględnia się w konsekwencji stają się kosztami dla usuwania systemie opłat prędkości eksploatacyjnej jak również uszkodzeń toru (podbijanie torów, wymiana szyn i tego czy pojazd jest pojazdem trakcyjnym czy też szlifowanie szyn). Koszty są podzielone na dziesięć tocznym. zakresów trasowania toru ( proste z sześcioma Nowy system opłat za użytkowanie infrastruktury dla prędkościami jak również czterema klasami kolei szwajcarskich SBB, który jest przedstawiony w łuków).Jednocześnie współczynniki kosztowe (k1 do tabeli 2 będzie obowiązywał od 2017 roku. Podstawą k5) są przyporządkowane do własności pojazdu, do do naliczania opłat są fotografie uszkodzeń i kompute- jakich należą np. moc napędu, nacisk zestawu rowe obliczenia symulacyjne. Analizowane uszkodze- kołowego na tor, masy nieusprężynowane, sztywność

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 25 w kierunku wzdłużnym usprężynowania pierwszego wania. Niektórzy producenci taboru kolejowego wyra- stopnia. zili uznanie dla nowo wprowadzonego systemu opłat. W związku z tym każdy typ pojazdu szynowego jest Zasadniczo jednak udziały kosztowe, określone z przyporządkowany cenie dla dziesięciu łuków pierwszego członu (usuwanie błędów toru, rozdrab- względnie grup prędkości. nianie tłucznia i obciążenia zwrotnic) jako zbyt wyso- Największą zmianą do dotychczasowego schematu kie. Ocenia się również za zbyt wysokie koszty zwią- wyceny jest odejście od wyceny pociągu (całkowitej zane z parametrami zwrotnic. Z drugiej strony masy pociągu) do wyceny pojazdu, których suma parametry kosztowe związane zostały wyceniono zbyt kosztów pojazdów daje koszty pociągu). wysoko. Z kolei wycena parametrów, związanych z Koszty wyceny przejazdu pojazdu odbywają się wg parametrami zwrotnic (ostatni człon równania) jest wzoru: wyceniony za nisko. Zastrzeżenie budzi fakt, że za- = ⋅ ⋅ 3 + ⋅ 1,2 + ⋅ + ⋅ miast mocy napędu powinien być użyty iloczyn siły CVi k1 FRQ Q k 2 Q k3 TPV k 4 (1) pociągowej pomnożony przez poślizg dla oceny ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ 2 + ⋅ 2 uszkodzeń, spowodowanych naprężeniami kontakto- FRWb Wb k5 0,5 Q 0,5 Y wymi przy rozruchu. Przykład rozkładu kosztów dla zespołu trakcyjnego piętrowego typu Dosto (pojazd gdzie: referencyjny) na trasie referencyjnej St.Gallen- CVi- całkowita opłata za pojazd Genewa jest przedstawiony w tabeli 3 oraz na rys.1 Q- dynamiczna siła nacisku pionowego koła na szynę Zestawienie parametrów kosztowych (opłaty przewozowe) dla Tpv- wartość mocy trakcyjnej pojazdu trakcyjnego Dosto (pojazd referencyjny) na trasie St. W - praca tarcia Gallen-Genewa b Tabela3 Y- siła prowadząca w kierunku poprzecznym FRQ- współczynnik zależny od promieni łuku Wari C1 C2 C3 C4 C5 toru dla Q3 ant Udział FRWb- współczynnik zależny od promieni łuku Refer Utrata Błędy napędu Zużycie Degradacj 3 encyj podłoża toru dla Q szyn podczas na łukach a zwrotnic ny toru ki- współczynniki kosztowe, gdzie i=1÷5. rozruchu W celu uproszczenia wzoru (1) można korzystać z Udzia ł uproszczonej postaci: 43,1% 0,98% 6,0% 21,2% 28,7% proce i=5 C = ∑ C (2) ntowy i=1 i gdzie: 45 C = k ⋅ F ⋅ Q 3 (3) 1 1 RQ 40 = ⋅ ⋅ 3 C2 k 2 FRQ Q (4) 35 = ⋅ C3 k3 TPV (5) 30 = ⋅ ⋅ (6) C4 k 4 FRWb Wb 25 = 2 + 2 C5 k5 0,5Q 0,5Y (7) 20

15 Pierwszy człon równania C1 opisuje utratę podłoża toru wskutek oddziaływania pojazdu. Czynnik C1 jest 10 określany jako zależny od prędkości pojazdu oraz jego 5 masy. Drugi i trzeci człon C2 i C3 ocenia powstanie rowków i zmęczenia wskutek naprężenia kontaktowe- 0 go na torze prostym. Czynnik C3 jest określany jako C1 C2 C3 C4 C5 zależny od zainstalowanej mocy. Za pomocą czwarte- Legenda: go członu C4 rozróżnia się dwa różne efekty tzn. z jednej strony powstanie pęknięć główek szyn na łu- C1-utrata własności podłoża toru kach toru oraz zużycie szyn na łukach. Ostatnim czło- C2-błedy szyny na prostym odcinku toru nem równania C5 opisuje się uszkodzenia zwrotnic. W C3-wpływ napędu tym przypadku rozpatruje się jazdę przez zwrotnice. C4-zużycie na łuku toru C5-degradacja stanu technicznego zwrotnicy Współczynniki k1 i k5 są współczynnikami kalibracyj- nymi kosztów i zostały ustalone na bazie dla podbić Rys.1. Udział procentowy czynników kosztowych dla zespołurak- torów, operacji szlifowania szyn i wymianę zwrotnic cyjnego piętrowego typu Dosto wg [4] (części zwrotnic) w poszczególnych zakresach traso-

26 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 Jak widać z wykresu, na rys.1 istotne koszty kryją się jak również masa nieusprężynowana wyprowadzono w zakresach C1, C4 i C5. Na uwagę zasługuje bardzo udział kosztów spowodowany uszkodzeniem piono- duży udział kosztów związanych z utrzymaniem wym. Udział uszkodzeń poziomych każdego pojazdu zwrotnic. Przy porównywaniu udziału kosztów dla wiąże się z łukami toru sklasyfikowanymi na 50 klas. różnych rozwiązań okazuje się, że zastosowując bar- Zaszeregowanie odzwierciedla pracę tarcia pomiędzy dzo dobre sterowanie radialne zestawów kołowych kołem i szyną. współczynnik kosztowy „C4” może być praktycznie wyeliminowany. Jednakże udział związany z utrzy- 3. Klasyfikacja uszkodzeń toru maniem zwrotnic zdominowany przez pionowe obcią- żenie nie może być w sposób decydujący zmniejszony Uszkodzenia toru można podzielić na pięć przez zastosowanie prowadzenia zestawów kołowych. grup: Pomimo tego występuje możliwość zmniejszenia siły D1- uszkodzenia tłucznia, utrata podłoża toru poprzecznej podczas przejazdu przez zwrotnice, co D2-zmęczenie naprężeniami kontaktowymi, spowo- stanowi dodatkowy potencjał do zmniejszenia tego dowane toczeniem na bardzo dużych łu- czynnika do minimum. Odpowiedzią na model opłat kach/prostych odcinkach toru (toczenie taboru za użytkowanie infrastruktury jest model układu bie- nienapędnego) gowego TWINDEXX z FLEXX Tronic ARS, który D3-zmęczenie naprężeniami kontaktowymi, spowo- jest przedstawiony na rys.2. dowane toczeniem na bardzo dużych łu- kach/prostych odcinkach toru spowodowane prze- jazdem taboru trakcyjnego D4-zmęczenie materiału na łukach toru D5-procesy degradacji na zwrotnicach. Parametry związane z uszkodzeniami toru D1 są przedstawione w tabeli 4.

Parametry związane z uszkodzeniami toru D1 tzn. uszkodzeniami tłucznia oraz podłoża toru Tabela 4

1 2 3 Parametry konstrukcyj- Wielkość oddzia- Parametry eksplo- ne, odpowiedzialne za ływania Q (P2) atacyjne dyn uszkodzenia Połowa nieusprężyno- Rys.2. Wózek trakcyjny FLEXX Tronic ARS Uprade w zespole wanej masy zestawu Dynamiczna siła trakcyjnym piętrowym Dosto (TWINDEXX) wg [4] kołowego mu pionowa nacisku Prędkość jazdy koła na szynę Q Nacisk statyczny koła Q0 Jak wykazują wstępne analizy układ biegowy Flexx na szynę Tronic ARS wyposażony w pasywne sterowanie ze- Komentarz: stawów kołowych może w poważnym stopniu zmniej- zaniedbuje się podział masy nieusprężynowanej w kie- szyć koszty przejazdu. Szacuje się, że w przypadku runku poprzecznym na zestawie kołowym floty czteroczłonowych zespołów trakcyjnych piętro- obliczenie z równym uwzględnieniem parametrów bez włączenia rzeczywistych, lokalnych warunków podłoża wych typu DOSTO, liczącej 30 sztuk dzięki zastoso- toru waniu efektywnego sterowania zestawami kołowymi z stosuje się dopuszczalną lokalnie prędkość pociągu, a możliwością ustawiania radialnego można oszczędzić nie rzeczywisty profil jazdy nawet do 50% opłaty za przejazd, co odpowiada 7 milionów CHF w skali rocznej. Okazją sprzyjającą Parametry związane z uszkodzeniami toru D2 są wprowadzaniu układu sterowania radialnego zesta- przedstawione w tabeli 5. wów kołowych jest tendencja, polegająca na stopnio- Parametry związane z uszkodzeniami toru D3 są wej rezygnacji z hamulców klockowych, na rzecz przedstawione w tabeli 6. systematycznego wprowadzania hamulców tarczo- wych. Parametry związane z uszkodzeniami toru D4 są W Wielkiej Brytanii zebrano wiele doświad- przedstawione w tabeli 7. czeń od czasu reformy, przeprowadzonej w 1994 roku. Parametry związane z uszkodzeniami toru D5 są Network Rail opracował model opłat, który z jednej przedstawione w tabeli 8. strony uwzględnia udział dla uszkodzeń pionowych i drugi czynnik, wynikający z naturalnego zużycia szyn, spowodowany naprężeniami kontaktowymi na wskutek oddziaływania w układzie koło-szyna. Na bazie parametrów pojazdu jak np. masa pojazdu, prędkość

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 27 Parametry związane z uszkodzeniami toru D2 tzn. zmęczenie naprężeniami kontaktowymi podczas toczenia na odcinkach prostych toru oraz na dużych łukach Tabela 5

1 2 3 Parametry konstrukcyjne, odpowie- Wielkość oddziaływania Q (P2) Parametry eksploatacyjne dyn dzialne za uszkodzenia Połowa nieusprężynowanej masy zestawu kołowego mu Dynamiczna siła pionowa nacisku koła Prędkość jazdy na szynę Q Nacisk statyczny koła Q0 na szynę

Komentarz: rezygnacja z uwzględnienia efektywnej średnicy koła obliczenie z równym uwzględnieniem parametrów bez włączenia rzeczywistych, lokalnych warunków podłoża toru stosuje się dopuszczalną lokalnie prędkość pociągu, a nie rzeczywisty profil jazdy

Parametry związane z uszkodzeniami toru D3 tzn. zmęczenie naprężeniami kontaktowymi podczas rozruchu i hamowania na odcinkach prostych toru oraz na dużych łukach Tabela 6 1 2 3 Parametry konstrukcyjne, odpowie- Wielkość interakcji TPV Parametry eksploatacyjne dzialne za uszkodzenia Moc ciągła Dynamiczna siła pionowa Q nacisku Baza wózka Lokalny promień łuku toru koła na szynę Statyczny nacisk koła Q0 zestawów kołowych napędnych Komentarz: brak rozróżnienia pomiędzy rzeczywistymi, lokalnymi lub specyficznymi warunkami rozruchu i hamowania dla jazdy pociągu brak uwzględnienia charakterystyki przyczepności

Parametry związane z uszkodzeniami toru D4 tzn. zmęczenie naprężeniami kontaktowymi na łukach Tabela 7

1 2 3 Parametry konstrukcyjne, odpowie- Wielkość interakcji T Parametry eksploatacyjne y dzialne za uszkodzenia Koncepcyjne prowadzenie zestawu kołowego (sztywne, wahaczowe, ak- tywne) Sztywność prowadzenia zestawów Referencyjne uszkodzenie spowodowa- kołowych w pierwszym stopniu (cx, cy) ne energią tarcia (produkt, wynikający z Baza układu biegowego poślizgu i stycznej siły poślizgu w Lokalny promień łuku toru Średnica toczna koła R i geometria kierunku wzdłużnym i kierunku po- rad zarysu przecznym) Statyczny nacisk koła na szynę Q0, specjalnie dla prowadzących zestawów kołowych

Statyczny nacisk koła Q0, Komentarz: brak rozróżnienia pomiędzy rzeczywistymi, lokalnymi lub specyficznymi dla jazdy pociągu w warunkach rozruchu i hamowania ujednolicona charakterystyka przyczepności µ=0,3 jak również niezużyte profile szyny i koła pominięcie efektu uszkodzenia nabiegającego zestawu kołowego w ramie wózka brak oceny własności dynamicznych w łukach przejściowych (działanie hamowania ciernego pomija się)

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 28 Parametry związane z uszkodzeniami toru D5 tzn. procesy degradacji na zwrotnicach Tabela 8 1 2 3 Wielkości oddziaływania Parametry konstrukcyjne, odpowie- 2 + 2 0,5 Parametry eksploatacyjne ( Qdyn Y ) dzialne za uszkodzenia Koncepcyjne prowadzenie zestawu kołowego (sztywne, wahaczowe, ak- tywne) Dodanie wektorów wytężenia materiału Baza układu biegowego Y i Q Średnica toczna koła R i geometria Lokalny promień łuku toru rad (Y, Q ustalona przy prędkości 40 km/h zarysu na łuku S o promieniu 185 m) Statyczny nacisk koła na szynę Q0, specjalnie dla prowadzących zestawów kołowych

Statyczny nacisk koła Q0, Komentarz: brak rozróżnienia pomiędzy rzeczywistymi, lokalnymi lub specyficznymi dla jazdy pociągu w warunkach rozruchu i hamowania ujednolicona charakterystyka przyczepności µ=0,3, łuk S o promieniu 185m jako „zwrotnicy wzorcowej” EW 185 pominięcie bezpośredniego uszkodzenia podczas prostych przejazdów z maksymalną prędkością jazdy na trasie dołączenie całości kosztów zwrotnic do „ zwrotnicy wzorcowej” EW185

4. Przykładowe związki pomiędzy możliwościami zmniejszenia zużycia, a rozwiązaniami konstrukcyjnymi

W przypadku projektowania układów biegowych występuje zasadniczo duża liczba konfliktów projektowych. Jednym z ważniejszych jest problem własności dynamicznych podczas jazdy, zaś z drugiej strony własności zużyciowe. W przypadku własności dynamicznych duży rozstaw zestawów kołowych mo- że być uznany jako zaleta, ale w przypadku własności zużycia jest niewątpliwą wadą. Obok oczywistego konfliktu projektowego występuje szereg innych cech projektowych, które w sposób sprzeczny lub przynajmniej mniej lub bardziej mogą kształtować oddzia- ływanie pojazdu na tor w sposób pozytywny lub nega- Rys.3. Układ biegowy trakcyjny SF 7000 zespołu trakcyjnego Desiro City wg [3] tywny. Platforma zespołów trakcyjnych cechują się drastycz- nym obniżeniem masy własnej, wynoszącym około 20% w stosunku do pojazdu referencyjnego, posiada układ biegowy typu SF 7000 nowej generacji i mają- cym na celu zmniejszenie opłat za użytkowanie infrastruktury. W przypadku układów biegowych SF 7000 pojazdu trakcyjnego Desiro City takie parametry jak masy nieusprężynowane oraz masa ogólna są mniejsze o jedna trzecią w stosunku do jego poprzedniej wersji. Układ biegowy SF 7000 dla pojazdu trakcyjnego Desi- ro City (firma przewozowa Thameslink) jest przedstawiony na rys.3. W ramach przeprowadzonych symulacji komputero- wych i zmęczenie materiałowe i naturalne zużycie, za Legenda: które jest odpowiedzialna praca tarcia Tgamma są -wózek trakcyjny oraz wózek toczny bez gwiazdki dla Desiro City mniejsze niż dla układu biegowego SF 7000 niż dla -wózek trakcyjny oraz wózek toczny z gwiazdką * dla Desiro UK układu biegowego SF 5000. Sytuacja ta jest przedstawiona na rys.4. Rys.4. Porównanie pracy tarcia T gamma dla wózków trakcyjnych typu SF 5000 i SF 7000 wg [3]

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 29 Przedstawione porównanie dotyczy pojazdów szyno- W wyniku przeprowadzonej inwestycji w układach wych o trwałości 30 lat. W związku z tym pojawia się biegowych należy się spodziewać, że koszty inwesty- zagadnienie, jakie możliwości konstrukcyjne są ewen- cji zwrócą się w wyniku obniżonych opłat przewozo- tualnie do dyspozycji mogące poprawić oddziaływanie wych. na tor układu biegowego, mając na uwadze układ bie- Porównanie pomiędzy podstawowymi parametrami gowy trakcyjny SF5000, który nadal jest eksploatowa- wózków trakcyjnych oraz wózkami rocznymi typu ny pod zespołem trakcyjnym Desiro UK. Łączna ilość SF7000 i SF5000 przedstawiono w tabeli 9. zespołów trakcyjnych wynosi 3000 (początek dostawy w 2002 roku). Problem ten nabiera szczególnego zna- Porównanie parametrów wózków trakcyjnych oraz tocznych typu SF7000 i SF5000 czenia ze względu na opłaty za przejazdy. Okazuje się, Tabela 9 że rozwiązaniem konstrukcyjnym, które może przy- nieść pożądany skutek jest tulejka hydrauliczna (niem. Różnica wózków Różnica wózków Parametr trakcyjnych tocznych SF7000 i „Hydrobuchse”), której koncepcja została opracowana SF7000 i SF5000 SF50000 przez austriacką firmę Simmering Graz Pauker AG Masa całkowita -37% -37% (SGP) w Grazu (Austria). Tulejka hydrauliczna jest Masa zestawu -40% -31% przedstawiona na rys.5. Element ten jest zabudowy- kołowego Nośność zesta- wany zamiast przegubu prowadzenia zestawu kołowe- -36% -27% go, który znajduje się pomiędzy ramą układu biego- wu kołowego Baza wózka -15% -19% wego, a ułożyskowaniem zestawu kołowego. Zasada działania tulejki polega zasadniczo na tym, że w ela- Porównanie zarysów wózków trakcyjnych SF 7000 i stomerze tulejki znajdują się przestrzenie drążone, SF 5000 jest przedstawione na rys.6. wzajemnie połączone wypełnione substancją ciekłą. W przypadku występowania niskich prędkości jazdy względnie częstotliwości ruchu wzdłużnego, następuje przelew substancji ciekłej z jednej komory do drugiej, co oznacza że tulejka jest miękka i dopuszcza względ- nie duże przemieszczenia w kierunku wzdłużnym. Z kolei przy dużych prędkościach i częstotliwościach działa kanał przelewowy jak zwężka dławiąca, dzięki czemu może odbywać się wymiana cieczy pomiędzy obydwoma komorami. Tulejka nabiera w takim przypadku wymaganej sztywności, co gwarantuje prawi- dłowe własności dynamiczne i oddziaływanie na tor. Tulejka została opatentowana w 1989 roku i przete- stowana na austriackim wagonie osobowym na po- czątku lat 90-tych. Tulejka została umieszczona w prowadzeniu pierwszego stopnia, co jest pokazane na rys.5. Do chwili obecnej wymieniono tulejki w 700 wagonach. Rys.6. Porównanie zarysów wózków trakcyjnych SF 5000 i SF 7000 wg [1]

Analizując zarysy wózków trakcyjnych SF 5000 i SF 7000 pokazane na rys.6, można dostrzec korelację z tabelą 9. Wózek SF 7000 posiada wewnętrzne ułoży- skowanie i mniejszą bazę wózka. Głównym czynni- kiem, który decyduje o wielkości bazy wózka trakcyjnego jest wielkość silnika trakcyjnego. Stąd też wynika impuls dla opracowania kompaktowych konstrukcji silników elektrycznych, przy utrzymaniu wymaganej mocy. Wewnętrzne ułożyskowanie i usprężynowanie dawniej niechętnie akceptowane w ruchu kolejowym, obecnie przynosi wiele korzyści, związanych ze zmniejszeniem masy układu biegowego, a tym samym całego pojazdu, ale również zwiększa bezpieczeństwo Legenda: 1-kanał 2-przestrzenie drążone jazdy w warunkach quasi-statycznych podczas prze- Rys.5. Tulejka hydrauliczna zapewniająca lepsze własności dyna- jazdu przez tory wichrowate. miczne w układach biegowych trakcyjnych SF 5000 w zespołach trakcyjnych Desiro City Thamselink wg [2]

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 30 zwala na znaczne zmniejszenie mas nieusprężynowa- nych w stosunku do zawieszenia napędu „za nos.” (niem. „Tatzlagerbetrieb”). Warto zwrócić uwagę, że wózek jest wyposażony w osie drążone, które ułatwia- ją dostęp sondy do badań ultradźwiękowych na całej długości osi, co działa korzystnie na bezpieczeństwo pojazdu jak również infrastruktury. Na rys.9 jest przedstawiony prowadnik trójramienny, wyposażony w trzy tulejki sferyczne. Legenda: Steifigkeit- sztywność prowadzenia zestawu kołowego Bogenlauf- jazda w łuku toru Stabilität- jazda po torze prostym Frequenz- częstotliwość Choch- wysoka wartość sztywności prowadzenia zestawu kołowego Cniedrig- niska wartość sztywności prowadzenia zestawu kołowego ftran- częstotliwość przejściowa

Rys.7. „Idealne”, teoretyczne prowadzenie zestawu kołowego wg [2] Kolejnym przykładem dostosowania układu biegowego do zmniejszenia zużycia infrastruktury jest wózek trakcyjny SF4 lokomotywy uniwersalnej, wysokiej mocy typu Vectron, opracowanej przez koncern Sie- mens dla ruchu transgranicznego w Europie. Rys.9. Prowadnik trójramienny, łączący maźnicę z ramą, zastosowany w wózku trakcyjnym SF4 lokomotywy Vectron, Na uwagę zwracają następujące rozwiązania o dużym wyprodukowanej przez koncern Siemens wg [3] stopniu innowacyjności: elastyczne oparcie korpusu silnika za pomocą Konstrukcyjnie prowadzenie zestawu kołowego jest elementów gumowo-metalowych na ramie zbudowane ze sprężyn śrubowych typu flexi-coil w wózka (rys.8), pierwszym stopniu usprężynowania i w prowadnik sprzęgło, do zmniejszenia ruchów względnych trójramienny, wyposażony w łożyska sferyczne (gu- pomiędzy przekładnią i silnikiem, mowo-metalowe). Aby uzyskać radialne ustawienie prowadnik trójramienny, umożliwiający zestawu kołowego w łuku, pierwszy stopień uspręży- optymalny rozkład sztywności wzdłużnej oraz nowania jest zaprojektowany, z dużą podatnością w poprzecznej (rys.9), kierunku wzdłużnym. Prowadnik trójramienny spełnia aktywny tłumik wężykowania (ADD). dwa niezależne wymagania. Aby zapewnić prawidło- we własności dynamiczne oraz stabilną jazdę lokomotywy sztywność w kierunku poprzecznym musi być odpowiednio wysoka, a z drugiej strony sztywność w kierunku wzdłużnym musi być odpowiednio małej wartości. Konstrukcyjnie zapewniają to trzy łożyska sferyczne, jedno z przodu (montowane od strony maź- nicy) oraz dwa z tyłu (montowane od strony ramy wózka). Dzięki zastosowaniu innowacyjnych rozwiązań w zakresie napędu prowadników zestawów kołowych oraz bazując na opracowanym modelu opłat na rzecz infrastruktury za przejazdy można oszacować trwałość lokomotywy na 40 lat, przy zakładanym przebiegu rocznym, wynoszącym 180 000 km. Ww. kombinacja elastycznego zawieszenia korpusu silnika wraz z zastosowaniem prowadników trójramiennych, umożli- Rys.8.Połączenie przekładni z silnikiem oraz silnika z ramą w wia maksymalną prędkość lokomotywy 200 km/h przy wózku trakcyjnym SF4 lokomotywy uniwersalnej Vectron, stożkowatości ekwiwalentnej, wynoszącej 0,6. opracowanej przez koncern Siemens wg [3] Kolejnym elementem, który oferuje dodatkowe moż- Jak widać z rys.8 połączenie korpusu silnika z ramą liwości zmniejszenia sił oddziaływania pomiędzy ko- wózka za pomocą elementów gumowo-metalowych łem i szyną jest aktywny tłumik drgań obrotowych. oraz zastosowanie sprzęgła zmniejszającego ruchy Tłumik ten został opracowany przez firmę Liebherr względne pomiędzy przekładnią związaną z osią po- Aerospace GmbH w Lindenbergu. Zmniejsza on

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 31 quasi-statyczne siły prowadzące poszczególnych ze- pod uwagę, że zastosowanie materiałów o wysokich stawów kołowych. Tłumik ten dzieli siły przesunięcia własnościach wytrzymałościowych i odpowiednie toru równomiernie na cały wózek. Zasada działania zmniejszenie przekrojów osi jest mało realne. Materia- tłumika ADD polega na kombinacji zasady działania ły o wysokich własnościach wytrzymałościowych tłumika obrotowego/ tłumika wężykowania z hydrau- posiadają wysokie współczynniki wrażliwości na dzia- licznym cylindrem regulacyjnym. W efekcie tłumik łanie karbu (niem. „Kerbempfindlichkeit.”). Poza tym ADD podczas przejazdu lokomotywy w ciasnych łu- naprężenia nie są jedynym kryterium przydatności kach w sposób aktywny powoduje radialne ustawienie eksploatacyjnej zestawu kołowego. W przypadku zestawów kołowych, co w efekcie zmniejsza zużycie skonstruowania osi o małej sztywności, pojawia się szyny. Zastosowanie tłumika ADD stosuje się w lo- niebezpieczeństwo wystąpienia drgań giętnych i skręt- komotywie Vectron w celu optymalizacji własności nych o częstotliwościach tym niższych im niższa jest dynamicznych lokomotywy. Opcjonalne stosowanie sztywność osi. Drgania te mogą mieć nawet charakter tych tłumików nie wymaga wprowadzania żadnych rezonansowy, jeśli częstotliwość drgań własnych po- zmian w konstrukcji układu biegowego, ani też nad- kryje się z częstotliwością wymuszeń kinematycz- woziu lokomotywy. Stosowanie tłumika ADD nie nych. Natomiast stosowanie osi drążonych (niem. wymaga dodatkowych badań, gdyż został on dopusz- „Hohlwellen”) wydaje się być koniecznością zwłasz- czony do eksploatacji podczas badań dynamicznych cza w nowo konstruowanych pojazdach trakcyjnych. pojazdu, które były przeprowadzane na etapie homo- Wymaga to zastosowania otworu przelotowego Ø80 logacji. Nowy system opłat za użytkowanie infrastruk- mm, który pomaga w umieszczeniu sondy do badań tury wpłynął bardzo mocno na producentów pojazdów ultradźwiękowych na całej długości osi. Badania te w celu rozważenia stosowania aktywnego sterowania można przeprowadzić podczas eksploatacji po odkrę- zestawów kołowych, celem radialnego ustawiania się ceniu pokrywy maźnicy i pierścienia dociskowego. zestawów kołowych w ciasnych łukach, aby ograni- Należy jednak wziąć pod uwagę, że naprężenia do- czyć zużycie szyn. Wymaga to jednak stosowania już puszczalne dla osi drążonych są mniejsze niż dla peł- inteligentniejszych systemów, do jakich można zali- nych osi (niem. „Vollwellen”). Wynika z tego, że czyć aktuatory oraz sensory, które wymagają jednak ewentualne zyski masowe wskutek zastosowania osi przeglądów konserwacyjno-naprawczych. drążonych mogą być niewielkie. Zastosowanie wóz- ków o małej bazie jest celowe, ale ma ograniczenie w 5. PODSUMOWANIE nacisku pojazdu bieżącym w przeliczeniu na jednej metr bieżący toru. Regulacje prawne dla poszczegól- Wprowadzenie nowego systemu rozliczeń nych klas toru A,B, C,D oraz E zawiera karta UIC 700 pomiędzy infrastrukturą, a przewoźnikami jest istot- [5]. nym kamieniem milowym w zakresie inicjacji postępu w kolejnictwie. Dysponując dzisiejszą technologią 6. WNIOSKI można osiągnąć oszczędność kosztów sięgającą 30% w transporcie Intercity oraz 52% w transporcie regio- Nowy system opłat, opracowany przez właści- nalnym, biorąc pod uwagę system opłat SBB. Można cieli infrastruktury kolei DB, SBB, BR oraz ÖBB ma wyciągnąć wniosek, że pojazdy posiadające dobre charakter innowacyjny w historii kolejnictwa w skali własności dynamiczne, charakteryzujące się mniej- światowej. Powinien on się przyczynić do racjonalne- szym oddziaływaniem na tor i powodujące tym sa- go wydłużenia żywotności infrastruktury i wydłuże- mym mniejsze zużycia toru i podłoża, przyczyniają się nia okresów konserwacyjno-naprawczych. W wyniku do zwiększenia trwałości, a tym samym dyspozycyj- tego zwiększa się dyspozycyjność infrastruktury. Jest ności infrastruktury kolejowej. Nowe systemy inteli- to tym istotniejsze, że naprawy i konserwacje infra- gentnych opłat za użytkowanie pojazdu, premiują struktury kolejowej są bardzo kosztowne. Z kolei no- pojazdy o dużym stopniu innowacyjności, ultralekkie wy system naliczania opłat premiuje przede wszyst- konstrukcje z aktywnym sterowaniem zestawów ko- kim pojazdy kolejowe, zapewniające małe oddziały- łowych, z małym udziałem mas nieusprężynowanych. wanie na tor. Takie powiązanie opłat powoduje z kolei Z drugiej strony wprowadzenie nowego systemu może pozytywny impuls na producentów taboru, aby dostar- się okazać dyskryminujące dla niektórych poprawnych czać użytkownikowi pojazdów ultralekkich i możliwie rozwiązań konstrukcyjnych jak np. pasywnych syste- małym oddziaływaniu na tor. Niniejszy system opłat mów sterowań zestawów kołowych, które w takich spełni wyzwania konkurencji rynkowej na rynku przypadkach toczą się tą samą drogą i mogą pozosta- przewozowym. wiać widoczne ślady na szynie. Koszty utrzymania toru rosną w sposób nieproporcjonalnie wysoko, a 7. LITERATURA użytkownikowi pojazdu pozostaje wymiana na sztyw- [1] Hirtenlechner J.:,Brandstetter J.: SF7000-Das innovati- ne prowadzenia zestawów kołowych. Sceptycznie ve Fahrwerkkonzept als Antwort auf Whole Life Cost można również oceniać zmniejszenie możliwość Modelle. ZEVrail 137.2013 Tagungsband SFT Graz zmniejszenia mas nieusprężynowanych. Należy wziąć 2013

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 32 [2] Kämfer B.O.:Variable Streckenbenutzungsgebühren- [4] Schneider R.:Neues verschleissabhängiges Motor für Fahrwerksinnovationen? Eisenbahningeni- Trassenpreismodell in der Schweiz –Möglichkeiten auf eur Nr.10 /2011. Seiten des Fahrzeugs. ZEVrail 139. 6-7 Juni-Juli 2015. [3] Strommer K: Verschleißabhängige Trassenpreise – [5] Karta UIC 700: Klasyfikacja torów z punktu widzenia Chance für Innovation oder Risiko der Komplexerhö- ich konserwacji. 10-te wydanie. Listopad 2004 hung. ZEVrail 139. 6-7 Juni-Juli 2015.

dr hab.inż. Stanisław Janusz Cieślakowski, prof. UT-H Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu

Problem dłuższego przejazdu szybkich pociągów przez stacje

W pracy obliczono wartości niekorzystnego wydłużenia czasu przejazdu pociągów przez stacje na liniach kolejowych dużych prędkości, spowodowane zmianą toru wjazdowego.

WSTĘP Aktualnie można zauważyć dynamiczny rozwój kolei Do 2050 roku ma zostać wybudowana sieć kolei dużych prędkości, o czym świadczy zwiększająca się dużych prędkości obejmujących całą Unię Europejską. długość linii i wielkość ruchu oraz stale wzrastający Do 2030 roku ma nastąpić potrojenie długości tych udział w rynku. linii. Przeważająca część podróży na średnie odległo- Największy udział w rynku przewozów pasażerskich ści ma się odbywać koleją. Przyjęto, że ponad 50% w Europie ma transport drogowy, wykonujący ponad towarów na średnie odległości ma być transportowana 83% pracy przewozowej w krajach Unii Europejskiej. koleją lub za pomocą żeglugi śródlądowej. Te środki Transport lotniczy realizuje 8% wszystkich przewo- transportu generują najniższe koszty zewnętrzne, czyli zów, a transport kolejowy 6,2%. Prawie 25% (104,1 te które nie są ponoszone bezpośrednio przez sprawcę mld pas. km) podróży kolejowych realizowana jest w (wypadki komunikacyjne, zanieczyszczenie środowi- Europie przez koleje dużych prędkości [4]. ska, zajętość terenu). W 2011 roku Komisja Europejska przyjęła tzw. Aktualnie wg Eurostatu 86% przewozów pasażer- Białą Księgę [9]. Jest to dokument strategiczny wa- skich w Polsce odbywa się samochodem, 8% autobu- runkujący rozwój europejskiego transportu. Zgodnie z sami, a 6% koleją. nim podstawy konkurencyjności Europy ma-ją wyni- Według wskazań Białej Księgi w Polsce jednym z kać z dużej mobilności i nowoczesnej technologii najważniejszych zadań będzie program inwestycji transportu. W związku z tym należy przebudować kolejowych w tym budowy kolei dużych prędkości. europejską gospodarkę na niskoemisyjną, mało zależ- Koleje dużych prędkości na średnich odległo- ną od ropy naftowej i ograniczyć liczbę wypadków w ściach do 500 km uważane są za najszybszy środek transporcie do zera. Jedną z metod realizacji strategii transportu. ma być utworzenie ogólnoeuropejskiej sieci kolei du- Przewaga kolei dużych prędkości wobec samolotu żych prędkości. wynika z dogodnego położenia dworców w centrach

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 33 miast i z unikania długich procedur bezpieczeństwa na prowadzenia ruchu kolejowego. Posterunki ruchu lotniskach. Podróż lotnicza pomiędzy miastami woje- dzielą się na następcze i pomocnicze. Posterunek na- wódzkimi: Gdańskiem, Wrocławiem, Krakowem, stępczy służy do regulacji następstwa jazdy pociągów Katowicami, Poznaniem, Szczecinem, Bydgoszczą i w ten sposób, ze pozwala na przejazd lub odjazd po- Rzeszowem, a Warszawą trwa brutto (wliczając do- ciągu tylko wówczas, gdy tor przyległe-go odstępu lub jazd, odprawę, oczekiwanie na lot, sam lot, oczekiwa- szlaku do tego posterunku jest wolny. Posterunki na- nie na dowóz do terminalu, dojazd do miejsca prze- stępcze dzielą się na posterunki: zapowiadacze, bocz- znaczenia) minimum trzy godziny. Natomiast już nicowe i odstępowe. obecnie klasyczny pociąg przejeżdża trasy pomiędzy Posterunek zapowiadawczy jest to posterunek mający Warszawą a Poznaniem, Krakowem i Katowicami w możliwość zmiany kolejności jazdy pociągów wypra- czasie krótszym niż trzy godziny [10]. wianych na tor szlakowy przyległy do tego posterun- Na dystansie 100-150 km koleje dużych prędkości ku. mają przewagę konkurencyjną nad samochodem. Do posterunków zapowiadawczych należą stacje i Konkurencyjność ta wynika z większej prędkości ru- posterunki odgałęźne. chu oraz z ominięcia strefy kongestii w miastach i na Stacja jest to posterunek zapowiadawczy, w obrębie ich granicach [3,5,6]. którego, oprócz toru głównego zasadniczego, znajduje Pojęcie dużych prędkości definiowane jest w się co najmniej jeden tor główny dodatkowy. Pociągi skonsolidowanej dyrektywie 2008/57 jako minimum mogą rozpoczynać i kończyć jazdę, krzyżować się i 250 km/h lub 300 km/h w odpowiednich okoliczno- wyprzedzać, jak również zmieniać skład lub kierunek ściach oraz 200 km/h na liniach zmodernizowanych. jazdy. Duże stacje mogą być podzielone na rejony stanowiące osobne posterunki zapowiadawcze. Stacja, 1. PODZIAŁ SIECI KOLEJOWEJ POD na której układ torów umożliwia jedynie krzyżowanie WZGLĘDEM TECHNICZNYM i wyprzedzanie pociągów, nazywa się mijanką. Pod względem ruchu pociągów rozróżnia się stacje: Sieć kolejowa PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. jest a) krańcowe, tj. początkowe i końcowe dla danej to układ połączonych ze sobą linii kolejowych zarzą- relacji pociągu, dzanych przez PKP PLK S.A. b) pośrednie, które znajdują się między stacjami Linia kolejowa jest to droga kolejowa mająca początek krańcowymi. i koniec wraz z przyległym pasem gruntu, na którą Stacje, na których łączą się szlaki z trzech lub więcej składają się odcinki linii a także budynki, budowle i kierunków, nazywamy stacjami węzłowymi. Zespół urządzenia przeznaczone do prowadzenia ruchu kole- stacji i posterunków ruchu sąsiadujących ze sobą na- jowego wraz z zajętymi pod nie gruntami. Punkty zywa się węzłem kolejowym. początkowe i końcowe linii kolejowych ustala Zarząd Posterunek odgałęźny urządzony jest poza stacją: PKP PLK S.A. a) w miejscu odgałęzienia linii kolejowej, Linie kolejowe dzielą się na odcinki, szlaki i odstępy. b) przy przejściu ze szlaku jednotorowego w Odcinek jest to część linii kolejowej zawarta między dwutorowy i odwrotnie, sąsiednimi stacjami węzłowymi, albo między punktem c) w miejscu połączenia torów na szlaku. początkowym lub końcowym linii kolejowej i najbliż- Posterunek odgałęźny bierze udział w prowadzeniu szą stacją węzłową. ruchu wszystkich pociągów kursujących na przyle- Szlak jest to część linii kolejowej między: głych szlakach (odstępach). • dwoma sąsiednimi posterunkami zapowiadaw- Granicę pomiędzy szlakiem a posterunkiem zapowia- czymi, dawczym stanowi: • ostatnim posterunkiem zapowiadawczym i koń- a) na liniach jednotorowych - semafor wjazdowy cowym punktem linii. tego posterunku, Odstęp jest to część toru szlakowego między: b) na liniach dwutorowych - miejsce znajdowa- • posterunkiem zapowiadawczym, a najbliższym nia się semafora wjazdowego i linia prostopadła do osi posterunkiem odstępowym (bocznicowym) lub torów, w miejscu ustawienia tego semafora. Wyjąt- semaforem odstępowym blokady samoczynnej, kiem są przypadki, gdy granica między po- • dwoma kolejnymi posterunkami odstępowymi szczególnymi torami szlakowymi a posterunkiem za- (bocznicowymi), powiadawczym jest różna. • posterunkiem odstępowym i bocznicowym, Opisana wyżej sytuacja występuje gdy: • dwoma kolejnymi semaforami odstępowymi a) tory szlakowe oddalone są od siebie tak, że nie blokady samoczynnej dla tego samego kierunku można określić linii prostopadłej do osi torów, w miej- jazdy przy danym torze [7]. scu ustawienia semafora wjazdowego. Wówczas gra- nicą między tym torem szlakowym, przy którym nie 2. POSTERUNKI RUCHU I PUNKTY EKSPE- ma semafora wjazdowego, a posterunkiem zapowia- DYCYJNE dawczym jest miejsce znajdujące się przy tym torze od Posterunek ruchu służy do bezpiecznego i sprawnego strony

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 34 szlaku w odległości 100 m przed najbliższym gółowe zasady dokonywania zmiany kierunku jazdy rozjazdem lub skrzyżowaniem, pociągów pasażerskich określają regulaminy technicz- b) w torze najbliższy rozjazd lub skrzyżowanie ne posterunków przylegających do szlaku, na którym znajduje się bliżej szlaku niż rozjazd lub skrzyżowanie następuje zmiana kierunku jazdy. w sąsiednim torze osłaniany semaforem wjazdowym. Bocznica kolejowa jest drogą kolejową połączoną z Wówczas granicą między tym torem szlakowym, przy linią kolejową i służącą do wykonywania załadunku i którym nie ma semafora wjazdowego, a posterunkiem wyładunku wagonów lub wykonywania czynności zapowiadawczym jest miejsce znajdujące się przy tym utrzymaniowych pojazdów kolejowych. Bocznica torze od strony szlaku w odległości 100 m przed służy do postoju pojazdów kolejowych oraz prze- najbliższym rozjazdem lub skrzyżowaniem, mieszczania i włączania pojazdów kolejowych do c) przy torze znajduje się odnoszące się do tego ruchu po sieci kolejowej. W skład bocznicy kolejowej toru urządzenie sygnałowe, za pomocą którego podaje wchodzą urządzenia sterowania ruchem kolejowym. się zezwolenie na wjazd pociągu. Wówczas granicą Są tam, też inne urządzenia związane z bezpie- między tym torem szlakowym a torem posterunku czeństwem ruchu kolejowego [7]. zapowiadawczego jest miejsce usytuowania tego 3. BUDOWLE I URZĄDZENIA PRZEZNACZO- urządzenia. NE DO PROWADZENIA RUCHU KOLE-

Posterunek bocznicowy jest to posterunek ruchu urzą- JOWEGO dzony na szlaku przy odgałęzieniu bocznicy, który Posterunki ruchu wyposażone są w budowle i urzą- bierze udział w prowadzeniu ruchu wszystkich pocią- dzenia niezbędne do prowadzenia ruchu pociągów i gów kursujących na przyległych odstępach wykonywania pracy manewrowej w sposób bezpiecz- i pociągów obsługujących bocznicę. Przyjmowanie ny, zapewniający regularność i sprawność ruchu kole- pociągów na bocznicę i wyprawianie ich z bocznicy jowego. Do takich budowli i urządzeń zalicza się: tory odbywa się na zasadach ustalonych dla posterunków i rozjazdy, urządzenia sterowania ruchem kolejowym i zapowiadawczych. Natomiast przepuszczanie innych łączności, urządzenia do hamowania staczanych od- pociągów na zasadach ustalonych dla posterunków przęgów na górkach rozrządowych. Są też, urządzenia odstępowych. ułatwiające wykonywanie czynności ładunkowych, Posterunek odstępowy jest posterunkiem ruchu urzą- wsiadanie i wysiadanie podróżnych, urządzenia in- dzanym na szlaku w celu podziału szlaku na odstępy. formacji świetlnej i dźwiękowej, oświetlenie itp. Posterunek odstępowy reguluje następstwo pociągów, Urządzenia na posterunkach ruchu są obsługiwane to jest pozwala na przejazd pociągu przez ten posteru- przez uprawnionych i wyznaczonych pracowników nek, gdy następny odstęp jest wolny. Posterunki od- lub działają samoczynnie. stępowe obsługiwane na liniach z półsamoczynną Na stacjach tory kolejowe dzielą się na tory: główne, blokadą liniową nazywają się posterunkami blokowy- specjalnego przeznaczenia i boczne. mi, a na liniach z telefonicznym zapowiadaniem po- Tory przystosowane do jazd pociągowych nazywają ciągów posterunkami odstępowymi telefonicznymi. się torami głównymi. Dzielą się one na tory główne Na liniach z samoczynną blokadą liniową funkcje zasadnicze i tory główne dodatkowe. posterunków odstępowych spełniają samoczynne se- Tory główne będące przedłużeniem torów szlakowych mafory blokady. nazywają się torami głównymi zasadniczymi, nato- Posterunek pomocniczy jest to posterunek urządzony miast pozostałe tory główne torami głównymi dodat- na szlaku przy odgałęzieniu bocznicy, tylko w celu kowymi. umożliwienia wjazdu pociągu na bocznicę i zgłosze- Do torów specjalnego przeznaczenia należą: żeberka nia, że szlak jest wolny, względnie wyjazdu pociągu z ochronne, tory dojazdowe do bocznic, komunikacyjne, bocznicy. Posterunek pomocniczy nie jest wyposażo- wyciągowe, bocznicowe. ny w semafory i bierze udział w zapowiadaniu tylko Inne tory na stacjach są torami bocznymi. pociągów obsługujących bocznicę. Grupy torów przeznaczone wyłącznie do wjazdu lub Na sieci PKP PLK S.A. oprócz posterunków ruchu wyjazdu pociągów nazywają się grupami przyjazdo- występują również przystanki osobowe i bocznice wymi lub grupami odjazdowymi, do wjazdu i wyjazdu kolejowe jako punkty ekspedycyjne. pociągów - grupami przyjazdowo-odjazdowymi, a Przystanek osobowy to miejsce na szlaku, urządzone wyłącznie do rozrządzania pociągów - grupami kie- do wsiadania i wysiadania podróżnych, runkowymi [7]. w którym rozkładowo zatrzymują się pociągi pasażer- 4. METODA BADAŃ I WYNIKI skie.

Na przystankach osobowych położonych na szlakach Skrzyżowanie torów i rozjazdy kolejowe stanowią jednotorowych nie wyposażonych w urządzenia blo- elementy sieci kolejowej. Sieć kolejowa jest układem kady liniowej, rozkład jazdy może przewidywać połączonych ze sobą linii i stacji kolejowych [13]. zmianę kierunku jazdy pociągów pasażerskich. Szcze- Skrzyżowanie torów to przecięcie się dwóch torów w

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 35 jednym poziomie bez możliwości przejazdu taboru z Czwarty przypadek różnił się od trzeciego tym, że w jednego toru na drugi. przejściu trapezowym zlokalizowano rozjazdy 60 E 1 Natomiast połączeniem torów nazywa się konstrukcję – 2500 – 1:26,5. umożliwiającą przejazd taboru kolejowego z jednego Dopuszczalne prędkości pociągów w torach zwrot- toru na drugi, wykorzystując rozjazdy kolejowe. nych rozjazdów są następujące dla poszczególnych Rozjazdy dzieli się: promieni rozjazdów: • zwyczajne, • R= 300m V= 40km/h, • podwójne, • R= 500m V= 60km/h, • krzyżowe, • R= 1200m V= 100km/h, • łukowe. • R= 2500m V= 130km/h. Rozjazdy zwyczajne mają dwa kierunki jazdy: Dla kolei dużych prędkości, gdzie należy liczyć się z • po torze zasadniczym, prędkością V=250km/h, najbardziej odpo-wiednimi • po torze zwrotnym. rozjazdami w przejściach trapezowych są rozjazdy 60 W zależności od kierunku odgałęzienia rozjazd może E 1 – 2500 – 1:26,5, dla których prędkość pociągów być prawostronny lub lewostronny. na odgałęzienie po torze zwrotnym przekracza połowę W aspekcie geometrycznym rozjazdy dzielimy: prędkości po torze zasadniczym [8]. - według promienia łuku toru zwrotnego ( 2500m, Z badań wynika, że w pierwszym przypadku długość 1200m, 760m, 500m, 300m, 190m), głowicy była najkrótsza, a w czwartym naj-dłuższa. - według skosów rozjazdów: W pierwszym przypadku długość stacji układu pod- • małym skosie (1:26,5; 1:18,5; 1:14; 1:12), stawowego wyniosła 1550,8 m. • skosie zasadniczym (1:9), W drugim przypadku długość stacji wyniosła 1789,6 • dużym skosie (1;7,5; 1:6,6; 1:4,8). m. W aspekcie konstrukcyjnym rozjazdy dzieli się we- W trzecim przypadku długość stacji wyniosła 2012,4 dług szyn użytych do budowy rozjazdu: m. • 69 E 1, W czwartym przypadku długość stacji wyniosła • 49 E 1. 2290,4 m. Droga zwrotnicowa składa się z torów prostych lub Czas przejazdu pociągów na wprost przez stacje dla położonych w łukach poziomych, w których zlokali- pierwszego, drugiego, trzeciego i czwartego wariantu zowane są rozjazdy i skrzyżowania torów, umożliwia- konstrukcji wyniósł odpowiednio: 23, 26, 29, 33 s. jące przejazd z jednych na inne. Często jednak konieczny jest przejazd pociągów nie Układając rozjazdy w drogach zwrotnicowych, należy po torze głównym zasadniczym będącym przedłuże- zapewnić bezpieczny oraz płynny przejazd pociągów. niem toru szlakowego, po którym jedzie pociąg, a po Spełnienie tych warunków wymaga układania wsta- torze głównym zasadniczym sąsiednim. wek prostych o określonej długości między sąsiednimi Może to być spowodowane przez następujące przy- rozjazdami [11,13]. czyny: Do badań wybrano mała stację pośrednią z czterema torami głównymi i dwoma torami bocznymi. • planowe roboty torowe na szlaku lub na stacji, Do konstrukcji głowicy stacyjnej zastosowano nastę- • uszkodzenie torów szlakowych lub stacyjnych, pujące rozjazdy: • awaryjne naprawy torów, • 60 E 1 – 2500 – 1:26,5, • awarie zasilania torów szlakowych lub • 60 E 1 – 1200 – 1: 18,5, stacyjnych, • 60 E 1 – 500 – 1: 12, • awaryjne naprawy sieci trakcyjnej na szlaku • 60 E 1 – 300 – 1:9. lub stacji, Na długość głowicy stacyjnej składa się długość drogi • awarie urządzeń sterowania ruchem, zwrotnicowej i długość przejść trapezo-wych [1,2,12]. • awaryjne naprawy urządzeń sterowania W pierwszym przypadku obliczono długość głowicy ruchem, stacyjnej zbudowanej z rozjazdów o skosie zasadni- • awarie pociągów na szlaku lub stacji, czym 60 E 1 – 300 – 1:9 (układ podstawowy). • wykolejenie pociągów na szlaku lub stacji, W drugim przypadku między torem bocznym a głów- • zapełnienie stacji pociągami. nym dodatkowym, zlokalizowany był rozjazd 60 E 1 – Wówczas czas przejazdu pociągów przez stacje wy- 300 – 1:9, między torem głównym dodatkowym a dłuża się. zasadniczym oraz w przejściu trapezowym zlokalizo- Czas ten składa się wówczas z następujących czasów wane były rozjazdy 60 E 1 – 500 – 1:12. składowych: Trzeci przypadek różnił się od drugiego tym, że w • czasu na hamowanie pociągu, przejściu trapezowym zlokalizowane były rozjazdy 60 • czasu na przejazd przez stację ze stałą prędko- E 1 – 1200 – 1: 18,5. ścią, równą prędkości jazdy przez rozjazd na odgałęzienie,

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 36 Rys. 1 Głowica stacyjna

• czasu na rozpędzanie pociągu. BIBLIOGRAFIA Obliczenia przeprowadzono dla wartości przyspieszenia i opóźnienia pociągów równego 0,6 1. Bałuch H.: Układy geometryczne połączeń torów. m/s2. WKiŁ Warszawa 1989. Przy tym sposobie przejazdu dla pierwszego, 2. Cieślakowski S. J.: Stacje kolejowe. WKiŁ Warszawa drugiego, trzeciego i czwartego wariantu konstrukcji 1992. stacji czasy przejazdu pociągów kształtowały się 3. De Rus G (red.).: Economic. Analysis of High Speed odpowiednio następująco: 223 s, 171 s, 114 s. 92. Rail in Europoe. Fundacja BBVA. Bilbao. 2009. Badania przeprowadzono na przykładzie 4. EU transport in figures. Statistal Pocketbook 3011. głowicy stacyjnej przedstawionej na rys. 1. European Commission. Belgia 2011. 5. High Speed in Europe. A sustainable link between citi- WNIOSKI zens. European Commission. 2010. 6. High Speed Rail & Sustainability. Report. UIC. 2011. Z wykonanej pracy wynikają następujące wnioski: 7. Instrukcja prowadzenia ruchu pociągów. PKP PLK 1. Wydłużenie czasu przejazdu pociągów spowo- S.A. Warszawa 2008. dowane jazdą na odgałęzienie jest następujące: 8. Instrukcja /d – 4: Instrukcja o oględzinach, badaniach - dla pierwszego wariantu konstrukcji stacji 201 s, technicznych i utrzymaniu rozjazdów. PKP PLK S.A. - dla drugiego wariantu konstrukcji stacji 145 s, Warszawa 2014. - dla trzeciego wariantu konstrukcji stacji 85 s, 9. Komisja Europejska. 2011. Biała Księga. Plan utwo- - dla czwartego wariantu konstrukcji stacji 59 s. rzenia jednolitego europejskiego obszaru transportu – 2. Na klasycznym – najkrótszym układzie torowym dążenie do osiągnięcia konkurencyjnego i zasoboosz- stacji wydłużenie czasu jest największe. czędnego systemu transportu. KOM (2011) 144. Bruk- 3. Na najdłuższym – najnowocześniejszym układzie sela. 10. Mincewicz J.: KDP – przede wszystkim dobra i bez- torowym stacji wydłużenie czasu jest najmniejsze. pieczna infrastruktura. Infrastruktura transportu 4/2013. 11. Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle kolejowe i ich usytuowa- nie. Dz. U.1998, nr151, poz. 987. 12. Sysak I. i inn.: Drogi kolejowe. PWN Warszawa 1986. 13. Ustawa z 28 marca 2003r. o transporcie kolejowym.(Dz. U. 2003 nr 86, poz.789).

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 37 dr inż. Zbigniew Durzyński, prof. IPS Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”

Prawne regulacje w zakresie taboru kolejowego Ocena bezpieczeństwa podsystemu „TABOR” w zakresie wyceny i oceny ryzyka

Poniższy artykuł jest ostatnim, piątym z cyklu pod wspólnym tytułem „Praw- ne regulacje w zakresie taboru kolejowego”. Zawiera podstawowe informacje opracowane na podstawie różnego rodzaju dokumentów obowiązujących dla taboru kolejowego. Mogą być one pomocne w pracy specjalistów zajmu- jących się konstrukcją, badaniami oraz certyfikacją taboru kolejowego i jego głównych składników oraz w pracy inżynierów zakładów produkujących tabor, szczególnie w zakresie oceny ryzyka dokonywanej przy wprowadzaniu istotnych zmian w eksploatowanym taborze. Artykuł zawiera także tzw. linki do stron internetowych, na których dostępne są całe teksty przytoczonych i omawianych dokumentów.

1. Wprowadzenie Zgodnie z wymaganiami wynikającymi z zapisu § 8. portu Kolejowego), zgodnie z określonymi wymoga- ust. 2 [4] dokumentacja techniczna dołączana do de- mi (art. 9 ust. 2 [1]). Określa to ust. 2 w art. 7 [1]: klaracji weryfikacji WE podsystemu obejmuje: 2. Jeżeli państwo członkowskie uznaje krajowy or- 1) … gan ds. bezpieczeństwa jako jednostkę oceniającą, 7) raport w sprawie oceny bezpieczeństwa wydany spoczywa na nim obowiązek zapewnienia spełnie- przez jednostkę oceniającą w przypadkach określo- nia przez ten krajowy organ ds. bezpieczeństwa nych w rozporządzeniu Komisji (WE) nr 352/2009 z wymogów określonych w załączniku II; w takim dnia 24 kwietnia 2009 r. w sprawie przyjęcia wspól- przypadku funkcje jednostki oceniającej pełnione nej metody oceny bezpieczeństwa w zakresie wyceny przez krajowy organ ds. bezpieczeństwa muszą być i oceny ryzyka, o której mowa w art. 6 ust. 3 lit. a wyraźnie niezależne od pozostałych funkcji krajo- dyrektywy 2004/49/WE Parlamentu Europejskiego i wego organu ds. bezpieczeństwa. Rady (Dz. Urz. UE L 108 z 29.04.2009, str. 4). Istotne zapisy o jednostkach zaangażowanych w pro- Przybliżenia wymagają dwa wyżej wymienione poję- ces oceny ryzyka muszą być przekazywane do Euro- cia: jednostka oceniająca i przypadki wymagające pejskiej Agencji Kolejowej zawiera ust. 1 art. 13 [1], oceny ryzyka. mówiący o dostarczaniu informacji: Zgodnie z art. 13 [1]: 1. Tam gdzie ma to zastosowanie, ale nie później 14) „jednostka oceniająca” oznacza niezależną i niż dnia 21 maja 2015 r., państwa członkowskie in- kompetentną wewnętrzną lub zewnętrzną osobę, formują Agencję o krajowej jednostce akredytują- organizację lub podmiot, które przeprowadzają cej lub jednostce uznającej, lub jednostkach uzna- badanie w celu ocenienia, na podstawie dowodów, jących wyznaczonych na potrzeby niniejszego roz- zdolności systemu do spełnienia wymogów bezpie- porządzenia, jak również o jednostkach oceniają- czeństwa, które się do niego stosują; cych, które uznały zgodnie z art. 9 ust. 1 lit. a). Status jednostki oceniającej, o której mówi wyżej Zgłaszają one również wszelkie zmiany tej sytuacji wymienione rozporządzenie, można uzyskać na pod- w terminie jednego miesiąca od chwili ich wystą- stawie: pienia. Agencja podaje te informacje do wiadomo- a) akredytacji przez krajową jednostkę akredytują- ści publicznej. cą Wymagania dla personelu jednostek oceniających, b) uznania przez jednostkę uznającą. zależne od zakresu ocenianych zagadnień, przedstawia poniższa tablica. Proces akredytacji lub uznania jest przeprowadzany w oparciu o określone kryteria. Należy mieć na uwadze kilka wiążących zapisów Jednostka oceniająca musi uzyskać akredytację Pol- dotyczących okoliczności, w których konieczne jest skiego Centrum Akredytacji, na zasadach określonych przeprowadzenie procesu oceny ryzyka. Zgodnie z art. w wytycznych [6]. 4 [1] wnioskodawca decyduje o znaczeniu zmian Jednostką oceniającą, w przypadku braku jednostek wprowadzonych w pojeździe, uwzględniając: akredytowanych lub uznanych, może być krajowy organ ds. bezpieczeństwa (w Polsce jest Urząd Trans-

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 38 Wymagania wobec personelu jednostki Aspekty bezpieczeństwa oceniającej ryzyko Tabl. 1 Funkcje, które przyczyniają się do spełnienia zasadni- czych wymagań w aspekcie „bezpieczeństwo” okre- ślono w tabeli w pkt 3.1 [4]. Wymagań bezpieczeństwa odnoszące się do tych funkcji ujęto w specyfikacjach technicznych określo- nych w odpowiedniej części pkt 4.2 (np. „bezpieczeń- stwo bierne”, „koła”). Jeżeli dane specyfikacje techniczne muszą być uzu- pełnione wymaganiami wyrażonymi w postaci wyma- gań bezpieczeństwa, to zostały one również określone w odpowiedniej części pkt 4.2. 4). Urządzenia elektroniczne i oprogramowanie stosowane w celu spełnienia funkcji kluczowych dla bezpie- czeństwa opracowuje się i ocenia zgodnie z metodyką właściwą dla urządzeń elektronicznych i oprogramo- wania związanych z bezpieczeństwem. W obszarze konstrukcji mechanicznej nadzorowi pod- legają: interfejsy mechaniczne (sprzęgi wewnętrzne i końcowe oraz ratunkowe), dla których istotnym ob- gdzie: X oznacza, że jednostka oceniająca powinna zdefiniować szarem jest dostęp dla personelu. kryteria i dogłębność wiedzy i umiejętności, a X+ oznacza konieczność pogłębionej wiedzy i umiejętności. Dostęp dla personelu do sprzęgania / rozprzęgania - skutki awarii Pojazdy kolejowe powinny być skonstruowane tak, - innowacyjność aby pracownicy nie byli narażeni na nadmierne ryzy- - złożoność zmiany ko podczas sprzęgania i rozprzęgania lub akcji ratow- - możliwość monitorowania niczych. - odwracalność zmiany Aby spełnić to wymaganie, określone w pkt 4.2.2.2.3 - skutek przeprowadzonych niedawno zmian. pojazdy kolejowe wyposażone w układy sprzęgu Jeżeli proponowana zmiana nie ma wpływu na bez- ręcznego powinny spełniać następujące wymagania pieczeństwo, nie istnieje konieczność stosowania pro- („przestrzeń berneńska”): cesu zarządzania ryzykiem opisanego. — Wymagane przestrzenie pokazane na rys. A2 w Zgodnie z [2] wnioskodawca do celów oceny swojej załączniku A powinny być wolne od części sta- demonstracji zgodności wyznacza jednostkę notyfi- łych. W związku z tym wymaganiem części skła- kowaną dla podsystemu „Tabor” lub jednostkę dowe mechanizmu sprzęgającego znajdują się w oceniającą. położeniu bocznym względem jego linii środko- wej. 2. Wybrane wymagania dla różnych rodzajów W przestrzeni tej mogą znajdować się kable połą- taboru czeniowe i węże elastyczne, jak również elastyczne 2.1. Lokomotywy i tabor pasażerski odkształcalne elementy przejść. Pod zderzakami Ocena bezpieczeństwa, w oparciu o ocenę ryzyka, dla nie powinny znajdować się żadne urządzenia, które lokomotyw i taboru pasażerskiego weryfikuje kom- utrudniałyby dostęp do omawianej przestrzeni. pletność rejestru zagrożeń oraz poprawność analizy — Jeżeli zainstalowany został kombinowany sprzęg zagrożeń, doboru środków ograniczania ryzyka oraz samoczynny i sprzęg śrubowy, dopuszczalne jest, przyjętych kryteriów akceptowalności ryzyka. aby głowica sprzęgu automatycznego „wchodziła” Specyfikacja TSI LOC&PAS podaje dla 115 elemen- z lewej strony w prostokąt berneński (jak widać na tów pojazdów trakcyjnych i pasażerskich relacje po- rys. A2), gdy jest on schowany i gdy używany jest między wymaganiami zasadniczymi a wymaganiami sprzęg śrubowy. szczegółowymi ujętymi w podrozdziałach rozdziału 4. — Pod każdym zderzakiem znajduje się poręcz. Porę- tej specyfikacji. Zestawienie to wykorzystuje się dla cze wytrzymują siłę 1,5 kN. zapewnienia kompletności rejestrów zagrożeń dla Przejścia międzywagonowe konkretnych pojazdów. Konieczne jest jednak ujęcie W przypadku, gdy zapewnione jest przejście między- w rejestrze także innych zagrożeń właściwych dla wagonowe jako możliwość przemieszczania się danego typu pojazdu. Przykładowo wskazać można pasażerów między jednym wagonem osobowym następujące kwestie wymagające szczegółowej anali- /pociągiem zespołowym a drugim, nie powinno to zy od identyfikacji zagrożeń poprzez wybór metody wiązać się z narażaniem pasażerów na nadmierne oceny do wyboru i weryfikacji spełnienia kryterium ryzyko. akceptacji ryzyka.

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 39 W przypadku, gdy przewiduje się eksploatację bez c.d. tabl.2 połączenia przejść międzywagonowych, powinna istnieć możliwość zablokowania pasażerom dostępu do tego przejścia. Wymagania dotyczące drzwi w przejściach między- wagonowych w sytuacji, gdy dane przejście nie jest używane, wymieniono w pkt 4.2.5.8 „Kwestie doty- czące pasażerów – drzwi między pojazdami kolejowymi”. Wymagania dodatkowe przedstawiono w TSI „Do- stępność dla osób o ograniczonej możliwości poru- szania się” (pkt 4.2.2.7 „Przejścia”). Wymagania te nie mają zastosowania w odniesieniu do końca pojazdów w przypadku, gdy omawiana przestrzeń nie jest przeznaczona do normalnego ko- rzystania przez pasażerów. Hamowanie – wymagania bezpieczeństwa Dla uwzględnionych scenariuszy zagrożenia muszą być spełnione odpowiednie wymagania bezpieczeń- stwa określone w tabeli poniżej. Jeżeli w tabeli okre- ślono stopień ciężkości skutków, to należy wykazać, że odpowiednie ryzyko jest kontrolowane w zadowa- lający sposób, biorąc pod uwagę awarię funkcjonalną, która podstawowo wykazuje wiarygodne prawdopo- Wnioskodawca powinien wykazać zgodność ze dobieństwo bezpośredniego spowodowania skutków o zharmonizowanym kryterium poprzez zastosowa- stopniu ciężkości określonym w tabeli. nie załącznika I-3 do CSM w zakresie wyceny i oceny ryzyka. Do celów wykazania zgodności za- stosować można następujące zasady: podobieństwo Układ hamulcowy — wymagania bezpieczeństwa Tabl. 2 do systemu referencyjnego (systemów referencyj- nych), zastosowanie przyjętych sposobów postę- powania, zastosowanie teorii prawdopodobień- stwa. Wnioskodawca powinien wyznaczyć jednostkę oceniającą, wspomagającą wykazanie zgodności, jakie on przedstawi: jednostkę notyfikowaną wy- braną dla podsystemu „Tabor” lub jednostkę oce- niającą, zgodnie z CSM w zakresie wyceny i oceny ryzyka. Ocena powinna być udokumentowana w certyfika- cie WE wydanym przez jednostkę notyfikowaną lub w deklaracji weryfikacji WE wydanej przez wnioskodawcę. Deklaracja weryfikacji WE powinna zawierać stwierdzenie o zgodności z wymienionym kryterium i powinna być uznawana we wszystkich pań- W badaniu dotyczącym bezpieczeństwa uwzględnia stwach członkowskich. się dodatkowe układy hamulcowe na warunkach wy- W przypadku dodatkowych zezwoleń na dopusz- mienionych w pkt 4.2.4.7 i 4.2.4.8. czenie do eksploatacji pojazdów stosuje się art. 23 Zgodność z wymaganiami podanymi w odniesieniu do ust. 1 dyrektywy 2008/57/WE lub zagrożeń nr 1 i nr 2 w tabeli 6 w pkt 4.2.4.2 należy wykazać za pomocą jednej z dwóch poniższych me- 2. Zastosowanie wyceny ryzyka i oceny ryzyka zgod- tod: nie z CSM w zakresie wyceny i oceny ryzyka. 1. Zastosowanie zharmonizowanego kryterium okre- Deklaracja weryfikacji WE powinna zawierać in- ślonego w dopuszczalnym poziomie zagrożenia formacje o zastosowaniu tej metody. rzędu 10-9 na godzinę. Deklaracja weryfikacji WE powinna zawierać Kryterium to jest zgodne z rozporządzeniem (WE) informacje o zastosowaniu tej metody. nr 352/2009 (zwanym dalej „CSM w zakresie wyceny i oceny ryzyka”) załącznik I, pkt 2.5.4.

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 40 Wnioskodawca powinien wyznaczyć jednostkę Przegrody oceniającą, wspomagającą wykazanie zgodności, Aby ograniczyć skutki pożaru, pomiędzy jakie on przedstawi, zgodnie z CSM w zakresie zidentyfikowanymi potencjalnymi źródłami ognia wyceny i oceny ryzyka. (składnikami wysokiego ryzyka) a przewożonym Należy przedstawić raport w sprawie oceny bez- ładunkiem instaluje się przegrody ogniowe pieczeństwa dokumentujący przeprowadzoną wy- zachowujące szczelność ogniową przez co najmniej 15 cenę i ocenę ryzyka; raport ten powinien obejmo- minut.Sposób wykazania zgodności opisano w pkt 6.2.2.8.1. wać: Materiały — analizę ryzyka, Wszystkie materiały trwałe zastosowane w jednostce — zasadę akceptacji ryzyka, kryterium akceptacji mają ograniczone właściwości w zakresie zapalności i ryzyka oraz środki bezpieczeństwa, jakie mają rozprzestrzeniania się ognia, chyba że: być wdrożone, — materiał jest oddzielony od wszelkich potencjal- — wykazanie zgodności z kryterium akceptacji ry- nych zagrożeń pożarowych w jednostce za pomocą zyka oraz ze środkami bezpieczeństwa, jakie przegrody ogniowej i jego bezpieczne stosowanie mają być wdrożone. jest poparte oceną ryzyka, lub Krajowy organ ds. bezpieczeństwa w zaintereso- — masa składnika < 400 g i składnik jest położony w wanym państwie członkowskim powinien odległości ? 40 mm w poziomie i ? 400 mm w pio- uwzględnić raport w sprawie oceny bezpieczeń- nie od innych niebadanych składników. stwa zgodnie z pkt 2.5.6 w załączniku I oraz art. 7 Sposób wykazania zgodności opisano w pkt 6.2.2.8.2. ust. 2 CSM w zakresie wyceny i oceny ryzyka. W przypadku dodatkowych zezwoleń na dopusz- 3. Podsumowanie czenie do eksploatacji pojazdów stosuje się art. 7 Cykl artykułów zamieszczonych w kwartalniku Po- ust. 4 CSM w zakresie wyceny i oceny ryzyka w jazdy Szynowe pod wspólnym tytułem „Prawne regu- odniesieniu do uznania raportu w sprawie oceny lacje w zakresie taboru kolejowego”, oprócz niniej- bezpieczeństwa w innych państwach członkow- szego obejmowała następujące tytuły: skich. - Unijne i krajowe przepisy dotyczące taboru kolejowego 2.2. Wagony towarowe - Akredytacja, autoryzacja i notyfikacja ośrodków Zasady postępowania dla tego podsystemu są podobne certyfikujących i laboratoriów badawczych jak dla lokomotyw i taboru pasażerskiego. Specyfika- - Ocena zgodności podsystemu „Tabor” i jego cja TSI WAG podaje dla 31 elementów wagonów składników interoperacyjności towarowych relacje pomiędzy wymaganiami zasadni- - Ocena zgodności podsystemu „Sterowanie – czymi a wymaganiami szczegółowymi ujętymi w pod- urządzenia pokładowe” i jego składników interope- rozdziałach rozdziału 4. tej specyfikacji. racyjności Wymagania w zakresie bezpieczeństwa Przedstawiły one istotne informacje w oparciu o aktu- Konstrukcja układu hamulcowego jednostki musi zo- alnie obwiązujące przepisy prawne. Pomocny w sto- stać poddana ocenie ryzyka zgodnie z rozporządze- sowaniu przepisów zawartych w TSI może być prze- niem Komisji [1], biorąc pod uwagę ryzyko całkowitej wodnik wydany przez Europejską Agencję Kolejową utraty zdolności hamowania jednostki. Stopień ciężko- [7]. ści uznaje się za katastrofalny, kiedy: Należy jednak mieć na uwadze duże tempo zmian — ma wpływ na samą jednostkę (kombinacja awarii), przepisów dotyczących podsystemów kolejowych, co lub odnosi się nie tylko do Technicznych Specyfikacji — ma wpływ na zdolność hamowania więcej niż jed- Interoperacyjności będących podstawą oceny w zakre- nej jednostki (pojedyncza wada). sie ryzyka, lecz do wszystkich pozostałych opisanych Spełnienie warunków C.9 i C.14 dodatku C uznaje się wcześniej zagadnień. za spełnienie tego wymogu. W tablicy poniżej przedstawiono zestawienie kolej- Bezpieczeństwo przeciwpożarowe nych wersji TSI dotyczących bezpośrednio i pośred- Należy zidentyfikować wszystkie istotne potencjalne nio podsystemu tabor kolejowy, począwszy od 2008 r. źródła ognia (składniki wysokiego ryzyka) w danej Częstość zmian wskazuje na konieczność stałego śle- jednostce. Celem aspektów bezpieczeństwa przeciw- dzenia aktualności dokumentów regulujących obszar pożarowego projektu jednostki jest: kolei europejskich. — zapobieganie powstawaniu pożaru, — ograniczanie skutków ewentualnego pożaru. Towary przewożone na jednostce nie stanowią jej części i nie muszą być uwzględniane przy ocenie zgodności.

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 41 Zestawienie aktualizacji TSI w latach 2008÷2015 [wg ERA - Chronology of TSIs] Tablica 3

CR TSI Rok TSI SRT TSI PRM HS TSI RST CR TSI WAG TSI NOI LOC&PAS 2008 Decision 2006/66 2009 Decision Decision 2008/163 Decision 2006/860 (1st SRT TSI) 2006/861 (2nd HS CCS 2010 EiF: 21/12/2007 (1st CR WAG TSI) DoA: 1/7/2008 TSI) DoA: DoA 7/11/2006 31/01/2008 2011 Decision Decision 2012 2008/232 2008/164 (2nd HS RST 2013 (1st PRM TSI) TSI) EiF: 27/12/2007 Regulation EiF: 21/2/2008 DoA: 1/7/2008 Decision 321/2013 Decision DoA: 1/9/2008 Decision 2011/291 (2nd CR WAG 2011/291 2011/229 (1st LOC& TSI) (amendment) (2nd NOI TSI ) PAS TSI) EiF 13/4/2013 DoA: 1/6/2011 (CR only) 2014 DoA: 1/6/2011 DoA: 1/1/2014 Regulation 1236/2013 amendment EiF 4/12/2013 DoA:1/1/2014 Regulation Regulation Regulation Amendment on 1303/2014 (2nd 1300/2014 (2nd Regulation 1302/2014 1304/2014 (3rd CBB Positive 2015 SRT TSI) PRM TSI) (1st merged RST TSI) NOI TSI) RISC opinion in EiF/DoA: EiF/DoA: EiF/DoA: 1/1/2015 EiF/DoA: Nov 2014 1/1/2015 1/1/2015 1/1/2015

DoA - date of application (data wdrożenia); EiF: entry in force (wejście w życie)

4. Dokumenty odniesienia

[1] Rozporządzenie Wykonawcze Komisji (UE) nr [4] Rozporządzenie Ministra Transportu, Budow- 402/2013 z dnia 30 kwietnia 2013 r. w sprawie nictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 6 listopada wspólnej metody oceny bezpieczeństwa w zakre- 2013 r. w sprawie interoperacyjności kolei (Dz. sie wyceny i oceny ryzyka i uchylające rozpo- U. 2013 poz. 1297) rządzenie (WE) nr 352/2009 [5] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Roz- [2] Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1302/2014 z woju z dnia 15 grudnia 2014 zmieniające rozpo- dnia 18 listopada 2014 r. w sprawie technicznej rządzenie w sprawie interoperacyjności systemu specyfikacji interoperacyjności odnoszącej się kolei (Dz. U. 2014 poz. 1976). do podsystemu „Tabor - lokomotywy i tabor pa- [6] Akredytacja jednostek oceniających do działal- sażerski” systemu kolei w Unii Europejskiej ności objętej Rozporządzeniem Wykonawczym [3] Rozporządzenie Komisji (UE) NR 321/2013 z Komisji (UE) nr 402/2013. DAK-08. Wydanie 1. dnia 13 marca 2013 r. dotyczące technicznej Warszawa, 13.03.2015 r. specyfikacji interoperacyjności odnoszącej się [7] Przewodnik stosowania technicznych specyfika- do podsystemu „Tabor – wagony towarowe” cji interoperacyjności (TSI). ERA/GUI/07- systemu kolei w Unii Europejskiej i uchylające 2011/INT. Wersja 1.02. 30.11.2012. decyzję 2006/861/WE

42 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 mgr inż. Piotr Gołębiowski dr inż. Ilona Jacyna-Gołda dr inż. Konrad Lewczuk mgr inż. Emilian Szczepański Politechnika Warszawska,

Ocena emisji spalin w transporcie kolejowym w porównaniu z transportem drogowym

Transport jest jednym z najbardziej destrukcyjnych działów gospodarki dla śro- dowiska, z wyjątkiem niektórych rodzajów przemysłu ciężkiego i rolnictwa. Należy dążyć do ograniczenia jego negatywnego wpływu na środowisko. Jednym z działań może być ograniczenie wielkości emisji szkodliwych związków spalin. Do oceny słuszności zaproponowanych zmian można wykorzystać analizy scenariuszowe. W artykule przedstawiona została analiza i ocena wielkości emisji szkodliwych związków spalin w transporcie kolejowym w porównaniu z transportem drogowym. Analizę i ocenę przeprowadzono dla wybranych lat z uwzględnieniem trzech scenariuszy: zwiększenia wielkości potoku ruchu do przewiezienia, zmiany kształtu sieci kolejowej oraz zmiany struktury pojazdów samochodowych. Badania przeprowadzono dla wybranego ciągu komunikacyjnego.

1 WPROWADZENIE Prowadząc badania nad rozwojem gospodar- We wszystkich sytuacjach decyzyjnych doty- ki, oprócz podstawowego celu jakim jest obniżenie czących z jednej strony projektów transportowych na kosztów i zwiększenie efektywności, należy wziąć dużą skalę a z drugiej strony codziennych działań, pod uwagę istotny problem, którym jest ochronna decydenci powinni zatem szukać kompromisu po- środowiska naturalnego. Aby wspólnie dbać o śro- między kwestiami środowiskowymi, ekonomicznymi dowisko społeczeństwa powinny porozumieć się i i społecznymi, by analizowany system transportowy podjąć właściwe decyzje dla prawidłowego funkcjo- był bardziej przyjazny środowisku. Sytuacja może nowania poszczególnych działów gospodarki naro- zostać poprawiona poprzez organizowanie systemów dowej. transportowych z uwzględnieniem zasad zrównowa- Jedną z najbardziej istotnych gałęzi gospo- żonego rozwoju [4], w którym rozwój nie tylko po- darki narodowej jest transport. Dział ten jest jednym winien skupiać się na minimalizacji emisji, ale sta- z najbardziej destrukcyjnych dla środowiska, z wy- nowić świadome działania mające na celu ochronę jątkiem niektórych rodzajów przemysłu ciężkiego i środowiska naturalnego. rolnictwa. Ciągły rozwój transportu zwiększa jego Podjęcie jednoznacznej decyzji, która pozwa- negatywny wpływ na środowisko i cywilizację. lała będzie na kompromis między aspektem społecz- Wpływ ten wyraża się poprzez [15]: nym, ekonomicznym i środowiskowym jest skompli- − emisję gazów cieplarnianych przyczyniają- kowane. Poszukuje się zatem metod analitycznych, cych się do zmian klimatycznych, które pozwolą na analizę problemów kształtowania − lokalną emisję zanieczyszczeń powietrza systemu transportowego w sposób globalny. Jedną z wpływających negatywnie na zdrowie ludzi metod jest zastosowanie analiz scenariuszowych. i lokalne środowisko przyrodnicze, Istniejące modele wspomagające proces ana- − zajmowanie cennych przyrodniczo terenów i lizy systemów transportowych oraz podejmowania rozcinanie ich ciągłości (fragmentacja) no- decyzji dotyczących rozwoju pozwalają jedynie na wobudowanymi ciągami infrastruktury tech- analizę każdego z dostępnych rodzajów transportu nicznej, przyczyniające się do utraty różno- oddzielnie. Poprawnie sformułowana strategia rodności biologicznej, rozwoju transportu nie powinna stanowić złożenia − emitowanie hałasu zagrażającego ludzkiemu planów rozwojowych opracowanych dla poszczegól- zdrowiu. nych rodzajów transportu, tylko powinna być opra- Należy dążyć do ograniczenia negatywnego wpływu cowana w sposób globalny. Zatem zadaniem badaczy transportu na środowisko naturalne, a przede wszyst- systemów transportowych jest m.in. przygotowanie kim na życie i zdrowie ludzi. modeli analitycznych pozwalających w szczególności

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 43 na badanie interakcji pomiędzy wybranymi gałęziami częściowe przeniesienie potoku ruchu z gałęzi cechu- transportu [11]. Przykładem zastosowania tego jących się wysoką emisyjnością (jak np. transport rodzaju modelu może być sformułowanie propozycji samochodowy) na gałęzie cechujące się niską emi- dotyczących słuszności realizacji konkretnej inwe- syjnością (jak np. transport kolejowy). stycji np. w jakim stopniu zrealizowanie inwestycji Jak już wspomniano powyżej, należy dążyć drogowej na danym ciągu transportowym wpłynie na do tego by ograniczyć negatywny wpływ transportu zmniejszenie kosztów tego rodzaju transportu oraz w na środowisko. Jednym z działań może być ograni- rezultacie w jakim stopniu spowoduje to przeniesie- czenie wielkości emisji szkodliwych związków spa- nie części potoku ruchu z innej gałęzi transportu (ko- lin. Zanim działania zostaną wprowadzone należy lei, żeglugi śródlądowej itp.). Tego rodzaju modele przeprowadzić ich ocenę czy są słuszne i rzeczywi- mogą znaleźć także zastosowanie przy określaniu ście pozwalają na ograniczenie negatywnego wpływu priorytetów polityki transportowej kraju. Można np. transportu na środowisko. Mogą do tego posłużyć ocenić wpływ kosztów zewnętrznych na przeniesie- analizy scenariuszowe. W artykule przedstawiona nie potoku ruchu z rozpatrywanej gałęzi transportu na została analiza i ocena wielkości emisji szkodliwych inne gałęzie [1]. W rezultacie stwarza to możliwość związków spalin w transporcie kolejowym w porów- oceny efektywności zamierzeń w dziedzinie polityki naniu z transportem drogowym. Analizę i ocenę transportowej kształtowania zrównoważonego przeprowadzono dla lat 2014, 2015, 2020 i 2025. rozwoju systemu transportowego. Uwzględniono trzy scenariusze: zwiększenie wielko- O wielkości przewozów ładunków i osób z ści potoku ruchu do przewiezienia, zmianę kształtu wykorzystaniem danej gałęzi transportu decydują: sieci kolejowej oraz zmianę struktury pojazdów sa- popyt, podaż oraz cena transportu. Nabywcy usług mochodowych. Badania przeprowadzono dla ciągu transportowych generują popyt na usługi transporto- komunikacyjnego Warszawa – Łódź, w którym pro- we, natomiast dostawcy usług transportowych gene- wadzone są intensywne prace modernizacyjne zwią- rują podaż usług transportowych [14]. Jakość wyko- zane z poprawą parametrów drogi kolejowej. W rzystania oferty dostawcy usług transportowych związku z tym wprowadzane są alternatywne rozwią- związana jest z jakością systemu rozumianego jako zania, które mają pomóc pasażerom ale nie są przy- system transportowy [14]. Kryteria oceny jakości jazne środowisku. Z tego punktu widzenia przepro- systemu transportowego wynikają ze strategii polity- wadzona zostanie analiza. ki transportowej poszczególnych operatorów, prze- 2 ISTOTA ANALIZ SCENARIUSZOWYCH woźników itp., realizujących określoną politykę Jak wspomniano we wprowadzeniu, rzeczy- transportową [6], [9], [11], [13]. wisty system transportowy jest trudny do analizowa- Strategie rozwoju systemu transportowego w nia ze względu na różnorodność zjawisk oraz czynni- ujęciu proekologicznym powinny uwzględniać inte- ków na niego wpływających. Z jednej strony są to resy wszystkich uczestników procesu transportowe- potrzeby zgłaszane przez nabywców usług transpor- go, a także tych, którzy stanowią otoczenie systemu towych, a z drugiej strony możliwości, techniczne, transportowego (nie biorą bezpośrednio udziału w technologiczne czy finansowe dostawców usług. Bio- procesie przemieszczania – np. ludzie mieszkający w rąc pod uwagę fakt, że wszelkiego rodzaju inwestycje okolicy przejazdu kolejowego, gdzie występuje duże infrastrukturalne i suprastrukturalne są czasochłonne i natężenie hałasu). Należy tu wziąć pod uwagę po- kapitałochłonne to bez odpowiedniej analizy z zasto- ziom szkodliwego oddziaływania transportu na śro- sowaniem właściwych metod i narzędzi nie jest moż- dowisko (aspekt ekologiczny), oraz poziom bezpie- liwy prawidłowy rozwój systemu transportowego. czeństwa ruchu (liczebność i skutki wypadków czy Jedną z metod, stosowaną również przy podejmowa- katastrof). Zatem o rozwoju poszczególnych rodza- niu decyzji w obszarze transportu, jest metoda scena- jów transportu i w konsekwencji poszczególnych riuszowa. rodzajów dróg transportowych decyduje nie tylko Metoda scenariuszowa polega na możliwie rozwój technologii przewozowych ale także i czynni- kompletnym opisaniu badanego obiektu lub systemu ki ograniczające rozwój, takie jak: ekologia czy bez- z wyszczególnieniem maksymalnej liczby ważnych pieczeństwo [2], [8], [9], [10]. czynników, które na niego oddziałują, a następnie na Współczesna polityka transportowa poszcze- naszkicowaniu możliwości rozwojowych i uzasad- gólnych krajów zwraca szczególną uwagę na związek nieniu realności danych sytuacji decyzyjnych. W między transportem drogowym a innymi rodzajami efekcie powstaje wiele możliwych, potencjalnych transportu, w szczególności transportu kolejowego. obrazów przyszłości [16], [17], [18], [19]. Wysoka i ciągle rosnąca emisja związków szkodli- Scenariusze przyszłości to opisy czy obrazy wych spalin przez pojazdy wymusza konieczność rzeczywistości i zjawisk tworzone na konkretny mo- wprowadzania zmian w organizacji ruchu zwłaszcza ment w przyszłości, które w szczególności powinny na wybranych obszarach (miasta, obszary cenne zawierać [18]: opis stanu rzeczywistości na koniec przyrodniczo). Jednym z rozwiązań może być także ustalonego horyzontu czasu realizowanego scenariusza, interpretację bieżących zjawisk i ich konsekwen-

44 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 cje w przyszłości. Zatem na podstawie zapropono- wanego scenariusza rozwoju danego systemu powinno się uzyskać wewnętrznie spójny obraz przy- szłej rzeczywistości badanego systemu. Zaletą analiz scenariuszowych jest to iż ze względu na możliwość badania wielu sytuacji decyzyjnych przy różnych uwarunkowaniach stanowią one rozbudowaną metodę pozwalającą na analizę ryzyka. Stosując tego rodzaju analizy możliwe jest przeprowadzenie badań równoczesnego wpływu wielu czynników na wynik oceny. Dotyczy to na przy- kład badania wariantów modernizacji elementów infrastruktury przy różnych założeniach i wpływu inwestycji infrastrukturalnych na zachowania nabyw- ców i dostawców usług transportowych. Biorąc pod uwagę powyższe można stwierdzić, że planowanie scenariuszowe stanowi ważne narzędzie służące do określania czynników ryzyka oraz ustalania obszarów niepewności związanych z działalnością danej bran- ży, organizacji, przedsiębiorstwa czy segmentu rynku. Na podstawie analiz w różnym układzie, przy uwzględnieniu szerokiego spectrum uwarunkowań społecznych, gospodarczych, ekonomicznych itp., przedstawia się scenariusze rozwoju począwszy od Rys. 1. - Algorytm przeprowadzania analiz scenariuszowych bardzo negatywnych (np. zakładające zaprzestanie Na etapie formułowania problemu będącego rozwijania produkcji silników, które są systematycz- przedmiotem analiz scenariuszowych należy sprecy- nie ulepszane) do bardzo korzystnych (np. całkowite zować cel badań, który chcemy osiągnąć oraz prze- ograniczenie kursowania pojazdów posiadających znaczenie badań, tj. czemu takie analizy mają służyć silniki z normą emisji EURO 0, 1, 2, 3 i 4). Dzięki – czy są przeznaczone do analiz w horyzoncie długo- temu można ustalić czynniki, które istotnie wpływają czy krótkookresowym, czy uwzględniany jest tylko na zachowania nabywców i dostawców usług trans- jeden rodzaj transportu czy tez analiza ma służyć do portowych. Oznacza to, że na przykład na podstawie badania interakcji międzygałęziowej. Wiedza ta jest analizy skrajnie negatywnych scenariuszy otoczenia istotna ze względu na uwarunkowania techniczne, systemu transportowego można opracować takie technologiczne, ekonomiczne, organizacyjne i praw- narzędzia, choćby w postaci polityki transportowej, ne, które należy wziąć pod uwagę przy definiowaniu które pozwolą na zapobieżenie prognozowanych poszczególnych wariantów rozwoju systemu trans- negatywnych skutków rozwoju systemu transporto- portowego (etap drugi procedury analiz scenariuszo- wego. wych). Procedurę analiz scenariuszowych przedsta- Kolejny etap procedury to budowa modelu wiono na rys. 1. Można ją podzielić na trzy główne analizy systemowej, uwzględniającego różne warian- etapy badań, zgodnie z procedurą analizy systemo- ty (scenariusze) rozwoju systemu transportowego. wej: Można powiedzieć, że jest to etap główny. Do kon- − etap I – sformułowanie problemu, będącego struowania właściwego modelu systemu lub procesu, przedmiotem analiz scenariuszowych, w tym przypadku rozwoju systemu transportowego − etap II – etap budowy modelu oceny z wyko- podchodzi się iteracyjnie [14]. Na tym etapie doko- rzystaniem metody analizy scenariuszowej, nuje się ustalenia wszystkich niezbędnych czynni- przy czym na tym etapie szczególne znacze- ków, które należy wziąć pod uwagę przy opracowy- nie ma odpowiednie przygotowanie danych waniu takiego modelu (technicznych, technologicz- do prowadzenia analiz scenariuszowych, nych, ekologicznych itp.). Ważnym etapem całej opracowanie i wyselekcjonowanie właści- procedury wyboru właściwego scenariusza rozwoju wych wariantów do prowadzenia analiz oraz systemu transportowego jest ustalenie systemu war- wybór kryteriów oceny wariantów, tościowania i wskaźników oceny jakości rozwiąza- − etap III – ocena wariantów na podstawie wie- nia, tj. kryteriów decydenta. Ocena pozytywnych i lokryterialnej oceny uwzględniając uprzednio negatywnych skutków każdego z możliwych warian- przygotowany układ wartości kryteriów. tów postępowania, względniającą niepewność przy- szłości sprowadza się do analizy porównawczej róż-

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 45 nych scenariuszy rozwoju według zdefiniowanych terialnych pozwalających na ocenę decyzji z punktu kryteriów czy też wskaźników oceny. Jednym z kry- widzenia wielu kryteriów. Podstawowa trudność w teriów oceny jakości rozwiązania, jakie można zasto- praktycznej realizacji koncepcji wielokryterialnej sować w problemach modelowania proekologicznych funkcji celu polega na tym, że tylko w wyjątkowych systemów transportowych, można zastosować koszty przypadkach mamy do czynienia z decyzją zapewnia- emisji spalin przez pojazdy drogowe. Koniecznym jącą wzajemną zgodność poszczególnych cząstko- jest ustalenie szeregu ograniczeń, które pozwolą na wych funkcji kryteriów. Z reguły uwzględnienie w uzyskanie konkretnej wartości rozwiązania. modelu wielokryterialnego programowania matema- Ostatni etap to ocena wariantów na podstawie tycznego więcej niż jednej funkcji kryterium nie wielokryterialnej oceny uwzględniając uprzednio prowadzi do jednoznacznie najlepszego rozwiązania, przygotowany układ wartości kryteriów (patrz punkt tj. takiego, które zapewniałoby optimum ze względu trzeci). na wszystkie kryteria jednocześnie. W przypadku, Problemem, który jest przedmiotem niniej- gdy chodzi o wybór wariantu rozwoju zrównoważo- szego artykułu, jest ocena z wykorzystaniem proce- nego systemu transportowego jest to, jak wspomnia- dury analizy scenariuszowej emisji spalin w trans- no wcześniej, trudne i skomplikowane. porcie kolejowym w porównaniu z transportem dro- Aby dokonać właściwych analiz należy wy- gowym. Celem analizy scenariuszowej jest zatem konać wiele wariantów alternatywnego rozłożenia przeprowadzenie analizy czy transport kolejowy ce- potoku ruchu dla ustalonych scenariuszy rozwoju i na chuje się większą emisją związków szkodliwych tej podstawie dokonać ich oceny, a następnie doko- spalin czy mniejszą w stosunku do transportu samo- nać wyboru jednego z wariantów rozwoju systemu chodowego. Z wykorzystaniem modelu EMITRAN- transportowego. Oczywiście wybór ten dokonywany SYS [10] zaimplementowanego w programie PTV powinien być w oparciu o układ wartości kryteriów VISUM przeprowadzone zostało rozłożenie potoku otrzymanych dla każdego z wariantów [9]. pasażerów na ciąg komunikacyjny Warszawa – Łódź, W wyniku rozwiązania sformułowanych za- w którym uwzględniono transport kolejowy, autobu- dań optymalizacyjnych dla różnych funkcji kryteriów sy i samochody osobowe. Poszczególne połączenia w i dla różnych kompletów ograniczeń uzyskuje się sieci opisane były charakterystykami o interpretacji niezbędne dane dla wielokryterialnej oceny rozłoże- wielkości kosztów zewnętrznych związanych z zania potoku ruchu. Wyniki wielokryterialnej oceny nieczyszczeniem powietrza. Jako wskaźnik oceny rozłożenia potoku ruchu w sieci transportowej, prze- jakości rozwiązania przyjęto całkowitą wielkość kazywane są ekspertom (decydentom) z danej dzie- kosztów zewnętrznych związanych z zanieczyszcze- dziny. Ich akceptacja otrzymanego rozwiązania koń- niem powietrza. Wyniki rozłożenia zostały przedsta- czy poszukiwanie rozwiązania problemu. W przy- wione w pracy [13]. Następnie przeprowadzono oce- padku otrzymania wyników niezadawalających po- nę emisji spalin przez dwie gałęzie transportu dla wtarza się proces formułowania zadań optymaliza- trzech scenariuszy: zwiększenia wielkości potoku cyjnych uzupełniając je o dodatkowe ograniczenia pasażerów do przewiezienia, zmiany kształtu sieci lub modyfikację funkcji kryterium. kolejowej oraz zmiany struktury pojazdów. Badania W celu przeprowadzenia wielowariantowego wykonano do lat: 2014, 2015, 2020 i 2025. rozłożenia potoku pasażerów na sieć wybranego cią- gu komunikacyjnego, dla przeprowadzenia oceny 3 METODY I NARZĘDZIA OCENY emisji spalin w transporcie kolejowym w porównaniu Jak wskazano w poprzednim punkcie dla z transportem drogowym, wzięto pod uwagę kryte- oceny rozwoju systemu transportowego sformułowa- rium kosztów zewnętrznych emisji związków szko- na funkcja celu powinna uwzględniać współczesne dliwych spalin. Ich ilość i wysokość jest uzależniona poglądy na rozwiązywanie problemów transporto- od rodzaju usług, np. od rodzaju wybranego środka wych oraz reprezentować racje wszystkich stron transportu. Kryterium to pozwala na przeanalizowa- uczestniczących bezpośrednio bądź pośrednio w for- nie rozłożenia potoku ruchu, gdy preferowane są mułowaniu tej oceny, tj.: dostawców usług transpor- technologie przewozu, dla których szkodliwe oddzia- towych oraz nabywców usług transportowych. Nale- ływanie na środowisko jest mniejsze niż w innych. ży przy tym zauważyć, że każda ze stron biorąca Kryterium kosztów zewnętrznych zanieczysz- udział w procesie decyzyjnym reprezentuje własny czenia powietrza dla wariantowego rozłożenia potoku cel, który jest zazwyczaj sprzeczny z celami pozosta- można przedstawić w postaci następującego wyra- łych grup interesariuszy. żenia: Z uwagi na różnorodny charakter cząstko- wych funkcji celu reprezentowanych przez każdego uczestnika procesu decyzyjnego trudno uzyskać roz- wiązanie satysfakcjonujące każdego z uczestników. W takich przypadkach korzysta się z metod wielokry-

46 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 ∀∈wt()W () t F()X() wt () =∑ kzpii()()() ,,′′ wt ⋅ x()()() ii ,, wt → min (1) ()ii, ′ ∈LE gdzie: t – rok, dla którego dokonano rozłożenie, t ∈ T, w(t) – numer wariantu dla roku t, w(t) ∈ W(t), F(X(w(t))) – wartość funkcji celu dla rozłożenia przeprowadzonego dla wariantu w(t) wyrażona w złotówkach, (i,i’) – analizowany odcinek w strukturze wybranego ciągu komunikacyjnego, (i,i’) ∈ LE, kzp((i,i’),w(t)) – wielkość kosztów zewnętrznych zanieczyszczenia powietrza dla analizowanego odcinka (i,i’) w wariancie w(t) wyrażona w złotówkach na pasażera, x((i,i’),w(t)) – wielkość potoku ruchu obciążająca analizowany odcinek (i,i’) w wariancie w(t) wyrażona w pasażerach. Poszukuje się wartości minimalnej funkcji (1). Drugim kryterium, które zostało zastosowane do oceny wielowariantowego rozłożenia ruchu dla wybranego ciągu komunikacyjnego, jest wielkość pracy przewozowej pp(w(t)) związanej z reali- zacją zadań przewozowych wyrażonej w pasażerokilometrach. Kryterium to można zapisać w nastę- pującej postaci: ∀∈wt()W () t ppwt() () =∑ x()()() ii ,′′ , wt ⋅ lii() , (2) ()ii, ′ ∈LE gdzie: pp(w(t)) – wielkość pracy przewozowej zrealizowanej w wariancie w(t) wyrażona w pasażerokilometrach, l(i,i’) – długość odcinka (i,i’) wyrażona w kilometrach, pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1). Trzecim kryterium, które zostało zastosowane do oceny organizacji ruchu na sieci transportowej dla wariantów rozłożenia potoku ruchu, jest wielkość emisji wybranych związków szkodliwych we(s,w(t)) związanej z realizacją zadań przewozowych wyrażonej w gramach. Kryterium to można zapisać w postaci następującego wyrażenia: ∀∈wt()W () t ∀∈ s S weswt() , () =∑ ems() ,()() ii ,′′ , wt ⋅ lii() , (3) ()ii, ′ ∈LE gdzie: s – typ związku szkodliwego emitowanego przez środki transportu, s ∈ S, we(s,w(t)) – wielkość emisji związku szkodliwego s dla wariantu w(t) wyrażona w gramach, em(s,(i,i’),w(t)) – wielkość emisji związku szkodliwego s dla wariantu w(t) na odcinku (i,i’) wyra- żona w gramach na kilometr, pozostałe oznaczenia jak we wzorze (2).

4 OCENA EMISJI DLA CIĄGU KOMU- munikacyjnym przedstawiono w pracy. W ekspery- NIKACYJNEGO WARSZAWA – ŁÓDŹ mentach poszczególne elementy infrastruktury opisa- 4.1 Założenia ogólne no charakterystykami o interpretacji wielkości kosz- Porównanie wielkości emisji spalin przez tów zewnętrznych związanych z zanieczyszczeniem transport kolejowy i samochodowy przeprowadzono powietrza. na przykładzie rozłożenia potoku pasażerów na sieć Rozłożenie potoku pasażerów przeprowadzo- stanowiącą ciąg komunikacyjny Warszawa – Łódź. ne zostało dla lat 2014, 2015, 2020 i 2025 roku. Rok Przeanalizowano połączenia kolejowe o znaczeniu 2014 przyjęto jako rok bazowy. Dla roku 2015 zało- ponadregionalnym (realizowane przez przewoźników żono, że nastąpi zwiększenie wielkości potoku pasa- PKP Intercity oraz Przewozy Regionalne) oraz dro- żerów o 2% w stosunku do roku 2014. Ponadto w gowe – autobusy kolejowej komunikacji zastępczej związku z zakończeniem kolejnego etapu prac mo- PKP Intercity oraz przewoźnika PolskiBus.com a dernizacyjnych przyjęto, że nastąpi zmniejszenie także samochody osobowe. Rozważono emisję trzech liczby połączeń kolejowych na trasie Warszawa – substancji: dwutlenku węgla (CO2), tlenków azotu Sochaczew – Skierniewice oraz Warszawa – Socha- (NOx) oraz cząstek stałych (PM). czew – Koluszki. Ponadto dostosowano strukturę Na potrzeby badań wyodrębniono trzy zasad- pojazdów samochodowych poruszających się po nicze relacje przewozu: Warszawa – Żyrardów, War- poszczególnych połączeniach w analizowanym ciągu szawa – Skierniewice oraz Warszawa – Łódź. Rozło- komunikacyjnym do wartości prognozowanych na żenie potoku pasażerów w analizowanym ciągu ko- ten rok.

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 47 Dla roku 2020 założono, że nastąpi zwięk- szenie wielkości potoku pasażerów do przewiezienia w analizowanych relacjach o 5% w stosunku do roku 2014. Ponadto w związku z zakończeniem prac modernizacyjnych na linii Warszawa – Żyrardów – Skierniewice – Koluszki – Łódź, założono, że zlikwidowane zostaną połączenia Warszawa – Mszczo- nów – Skierniewice, Warszawa – Sochaczew – Skier- niewice, Warszawa – Sochaczew – Koluszki oraz wybrane na trasie Warszawa – Sochaczew – Zgierz – Łódź. Ponadto dostosowano strukturę pojazdów samochodowych poruszających się po poszczegól- Rys. 2. - Wielkość emisji dwutlenku węgla (CO2) przez środki nych połączeniach w analizowanym ciągu transportu kolejowego w wybranym ciągu dla lat 2014, 2015, komunikacyjnym do wartości prognozowanych na 2020 i 2025 ten rok. Źródło: opracowanie własne z wykorzystaniem modelu EMITRANSYS w PTV VISUM Dla roku 2025 założono, że nastąpi zwięk- szenie wielkości potoku pasażerów do przewiezienia w analizowanych relacjach o 8% w stosunku do roku 2014, uwzględniono kształt sieci jak w roku 2020 oraz dostosowano strukturę pojazdów samochodowych poruszających się po poszczególnych połącze- niach w analizowanym ciągu komunikacyjnym do wartości prognozowanych na ten rok. Na podstawie otrzymanych wyników obliczono wielkość emisji poszczególnych analizowanych substancji: dwutlenku węgla (CO2), tlenków azotu (NOx) oraz cząstek stałych (PM) związaną z realizacją dobowych zadań przewozowych. Dla Rys. 3. - Wielkość emisji dwutlenku węgla (CO2) przez środki transportu kolejowego oszacowano ją na podstawie transportu drogowego w wybranym ciągu dla lat 2014, 2015, ilości energii zużytej przez pociąg na pokonanie kon- 2020 i 2025 Źródło: opracowanie własne z wykorzystaniem modelu kretnego odcinka i następnie na podstawie masy brut- EMITRANSYS w PTV VISUM to danego pociągu, typowego zapełnienia oraz z wykorzystaniem danych opracowywanych przez PKP Energetyka obliczono wielkość emisji wyrażoną w kg/pasażera. Jednostkową wielkość emisji dwutlenku Dla rozłożenia potoku ruchu z 2014 roku węgla (CO2) dla transportu samochodowego przyjęto transport drogowy wyemitował do atmosfery blisko na podstawie opracowania (155 g/km dla samocho- 82% całkowitej wielkości dwutlenku węgla (CO2) dów osobowych oraz 450 g/km dla autobusów). związanej z realizacją dobowych zadań przewozo- Wielkość emisji cząstek stałych (PM) oszacowano na wych w ciągu Warszawa – Łódź. 28% całkowitej podstawie wielkości granicznych dla poszczególnych wielkości zostało wyemitowane z autobusów, nato- norm EURO. Wartość ta została skorygowana z wy- miast 54% z samochodów osobowych. Transport korzystaniem współczynnika korekcyjnego k opra- kolejowy odpowiedzialny jest za emisję 18% całko- cowanego w ramach prac nad projektem EMITRAN- witej wielkości emisji. SYS, co spowodowało uzyskanie wyników zbliżo- Porównując wielkość emisji dla rozłożenia z nych do emisji w rzeczywistych warunkach ruchu. roku 2014 z rozłożeniem dla roku 2015 należy za- Wielkość emisji tlenków azotu (NOx) na uzyskano na uważyć, że nieznacznie zmienił się udział transportu podstawie zależności opracowanych także w ramach samochodowego w całkowitej emisji dwutlenku wę- prac nad projektem EMITRANSYS. gla – wzrost o 1%, który został zaobserwowany dla samochodów osobowych. Udział transportu kolejo- 4.2 Ocena emisji spalin w analizowanych gałę- wego w całkowitej emisji tej substancji zmniejszył ziach transportu się o 1%. Porównując wielkość emisji dla rozłożenia z roku 2020 z rozłożeniem dla roku 2014 należy za- Wielkość emisji dwutlenku węgla (CO2) dla uważyć, że udział transportu samochodowego w cał- rozłożenia potoku ruchu z lat 2014, 2015, 2020 i kowitej emisji dwutlenku węgla zmniejszył się 2025 dla transportu kolejowego przedstawiono na o 10%, przy czym o 4% dla autobusów, a o 6% dla rys. 2, natomiast dla transportu samochodowego na samochodów osobowych. Udział transportu kolejo- rys. 3. wego w całkowitej emisji tej substancji zwiększył się o 10%. Porównując wielkość emisji dla rozłożenia z

48 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 Tab. 1. Przebieg zmian wielkości emisji dwutlenku węgla (CO2) w analizowanych latach 2014 2015 2020 2025 Udział % Udział % Udział % Udział % Emisja Emisja Emisja Emisja (2014 = (2014 = (2014 = (2014 = [kg] [kg] [kg] [kg] 100%) 100%) 100%) 100%) KOLEJ 11865 100% 12012 101% 12031 101% 10954 92% AUTOBUS 18506 100% 19564 106% 10390 56% 12513 68% SAMOCHÓD 36269 100% 38386 106% 20410 56% 23585 65% Źród ło: opracowanie własne roku 2025 z rozłożeniem dla roku 2014 należy za- Dla rozłożenia potoku ruchu z 2014 roku w uważyć, że udział transportu samochodowego w cał- przypadku tlenków azotu (NOx) transport drogowy kowitej emisji dwutlenku węgla zmniejszył się o 5%, wyemitował 76% całkowitej wielkości tej substancji, przy czym o 1% dla autobusów, a o 4% dla samo- przy czym 33% tej wartości wyemitowały autobusy, chodów osobowych. Udział transportu kolejowego w a 43% samochody osobowe. Udział w całkowitej całkowitej emisji tej substancji zwiększył się o 5%. emisji transportu kolejowego był na poziomie 24%. Przebieg zmian wielkości emisji dwutlenku Porównując wielkość emisji dla rozłożenia z węgla (CO2) w analizowanych latach przez środki roku 2014 z rozłożeniem dla roku 2015 należy za- transportu kolejowego i drogowego przedstawiono w uważyć, że udziały w emisji tlenków azotu (NOx) nie tab. 1. W kolumnie Udział % (2014 = 100%) zapre- uległy zmianie. Porównując wielkość emisji dla roz- zentowano jaki procent wielkości z 2014 roku stano- łożenia z roku 2020 z rozłożeniem dla roku 2014 wi emisja dwutlenku węgla dla analizowanego roku. udział transportu samochodowego zmniejszył się o

Wielkość emisji tlenków azotu (NOx) dla roz- 14% (o 7% zarówno dla autobusów jak i dla samo- łożenia potoku ruchu z roku 2014, 2015, 2020 i 2025 chodów osobowych). Przez to nastąpił wzrost udziału dla transportu kolejowego przedstawiono na rys. 4, transportu kolejowego w emisji. Porównując wiel- natomiast dla transportu samochodowego na rys. 5. kość emisji dla rozłożenia z roku 2025 z rozłożeniem dla roku 2014 udział transportu samochodowego zmniejszył się o 4% (dla autobusów odnotowano wzrost udziału o 7%, natomiast dla samochodów osobowych odnotowano spadek o 11%). Przez to nastąpił wzrost udziału transportu kolejowego w emisji o 4%. Przebieg zmian wielkości emisji tlenków azotu (NOx) w analizowanych latach przez środki transportu kolejowego i drogowego przedstawiono w tab. 2. W kolumnie Udział % (2014 = 100%) zaprezentowano jaki procent wielkości z 2014 roku stanowi emisja tlenków azotu dla analizowanego roku.

Rys. 4. - Wielkość emisji tlenków azotu (NOx) przez środki Wielkość emisji cząstek stałych (PM) dla roz- transportu kolejowego w wybranym ciągu dla lat 2014, 2015, łożenia potoku ruchu z roku 2014, 2015, 2020 i 2025 2020 i 2025 dla transportu kolejowego przedstawiono na rys. 6, Źródło: opracowanie własne z wykorzystaniem modelu EMI- TRANSYS w PTV VISUM natomiast dla transportu samochodowego na rys. 7. Dla rozłożenia potoku ruchu z 2014 roku w przypadku cząstek stałych (PM) transport drogowy wyemitował 98% całkowitej wielkości tej substancji, przy czym 33% wyemitowały autobusy, a 65% samochody osobowe. Udział transportu kolejowego wynosił 2%. Porównując wielkość emisji dla rozłożenia z roku 2014 z rozłożeniem dla roku 2015 należy za- uważyć, że udziały w emisji cząstek stałych (PM) nie uległy zmianie.

Rys. 5. - Wielkość emisji tlenków azotu (NOx) przez środki transportu drogowego w wybranym ciągu dla lat 2014, 2015, 2020 i 2025 Źródło: opracowanie własne z wykorzystaniem modelu EMITRANSYS w PTV VISUM

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 49 Tab. 2. Przebieg zmian wielkości emisji tlenków azotu (NOx) w analizowanych latach 2014 2015 2020 2025 Udział % Udział % Udział % Udział % Emisja Emisja Emisja Emisja (2014 = (2014 = (2014 = (2014 = [kg] [kg] [kg] [kg] 100%) 100%) 100%) 100%) KOLEJ 27,53 100% 27,87 101% 27,91 101% 25,41 92% AUTOBUS 37,61 100% 38,38 102% 18,95 50% 35,52 94% SAMOCHÓD 49,49 100% 51,17 103% 26,57 54% 28,44 57% Źród ło: opracowanie własne Tab. 3. Przebieg zmian wielkości emisji cząstek stałych (PM) w analizowanych latach

2014 2015 2020 2025 Udział % Udział % Udział % Udział % Emisja Emisja Emisja Emisja (2014 = (2014 = (2014 = (2014 = [kg] [kg] [kg] [kg] 100%) 100%) 100%) 100%) KOLEJ 0,85 100% 0,87 101% 0,87 101% 0,79 92% AUTOBUS 15,47 100% 16,17 104% 8,44 55% 9,14 59% SAMOCHÓD 30,46 100% 31,71 104% 16,58 54% 17,19 56%

Źródło: opracowanie własne

narodowej, która w dość dużym stopniu wpływa negatywnie na środowisko, jest transport. Należy zatem poszukiwać narzędzi, które pomogą ograniczyć negatywny wpływ transportu na środowisko. Jednym z działań może być przeniesienie potoku ruchu do przewiezienia przez gałąź, która oddziałuje w sposób większy na środowisko na gałęzie oddziałujące w sposób mniejszy. W artykule przedstawiono problem badania wielkości emisji wybranych związków szkodliwych dla rozłożenia potoku ruchu względem kryterium Rys. 6. - Wielkość emisji cząstek stałych (PM) przez środki minimalizacji kosztów zewnętrznych związanych z transportu kolejowego w wybranym ciągu dla lat 2014, 2015, emisją związków szkodliwych spalin przez środki 2020 i 2025 transportu. Dla wszystkich analizowanych lat przy Źródło: opracowanie własne z wykorzystaniem modelu założonej wielkości zadań przewozowych oraz usta- EMITRANSYS w PTV VISUM lonej strukturze sieci transportowej największą emi- Porównując wysokość emisji dla rozłożenia z roku syjnością cechował się transport samochodowy. Roz- 2020 z rozłożeniem dla roku 2014 nastąpiło zmniej- różniając w zakresie transportu samochodowego szenie udziału w emisji tylko dla samochodów oso- autobusy i samochody osobowe większą emisyjno- bowych i tylko o 1%. Porównując wielkość emisji dla ścią cechowała się ta druga grupa. Najmniejszą emi- rozłożenia z roku 2025 z rozłożeniem dla roku 2014 syjnością cechował się transport kolejowy. Dla dwu- zmniejszenie udziału w emisji nastąpiło tylko dla tlenku węgla (CO2) stosunek udziału transportu samochodowego do transportu kolejowego w całkowi- samochodów osobowych i tylko o 1%. Dla autobu- sów odnotowano wzrost udziału o 1%, natomiast dla tej wielkości emisji wynosił około 4:1. Proporcja ta samochodów osobowych odnotowano spadek o 2%. dla tlenków azotu (NOx) wynosiła około 3:1, nato- Przebieg zmian wielkości emisji cząstek sta- miast dla cząstek stałych (PM) około 49:1. łych (PM) w analizowanych latach przez środki Największa emisja zarówno dwutlenku węgla transportu kolejowego i drogowego przedstawiono w (CO2), tlenków azotu (NOx) i cząstek stałych (PM) tab. 3. W kolumnie Udział % (2014 = 100%) zapre- została odnotowana dla rozłożenia potoku ruchu z zentowano jaki procent wielkości z 2014 roku stano- 2015 roku. Oznacza to, że zwiększenie potoku ruchu wi emisja cząstek stałych dla analizowanego roku. do przewiezienia przy zmodyfikowanej strukturze pojazdów samochodowych i lekkiej modyfikacji 5 PODSUMOWANIE I WNIOSKI struktury sieci kolejowej spowodowało wzrost emisji. Problem ochrony środowiska w dzisiejszych Dopiero likwidacja wybranych połączeń kolejowych czasach jest niezwykle ważkim problemem. Ko- spowodowała zmniejszenie całkowitej wielkości nieczność wzięcia go pod uwagę podkreślana jest w emisji. wielu aktach prawnych, zarówno na poziomie krajo- Kształtowanie zrównoważonego rozwoju sys- wym jak i europejskim. Jedną z gałęzi gospodarki temu transportowego powinno integrować cele spo-

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 50 łeczne, ekologiczne i gospodarcze, które są rozpa- [9] Jacyna M., Wasiak M.: Metoda wielokryterialnej trywane zarówno z punktu widzenia polityki trans- oceny wariantów realizacji inwestycji infrastru- portowej poszczególnych państw, jak i całej Unii kturalnych w transporcie. Prace Naukowe Politechniki Europejskiej. Zatem z punktu widzenia emisji spalin Warszawskiej. Transport, 2007, z. 63, str.119-124. najlepszym rozłożeniem jest rozłożenie dla roku [10] Jacyna M., Wasiak M., Lewczuk K., Kłodawski M.: 2020, gdy nastąpi zwiększenie wielkości potoku pa- Simulation model of transport system of Poland as a sażerów do przewiezienia. Ponadto w związku z za- tool for developing sustainable transport. Archives of kończeniem prac modernizacyjnych na linii Warsza- Transport, 2014, cz. 31, nr 3, str. 23-35. [11] Jacyna-Gołda I., Gołębiowski P., Jachimowski R., wa – Żyrardów – Skierniewice – Koluszki – Łódź, Kłodawski M., Lewczuk K., Szczepański E., Sivets O., założono, że zlikwidowane zostaną połączenia War- Merkisz-Guranowska A., Pielecha J.: Traffic szawa – Mszczonów – Skierniewice, Warszawa – Distribution into Transport Network for Defined Sochaczew – Skierniewice, Warszawa – Sochaczew Scenarios of Transport System Development in Aspect – Koluszki oraz wybrane na trasie Warszawa – So- of Environmental Protection. Journal of KONES, chaczew – Zgierz – Łódź. 2014, t. 21, nr 4, str. 183-192. [12] Jacyna-Gołda I., Lewczuk K., Szczepański E., Bibliografia Gołębiowski P.: Rozłożenie ruchu w sieci transportowej z zastosowaniem modelu EMITRANSYS [1] Ambroziak T., Gołębiowski P., Woźnicki K., Jacyna- w aspekcie scenariuszy rozwoju systemu Gołda I., Jachimowski R., Kłodawski M., Lewczuk K., transportowego. Warszawa – Poznań, 2014. Szczepański E.: Wariantowe rozłożenie potoku ruchu w [13] Jacyna-Gołda I. Żak J., Gołębiowski P.: Models of zadanej sieci przy uwzględnieniu kosztów traffic flow distribution for various scenarios of the zewnętrznych. Logistyka, 2014, nr 4, str. 1605-1616. development of proecological transport system. [2] Ambroziak T., Jachimowski R., Pyza D., Szczepański Archives of Transport, 2014, cz. 31, nr 3, str. 17-28. E.: Analysis of the traffic stream distribution in terms [14] Leszczyński J.: Modelowanie systemów i procesów of identification of areas with the highest exhaust transportowych. Warszawa, 1999. pollution. Archives of Transport, 2014, cz. 32, nr 4, str. [15] Ministerstwo Infrastruktury: Polityka Transportowa 7-16. Państwa na lata 2006 – 2025, [online], [dostęp 10 [3] Burak-Romanowski R., Woźniak K.: Energetyczne maja 2015 r.], dostępny w Internecie: aspekty modernizacji linii kolejowych. Czasopismo http://transport.gov.pl Techniczne. Elektrotechnika. 2011, cz. 108, str. 13-29. [16] Pisano G.: Knowledge, integration, and the locus of [4] Burton I.: Report on Reports: Our Common Future: learning: An empirical analysis of process The World Commission on Environment and development. Strategic Management Journal, 1997, cz. Development. Environment: Science and Policy for 15 nr 2, str. 85–100. Sustainable Development, 1987, cz. 29 nr 5, str. 25-29 [17] Porter M.: Strategia konkurencji. Metody analizy [5] European Environment Agency: Transport emissions sektorów i konkurentów. Warszawa, 1998. of air pollutants (TERM 003). [18] Van Der Heijden K., Bradfield R., Burt G., Cairns G., [6] Jacyna M.: Some aspects of multicriteria evaluation of Wright G.: The Sixth Sense: Accelerating traffic flow distribution in a multimodal transport Organisational Learning with Scenarios. Wiley, 2002. corridor. Archives of Transport, 1998, cz.10 nr 1-2, [19] Worthington W., Collins J., Hitt M.: Beyond risk str. 37-52. mitigation: Enhancing corporate innovation with [7] Jacyna M., Merkisz J.: Kształtowanie sytemu scenario planning. Business Horizons, 2009, cz. 52, transportowego z uwzględnieniem emisji zanie- str. 1-10. czyszczeń w rzeczywistych warunkach ruchu [20]http://nfosigw.gov.pl/download/gfx/nfosigw/pl/nfoopisy drogowego. Warszawa – Poznań, 2014. /812/2/4/zal._2_do_regulaminu_czesc_b.1_metodyka.p [8] Jacyna M., Merkisz J.: Proecological approach to df modelling traffic organization in national transport [21] www.pkpenergetyka.pl/pl/strona/241-wielkosc-emisji system. Archives of Transport, 2014, cz. 30, nr 2, str. 31-41.

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 51 mgr inż. Michał Kowalski mgr inż. Jacek Ostrowski mgr inż. Krzysztof Przepióra Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”

Wpływ hałasu i drgań na środowisko pracy w odniesieniu do pojazdów szynowych.

Hałas i wibracje są to wszelkie niepożądane, nieprzyjemne, dokuczliwe, uciążliwe lub szkodliwe drgania mechaniczne ośrodka sprężystego, działające za pośrednic- twem powietrza na organ słuchu i inne zmysły oraz elementy organizmu człowieka. Są to formy zanieczyszczenia środowiska przyrodniczego, charakteryzujące się mnogością źródeł i powszechnością występowania.

Głównym źródłem hałasu i drgań dla pojazdu szyno- je badania mające na celu określenie hałasu wewnątrz wego jest punkt styku koła z szyną. W czasie porusza- jak i na zewnątrz pojazdu. Kompleksowe badania nia się pojazdu szynowego na styku koła z szyną gene- hałasu pojazdu wykonuje się w oparciu o wymagania rowane są drgania mechaniczne. Część tych drgań jest zawarte w następujących dokumentach i normach: emitowana w postaci fal akustycznych, rozchodzących PN-92/K-11000 [1], PN-EN 15892:2011 [2], PN EN się w powietrzu i odbieranych przez człowieka jako ISO3095 [3], TSI-Hałas [4], PN-86/N-01338 [5], PN-Z- dźwięk. Pozostała część tych drgań przenosi się na 01338:2010 [6], PN-ISO 7196:2002 [7], PN-86/N-01321 konstrukcję nawierzchni oraz na konstrukcje pojazdu, [8], w Rozporządzeniu MPiPS z 28.11.2002 (Dz.U. Nr i ma wpływ na ludzi znajdujących się w pojeździe. Te 217 poz.1833) [9], TSI – Loc&pas [10], PN-91/K-88100 drgania mechaniczne które propagują się w ośrodkach [11]. stałych zwane są w ochronie środowiska wibracjami, a Należy zwrócić uwagę że w przypadku hałasu w dynamice konstrukcji najczęściej wprost drganiami. wewnątrz pojazdu dodatkowy źródłem hałasu Zjawiska te wpływają ujemnie zarówno na ludzi znaj- emitowanym przez pojazd jest hałas aerodynamiczny. dujących się w pojeździe jak i w bezpośrednim jego Dla pojazdów poruszających się z prędkością powyżej otoczeniu. 140 km/h wzrost hałasu wynikający z oporów aerodynamicznych zaczyna być zauważalny. Zakres badań pojazdu szynowego obejmuje następujące zagadnienia: 1.Pomiary w kabinie maszynisty - pomiar hałasu słyszalnego - pomiar hałasu ultradźwiękowego - pomiar hałasu infradźwiękowego 2. Pomiar poziomu dźwięku oraz częstotliwości tonu emitowanych przez sygnalizatory akustyczne (na zewnątrz i wewnątrz pojazdu). 3. Pomiar na zewnątrz od przejeżdżającego pojazdu. 4. Pomiar na zewnątrz od ruszającego pojazdu. W odniesieniu do środowiska w jakim znajduje się Oddziaływania wibroakustyczne (hałas i drgania) ge- obsługa pojazdów szynowych poniżej przedstawiono nerowane przez pojazdy szynowe mają negatywny przykładowe wyniki badań dla lokomotywy wpływ na obsługę pojazdów jak i na pasażerów. spalinowej o mocy 2400 kW w zakresie hałasu Szczególnie jest to ważne w odniesieniu do obsługi zmierzonego w kabinie maszynisty: pojazdów gdyż długotrwała ekspozycja na oddziały- Hałas infradźwiękowy w pasmach oktawowych w wanie wibroakustyczne może powodować pogorszenie zakresie od 0.5 Hz do 31.5 Hz. Kolorem czerwonym samopoczucia, zmęczenie, zmniejszenie efektywności zaznaczono wartości zbliżone do kryterium ( maksy- działania co ma bezpośredni wpływ na bezpieczeń- malny poziom dźwięku LpGeq,8h ≤102 [dB] ) stwo prowadzenia pociągów. Przebieg ciśnienia akustycznego w pasmach oktawowych oraz poziomu dźwięku wewnątrz lokomotywy 2 Pomiar hałasu w kabinie maszynisty spalinowej podczas postoju i jazdy. Załączony układ grzewczo – klimatyzacyjny. Kabina 2; dane w tabeli Instytut Pojazdów szynowych TABOR od lat wykonu-

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 52 Średni poziom dźwięku LpGeq,T [dB] w kabinach maszynisty 2631 [18] oraz Rozporządzenie MPiPS z dnia 29 Wariant Kabina 1 Kabina 2 listopada 2002 r. [19] i Rozporządzenie MGiP z dnia nawiewu 0 km/h 80 km/h 160 km/h 0 km/h 80 km/h 160 km/h 10 października 2005 r [20]. 0 78,5 90,5 101,5 76,6 91,0 100,2 K 79,7 89,6 101,6 71,1 92,0 100,6 Ocena końcowa wpływu drgań na stanowisku pracy maszynisty nie powinien przekraczać granicy 0 – wyłączony układ grzewczo - klimatyzacyjny K – załączony układ grzewczo – klimatyzacyjny uciążliwości dla 8-mio godzinnej zmiany roboczej. Wartości graniczne przedstawiono w tabeli poniżej: Hałas słyszalny w pasmach oktawowych w zakresie od 31.5 Hz do 8kHz. Kolorem czerwonym zaznaczono Granica uciążli- Kieru- wartości zbliżone do kryterium ( maksymalny poziom wości dla zmia- Dokument nek ≤ ny dźwięku LpAeq,T 78 [dB] ); dane w tabeli drgań 8 godzinnej

2 Średni poziom dźwięku LpAeq,T [dB] w kabinach maszynisty PN-91/K- X,Y 0,45 m/s Wariant Kabina 1 Kabina 2 01354:1991 Z 0,63 m/s2 nawiewu 0 km/h 80 km/h 160 km/h 0 km/h 80 km/h 160 km/h 0 66,0 71,6 76,4 70,4 69,2 75,5 X,Y 0,40 m/s2 K 67,2 72,0 77,0 70,7 70,4 77,9 PN-90/K- Z 0,55 m/s2 11001:1990 0 – wyłączony układ grzewczo - klimatyzacyjny X, Y, Z 0,80 m/s2 K – załączony układ grzewczo – klimatyzacyjny Dz. U Nr 212 Poz 1769

W tabeli poniżej przedstawiono wyniki z badań drgań w kabinach maszynisty lokomotywy spalinowej o mocy 2400 kW. Tabela zawiera wartości ważone przyspieszenia drgań dla całości jazd aw z wykorzystaniem filtrów Griffina i ISO. Ważone wartości przyspieszenia uwzględniają prawdopodobieństwo postoju i jazdy z daną prędkością. Badana lokomotywa spalinowa przeznaczona jest do prowadzenia pociągów towarowych z prędkością do 100km/h oraz pociągów Hałas ultradźwiękowy w pasmach tercjowych w osobowych z prędkością do 160 km/h 2 zakresie od 10 kHz do 20 kHz. Kolorem czerwonym Ważone wartości przyspieszenia aw [m/s ] Filtry Griffina (ERRI B153) zaznaczono wartości zbliżone do kryterium ( maksy- Kierunek Fotel Podłoga malny poziom dźwięku Ldop ≤ 90 [dB] ) jazdy Poziom Poziom Pion Poziom Poziom Pion wzdł. X poprz. Y Z wzdł. X poprz. Y Z Ruch 1 0.03 0.06 0.07 0.01 0.05 0.06 Średni poziom dźwięku L [dB] w kabinach maszynisty towarowy 2 0.04 0.07 0.06 0.02 0.06 0.06 Wariant Kabina 1 Kabina 2 Ruch 1 0.05 0.15 0.12 0.03 0.14 0.17 nawiewu 0 km/h 80 km/h 160 km/h 0 km/h 80 km/h 160 km/h pas ażerski 2 0.08 0.18 0.13 0.03 0.17 0.17 2 0 38,9 37,8 43,0 38,5 34,6 42,6 Ważone wartości przyspieszenia aw [m/s ] K 40,2 38,5 42,6 34,3 45,7 49,5 Filtry ISO (ISO-2631) Kierunek Fotel Podłoga 0 – wyłączony układ grzewczo - klimatyzacyjny jazdy Poziom Poziom Pion Poziom Poziom Pion K – załączony układ grzewczo – klimatyzacyjny wzdł. X poprz. Y Z wzdł. X poprz. Y Z Ruch 1 0.03 0.06 0.08 0.01 0.05 0.07 towarowy 2 0.04 0.07 0.07 0.02 0.06 0.07 2 Pomiar drgań na stanowisku pracy maszynisty Ruch 1 0.05 0.15 0.14 0.03 0.14 0.18 pas ażerski 2 0.08 0.18 0.15 0.03 0.18 0.18 Badania drgań na stanowisku pracy maszynisty reali- Kolorem czerwonym zaznaczono wartości o największej wartości zuje się poprzez pomiar przyspieszeń w kabinie ma- 3 Podsumowanie szynisty w następujących punktach:

na fotelu maszynisty w trzech kierunkach Na podstawie przedstawionych wyników oraz wielo- występowania drgań (X,Y,Z), letnich badań można stwierdzić iż wartości drgań na podłodze w trzech kierunkach występo- oddziaływujących na obsługę pojazdów jest na powania drgań (X, Y, Z). ziomie o wiele niższym niż kryteria zawarte w nor- Pomiary i ocenę poziomu przyspieszenia drgań na mach określających poziom tych drgań. Na tak sytu- stanowisku pracy maszynisty w kabinach realizuje się ację mają wpływ dwa czynniki: poprawa infrastruktu- w oparciu o Rozporządzenie Ministra Transportu, ry po której porusza się pojazd i nowo konstruowane Budownictwa i Gospodarki Morskiej , normy: PN- pojazdy które charakteryzują się lepszymi rozwiąza- 91/N-01352:1991 [12], PN-90/K-11003 :1990 [13], niami konstrukcyjnymi w dziedzinie zawieszenia co PN-90/K-11001:1990 [14], PN-91/N-01354:1991 [15], ma bezpośredni wpływa na lepsze tłumienie wymu- ERRI B153 Rp8 [16], ERRI B153 Rp 23 [17], ISO szeń wynikających z kontaktu koło szyna. Natomiast

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 53 w przypadku hałasu na jaki narażona jest obsługa w projektowaniu kabin. Należy wprowadzić konieczne kabinach maszynisty rejestrowane poziomy dźwięku zmiany w konstrukcji kabiny które przyczynią się do są na dość wysokim poziomie często na granicy jakie zapewnienia bardziej komfortowych, a zarazem określają normy. Dlatego należy podjąć działania bezpieczniejszych warunków pracy maszynisty (izola- mające na celu zmianę podejścia konstruktorów przy cja, konstrukcja okien i drzwi).

Dokumenty odniesienia

[1] PN-92/K 11000 Tabor kolejowy. Hałas. Ogólne wymagania i badania. [2] PN-EN 15892:2011 Emisja hałasu. Pomiar hałasu wewnątrz kabin maszynisty. [3] PN-EN ISO-3095:2005 Kolejnictwo. Akustyka. Pomiar hałasu emitowanego przez pojazdy szynowe. [4] TSI – Hałas Decyzja Komisji Europejskiej z dnia 4 kwietnia 2011 r. TSI C(2011)658 dotycząca technicznej specyfikacji dla interopera- cyjności odnoszącej się do technicznej specyfikacji interoperacyjno- ści odnoszącej się do podsystemu „Tabor kolejowy – hałas” transeu- ropejskiego systemu kolei konwencjonalnych. Obowiązuje od 13 kwietnia 2011 r. Dz.U.UE nr L99. [5] PN-86/N-01338 Hałas infradźwiękowy. Dopuszczalne wartości poziomów ciśnienia akustycznego na stanowiskach pracy i ogólne wymagania dotyczące pomiarów. [6] PN-Z 01338:2010 Akustyka. Pomiar i ocena hałasu infradźwiękowego na stanowisku pracy. [7] PN-ISO 7196:2002 Akustyka. Charakterystyka częstotliwościowa filtru do pomiarów infradźwięków. [8] PN-86/N-01321 Hałas ultradźwiękowy. Dopuszczalne wartości poziomu ciśnienia akustycznego na stanowiskach pracy i ogólne wymagania dotyczące pomiarów. [9] Dz.U. Nr 217 poz. 1833 Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 28.11.2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natę- żeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy [10] TSI – Loc&pas Decyzja nr 2011/291/UE Komisji z dnia 26.04. 2011 r. TSI C(2011)2737 w sprawie interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu „Tabor – lokomotywy i tabor pasażerski” w tran- seuropejskim systemie kolei konwencjonalnych [11] PN-91/K-88100 Pojazdy trakcyjne. Syreny i gwizdawki. [12] PN-91/N-01352:1991 Drgania. Zasady wykonywania pomiarów na stanowiskach pracy. Wycofana bez zastąpienia, z możliwością stosowania. [13] PN-90/K-11003:1990 Ochrona pracy. Kabina maszynisty lokomotywy elektrycznej dwuka- binowej. Metodyka badań drgań. Wycofana bez zastąpienia, z możliwością stosowania. [14] PN-90/K-11001:1990 Ochrona pracy. Kabina maszynisty lokomotyw elektrycznej dwuka- binowej. Podstawowe wymagania bezpieczeństwa pracy i ergono- mii. Wycofana bez zastąpienia, z możliwością stosowania. [15] PN-91/K-01354:1991 Drgania. Dopuszczalne wartości przyspieszenia drgań o ogólnym oddziaływaniu na organizm człowieka i metody oceny narażenia. Wycofana bez zastąpienia, z możliwością stosowania. [16] ERRI B153 Rp8 Użycie normy ISO 2631 do pojazdów kolejowych. Utrecht 04.1989r. [17] ERRI B153 Rp 23 Zastosowanie normy ISO 2631 w pojazdach kolejowych. Sprawozdanie – synteza. Utrecht, 12.1993r. [18] ISO 2631 Drgania mechaniczne i wstrząsy oddziaływujące na człowieka. [19] Dz.U.Nr 217 poz.1833 Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia Zał. 2 pkt B 29.11.2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy. [20] Dz.U.Nr 212 poz.1769 Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 10.10.2005 r. zmie- niające rozporządzenie w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy.

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 54 mgr inż. Maciej Wieczorek dr hab. inż. Mirosław Lewandowski Politechnika Warszawska

Dobór i optymalizacja konfiguracji zasobnika trakcyjnego

W artykule przedstawiono algorytm doboru magazynów energii elektrycznej. Wybór HESS pozwala na spełnienie warunków obciążenia w sposób optymalny. Jednak ustalenie konfiguracji urządzeń w systemie staje się bardzo złożonym zagadnieniem optymalizacyjnym. Przedstawiono propozycje rozwiązania tego problemu z zastosowaniem algorytmu genetycznego.

1. Wstęp 2. Dobór zasobników do obciążenia

Zasobniki energii (ESS, ang. energy storage system) Dobór parametrów zasobnika rozpoczyna się od stają się jednym z najważniejszych elementów zwięk- określenia parametrów układu obciążenia. Podstawo- szających ogólną wydajność układów, w których są we wielkości konieczne do ustalenia to napięcie zasi- stosowane. Spektrum zastosowań jest bardzo szerokie: lania UDC, energia E, która ma być zgromadzona w od systemu elektroenergetycznego, pojazdów trakcyj- zasobniku, maksymalna moc obciążenia Pmax, maksy- nych do elektroniki mobilnej. Zasobniki energii sto- malna moc jaką układ obciążenia będzie oddawał do sowane w trakcyjnych systemach elektroenergetycz- zasobnika, maksymalny przyrost mocy w czasie nych umożliwiają zarządzanie energią otrzymaną w dP/dtmax oraz temperaturowe warunki pracy układu. trakcie hamowania odzyskowego oraz wspomaganie w Uwzględnić należy również ograniczenia przekształt- stanach obniżonego napięcia w sieci trakcyjnej [1]. nika energoelektronicznego, przez który zasobnik jest Magazyny energii o mocy rzędu MW znajdują zasto- przyłączony do systemu, jeżeli taki występuje. W sowanie w systemie elektroenergetycznym, gdzie wy- przypadku np. superkondensatorów, gdzie wartość korzystywane są do wyrównywania obciążeń oraz napięcia na wyjściu jest w dużym stopniu zależna od poprawy jakości energii [2]. Prace nad konstrukcją stanu naładowania, ograniczona zdolność przekształt- akumulatorów elektrochemicznych, zwłaszcza w technika do podwyższania napięcia nie pozwala na pełne nologii litowo-jonowej, wskazują na możliwość wykorzystanie jego pojemności [3]. zwiększenia ich gęstości energii, która w chwili obec- W przypadku wyboru jednolitego typu zasobników nej wynosi ok. 200Wh/kg, nawet o 300%. Nie mniej, spełnienie podanych wyżej parametrów nie jest pro- nie są one w stanie dorównać paliwom kopalnym (olej blemem. Może jednak nastąpić znaczne przewymia- napędowy – 13000Wh/kg). Stają się natomiast poważ- rowanie w przypadku jednego z parametrów. Nie bę- ną alternatywą w przypadku zasilania pojazdów poru- dzie to rozwiązanie optymalne, zwłaszcza pod wzglę- szających się w trybie miejskim, w razie ograniczenia dem kosztów ponieważ obecnie zasobniki energii są dostępu do dostaw ropy oraz w dobie przyspieszają- najdroższym elementem wielu urządzeń. Wybór cych zmian klimatu.. Kolejnym problemem w przy- HESS pozwala na spełnienie warunków obciążenia w padku poszczególnych typów zasobników energii są sposób optymalny. Jednak ustalenie konfiguracji urzą- ograniczenia nie tylko magazynowanej energii, ale dzeń w systemie staje się bardzo złożonym zagadnie- także maksymalnej mocy, jaką mogą oddać i przyjąć, niem optymalizacyjnym. Dlatego do rozwiązania tego liczby cykli, ceny itd. Korzystając z mnogości techno- problemu wybrano algorytm genetyczny. logii dostępnych obecnie na rynku oraz różnic w cha- 3. Implementacja algorytmu oraz wyniki badań rakterystykach różnych typów zasobników można tworzyć hybrydowe zasobniki energii (HESS, hybryd W celu sprawdzenia poprawności działania algo- energy storage system). HESS jest połączeniem dwóch rytmu genetycznego wykonano badanie doboru zesta- lub więcej typów zasobników w jednym systemie. wu zasobników do zasilania lekkiego, autonomiczne- Takie rozwiązanie pozwala na wykorzystanie zalet go, elektrycznego pojazdu miejskiego. poszczególnych magazynów energii i ukrycie ich wad. • Parametry obciążenia Wykorzystanie HESS wymaga opracowania no- Przyjęto, że pojazd o masie do 1000kg aby przeje- wych metod doboru i wymiarowania elementów w chać dystans ok. 80km w cyklu miejskim potrzebuje systemie w zależności od rodzaju aplikacji w jakiej energii ok. 20kWh. Napięcie UDC=300V. Wartości będzie wykorzystywany. W artykule zostanie przed- Pmax=75kW i dP/dtmax=150W/s wyznaczono na pod- stawiona metoda optymalizacji konfiguracji systemu stawie krytycznego przebiegu mocy obciążenia pojaz- w oparciu o algorytm genetyczny. du (rys.1).

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 55 Sprawność przekształtników DC/DC przyjęto na poziomie 0,8, masę mc = 0,2kg i cenę 5$. W układzie wykorzystywany jest przekształtnik półmostkowy typu buck-boost. W związku z tym napięcie zasobnika powinno być nie wyższe niż napięcie UDC i wyższe niż 0,5UDC [4]. Przyjęto zatem, że liczba szeregowo połą- czonych pojedynczych celek zasobników jest stała i równa: (1)

Gdzie Nsi i UNi oznaczają odpowiednio liczbę sze- Rys. 1. Krytyczny przebieg mocy obciążenia pojazdu. regowo połączonych celek i-tego zasobnika i napięcie pojedynczej celki i-tego zasobnika. Optymalizacji jest poddawana liczba równolegle połączonych gałęzi o OKREŚLENIE PARAMETRÓW liczbie celek wyznaczonych wg (1). W algorytmie OBCIĄŻENIA istnieje możliwość zmiany priorytetów optymalizacji

WYGENEROWANIE POKOLENIA masy, objętości i ceny, w zależności od potrzeb kon- POCZĄTKOWEGO kretnego zastosowania.

• DEKODOWANIE GENOMÓW Wyniki obliczeń algorytmu OSOBNIKÓW Dla priorytetu ceny:

OBLICZENIE PARAMETRÓW HESS NA a) b) PODSTAWIE MODELI DYNAMICZNYCH

ELIMINACJA OSOBNIKA CZY SPEŁNIONE SĄ KRYTERIA

NIE MOCY?

TAK

SELEKCJA Z UWZGLĘDNIENIEM PRIORYTETU MASY, OBJĘTOŚCI LUB CENY

KRZYŻOWANIE

MUTACJA

ZAPIS NAJLEPSZEGO OSOBNIKA

Rys. 2. Struktura algorytmu genetycznego.

• Parametry elementów HESS Badania optymalizacji doboru wykonano dla kon- Rys. 3. Wyniki działania algorytmu dla 30 pokoleń i 100 figuracji 3 typów zasobników w systemie: superkon- osobników w pokoleniu. Parametry najlepszych osobników w densatora jako zasobnika o największej gęstości mocy, poszczególnych pokoleniach: a) cena, b) masa, c) objętość. akumulatora litowo-jonowego jako zasobnika o naj- większej gęstości energii oraz akumulatora kwasowo- ołowiowego jako zasobnika o najniższej cenie w stosunku do gromadzonej energii.

Tabela 1. Parametry zasobników uwzględnionych w optymalizacji. parametry superkondensator Akumulator li-ion Akumulator lead-acid Napięcie znamionowe [V] 2,7 3,6 6 Znamionowy prąd rozłado- 30 2,2 1,3 wania [A] Maksymalny prąd rozłado- 81 4,4 4,5 wania [A] Pojemność 1200[F] 2,2[Ah] 1,3[Ah] Masa [kg] 0,26 0,044 0,31 Objętość [m3] 2,1*10-4 1*10-4 8*10-4 Cena [$] 30 2 0,5

56 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 Dla priorytetu masy: 5. Biliografia

1. Mohamed I. Daoud, A. S. Abdel-Khalik, A. Elserougi, S. Ahmed, A.M. Massoud; DC Bus Control of an Advanced Flywheel Energy Storage Kinetic Traction System for Electrified Railway Industry. Industrial Electronics Society, IECON 2013 - 39th Annual Conference of the IEEE , vol., no., pp.6596,6601, 10-13 Nov. 2013. 2. Younghyun Kim, Jason Koh, Qing Xie, Yanzhi Wang, c) Naehyuck Chang, Massoud Pedram; A scalable and flexible hybrid energy storage system design and implementation. Journal of Power Sources 255 (2014) 410e422. 3. Lewandowski M., Orzyłowski M.; Zastosowanie rachunku różniczkowego ułamkowego rzędu do modelowania dynamiki superkondensatorów. Przegląd Elektrotechniczny 8/2014, s.13-17. 4. Schupbach R. M., Balda J. C.; Comparing DC-DC Converters for Power Management in Hybrid Electric 4. Podsumowanie Vehicles. IEEE, 2003. Wraz z rozwojem technologii magazynowania 5. Szeląg A.; Wpływ napięcia w sieci trakcyjnej 3 kV DC energii elektrycznej, spektrum zastosowań zasobników na parametry energetyczno- hybrydowych będzie rosło [5]. Konieczne zatem bę- 6. trakcyjne zasilanych pojazdów. Instytut Naukowo- dzie opracowanie nowych metod i kryteriów doboru Wydawniczy SPATIUM. 2013r. elementów HESS. Jest to złożone zagadnieniem ze względu na różnice w dynamice różnych typów za- sobników. Algorytm genetyczny jest dobrym rozwią- zaniem ze względu na swoją prostotę oraz możliwość implementacji problemu o dowolnej złożoności.

POJAZDY SZYNOWE NR 4/2015 57