Praha — V rámci studia na fakultě strojní ČVUT v Praze jsem navrhl koncept patrového dvoučlánkového vozu, který jsem v akademickém roce 2013/2014 v rámci diplomové práce prověřil po stránce proveditelnosti, a to především pojezdu. Koncepci jsem po technické stránce konzultoval s několika odborníky na podvozky, ale chyběla mi odezva ze stran širší odborné veřejnosti, hlavně z okruhu dopravců. To je důvodem k tomu, proč vám, čtenářům ŽelPage, nyní chci v článku koncepci představit. Představovaná koncepce je původní myšlenkou autora, některé aspekty jsou pak výsledkem studie proveditelnosti zpracované v rámci diplomové práce autora na FS ČVUT v Praze. Koncepce je zaměřena zejména na optimalizaci využití kinematického obrysu včetně jeho dovolených přesahů při průjezdu obloukem.
Popis koncepce
Hlavní myšlenkou koncepce je využít a sloučit výhody, které představují jednotlivé „standardní“ koncepce patrových vozidel. Standardní čtyřnápravové vozy se dvěma podvozky totiž díky převislým představkům mohou využívat při průjezdu obloukem i dovolený přesah obrysu vně koleje. Nevýhodou tohoto naopak je, že prostor nad podvozkem a představek je uzpůsobitelný pouze pro jedno podlaží, a délka, ve které lze použít dvě podlaží nad sebou, klesá. Tím pádem tak klesá i přidaná hodnota oproti jednopodlažním vozidlům. Proto je snahou maximálně prodloužit vzdálenost podvozků. Tato hranice se zastavila na hodnotě vzdálenosti otočných čepů 20 000 mm. Tato vzdálenost otočných čepů podvozků způsobuje, že skříň může být široká jen 2 770 - 2 780 mm, což je hraniční hodnotou šířky pro uspořádání interiéru se sedadly v uspořádání "2+2". Někteří výrobci zůstali z důvodu zachování komfortu u hodnot vzdálenosti otočných čepů pod touto maximální hranicí (19 000 mm), která umožňuje šířku vozu alespoň 2 810 mm. Protože tloušťku bočnice nelze zásadním způsobem ovlivnit, musí se chybějící centimetry projevit na vybavení interiéru. Buď se ušetří na šířce sedadel - ty však pak neodpovídají doporučením normy UIC 567 (ta mluví o hodnotách 500 mm sedák, 60 mm područka), nebo na šířce uličky, což je nevhodné i z hlediska bezpečnosti při případné evakuaci. U vícečlánkových vozidel se společnými Jakobsovými podvozky (pravými i nepravými) je rozšíření obrysu směrem ven z hlediska kinematiky průjezdu obloukem zcela nevyužité. Články těchto vozidel jsou tedy kratší o 2 představky a pro sestavení soupravy o srovnatelné kapacitě je třeba více kratších článků (jejich délka může být vzhledem k obrysu odpovídat maximálně zmíněným 19 - 20 metrům). Výhodou je (nebo spíše bylo by), že poměr délky využitelné pro dvě patra nad sebou vůči celkové je lepší.
Navrhovaná koncepce využívá společný podvozek. Na rozdíl od Jakobsova podvozku jsou otočné čepy jednotlivých skříní předsunuty směrem ke středu článku. Tím je docíleno toho, že je využito i vnější rozšíření obrysu v oblouku. Navíc je dosaženo i toho, že i když mohou být skříně dlouhé téměř jako u čtyřnápravových vozidel, je podíl využitelné délky pro uspořádání dvou podlaží větší. Navrhované vozidlo je koncipováno jako dvoudílné.
Porovnání vozidel: v oblouku, využití interiéru. Zdroj: autor
Návrh interiéru
Vnitřní prostor je v každém článku rozdělen do tří oddílů pro cestující. Dolní podlaží, střední podlaží nad podvozkem a horní podlaží. Protože tento dvoučlánkový vůz je rozdělitelný pouze dílensky, není důvod aby byl přechod mezi články ve standardizované výšce 1 250 mm. Z tohoto důvodu je volen v úrovni horního podlaží. Opačná čela jednotlivých článků jsou opatřena standadním rozhraním dle UIC. Nástupní prostory jsou voleny tak, aby byl z každých dveří umožněn přístup do všech oddílů. Nástupní prostory jsou vzhledem k článkům nesymetrické. Jeden článek obsahuje dva nástupní prostory se šířkou dveří 1 400 mm a druhý pouze jeden se šířkou dveří 2 000 mm. K nástupním prostorům blíže ke kraji vozidla přiléhá vždy jedno WC, které je uzpůsobeno i pro imobilní cestující. Dále je u těchto nástupních prostorů vytvořen víceúčelový prostor se sklopnými sedadly. Třetí nástupní prostor (prostřední) je nejmenší. Je z něj přístup přímo do spodního oddílu a po schodech přímo doprostřed horního podlaží, které je nedělené skrz oba dva články. Nejlepší představu o uspořádání interiéru dá však přiložený výkres a obrázek.
Typový výkres vozidla • uspořádání interiéru. Zdroj: autor
Návrh pojezdu
Pojezd navrhovaného vozidla je velmi atypický. Jeho uspořádání činí toto vozidlo výjimečným. Pojezd sestává ze dvou „obyčejných“ podvozků krajních a jednoho podvozku společného, pro toto vozidlo přímo vyvinutého.
Krajní podvozky mají rozvor 2 400 mm. Primární vypružení je provedeno pomocí ocelových vinutých pružin a vedení dvojkolí je pak realizováno pomocí kyvných ramen s optimalizovaným poměrem příčné a podélné tuhosti. Sekundární vypružení je realizováno jako pneumatické, jednobodové, doplněné dvěma torzními stabilizátory. Nouzové vypružení je z důvodu zmenšení změny kolových sil realizováno rovněž jako jednobodové (paralelní, předepnuté) a nachází se tedy uprostřed hlavního příčníku. Tlumení je hydraulické a působí na svislé pohyby primárního vypružení a svislé, příčné a vrtivé pohyby sekundárního vypružení. Přenos podélných sil je prostřednictvím lemniskátového mechanismu pod hlavním příčníkem.
Střední podvozek je třínápravový. Primární vypružení je navrženo rozdílně pro krajní nápravy a střední nápravu. Primární vypružení krajních náprav je navrženo tak, aby byla jeho příčná tuhost relativně vysoká a podélná naopak relativně nízká. Toho je docíleno tím, že primární vypružení vzhledem k ložiskové komoře je nesymetrické. Na straně ke kraji podvozku ho tvoří ocelová vinutá pružina usazená na pryžových kloubech, na druhé straně ložiskové komory je pak pryžový prvek tvarovaný podobně jako pružina s optimalizovanou tuhostí ve všech třech směrech (podobně jako podvozek Flexx od firmy Bombardier, původně vzor Talbot). Primární vypružení střední nápravy je co se týká skladby pružících prvků podobné, ale tuhost je nízká v obou horizontálních směrech. Vedení krajních náprav je realizováno pomocí ojniček a vahadla otočně usazeného do hlavního příčníku rámu podvozku. Vahadla obou krajních náprav jsou nad příčníky spojena křížovou vazbou (na některých vyobrazeních chybí). Na jednom z vahadel je rovněž vytvořeno rameno pro převod pohybu mechanismu na střední nápravu. Tento převod je volen tak, aby dvojkolí zaujímala ideální radiální polohu v oblouku. Pohyb obou těchto vahadel je tlumen hydraulickými tlumiči. Obě sekundární vypružení jsou stejně jako u krajních podvozků vzduchová, jednobodová s jednobodovým nouzovým vypružením a doplněná o dvojici stabilizátorů. Na sekundárním vypružení jsou usazeny trojúhelníkové „delta“ rámy. Jejich pohyb vůči rámu podvozku je omezen podélnými ojnicemi, které dohromady vytvářejí paralelogram. Tyto ojnice jsou značně masivní protože přenášejí podélné síly až 2000 kN (dle P-I, EN 12 663). Na delta rámech jsou v oblasti nad sekundárním vypružením kluznice pro přenos svislých sil ze skříně nebo naopak na skříň. Přenos horizontálních sil se děje na třetí straně trojúhelníka, která je oproti podvozku podélně vyložena. Tam se na rámu nachází válcová díra, do níž zapadá čep. Primární vypružení je tlumeno hydraulickými tlumiči, vždy na straně vinuté pružiny. Sekundární vypružení je tlumeno ve svislém a příčném směru. Funkci tlumičů vrtivých pohybů zde zastávají kluznice na poměrně velikém poloměru vůči čepu.
Výkresy a modely podvozku. Zdroj: autor
Výpočet obrysu pro konstrukci vozidla
Výpočet obrysu pro konstrukci bylo potřeba přizpůsobit atypickému pojezdu. Vozová skříň se má vzhledem k obrysu tři kritická místa při průjezdu obloukem. Jsou to oba vnější rohy a plocha bočnice, která se nejvíce přiblíží mezní hranici v prostoru poblíž středu vzdálenosti podvozků. Vzdálenost k mezní hranici byla pro tato tři kritická místa prověřena pro posloupnost poloměrů a na základě jejich hodnot byl stanoven tvar kulis proměnných dorazů příčného vypružení všech podvozků.
Výpočetní simulace
Pro navržené vozidlo byly odhadnuty hmotnost a momenty setrvačnosti jednotlivých komponent a na základě jich sestaven dynamický model v prostředí software SIMPACK®. Sestavený model prošel řadou simulací pro ověření jeho funkčnosti. Byly to simulace vážení, simulace zkoušky náklonu a simulace zkoušení změny kolových sil na zborcené koleji. Některé simulace probíhaly na virtuálním zkrucovacím stavu. Jejich výsledkem bylo ověření funkčnosti a validace modelu. Výsledky simulace zkoušení změny kolových sil rovněž posloužily pro vyhodnocení bezpečnosti proti vykolejení (Y/Q)lim, jehož součástí byla simulace průjezdu měrným obloukem R150. Takto ověřený model byl použit pro simulaci jízdně technických zkoušek ve smyslu normy EN 14 363 se zastoupením všech zkušebních oblastí. Dále byly provedeny simulace pro ověření bezpečnosti proti vykolejení při průjezdu jednoduchou kolejovou spojkou s úhlem odbočení 1:7,5 a simulace zkoušky shozem z klínů, pro zjištění hlavních vlastních frekvencí vozidla. Výsledky simulací byly pozitivní (viz též tabulka č. 1).
Modely v simulačním software SIMPACK. Zdroj: autor
Stav zatížení | Prázdný vůz | Obsazený vůz | Poloměr oblouku [m] |
||
Stav vypružení | Vzduch | Nouze | Vzduch | Nouze | |
1. zkušební oblast cd ≤ 40 mm |
cd = 0 mm | cd = 0 mm | cd = 0 mm | cd = 0 mm | ∞ |
2. zkušební oblast 600 m < R cd > 40 mm |
cd = 130 mm | 1300 | |||
cd = 165 mm | cd = 165 mm | cd = 165 mm | cd = 165 mm | 1170 | |
800 | |||||
750 | |||||
650 | |||||
3. zkušební oblast 400m ≤ R ≤ 600m |
600 | ||||
550 | |||||
500 | |||||
cd = 165 mm | cd = 165 mm | cd = 165 mm | cd = 165 mm | 450 | |
400 | |||||
4. zkušební oblast 250m ≤ R < 400m |
350 | ||||
300 | |||||
cd = 165 mm | cd = 165 mm | cd = 130 mm cd = 165 mm |
cd = 165 mm | 250 |
Tabulka 1: Oblasti zkoušení dle EN 14 363. Zdroj: autor
Porovnání
Vozidlo je navrženo tak, aby maximálně využilo prostor pro co největší úsporu neužitečné hmotnosti vztahující se k jednomu sedadlu. V porovnání s ostatními v Evropě provozovanými patrovými vozy je vidět, že zlepšení bylo dosaženo, a to ne nepatrného.
Porovnání: počet sedadel na metr, hmotnost na sedadlo. Zdroj: autor
Závěr
Navržené vozidlo má potenciál vyhovět zkouškám stran jízdních vlastností a jízdní bezpečnosti. Uspořádání interiéru bylo navrženo nějakým způsobem, který je ale ve velké míře přizpůsobitelný zákazníkovi. Netradiční koncepce dává vozidlu velmi výhodné technicko-ekonomické parametry, na stranu druhou může být netradiční koncepce překážkou při odhodlávání potenciálního výrobce jít touto originální cestou a „prošlapat“ cestičku jistě nelehkým procesem schvalování vozidla. Dosažené parametry vozidla jsou uvedeny níže v tabulce č. 2.
Maximální rychlost | 160 | km/h |
Hmotnost prázdného vozidla | 79 600 | kg |
Počet sedadel pevných + sklopných | 274 + 12 | |
Maximální nápravové zatížení | 174 | kN |
Vzdálenost otočných čepů | 19 000 | mm |
Vzdálenost středů podvozků | 22 000 | mm |
Délka přes nárazníky | 51 700 | mm |
Šířka vozové skříně | 2 812 | mm |
Výška hrany nástupního prostoru | 550 | mm |
Počet WC odpovídající TSI PRM | 2 |
Tabulka 2: Výsledné parametry vozidla. Zdroj: autor
Autorský text.
"2>Čo mi ale stále vŕta v hlave, je uloženie delta-rámov na ráme podvozku a ich vzájomné priečne horizontálne pohyby. Autor píše: "Jejich pohyb vůči rámu podvozku je omezen podélnými ojnicemi, které dohromady vytvářejí paralelogram."
To však v princípe znemožňuje priečne pruženie skrine voči stredovému podvozku priečným bortením vankúšov flexi-float. Toto považujem za problém.
Určitým riešením by bolo náhrada kyvných ramien pružnými členmi, prípadne uvolnenie ich tuhosti v horizontálnom smere (to neviem, či tak je alebo nie). V tom prípade by sa však k priečnemu pruženiu pričítavali parazitné momenty tvorené odporom klzníc pri natáčaní podvozku.
A preto sa autora spýtam jednu zásadnú vec:
Uvažovali ste nad možnosťou nahradenia dvoch samostatných polených delta-rámov jedným spoločným hexagonálnym rámom, ktorý by mal na koncoch otočné čapy pre obe skrine a spočíval ako celok na 4 vankúšoch sekundárneho vypruženia?
S tým, žeby bol vedený iba dvojicou kyvných ramien uvolnených vo všetkých smeroch okrem pozdĺžneho horizontálneho..
Dá sa to nasimulovať, ako by sa to správalo? Mám pocit, žeby to do značnej miery rušilo vplyv trenia klzníc na stranové bortenie vankúšov flexi-float za predpokladu zachovania relatívne nízkej horizontálnej tuhosti sekundárneho vypruženia..
Ono by to asi vyžadovalo vysokozdvihový priečny medziskriňový tlmič, prípadne pozdĺžny tlmič vrtivých kmitov hexa-rámu voči rámu podvozku.
4 nápravy v prepojených dvojpodvozkoch mi prídu už zbytočne veľa s ohľadom na zložitosť pojazdu a jazdné odpory.
Prečo si myslíte, že predsunutý čap by zvýšil priečne sily koleso-koľajnica? Ja si myslím, žeby k tomu dochádzalo len počas natáčania pri prekonávaní odporu klzníc. V kvázistatickom stave by sa nemalo diať nič neštandardné a nemali by tam vznikať už žiadne prídavné sily.
K tým ostatným veciam ako sú hajzlíky, priečne sedačky, priestor pre invalidov.. to sú všetko už detaily, ktoré sa dajú podľa priania zákazníka doladiť. Gró práce vidím v originálnej koncepcii vozidla a pojazdu.
Pokiaľ sa spochybňuje počet dverí, súhlasím s autorom v tom, že je podstatné, aby sa ľudia po nastúpení mali kde rýchlo rozptýliť, teda aby za dverami hneď neboli schody. Uvažujme, že najväčší lievik vznika pri prekračovaní z hrany nástupišťa na podlahu vozňa. Toto je jediné kritické miesto, pred aj za ním to ide hladko. A u dvojpodlažných vozov uvažujeme, že pri normovaných koridorových nástupištiach v rovine s podlahou vozidla toto nerobí problém. Ľudia pri nastupovaní cez široké dvere nepotrebujú sa pridržiavať rukovätí a môžu pohodlne nastupovať aj v trojrade. To je podstatné. Preto ak sa autor rozhodol pre koncepciu jednych širokých dverí, z racionálneho hľadiska mu niet čo vytknúť.
Pokiaľ ide o sedenie "bokom", hoc mne osobne tiež nie je príjemné, treba zohľadniť, že autor sa usiloval o vytvorenie čo najväčšieho počtu miest na sedenie. Pri sedení 2+1 v naddverovej časti by tam tých sedačiek napchal zjavne menej nehovoriac o otm, že pod priečne sedenie sa dá napchyť lepšie technologická časť mechanizmu dverí.
Nicmene se nabizi otazka, kolik je na nasem uzemi mist, kde by nemecky profil "drhnul"? Vi nekdo? Pripadne, jestli existuje nejaka mapa zeleznicni site s vyznacenim takovych mist ... jo, vim, to uz bych chtel asi moc :-D
Mozna si tu mechaniku moc zjednodusuju, nicmene pokud bychom se bavili o podvozku, kde cepy nesouci skrin vozu jsou nad krajni napravou, pricne sily prenasene mezi napravou a kolejnici (a s tim spojene opotrebeni kola i kolejnice) mi vychazi mensi, protoze odpadne "pakovy prevod".
Ve srovnani s klasickym vozem, kde je cep skrine uprostred podvozku, by to zde vychazelo lepe ve prospech dvoupodlazni casti, protoze cep otaceni by byl nad napravou podvozku (blizsi stredu vozu), coz u bezneho dvounapravoveho podvozku neni pouzitelne.
Vami navrhovana podoba je v poradi "skrin - cep - 3 napravy - cep - skrin", coz mi vychazi jako ne prave stabilni soustava; v pripade pricneho rozhoupani skrini proti sobe bude podvozek prenaset extremni bocni sily.
Jak by to vychazelo v pripade, ze by se pouzil ctyrnapravovy podvozek v principu slozeny ze dvou dvounapravovych propojenych nosnikem, na kterem by pak byly umisteny cepy nesouci skrin? Konkretne v pripade, ze by poradi bylo "skrin - cep skrine nad napravou - cep podvozku - naprava - naprava - cep podvozku - cep skrine nad napravou - skrin" ... pravdepodobne by se navysila "neuzitecna" hmotnost vozu v prostoru nad podvozkem (tedy jednopodlazni) a 4N podvozek by byl urcite tezsi. Ale zase ... oproti klasickemu vozu je lepsi pomer dvoupodlazni casti vozu ... a pritom by nebyl zadny problem s vlozenymi clanky, protoze by kazdy vychazel na 4 napravy. Coz by pravdepodobne i znamenalo, ze je mozne ty podvozky 4n podvozky resit v nejakem lehcim provedeni.
No a pak jen drobny detail ... nemam rad pricne umisteni sedacek (jsem ochoten to akceptovat u sklopek v multifunkcnim prostoru) a pritom chapu, ze pohony dveri je nutne nekam schovat. Prijde mi lepsi, kdyby v patre v techto prostorech byly sedacky 2+1 s vyosenou sedackou, pripadne nejaky prostor na zavazadla (i kdyz, ten je vhodnejsi mit dole).
Zajímá mne ještě, proč by nešla vícedílná jednotka s uspořádáním pojezdu např. 2'3'3'3'3'2' (pětidílná na šesti podvozcích) dodáním vloženého dílu, spočívajícího na dvou třínápravových podvozcích (na způsob Bpjo)?
Jde o vůz pro příměstskou dopravu - proč jsou tedy pouze troje dveře, navíc ve dvou rozdílných šířkách? Podle mne by ty skříně mohly být obě stejné, každá se dvěma dveřmi o světlém průchodu 1300 mm (nebo více) v jedné bočnici. V příměstské dopravě jde o rychlost výměny cestujících a tedy čím více dveří, tím lépe. Výroba hrubé stavby skříně takového vozu by rovněž byla jednodušší a levnější (jedna sada přípravků na oba články).
Co se týká uspořádání interiéru: Schody je možné zkrátit tím, že budou točité o 90°, získá se tím docela dost místa (viz. Twindexxy pro SBB). Pro invalidy zde vidím prakticky jen to WC, jinak žádný jiný pořádný prostor. Zde bych já osobně určitě provedl úpravu přemístěním WC doprostřed spodního patra spolu s "vyklizením" prostoru kolem něj. Na výkrese mi rovněž chybí umístění např. rozvaděčových skříní a prostor pro tažení vzduchotechniky do horního patra vozu - s těmi je nutno počítat, ty hadice jsou poměrně velkého průřezu. Klimatizační jednotky budou dvě na článek, jedna montována na čelní představek a druhá do prostoru pod přechodem (jedna jednotka by to neutáhla, i 071 má dvě). Rovněž by mne zajímalo, s jakou roztečí sedadel je počítáno - to je dost zásadní parametr pro pohodlí cestujících, zejména pokud je takové množství sedadel uspořádáno za sebou. Co mi na výkrese rovněž chybí, je příčný řez skříní s udáním průchozích výšek, ale to je pro analýzu průjezdu tak trochu podružná záležitost.
Celkově jde o zajímavou koncepci vozu. Dovedu si to představit i vícedílné - klidně pětičlánek.
Komentáře vyjadřují názory čtenářů.
Redakce nenese žádnou zodpovědnost za jejich obsah.
- dopisovatel nebo člen ŽP, - editor nebo admin ŽP
Před vložením komentáře je nutné se buď přihlásit, nebo zaregistrovat.