Protože se po roce opět přiblížila zima a s ní i termín dne otevřených dveří na Dopravní fakultě Jana Pernera (DFJP) Univerzity Pardubice, který se uskuteční ve čtvrtek 12. ledna 2012, přinášíme vám – čtenářům magazínu ŽelPage – další volné pokračování našeho seriálu. Zatímco předloňský článek se zabýval možnostmi studia oboru kolejových vozidel na DFJP a v loňském článku jsme se spolu seznámili s vybavením technických laboratoří DFJP pro experimentální výzkum v oblasti kolejových vozidel, tentokrát se zaměříme na styk kola a kolejnice – oblast, kde milimetrové rozměry rozhodují o jízdních vlastnostech mnohatunových vozidel. Kontakt kola a kolejnice má totiž zcela zásadní význam právě ve vztahu k jízdním vlastnostem kolejových vozidel. Asi v žádném jiném konstrukčním uzlu vozidla nehrají tak malé rozdíly tak velkou roli. V tomto článku jsou nastíněny alespoň základní aspekty problematiky styku kola a kolejnice s cílem přiblížit je trochu i laickému čtenáři.

O dotykové plošce, valivém odporu a adhezním přenosu sil

Princip odvalování ocelového kola po ocelové kolejnici je stejně starý jako železnice sama. Toto technické řešení pohybu dopravního prostředku po jízdní dráze má své výhody i nevýhody. Jednoznačným pozitivem je velmi nízká energetická náročnost takového druhu dopravy. Deformace ocelového kola a ocelové kolejnice je totiž i při velmi vysokém zatížení malá, což má za následek nízkou hodnotu valivého odporu a z ní vyplývající nižší energetickou náročnost. Zatímco obvyklá hodnota měrného valivého odporu je v případě silničních vozidel (resp. pneumatik na asfaltové vozovce) asi 80 N/t, v případě železničních vozidel je tato hodnota přibližně osmkrát nižší. Pro názorné přiblížení toho, na jak malé plošce se odehrává přenos veškerých sil mezi kolem a kolejnicí, je na přiloženém obrázku zobrazena dvojice otisků dotykových ploch kol loženého čtyřnápravového nákladního vozu o hmotnosti 90 t. Tato dotyková plocha, která je v ideálním případě eliptického tvaru, má velikost asi jako otisk palce (tj. cca 1,5 až 2,5 cm²), a přitom na ní jenom ve svislém směru působí statická síla cca 110 kN. Mezi nevýhody ocelových kol na ocelových kolejnicích však patří relativně nízká hodnota dosažitelného součinitele adheze, a to jak pro rozjezd, tak zejména pro brzdění. Adhezí se přitom rozumí schopnost přenosu tečných (tažných a brzdných) sil při odvalování kola po kolejnici a součinitel adheze je bezrozměrná veličina vyjadřující poměr tečné a svislé kolové síly. Za sucha je možné dosáhnout součinitele adheze asi 0,4, na mokrých a navíc znečistěných kolejnicích však tato hodnota může klesnout i pod 0,1. Například při návrhu adhezních brzd se proto z bezpečnostních důvodů obvykle uvažuje s maximální využitelnou hodnotou součinitele adheze 0,15.

Jak přinutit dvojkolí, aby projelo obloukem?

Dvojice železničních kol nalisovaných na nápravě tvoří velmi tuhý celek zvaný železniční dvojkolí. Toto dvojkolí vykonává dvě základní funkce – nese a vede vozidlo. Při průjezdu vozidla, resp. dvojkolí obloukem je však nutné, aby vnější kolo urazilo delší dráhu, než kolo vnitřní, jelikož se pohybuje na větším poloměru. Z automobilní techniky je nám známa konstrukce diferenciálu, umožňujícího rozdílné otáčky vnějšího a vnitřního kola jedné nápravy při průjezdu zatáčkou. V případě klasického železničního dvojkolí však rozdílné otáčky kol nejsou s ohledem na jeho konstrukci možné. Jak tedy zajistit, aby se dvojkolí mohlo obloukem odvalovat bez prokluzů kol a z nich vyplývajícího opotřebení kol a kolejnic?

Klíčem k řešení je tvar jízdního obrysu kol dvojkolí, konkrétně kuželovitost jízdní plochy. Princip diferenciálního efektu dvojkolí s kuželovými jízdními plochami je znázorněn na přiloženém obrázku. Při průjezdu obloukem se dvojkolí vlivem působení odstředivé síly mírně posune směrem k vnější kolejnici, čímž dojde zároveň k posunutí dotykových bodů (resp. dotykových plošek) mezi koly a kolejnicemi. Díky tomu se vnější kolo odvaluje na větším poloměru než kolo vnitřní. Tento princip tedy umožňuje do určité míry kompenzovat rozdílnost délky dráhy, kterou musí urazit vnější a vnitřní kolo dvojkolí v oblouku. Není-li rozdíl poloměrů kol dostatečný (v obloucích malých poloměrů), dochází zpravidla na vnitřním kole k prokluzům. Tyto prokluzy mají za následek zvláštní formu opotřebení hlav kolejnic v obloucích malých poloměrů – tzv. vlnkovitost kolejnic. Ta je mimo jiné původcem nepříjemného "hučivého" zvuku a vibrací ve vozech (například při jízdě oblouky na trati prvního koridoru mezi Brnem a Blanskem, kde se při modernizaci nepodařilo trať vedenou údolím Svitavy dostatečně "narovnat").

Z důvodu lepší průjezdnosti oblouky tedy byla dvojkolí železničních vozidel "odjakživa" opatřována kuželovými jízdními obrysy, které měly v oblasti jízdní plochy konstantní kuželovitost. V souvislosti s rostoucí rychlostí vlaků ve 20. století se však ukázalo, že kuželové jízdní obrysy nejsou zcela vhodným řešením. Dvojkolí s těmito jízdními obrysy kol má totiž při jízdě v přímé koleji tendenci k sinusovému vlnivému pohybu, přičemž délka vlny tohoto pohybu nezávisí ani na amplitudě sinusovky, ani na rychlosti jízdy. Se zvyšující se rychlostí se tudíž zvyšuje i frekvence sinusového pohybu, s čímž souvisí i rostoucí dynamické účinky na vozidlo i na trať a zhoršující se kvalita jízdních vlastností vozidla. Aby bylo možné vozidla s dvojkolími opatřenými kuželovými jízdními obrysy provozovat vyšší rychlostí, bylo nutné u nich mimo jiné snížit právě hodnotu kuželovitosti. Dvojkolí s jízdními obrysy se sníženou hodnotou kuželovitosti však zase nejsou vhodná pro průjezd oblouky, protože rozdíl poloměrů obou kol je při stejném příčném posunutí dvojkolí vůči koleji nižší. Tato dvojkolí se proto v provozu opotřebovávala ještě rychleji než dvojkolí s klasickými kuželovými jízdními obrysy, a bylo tedy potřeba najít řešení tohoto problému.

Když tak málo znamená tak hodně…

Pracovníci železničního výzkumu si všimli, že se kuželový jízdní obrys velké části vozidel provozovaných na dané železniční síti po čase opotřebí do určitého stabilizovaného křivkového tvaru. Tento poznatek dal vzniknout tzv. křivkovým jízdním obrysům, které se vyznačují tím, že část jejich jízdní plochy není definována přímkou, ale křivkou; kuželovitost jízdní plochy tudíž není konstantní. Příkladem takového obrysu je jízdní obrys známý jako UIC-ORE neboli ORE S1002 vyvinutý v Německu. Ač je rozdíl mezi dvojkolím s kuželovým a křivkovým jízdním obrysem kol na první pohled prakticky neviditelný (rozměry jízdních obrysů se liší v řádu milimetrů), rozdíly v jízdních vlastnostech vozidel vybavených těmito dvojkolími jsou zcela zásadní! Zavedením křivkových jízdních obrysů je tak možné snížit opotřebení nejen kol, ale i kolejnic (a tím zároveň snížit provozní náklady), dále zlepšit průjezdnost vozidla oblouky (je možné dosáhnout daleko příznivějšího rozdílu valivých poloměrů jednotlivých kol dvojkolí) a také zvýšit bezpečnost proti vykolejení (křivkové jízdní obrysy mívají v porovnání s obrysy kuželovými větší úhel sklonu okolku). Zároveň křivkové jízdní obrysy umožňují i provoz vozidel vysokými rychlostmi při vyhovujících jízdních vlastnostech.

I když se z výše uvedeného může na první pohled zdát, že se s příchodem křivkových jízdních obrysů kol vyřešily všechny možné "nešvary" železničních vozidel, od opotřebovávání kol a kolejnic až po neklidnou jízdu vozidel, skutečnost je trochu složitější. Křivkové jízdní obrysy železničních kol sice představují mocný nástroj k ovlivnění dynamických vlastností kolejových vozidel, vždy je však nutné posuzovat vozidlo v kombinaci s tratěmi, na nichž je provozováno, jako jeden celek. Ve vztahu k jízdním vlastnostem vozidla jsou totiž kromě vzájemného vztahu dvokolí a koleje velmi důležité i další parametry, zejména tuhosti a tlumení vazeb ve vedení dvojkolí vozidla a v jeho vypružení, rozměrové a hmotnostní parametry jeho konstrukčních částí a vůbec celá koncepce vozidla, především však řešení jeho pojezdu. Při nevhodné kombinaci podmínek vztahu dvojkolí–kolej a charakteristik vazeb v pojezdu vozidla se může za určitých podmínek (např. při nadměrném opotřebení některých dílů vedení dvojkolí) při jízdě vyššími rychlostmi v přímé koleji rozvinout tzv. nestabilní chod, při němž dochází k nadměrnému příčnému kmitání dvojkolí. S nestabilitou je spojeno i zvýšené namáhání konstrukce vozidla a železničního svršku příčnými silami a u osobních vozů i snížení jízdního komfortu. Tento jev je možné zaznamenat například u některých vozidel s podvozky typu Görlitz V nebo 26-2.8.

Závěrem

Vzájemný vztah dvojkolí a koleje je základem dynamiky kolejových vozidel, která dnes již tvoří samostatnou vědní disciplínu. Poznatky z této oblasti jsou pak aplikovány při vývoji nových kolejových vozidel, optimalizaci jejich jízdních vlastností apod. Přitom se v současné době hojně využívá stále se rozvíjející výpočetní techniky, resp. počítačových simulací jízdy kolejových vozidel; o tom ale třeba zase někdy příště.

Doufáme, že vás tento článek alespoň trochu zaujal a že vám třeba i objasnil některé zákonitosti toho, "jak ono to vlastně jezdí." Zároveň jej můžete považovat za pozvánku na den otevřených dveří na DFJP v Pardubicích, který se uskuteční ve čtvrtek 12. ledna 2012 od 10 hodin. V případě, že Vás článek zaujal natolik, že byste se o kolejových vozidlech, jejich konstrukci, vývoji, provozu a údržbě chtěli dozvědět více, rádi Vás v novém akademickém roce přivítáme v řadách studentů oboru Dopravní prostředky – zaměření Kolejová vozidla u nás na Dopravní fakultě Jana Pernera Univerzity Pardubice…