Před necelým rokem jsme na tomto místě lákali budoucí maturanty ke studiu oboru Dopravní prostředky – zaměření Kolejová vozidla na Dopravní fakultě Jana Pernera Univerzity Pardubice (DFJP). S některými z čtenářů jsme se tak mohli v lednu tohoto roku osobně setkat v rámci dne otevřených dveří v komplexu technických laboratoří Oddělení kolejových vozidel Katedry dopravních prostředků a diagnostiky, kde prezentace zmíněného oboru – jako již tradičně – probíhala. Protože se v této laboratoři nachází, mimo jiné, i zkušební zařízení pro testování železničních kol, směřovala tehdy značná část dotazů návštěvníků právě k tomuto zařízení. Jelikož se opět přiblížil den otevřených dveří na DFJP v Pardubicích, který v letošním školním roce proběhne ve čtvrtek 13. ledna 2011, rozhodli jsme se na loňský článek o studiu kolejových vozidel volně navázat a trochu blíže vám představit právě vybavení našich technických laboratoří, které také můžete na vlastní oči vidět, pokud se letošního dne otevřených dveří na DFJP zúčastníte.

Testovací zařízení železničních kol

Jak již bylo řečeno v úvodu článku, jedním ze zkušebních zařízení, které se nachází v komplexu technických laboratoří DFJP, je testovací stav železničních kol. Právě kontakt kola a kolejnice je totiž doposud ne zcela probádanou oblastí, která v sobě skrývá řadu nevyřešených problémů a má přitom zcela zásadní vliv na kvalitu jízdy kolejových vozidel. Některé z těchto problémů je dnes možné díky stále se rozvíjející výpočetní technice zkoumat pomocí počítačových simulací; přesto však zůstává role experimentu nadále nezastupitelná. Každý nově navržený simulační model by totiž měl být verifikován (ověřen) experimentem, jinak jej nelze považovat za zcela průkazný. Mimo jiné i z tohoto důvodu bylo vyvinuto zkušební zařízení pro testování železničních kol, sloužící pro experimentální výzkum silových účinků v kontaktu kola a kolejnice.

Jedná se o zcela unikátní experimentální zařízení, vybudované na Dopravní fakultě Jana Pernera. Konstrukce zkušebního stavu umožňuje simulovat prakticky veškeré provozní situace, odehrávající se v kontaktu železničního kola s kolejnicí. Celé zařízení je tvořeno mohutným, od základu odpruženým rámem, v němž je zabudováno zkoušené kolo o průměru 900 mm a tzv. rotující (nekonečná) kolejnice. Tato rotující kolejnice, jež je vyrobena z lokomotivního kola, umožňuje realizaci experimentů simulujících běžný provoz v laboratorních podmínkách. S železničním kolem proto není nutné "někde jezdit", jelikož princip funkce zkušebního stavu spočívá ve vzájemném odvalování dvou kol. Rotující kolejnice je přitom osoustružena tak, že reprezentuje příčný profil hlavy kolejnice typu S49 (podle nového značení 49E1) s úklonem 1:40. Průměr rotující kolejnice je 1245 mm. Pro simulaci zatížení, nastavení vzájemné polohy kola a kolejnice a pro pohon je celé zařízení doplněno servoválci, brzdou a elektromotorem o výkonu 138 kW. Na tomto zkušebním stavu je tak možné simulovat následující provozní podmínky:

• svislé zatížení kola až do velikosti 100 kN – to odpovídá zatížení cca 20 t na nápravu,
• příčné zatížení – to představuje působení vodicí síly Y při průjezdu vozidla obloukem,
• tažné a brzdné síly působící na obvodu kola,
• úhel náběhu kola při průjezdu vozidla obloukem,
• příčné posunutí kola vůči kolejnici.

Vývoj nového měrného dvojkolí

Jedním z hlavních cílů výzkumu, realizovaného s využitím již popsaného zařízení pro testování železničních kol, bylo nalezení originálního experimentálního postupu pro stanovení svislé kolové síly Q a příčné síly Y na základě měření deformace kotouče kola, a to s dostatečnou přesností. Právě to je totiž princip, který využívá většina tzv. měrných dvojkolí. Tato speciálně vybavená železniční dvojkolí se používají zejména při jízdních zkouškách kolejových vozidel, jež jsou nezbytnou součástí procesu schvalování nových vozidel do provozu. Ve spolupráci DFJP a VÚKV, a.s. tak byl v rámci Výzkumného centra kolejových vozidel (VCKV) vyvinut zcela nový systém měrných dvojkolí, někdy ozvačovaný jako VÚKV3 (jde již o 3. generaci měrných dvojkolí, využívaných ve VÚKV).

Tento systém měrných dvojkolí funguje tak, že pomocí tenzometrických snímačů, neboli tenzometrů, nalepených na kotouči kola, jsou snímány deformace tohoto konstrukčního prvku. Základem tenzometru je odporový drát, který vlivem nalepení tenzometru na kotouč kola kopíruje deformace tohoto kotouče, jež jsou vyvolány provozním silovým zatížením dvojkolí. Tím dochází ke změnám délky a průřezu drátu, čímž se mění i jeho elektrický odpor. Díky zapojení celého souboru tenzometrů do Wheatstoneova můstku je možné měřit elektrické napětí, jehož hodnota závisí na právě změnách odporu jednotlivých tenzometrů, resp. na deformaci kotouče kola.

Měřený elektrický signál je přenášen z dvojkolí do měřicí ústředny na vozidle. Pro samotný přenos signálu je v tomto případě nově použita bezdrátová technologie pracující na frekvenci 2,4 GHz – podobně jako např. Wi-Fi či Bluetooth. Tento bezdrátový přenos tak u systému VÚKV3 nahradil dříve používaný systém kartáčů a kolektoru (kroužkové hlavy), který vnášel do celého měřicího řetězce rušení a byl také značně nespolehlivý, zejména při vyšších rychlostech. Zpracováním měřeného signálu je pak možné získat průběhy svislé kolové síly Q, vodicí síly Y a polohy (příčného posunutí) dotykové plošky na jízdní ploše kola. Hlavní výhodou systému VÚKV3 je však skutečnost, že není potřeba provádět žádné zásahy do konstrukce testovaného dvojkolí, což dříve nebylo možné. Díky tomu není narušena pevnost a životnost tohoto dvojkolí a po realizaci zkoušek je tak možné ponechat jej v běžném provozu. Systém VÚKV3 dosahuje vysoké přesnosti a je použitelný až do rychlosti 250 km/h. Bez zajímavosti není ani skutečnost, že je tento systém přihlášen jako mezinárodní patent a zároveň probíhá jeho schvalování německým drážním úřadem (EBA). Měrná dvojkolí systému VÚKV3 již byla použita například při měření vozidel pařížského metra nebo při testech nové elektrické lokomotivy ŠKODA 109E (řada 380 ČD).

Zkušební zařízení tramvajového kola s pohonem synchronním motorem s permanentními magnety

Dalším unikátním zkušebním pracovištěm je experimentální zařízení s přímým pohonem tramvajového kola synchronním trakčním motorem s permanentními magnety (PMSM), umístěné v laboratoři Katedry elektrotechniky, elektroniky a zabezpečovací techniky v dopravě (KEEZ). Konstrukce celého zařízení sestává z rámu, tramvajového kola s přímým (bezpřevodovkovým) pohonem pomocí PMSM, natáčivě uložené nekonečné (rotující) kolejnice a pneumatického pístu pro vyvozování proměnného přítlaku, simulujícího různé hodnoty svislého zatížení kola. Nekonečná kolejnice je přes snímač krouticího momentu a kloubový hřídel spojena se zátěžným asynchronním motorem napájeným z frekvenčního měniče.

Technologie přímého pohonu kolejových vozidel pomocí trakčních PMSM se v posledních letech progresivně rozvíjí zejména u vozidel MHD, jakými jsou právě tramvaje či vozy tzv. lehkého metra, a je použita např. i u nejnovější české tramvaje typu 15T z produkce plzeňské Škody Transportation. V rámci výzkumu byl pro tento pohon vyvinut nový výkonový měnič s IGBT prvky a řídicí systém na bázi DSP procesoru řady 2812. Zde prováděné výzkumné práce a experimenty jsou zaměřeny zejména na metody řízení trakčních pohonů s PMSM, ale také např. na metody umožňující nepřímé odbuzování PMSM. Kromě výzkumu těchto regulačních struktur je ale pozornost věnována i energetickým a výkonovým vlastnostem celého systému pohonu z pohledu rušení a elektromagnetické kompatibility (EMC).

Zkušební zařízení tramvajového kola je však využíváno také pro experimentální výzkum adhezních vlastností styku kolo–kolejnice v rámci činnosti VCKV. Díky komplexnímu systému trakčního a zátěžného motoru, jejich měničů a snímačů zde mohou být realizovány experimenty za účelem výzkumu adhezních poměrů při různém momentovém zatížení a při proměnné rychlosti otáčení obou kol. Během experimentů je možné dynamicky měnit jízdní režim (přechod trakce–brzda); pro jednotlivé experimenty pak lze měnit úhel náběhu kola, představující postavení kola vůči kolejnici při průjezdu vozidla obloukem, či různé provozní stavy (suchá–mokrá kolej).

Další vybavení technických laboratoří DFJP

Popsaná zkušební zařízení nejsou jediným vybavením technických laboratoří DFJP pro experimentální výzkum. Kromě testovacího zařízení železničních kol a zkušebního stavu s individuálním bezpřevodovkovým pohonem tramvajového kola trakčním PMSM se zde nacházejí také experimentální zařízení pro výzkum mechanismu poškozování plochy kola v kontaktu kolo–kolejnice nebo optický měřicí systém ARAMIS 4M. První zmíněné zařízení slouží pro účely materiálového výzkumu (např. projevy kontaktní únavy či výzkum dynamické odezvy materiálu); ARAMIS 4M pak představuje bezdotykový optický 3D měřicí systém pro snímání deformací součástek nebo vzorků materiálu při různých zatěžovacích zkouškách. Pro analýzu mechanických vlastností dopravních konstrukcí slouží elektro–hydraulický zatěžovací systém INOVA. Zvláštní součást komplexu technických laboratoří tvoří laboratoře Katedry dopravního stavitelství (KDS), kde se s využitím zdejšího vybavení realizují zkoušky stavebních hmot a geotechnických vzorků. Bližší popis těchto zařízení by však byl pro účely tohoto článku dosti komplikovaný…

Přijďte se také podívat!

Jak je zřejmé z výše uvedeného, existuje i v dnešní době v oblasti kolejových vozidel a s nimi související problematiky stále mnoho neprobádaných oblastí. Snaha o poznání a pochopení podstaty těchto dosud ne zcela popsaných problémů je i předmětem experimentálního výzkumu na Dopravní fakultě Jana Pernera Univerzity Pardubice, k čemuž slouží mimo jiné právě i relativně pestré vybavení zdejších technických laboratoří.

Doufáme, že vás – čtenáře magazínu ŽelPage – tento článek svým obsahem zaujal a přinesl vám třeba i nový pohled na problematiku "těch našich oblíbených" kolejových vozidel. Pokud pak patříte do té věkové skupiny, která se nyní rozhoduje, kam dál po absolvování střední školy, a tušíte (nebo jste už dokonce přesvědčeni), že studium oboru kolejových vozidel by mohlo být Vaší volbou, nebo pokud byste prostě jen rádi – ze zvědavosti a z vlastního zájmu – osobně nahlédli do laboratoří DFJP a třeba se o výše popsaných experimentálních zařízeních dozvěděli více, určitě navštivte právě náš den otevřených dveří. Ten se uskuteční – jak již bylo řečeno v úvodu článku – ve čtvrtek 13. 1. 2011 v areálu DFJP v Pardubicích. Budeme se těšit na Vaši návštěvu!