Pardubice — Stalo se již tradicí, že vám – čtenářům magazínu ŽelPage – vždy na podzim přinášíme jeden článek z prostředí Dopravní fakulty Jana Pernera (DFJP) Univerzity Pardubice, týkající se kolejových vozidel, možností jejich studia apod. Protože není důvod tento zvyk měnit a protože jsme v závěru loňského článku, který trochu blíže pojednával o styku kola a kolejnice, slíbili, že se třeba někdy příště podíváme na využití počítačových simulací jízdy kolejového vozidla při vývoji nových vozidel, bude se letošní příspěvek zabývat alespoň v hrubých obrysech právě touto problematikou.

Počítače všude, kam se podíváš

Protože výpočetní technika zažila v posledních desetiletích nebývalý rozvoj, stává se její využívání běžné v mnoha oblastech lidské činnosti. Železniční technika není v tomto ohledu vůbec pozadu, a tak jsou počítače dnes využívány prakticky všude, od vývoje nových kolejových vozidel přes jejich ovládání až po plánování údržby. Můžeme s tím nesouhlasit, můžeme proti tomu protestovat, ale – jak praví klasik – to je asi tak všechno, co s tím můžeme dělat. Konstruktéři tak například využívají pevnostní výpočty prováděné metodou konečných prvků (tzv. MKP či po anglicku FEM), aby docílili lehčí, ale zároveň odolnější stavby vozidla; strojvedoucí zase při řízení moderních vozidel mohou využívat různé systémy automatizace jízdy vlaku (v českých podmínkách je to např. CRV a AVV od firmy AŽD Praha), které umožňují docílit nižší spotřeby trakční energie při dodržení stanovené jízdní doby vlaku. Podobných příkladů bychom samozřejmě našli mnohem více a jednou z aplikací výpočetní techniky v „kolejařině“ jsou právě i simulační výpočty jízdy vozidla. Někteří čtenáři si jistě při vyslovení slovního spojení „počítačová simulace“ v souvislosti s železnicí vybaví některou ze známých počítačových her, umožňující svým uživatelům zažívat pocity strojvedoucího – sice jen virtuálně a ne zcela věrohodně, ale přece. Ti z vás, kteří tedy nyní očekávají článek pojednávající výhradně o těchto hrách, však musíme trošku zklamat. Počítačovými simulacemi využívanými při vývoji nových kolejových vozidel zde totiž myslíme něco trochu jiného, i když se svým způsobem jedná také o jistou formu hry – určenou však pro inženýry. Simulační výpočty jízdy kolejového vozidla jsou dnes totiž velmi mocným nástrojem pro ověřování a optimalizaci (tedy jakési „ladění“) jeho jízdních vlastností, a to již ve fázi návrhu vozidla.

K čemu to je dobré?

Vývoj kolejového vozidla je velmi náročný proces. Projektanti a konstruktéři se při něm musí poprat s celou řadou problémů a zajistit, aby nově vznikající vozidlo splňovalo nejen požadavky zákazníka, ale i obrovského množství různých technických norem. Jedněmi z nejvýznamnějších ukazatelů kvality kolejového vozidla jsou právě jeho dynamické vlastnosti, které vypovídají o tom, jak je vozidlo bezpečné při jízdě (mluvíme o tzv. jízdní bezpečnosti), jak pohodlně se v něm budou cítit cestující (tzv. jízdní komfort) nebo jakou měrou bude vozidlo namáhat a opotřebovávat železniční svršek. Požadavky na dynamické vlastnosti vozidel určených pro provoz na evropských železnicích jsou dnes striktně dány příslušnými mezinárodně platnými technickými specifikacemi pro interoperabilitu (TSI). Ověřování těchto dynamických vlastností (někdy hovoříme o tzv. jízdních vlastnostech při jízdě v přímé koleji a vodicích vlastnostech při jízdě obloukem) je součástí schvalovacího procesu nových vozidel do provozu. Tyto vlastnosti jsou ovlivněny celou řadou fyzikálních veličin, od hmotnosti a rozměrů vozidla přes charakteristiky pružin a tlumičů, použitých v konstrukci pojezdu, či tvar jízdních obrysů kol dvojkolí a příčných profilů hlav kolejnic (viz též loňský článek o styku kola a kolejnice) až po teplotu a vlhkost vzduchu. A snahou výrobce je potom optimalizovat konstrukci vozidla z hlediska jeho dynamických vlastností již ve fázi vývoje. Jsou-li totiž zjištěny jakékoliv nedostatky, které vyžadují zásahy do konstrukce, až ve chvíli, kdy vozidlo existuje „v železe“, jsou tyto úpravy velmi nákladné a časově náročné, případně i nemožné.

Jak to funguje?

Jak již napovídá samotné sousloví „dynamické vlastnosti“, jsou simulační výpočty jízdních a vodicích vlastností kolejových vozidel založeny na aplikaci principů mechaniky. Protože však podrobné, a zároveň i laickému čtenáři přístupné, vysvětlení funkce simulačních programů dalece přesahuje možnosti tohoto článku, pokusíme se zde alespoň o naznačení základních principů, na kterých jsou simulační výpočty založeny. V anglické literatuře bývají někdy tyto simulace označovány zkratkou MBS, tzn. multi-body simulation. Jak napovídá tento název, je kolejové vozidlo (ale také kolej) pro účely simulačních výpočtů obvykle modelováno soustavou tuhých těles, která jsou spolu vázána příslušnými vazbami. Jednotlivá tělesa zde svými parametry (tj. hmotností, polohou těžiště a momenty setrvačnosti) reprezentují skříň vozidla, rámy podvozků, dvojkolí, trakční motory atd.; vazby pak svými charakteristikami odpovídají uvažovaným pružinám, tlumičům, prvkům vedení dvojkolí, dorazům, narážkám apod. Tato soustava těles, která je vlastně určitým zjednodušením reality, je označována jako dynamický model systému vozidlo–kolej. Aby bylo možné pohyb této soustavy řešit, je nutné provést její matematizaci, tzn. vytvořit matematický model soustavy vozidla a koleje. Matematizace dynamického modelu je založena na skutečnosti, že pohyb každého tělesa je obecně možné popsat soustavou tzv. pohybových rovnic. Matematický model vozidla tedy není nic jiného než právě soustava desítek rovnic, kterou lze řešit s využitím výpočetní techniky některou z mnoha numerických metod. Řešením těchto pohybových rovnic pak lze získat průběh libovolných veličin, tedy zejména polohu jednotlivých těles, síly ve vazbách, koeficient bezpečnosti proti vykolejení atd. Tím získáme kompletní informaci o pohybu vytvořeného modelu vozidla. Pro názornost je tento princip naznačen na přiloženém schématu.

Chceme-li získat věrohodné výsledky, musíme mít k dispozici kromě bezchybně vytvořeného modelu vozidla a koleje i kvalitní vstupní data pro simulační výpočty. Mezi tato vstupní data patří zejména hmotnostní parametry jednotlivých těles (částí vozidla), charakteristiky pružin, tlumičů a dalších na vozidle použitých vazeb, dále tzv. charakteristiky kontaktní geometrie dvojkolí–kolej, které popisují vzájemnou vazbu mezi dvojkolím a kolejí a mají velmi významný vliv na chování vozidla při jízdě. Neméně významnými vstupními údaji jsou též parametry koleje, tedy její trasování (tzn. poloměry oblouků, délky a tvar přechodnic apod.) a nerovnosti ve formě odchylek jednotlivých kolejnicových pásů od své teoretické polohy. Mezi vstupní veličiny ale patří i rychlost jízdy vozidla nebo součinitel tření mezi kolem a kolejnicí.

Pro samotné simulační výpočty jízdy kolejových vozidel je dnes možné využít komerční simulační programové systémy, mezi které patří např. SIMPACK, ADAMS/Rail nebo Vampire. Komerční software pro tyto simulace umožňuje tvorbu modelu vozidla v grafickém prostředí, nastavení mnoha parametrů simulačních výpočtů či vizualizaci výsledků. Jejich nevýhodou z pohledu uživatele je však obvykle fakt, že pracují na „principu černé skříňky“, a uživatel tak nevidí do výpočtového jádra programu, které si většinou tvůrci těchto softwarů bedlivě chrání. To může způsobovat různé komplikace například při modelování nestandardních situací, které nebyly při vývoji softwaru uvažovány. Na Dislokovaném pracovišti DFJP v České Třebové je proto pro simulační výpočty využíván zejména vlastní programový systém SJKV (Simulace jízdy kolejového vozidla), který je zde již zhruba 20 let používán a s postupným vývojem výpočetní techniky neustále zdokonalován. Tento systém je založen na programových jednotkách a umožňuje tvorbu různých modifikací pro konkrétní kolejová vozidla. Pro řešení matematických modelů se zde využívá vývojové prostředí Borland Delphi. V současné době již tento systém umožňuje kromě analýzy výsledků ve formě průběhů sledovaných veličin i vizualizaci jízdy vozidla s rozsáhlým spektrem možností zobrazení. Na následujícím videu je ukázka vizualizace výsledků simulačního výpočtu jízdy lokomotivy po reálné koleji při výrazném zvětšení měřítek některých rozměrů.

A kde se to používá?

Abychom uvedli i některé konkrétní příklady využití simulačních výpočtů, tak simulace prováděné programovým systémem SJKV byly v poslední době využity například při vývoji elektrické jednopodlažní jednotky ŠKODA 7Ev (RegioPanter ČD), dvounápravové dieselelektrické lokomotivy řady 719.7 CZ LOKO, ale i elektrické lokomotivy ŠKODA 109E (řada 380 ČD). V současnosti se pak Dopravní fakulta Jana Pernera podílí v rámci řešení projektu výzkumu a vývoje „TIP“ Ministerstva průmyslu a obchodu ČR na vývoji nové čtyřnápravové dieselelektrické lokomotivy řady 744.0 CZ LOKO. Kromě samotné realizace simulačních výpočtů jízdních a vodicích vlastností této lokomotivy ve verzi pro normální i široký rozchod je zde předmětem spolupráce s českotřebovskou lokomotivkou například i ověřování reálných charakteristik prvků vypružení a vedení dvojkolí lokomotivy na zkušebním stavu v těžkých laboratořích DFJP v Pardubicích nebo realizace jízdních zkoušek prováděných akreditovanou zkušební laboratoří DFJP v rámci schvalovacího procesu lokomotivy.

Závěrem

Simulační výpočty jízdy kolejového vozidla jsou dnes nedílnou součástí vývoje nových vozidel. Jsou totiž asi jediným možným způsobem ověřování jízdních vlastností vozidla ve fázi jeho návrhu a vývoje, a umožňují tak optimalizovat některé parametry nově vznikajících vozidel. Kromě vývoje nových vozidel však mohou být simulační výpočty využívány např. i při hodnocení opotřebení kol a kolejnic v obloucích a ve výhybkách nebo při vyšetřování příčin vykolejení. Snahou výrobců kolejových vozidel je také nahradit část jízdních zkoušek právě simulačními výpočty, které jsou podstatně levnější. Zde však vyvstává otázka věrohodnosti výsledků počítačových simulací. Zejména komerční simulační programy totiž představují velmi mocný nástroj k analýze dynamiky kolejových vozidel, avšak zmíněný „princip černé skříňky“ vyžaduje, aby uživatel dokázal kriticky posoudit, zda jsou získané výsledky správné. A k tomu se neobejde bez kvalitního technického vzdělání a příslušných znalostí technické mechaniky, teorie a konstrukce kolejových vozidel či aplikované matematiky.

Doufáme, že vás tento článek zaujal a umožnil vám nahlédnout trochu hlouběji pod pokličku současné „kolejařiny“. Protože se opět pomalu blíží den otevřených dveří na DFJP, který se tentokrát uskuteční ve čtvrtek 10. ledna 2013, můžete tento článek zároveň považovat za pozvánku do Pardubic. V případě, že byste se pak o problematice simulačních výpočtů v oblasti kolejových vozidel (ale zdaleka nejen o ní) chtěli dozvědět více a případně se jí do budoucna profesionálně věnovat, rádi vás v příštím akademickém roce přivítáme v řadách studentů oboru Dopravní prostředky – zaměření Kolejová vozidla. Stále totiž platí, že technické vzdělání = perspektivní budoucnost.

Odkazy na související články:

• Studium kolejových vozidel na Dopravní fakultě Jana Pernera [ŽelPage; 28. 12. 2009]
• Studium dopravního elektroinženýrství na Univerzitě Pardubice [ŽelPage; 19. 2. 2012]
• Informační brožura studijního oboru Dopravní prostředky – zaměření Kolejová vozidla na Dopravní fakultě Jana Pernera [UPa DFJP KDPD/OKV; 2. 11. 2011]
• Výzkum v oblasti kolejových vozidel na DFJP v Pardubicích [ŽelPage; 31. 10. 2010]
• Pojednání o styku kola a kolejnice [ŽelPage; 19. 11. 2011]
• CZ LOKO vyvíjí novou lokomotivu, jejíž vývoj podpořila i ČR [ŽelPage; 12. 5. 2010]

Odkazy na další literaturu související s problematikou simulačních výpočtů kolejových vozidel:

• ČSN EN 14363:2006. Železniční aplikace – Přejímací zkoušky jízdních charakteristik železničních vozidel – Zkoušení jízdních vlastností a stacionární zkoušky. Český normalizační institut, 2006.
• Izer J., Zelenka J.: Modelování chování vozidla řady 680 na trati 1. národního koridoru. In: Vědeckotechnický sborník ČD, 13 (2002). GŘ ČD, 2002. ISSN 1214-9047.
• Polách O.: Influence of wheel/rail contact geometry on the behaviour of a railway vehicle at stability limit. In: Proceedings of ENOC-2005, Eindhoven, Netherlands, 2005. S. 2203-2210.
• Zelenka J., Michálek T.: Running and guiding behaviour of the locomotive class 744.0 CZ LOKO for the track gauge 1520 mm. In: ????????? ?????, ? 1 (28), 2011, ??????, ?. ????????????, ??????. S. 59-63. ISSN 1815-9400.
• Michálek T., Zelenka J.: Reduction of lateral forces between the railway vehicle and the track in small-radius curves by means of active elements. In: Applied and Computational Mechanics, Vol 5, No 2 (2011). University of West Bohemia, Plzeň, 2011. S. 187-196. ISSN 1802-680X.
• Michálek T., Zelenka J.: Dynamic behaviour of locomotive with axle-mounted traction motors. In: Proceedings of Engineering Mechanics 2012, Svratka, Czech Republic, 2012. S. 879-887. ISBN 978-80-86246-40-6.