Základy dopravní techniky - železniční doprava

4. Jízda železničního kolejového vozidla

Základy dopravní techniky – železniční doprava > 4. Jízda železničního kolejového vozidla

Co se naučíte v kapitole 4. Jízda železničního kolejového vozidla?

· tato kapitola se snaží pokud možno srozumitelnou formou vysvětlit několik základních zákonitostí, které platí při pohybu dvojkolí po kolejnicích a které jsou zcela zásadní vůbec pro fungování systému kolo-kolejnice a zásadně se odlišují od zákonitostí pohybu vozidla silničního

· studentovi jsou vysvětleny základy geometrického a silového vztahu mezi dvojkolím a kolejí, zákonitosti pohybu v přímé koleji, oblouku a jízdy v převýšení koleje

· student se dozví základní informace o adhezi

· student se dozví o odporových silách, působících na vozidlo při jízdě, o přenosech výkonu na hnací kola u hnacích vozidel

· konec kapitoly je věnován významné problematice brzd; student by měl na základě informací pochopit fungování železniční vzduchové brzdy a formulovat její základní vlastnosti, jakožto i odlišnosti od vzduchové brzdy silničních vozidel

Při řešení vybraných problematik pohybu železničního kolejového vozidla je zapotřebí hned na začátku zavést souřadný systém. Orientace jednotlivých os je zřetelná z obrázku. Osa x leží v podélném směru vozidla ve směru jízdy. Osa y značí směr příčný a osa z směr svislý.

Dvojice os pak jednoznačně udávají roviny, ve kterých budou například prováděny rozklady sil.

4.1 Vzájemný geometrický vztah dvojkolí a koleje

Rozeznáváme dvě geometrické polohy dvojkolí vůči koleji v příčném směru. Centrovaná poloha je teoretická a má smluvní význam. Obecná poloha popisuje reálnou okamžitou polohu dvojkolí. Dále:

Co znamená: CENTROVANÁ POLOHA DVOJKOLÍ VŮČI KOLEJI

Tato geometrická poloha dvojkolí vůči koleji je charakterizována:

dvojkolí je v koleji postaveno v příčném směru symetricky tak, že mezi okolkem a hranou kolejnice je na levé straně (1) i pravé straně (2) stejná příčná vůle označována jako s

svislá osa středu dvojkolí je totožná se svislou osou koleje

za předpokladu ideálních tvarů jízdních obrysů kol a příčných profilů hlav kolejnic se dotykové body nacházejí na tzv. styčných kružnicích o poloměrech r₁ = r₂, jejichž vzdálenost je právě 2s = 1500 mm. Tato hodnota je smluvní a platí pro nové, neopotřebené kolejnice a kola.

Co znamená: OBECNÁ POLOHA DVOJKOLÍ VŮČI KOLEJI

Dvojkolí je příčně posunuto vůči centrované poloze o y_dv. Na obrázku levé kolo (1) nabíhá okolkem na kolejnici, zatímco u pravého kola (2) je dosažena maximální příčná vůle mezi okolkem a hlavou kolejnice 2s. Poloměry na jednotlivých kolech se nerovnají r₁ ¹ r₂. Pro situaci uvedenou na obrázku platí r₁ > r₂. To znamená, že nabíhající kolo se odvaluje po větším poloměru. Zjednodušeně řečeno to znamená, že dvojkolí má tendenci se vlivem rozdílných poloměrů na jednotlivých kolech konat zatáčivý pohyb, který automaticky nutí dvojkolí dostat se zpět do centrované polohy. Tento efekt má dva praktické významy:

1/ Dvojkolí, pokud se pohybuje v oblouku koleje, zatáčí a opisuje tento oblouk. Není potřeba k uskutečnění tohoto pohybu diferenciál, jako je tomu u automobilů, poněvadž právě rozdílné poloměry valení odpovídají různým ujetým drahám vnějšího a vnitřního kola.

2/ Dvojkolí, pokud se pohybuje po přímé koleji, je nuceno se samovolně středit – centrovat. Tento efekt ale probíhá v „cyklech“ v rámci tzv. vlnivého pohybu dvojkolí.

4.2 Styk dvojkolí s kolejí – adheze, skluzový mechanizmus

Adheze je schopnost přenášet mezi kolem a jízdní dráhou tečnou (třecí) sílu a tím uskutečňovat jízdu vozidla.

Adheze je fyzikální jev, při němž se uplatňují 3 základní fyzikální jevy: smykové tření, valení, vrtné (spinové) tření.

Adheze je schopnost přenášet tečné síly mezi kolem a jízdní dráhou (obecně). Platí nejen pro systém kolo-kolejnice ale pro všechny dopravní prostředky, jejichž pohyb je založen na principu valícího se kola po jízdní dráze. U železničního kolejového vozidla je jízdní dráhou kolej a tečné síly jsou přenášeny stykovou ploškou, existující díky deformaci vzájemně se stýkajících povrchů. Podle Hertze se přijímá představa, že tato ploška má tvar elipsy, tzv. dotyková elipsa, i když praktické výzkumy prokazují, že skutečný tvar této dotykové plošky se od eliptického může podstatně lišit.

Adheze je z fyzikálního hlediska jev, při němž se uplatňují současně tři základní fyzikální jevy: smykové tření, valení a spin. Tyto jevy prakticky nemohou existovat odděleně. Kdyby existovalo jen valení bez skluzu, nedocházelo by k opotřebovávání kol. Prakticky si lze představit, že hnané kolo se otáčí vždy rychlostí vyšší, než jaká vyplývá z ujeté vzdálenosti. Znamená to, že vždy, i když tento jev nejsme schopni pozorovat svými smysly, existuje měřitelný rozdíl obvodové rychlosti kola a skutečné postupné (dopředné) rychlosti, který se nazývá skluzová rychlost a činí od řádově několika desetin až po cca 3% rychlosti v. Skluz společně s oblastí lpění rozděluje dotykovou elipsu na dvě plošky ve směru jízdy (oblast lpění a oblast skluzu).

Předpokladem vzniku tečného silového působení je existence svislé kolové síly Q a relativní skluzové rychlosti w mezi povrchy. Adhezní vlastnosti vyjadřuje součinitel adheze, což je závislost mezi svislou kolovou silou a silou tečnou, ať již celkovou nebo orientovanou do směru podélného (x) a příčného (y) vzhledem ke směru jízdy - potom se uvažují také součinitele adheze orientované.

HNACÍ MOMENT A SÍLY: RYCHLOSTI:

Existencí adheze je podmíněna schopnost kola pohybovat se po podložce. Vztah mezi svislou silou a tečnou silou v místě dotyku vyjadřuje tzv. SOUČINITEL ADHEZE, v některé literatuře označovaný též adhezní poměr:

Součinitel adheze dosahuje svého maxima, tzv. MEZE ADHEZE: m_max. Pro adhezní přenos sil bez prokluzu kol musí platit:

Velikost součinitele adheze je závislá na mnoha veličinách a v praxi se zkoumá převážně experimentálně. Důležité jsou zejména tyto dvě závislosti:

1. Závislost maximální hodnoty součinitele adheze na rychlosti jízdy m_max = f(V). Zde se používají experimentálně získané závislosti např. Curtiuse-Knifflera.

2. Závislost součinitele adheze na skluzové rychlosti w, resp. relativním skluzu s.

B U D E D O P L N Ě N O

Řešený příklad:

Srovnejte hlavní rozdíly adhezních parametrů u železničních a silničních vozidel.

1. Velikost reálně dosahovaného maximálního součinitele adheze.

Kolejové vozidlo:

při ideálních podmínkách nad 0,4 při špatných kolem 0,1 (námraza, listí,….apod.);
malý interval mezi minimální a maximální hodnotou Þ možnost přesnější regulace prokluzu

Silniční vozidlo:

při ideálních podmínkách nad 1 při špatných extrémně nízký 0,0… (aquaplaning);
velký interval mezi minimální a maximální hodnotou Þ méně přesná regulace prokluzu

2. Rameno valivého odporu.

Kolejové vozidlo:

řádově několik desetin milimetru (1/10 mm)
valivý odpor kolejových vozidel nepředstavuje největší a rozhodující složku celkového odporu

Silniční vozidlo:

řádově desítky milimetrů (10 mm)

3. Velikost a tvar stykové plochy.

Ilustračně znázorňuje rozdíl velikostí dotykových ploch kol silničních vozidel a kolejových vozidel obrázek:

Řešený příklad:

Vypočítejte rozměry poloos dotykové elipsy v kontaktu kolo-kolejnice, dále střední a maximální normálový tlak,

podle zjednodušených vztahů Hertzovy teorie kontaktního namáhání.

Dáno:

4-nápravová motorová lokomotiva řady ČD 754, m = 74 t

Poloměr zaoblení hlavy kolejnice: r_k = 0,3 m

Poloměr kola: r_d = 0,51 m

Modul pružnosti v tlaku: E = 2,1.1011 Pa

Poissonova konstanta: n = 0,3

Konstanty a, b v závislosti na poměru r_d/r_k:

r_d/r_k	a	b
3,000	1,486	0,717
2,464	1,378	0,759
2,040	1,284	0,802
1,698	1,202	0,846
1,420	1,128	0,893
1,191	1,061	0,944
1,000	1,000	1,000

Svislá kolová síla (konstantní):

Z poměru r_d / r_k = 0,5 / 0,3 = 1,67 vychází podle tabulky konstanty a = 1,2 a b = 0,85.

Poloosy dotykové elipsy:

Řešený příklad:

Jakou minimální hmotnost musí mít lokomotiva uspořádání B_o´B_o´, aby byla schopna se rozjíždět s osmivozovým osobním vlakem se zrychlením a = 0,5 m.s^-2? Všechny jízdní odpory zanedbejte, počítejte se součinitelem adheze m = 0,2. Hmotnost jednoho osobního vozu je 40 t. Je výsledek reálný?

Maximální tažná síla vozidla na obvodu jednoho kola je na základě teorie adhezního mechanismu dána: , kde Q je svislá kolová síla (tíhová síla lokomotivy vztažená na jedno kolo) a m_L je hmotnost celé lokomotivy

Maximální tažná síla celého vozidla pak je dána:

S touto tažnou silou se musí lokomotiva musí rozjíždět s daným zrychlením a scelou soupravou a tedy také musí platit: , kde m_V je hmotnost jednoho osobního vozu.

Řešíme následující rovnici s neznámou m_L:

Hmotnost lokomotivy by musela být nejméně 109t. Protože na jednu nápravu by připadalo zatížení 27 t je s hlediska únosnosti běžných železničních tratí tento výsledek nereálný (max. 22,5 t na nápravu). Museli bychom tedy z požadavků v zadání slevit (např. méně vozů, menší zrychlení, adhezní součinitel, příp. místo čtyřnápravové uvažovat šestinápravovou lokomotivu).

4.3 Síly mezi dvojkolím a kolejí, bezpečnost proti vykolejení

Y₁, Y₂ VODICÍ SÍLY

Q₁, Q₂ SVISLÉ KOLOVÉ SÍLY

N₁, N₂ NORMÁLOVÉ SÍLY

T₁, T₂ TEČNÉ (SKLUZOVÉ) SÍLY

R₁, R₂ výsledné síly z N a T

t tečna – geometricky mezi dvěmi plochami

n normála (normála a tečna jsou vzájemně kolmé)

Y₁, Y₂ VODICÍ SÍLY

Q₁, Q₂ SVISLÉ KOLOVÉ SÍLY

N₁, N₂ NORMÁLOVÉ SÍLY

T₁, T₂ TEČNÉ (SKLUZOVÉ) SÍLY

R₁, R₂ výsledné síly z N a T

t tečna – geometricky mezi dvěmi plochami

n normála (normála a tečna jsou vzájemně kolmé)

Doporučený logický postup při studiu – kreslení rozkladu sil:

Nakreslete přibližně tvary jízdních obrysů kol a příčných profilů hlav kolejnic v obecné poloze.
Zakreslete předpokládané polohy bodů dotyků.
V bodech dotyků zakreslete směry tečen (t) a normál (n).
Zakreslete předpokládanou velikost tečných (třecích) sil (T₁, T₂) a normálových sil (N₁, N₂).
Tyto síly vektorově složte ve výslednice (R₁, R₂).
Výslednice (R₁, R₂) vektorově rozložte do osových směrů y a z. Získají se tím velikosti svislých kolových sil (Q₁, Q₂) a vodicích sil (Y₁, Y₂).

4.4 Jízda v přímé koleji

Vzájemný vztah jízdních obrysů kol a profilů hlav kolejnic je navržen tak, aby okamžité poloměry oběžných kružnic levého a pravého kola (jedno je vzhledem k oblouku koleje vždy vnější a druhé vnitřní) byly přímo úměrné poměru ujetých drah na vnitřním a vnějším kolejnicovém pásu. Přičemž obě kola se otáčí stejnou úhlovou rychlostí (protože jsou na nápravě napevno nalisované). Platí poměr:

Prakticky to znamená, že dvojkolí zatáčí – říkáme, že je vedeno kolejí do oblouku.

Pozn. 1. Zatáčení kolejového vozidla je tedy způsobeno okamžitou kuželovitostí kol, přitom většinou, při běžném provozu, nedochází ke kritickému přemístění bodu dotyku do strmé části okolku na hranici vykolejení na nabíhajícím kole.

Pozn. 2. Intenzívní styk okolku s hlavou kolejnice nastává při tzv. dvoubodovém dotyku. Podmínky vzniku dvoubodového dotyku jsou dány zejména nevhodným opotřebením tvarů jízdních obrysů kol a profilů hlav kolejnic a častěji vznikají v obloucích malého poloměru.

Za ideálních podmínek (neopotřebené dvojkolí ani kolejnice) by se dvojkolí valilo tak, že tento pohyb odpovídá představě dvou kuželů spojených pevně tyčí, valicích se po dvou rovnoběžných břitech. Lze dokázat, že tento pohyb ve směru osy x nemůže být nikdy přímočarý. Jinými slovy střed dvojkolí nemůže nikdy mít přímočarou trajektorii, nýbrž opisuje harmonickou křivku. Hovoříme o sinusovém, nebo obecně o vlnivém pohybu dvojkolí v přímé koleji. Lze odvodit vztah pro délku vlny tohoto pohybu:

kde: L je délka vlny [m]

R je poloměr oblouku [m]

s je polovina vzdálenosti styčných kružnic [m]

g je úhel úklonu kolejnicových pásů [rad]

Uvedený pohyb lze též (jako každý harmonický pohyb) vyjádřit diferenciální rovnicí.
Okamžitá (v čase se mění) úhlová odchylka dvojkolí vzhledem ke koleji je tzv. úhel náběhu – viz vozidlo v oblouku koleje.

Za normálních provozních okolností nabývají tyto hodnoty reálných hodnot:

amplituda y₀ řádově milimetry (3¸5) mm, vlnová délka řádově mezi deseti a dvaceti metry (10¸20) m.

Řešený příklad:

Jak velkou délku vlny příčného vlnivého pohybu by měla dvojkolí s průměry kol 720, 860 a 1250 mm na úklonech kolejnic 1:20 a 1:40.

Dosadíme do vztahu:

Výsledky zpracujeme do následující tabulky:

R [m]	g [rad]
R [m]	1:20	1:40
0,72 / 2	14,600	20,648
0,86 / 2	15,957	22,567
1,25 / 2	19,238	27,207

Pozn. 3. U vlnivého pohybu v přímé koleji se u reálného vozidla posuzuje tzv. stabilita. Tato problematika přesahuje rozsah této učební pomůcky. Pokusme se však alespoň o náznakové vysvětlení z hlediska praktické představy.

Stabilní pohyb dvojkolí v přímé koleji.

BUDE DOPLNĚNO

Nestabilní pohyb dvojkolí v přímé koleji.

BUDE DOPLNĚNO

4.5 Jízda v oblouku koleje – postavení vozidla v koleji, úhel náběhu

Princip jízdy kolejového vozidla v oblouku lze zjednodušeně charakterizovat těmito hlavními znaky:

vozidlo je usměrňováno kolejí po zakřivené dráze, aniž by k tomu byl nutný nějaký řídicí mechanizmus, který by natáčel dvojkolí. Říkáme, že je vozidlo VEDENO KOLEJÍ.

Uvedený jev je umožněn velmi důmyslným vzájemným geometrickým vztahem mezi koly a kolejnicemi, přesněji řečeno mezi příčnými profily kol a kolejnic, které se vzájemně při jízdě stýkají. Poloha bodů (plošek) dotyku způsobuje to, že každé z kol jede po různém poloměru, projíždí tedy různě dlouhé dráhy a tím dvojkolí zatáčí. Přitom se nemusí uplatňovat nijak rasantní náběh okolku na bok kolejnice, což si mnohdy laik představuje jako hlavní princip zatáčení vozidla do oblouku. Ano, to by do značné míry platilo pro tzv. válcová kola, která se dříve používala u tramvají.

V oblouku dochází k příčnému posunutí dvojkolí na stranu vnější kolejnice. Na tomto tzv. nabíhajícím kole se zvýší velikost vodicí síly a platí: Y₁ > Y₂ (viz obrázek – rozklad sil) Rozdíl SY = Y₁ – Y₂ znamená prakticky příčnou reakci z koleje na dvojkolí.

Geometrické postavení dvojkolí vůči koleji v rovině x-y je dále charakterizováno tzv. úhlem náběhu a. Součin SY.a představuje ztrátovou třecí práci.

Se zvyšujícím se úhlem náběhu a se také zvyšují tyto negativní praktické projevy:

- opotřebení kol a kolejnic,

- přídavný jízdní odpor z oblouku,

- hluk,

- bezpečnost proti vykolejení.

Způsoby minimalizace uvedených negativních účinků:

- mazání okolků – zejména hnací vozidla jsou vybavena systémem mazání, který v oblouku vstříkne nepatrné množství maziva do oblasti, kde jízdní plocha kola přechází v okolek,

- rejdovnost dvojkolí – konstrukční opatření, které umožní natočení dvojkolí do oblouku tak, že se úhel náběhu minimalizuje a ® 0. Situaci vysvětluje obrázek.

Úhel náběhu je úhel mezi dvojkolím a osou koleje v příčné rovině x-y.

Úhel náběhu není charakteristický jen pro jízdu v oblouku koleje ale i pro jízdu v přímé, i když v přímé nabývá velmi malých hodnot a má střídavý průběh v rámci vlnivého pohybu dvojkolí. V oblouku koleje nabývá reálných hodnot řádově ve stupních. Na první pohled je to malá hodnota ale z hlediska ztrát v rámci opotřebení kol a kolejnic a přídavných odporových účinků z jízdy obloukem je to velmi vážný jev, který stojí za zvážení technických řešení k jeho minimalizaci.

4.6 Vozidlo v převýšení koleje – příčná nevyrovnaná síla a zrychlení

Jedná se o rozklad sil v rovině y-z (viz smluvní souřadný systém na začátku této kapitoly).

V této kapitole se posuzuje příčný účinek v ose y na člověka (nebo náklad) jedoucího v kolejovém vozidle.

Dále budeme tedy analyzovat rozklad působících sil právě do osy y.

V těžišti vozidla, pohybujícího se v převýšení oblouku koleje, působí v rovině y-z tíha G a odstředivá síla F_o. Analýzou těchto sil odvodíme silový účinek v ose y na cestujícího, nebo náklad. Tento silový účinek se nazývá příčná nevyrovnaná síla. Dále vyjádříme tzv. příčné nevyrovnané zrachlení, jako funkci této síly.

Tíhu, působící v těžišti, vyjádříme:

[N]

Odstředivou sílu, působící při pohybu vozidla po kruhové dráze vyjádříme:

[N]

Příčná nevyrovnaná síla:

[N]

Vztah vychází z rozdílu složek, působících v ose y proti sobě. Jedná se o složku tíhy G a odstředivé síly F_o do osy y.

Úhel d známe – dokážeme jej vyjádřit ze známých hodnot převýšení p_t a vzdálenosti styčných kružnic 2s jako vztah dvou stran pravoúhlého trojúhelníka.

Příčné nevyrovnané zrychlení:

[m.s^-2]

Maximální přípustná hodnota podle UIC pro zajištění jízdního komfortu a bezpečnosti je a_max = 0,65 m.s^-2.

Odvození je založeno na podobnosti tří pravoúhlých trojúhelníků. První – v obrázku podbarven šedě – představuje odvození úhlu d jako funkci normálního převýšení a vzdálenosti styčných kružnic 2s. Druhý trojúhelník – v obrázku podbarven hnědě - představuje složkový rozklad tíhy do osí y a z. Třetí podobný trojúhelník – v obrázku podbarven tyrkysovou - představují složkový rozklad odstředivé síly do osí y a z.

Vozidlo se pohybuje v oblouku po kruhové dráze, která má střed ve středu oblouku a rameno představuje poloměr oblouku R. Odstředivá síla je rovnoběžná s tímto ramenem a v tomto smyslu je nakreslena na schématu.

Řešený příklad:

Nakreslete schématicky rozklad sil, působících v těžišti vozidla v rovině y-z v převýšení koleje v obloku v případě, že vozidlo zastaví (v = 0). Uveďte, čemu se bude rovnat příčná nevyrovnaná síla.

Protože se vozidlo pohybuje nulovou rychlostí, je odstředivá síla F_o = 0. Z toho plyne, že vztah pro příčnou nevyrovnanou sílu bude mít tvar:

[N]

Příčná nevyrovnaná síla (stejně tak i příčné zrychlení) bude mít zápornou orientaci a bude působit směrem dovnitř ke středu oblouku.

4.7 Jízdní odpory traťové a vozidlové

Celkový jízdní odpor je síla působící proti jeho pohybu v ose x.

Pokud chceme uskutečňovat jízdu, musíme proti této síle působit minimálně stejnou silou, tzv. tažnou silou.

Podle velikosti tažné síly ve vztahu k celkové odporové síle mohou nastat tyto případy:

a/ T = å O_i ® tažná síla je rovna celkovému jízdnímu odporu ® konstantní rychlost

b/ T > å O_i ® tažná síla je větší než celkový jízdní odpor ® vozidlo zrychluje

c/ T < å O_i ® tažná síla je menší než celkový jízdní odpor ® vozidlo zpomaluje

Jízdní odpory se dělí na traťové a vozidlové.

Traťové:

Odpor ze sklonu trati

Sklon:

[‰]

Odporová síla:

[N]

Měrný odpor:

tzv. tíhový přístup:

[N.kN^-1]

tzv. hmotnostní přístup:

[N.t^-1]

Pozn: u ČD max. » 15 ‰

Alpské země » 25¸30 ‰

Odpor z jízdy obloukem

Empirické vztahy Röckl:

Parodi:

Pozn: Jízdními odpory se (krom jiného) zabývá vědní obor „mechanika dopravy“. Často se v praxi používá pojem „redukovaný sklon“, který zahrnuje navíc sklon s_R, úměrný odporu ze sklonu trati plus z jízdy obloukem.

Odpor z jízdy v tunelu

jednokolejný tunel: o_t = 2 N.kN^-1
dvoukolejný tunel: o_t = 1 N.kN^-1

Vozidlové:

Valivý odpor kola

Situaci popisuje obrázek. Vlivem pružnosti materiálu dochází při zatížení k deformaci kola a také kolejnice. Celková deformaci lze přepočtem redukovat do modelu, kdy je kolo dokonale tuhé a deformuje se pouze kolejnice. Představa je taková, jakoby kolo „hrnulo“ před sebou jakousi vlnu, vzniklou při defprmaci kolejnice. Potom bod ve kterém působí reakce z koleje je předsunut o tzv. rameno valivého odporu e. Odporová síla, působící proti směru jízdy, která zde vzniká, je na tomto rameni závislá přímo úměrně.

Odpor tření v ložiskách

Odpor vzduchu

Odpor vzduchu lze vyjádřit následujícím vztahem:

kde: v je rychlost jízdy, S je plocha čela vozidla, r je měrná hmotnost vzduchu a c_x je tzv. součinitel tvaru čela. Porovnejte jakých, hodnot nabývá:

0,8¸0,6

0,4¸0,3

0,25¸0,22

Odpor ze setrvačných účinků hmot

Celková kinetická (pohybová) energie k urychlení/zpomalení pohybu hmot je součtem kinetické energie jednotlivých hmot pohybujících se přímočarým pohybem a kinetické energie rotujících hmot:

Řešený příklad:

Odvoďte vztah a vypočítejte velikost měrného jízdního odporu ze sklonu trati, pro vozidla o hmotnosti 60 t

na sklonu trati s = 8 ‰.

Sklon je definován: [‰]

Odporová síla: [N]

Měrný jízdní odpor: tzv. tíhový přístup: [N.kN^-1]

tzv. hmotnostní přístup: [N.t^-1]

Měrný jízdní odpor ze sklonu trait v obou přístupech po dosazení vychází:

4.8 Trakční charakteristika

………………………………………….. R O Z P R A C O V Á N O……………………………………………………………….

Následující obrázek ukazuje jedno z praktických využití trakčních charakteristik. V levé části obrázku je trakční charakteristika konkrétního typu hnacího vozidla, nakreslena oproti obvyklé poloze otočena kolem svislé osy. V pravé části obrázku je uveden tzv. Korefův zátěžový diagram. Ten uvádí vzájemný souvis těchto parametrů jízdy:

T tažná síla,

V rychlost jízdy,

m_vl celková hmotnost vlaku,

s_red redukovaný sklon.

Barevné spojnice uvádí konkrétní příklady pro tři základní teoretické případy souvislosti těchto parametrů:

1. známe: m_vl = 1500 t ½ určíme:

s_red = 10 ‰ ½ Þ V = 35 km.h^-1 (T = 150 kN)

2. známe: V = 90 km.h^-1 ½ určíme:

s_red = 15 ‰ ½ Þ m_vl = 300 t (T = 60 kN)

3. známe: V = 100 km.h^-1 ½ určíme:

m_vl = 1000 t ½ Þ s_red = 3 ‰

Šipky na barevných spojnicích vyjadřují postup při určování neznámých parametrů z parametrů známých pro tyto tři základní typy úloh.

4.9 Přenos výkonu na hnací dvojkolí

Hnací kolejová vozidla lze dělit podle několika hledisek. Jedno z nejdůležitějších hledisek rozdělení je podle primárního druhu energie, použité pro výrobu a přenos trakčního výkonu. Kromě trakce parní a dalších méně používaných nebo tzv. nekonvenčních systémů (akumulátorové, pneumatické a neadhezní systémy), které zde dále nebudou rozebrány, se v současnosti ustálily (a zřejmě se budou nadále rozvíjet) dva základní trakční systémy.

elektrická trakce - elektrická energie je z trakčního vedení sběračem přiváděna do vozidla, kde se reguluje a prostřednictvím trakčních elektromotorů přeměňuje na mechanickou energii působící na hnací dvojkolí;

Motorová trakce – tlaková energie, vzniklá ve válcích spalovacího motoru při procesu spalování palivové směsi se přeměňuje na energii mechanickou a ta je vhodným způsobem přenášena na hnací dvojkolí. Hovoříme o tzv. přenosu výkonu. Z důvodu nutnosti regulace tento přenos výkonu mnohdy zahrnuje jako mezistupeň další přeměnu mechanické energie na energii hydraulickou nebo elektrickou, které lze přesněji a hospodárněji regulovat.

V odborné literatuře je často toto rozdělení interpretováno jako tzv. závislá a nezávislá trakce podle závislosti na dodávce energie rozvodem trakčního vedení.

Obě kategorie hnacích vozidel lze dále dělit a posuzovat podle hledisek uplatňujících se společně pro obě kategorie a podle hledisek pro každou z těchto dvou skupin vozidel specifických. Uveďme nejvýznamnější z nich.

Společná hlediska:

- provozní určení vozidla,

- výkonová kategorie vozidla,

- uspořádání pojezdu vozidla,

- způsob pohonu dvojkolí,

- uspořádání vozidlové skříně,

- rozchod a vyhovění obrysu pro vozidla,

- druh brzdění,

- stupeň automatizace řízení a diagnostika,

- uspořádání a pohon pomocných strojů,

- zabezpečovací a komunikační systém,

- výrobce, atd.

Hlediska specifická pro elektrickou trakci:

- napájecí proudová soustava,

- způsob regulace elektrických obvodů a druh použitých trakčních motorů,

- způsob individuálního pohonu dvojkolí,

- druh případně použitého elektrodynamického brzdění, atd.

Hlediska specifická pro motorovou trakci:

- druh přenosu výkonu spalovacího motoru na hnací dvojkolí a jeho regulace,

- druh použitého spalovacího motoru, atd.

Nevhodná momentová charakteristika spalovacího motoru (viz obrázek níže) pro přímý pohon dvojkolí si vynucuje použití zvláštního zařízení – přenosu výkonu. Koncepčně je přenos výkonu uložen mezi spalovací motor a dvojkolí. Jeho úkolem je převedení momentové charakteristiky spalovacího motoru na křivku, která se co nejvíce blíží tvaru ideální trakční hyperboly – křivky, která platí pro nepřímou úměrnost mezi tažnou silou a rychlostí při konstantním výkonu:

Pozn: to ostatně platí nejen pro kolejová vozidla ale stejný princip se uplatňuje i u silničních vozidel.

Teoreticky při přímém pohonu dvojkolí by byl možný pouze jediný bod spolupráce trakční charakteristiky s charakteristikou motoru. Tento stav by nebyl prakticky realizovatelný už jen z toho důvodu, že vozidlo by nebylo schopno se rozjet z nulové rychlosti. Vzhledem k tomu, že v průběhu jízdy se rovněž mění okamžitý jízdní odpor a to při různém požadavku na rychlost jízdy, je nezbytné zajistit, aby bylo možné dosáhnout umístění okamžitého pracovního bodu nejen na obálkové trakční charakteristice, ale pokud možno v co největším rozsahu pokrýt plochu pod touto křivkou. Z hlediska optimální spotřeby paliva i průběhu krouticího momentu v okolí jmenovitých otáček spalovacího motoru lze pro dosažení požadované okamžité výstupní trakční charakteristiky využít jen poměrně malý rozsah otáček. Poměr výkonů, odpovídající tomuto otáčkovému rozsahu se nazývá stupněm využití výkonu motoru. Potřebnou škálu okamžitých trakčních charakteristik (viz obrázek níže) musí zajistit přenos výkonu a jeho regulace. Kromě toho má mít přenosové zařízení co největší účinnost v širokém pásmu rychlostí, má umožňovat reverzaci (jízda oběma směry), má zabírat co nejmenší zástavbový prostor, má mít co nejmenší hmotnost a pořizovací cenu a vysokou spolehlivost.

Nutnost existence přenosu výkonu a jeho regulace ILUSTRUJE NÁSLEDUJÍCÍ OBRÁZEK:

Podle způsobu, jakým je technicky realizováno dosažení přibližně hyperbolického průběhu výstupní trakční charakteristiky a jaký druh energie se při tom použije, se přenosy výkonu dělí na:

mechanický,
hydraulický,

hydrostatický,
hydrodynamický,

elektrický,

stejnosměrný,
smíšený,
střídavý,

( smíšený,

hydromechanický,
elektromechanický,
elektrohydraulický ).

B U D E D O P L N Ě N O

4.10 Brzdy železničních vozidel

Železniční brzdy se dělí podle různých hledisek. Uveďme rozdělení podle způsobu vyvozování a přenosu brzdných sil.

1. Brzdy, využívající adhezní přenos sil mezi dvojkolím a kolejnicemi.

špalíková (zdržová) brzda - jednostranná

- oboustranná

Tento typ brzd je založen na vyvozování brzdných sil přímo na oběžné plochy kol.

kotoučová brzda

Tento typ brzd vyvozuje brzdné síly na speciálně k tomuto účelu určené kotouče, nalisované na nápravě.

Brzdné síly jsou pak přenášeny přes lisované spoje na nápravu a dále na kola.

ruční brzda

Jedná se o přídavnou brzdu parkovací.

elektrodynamická brzda (EDB)

Tento typ brzdy je založen na principu „brzdění motorem“, při kterém je trakční elektromotor zapojen

v generátorickém režimu a je dokonce schopen vyrábět elektrickou energii.

Obdobou EDB u elektrického přenosu jsou tzv. retardéry u přenosu hydrodynamického (hydromechanického).

Tato zařízení pracují na principu reverzního zapojení hydrodynamického lopatkového stroje (spojka, měnič).

2. Brzdy, založeny na neadhezním přenosu brzdných sil.

elektromagnetická kolejnicová brzda

Jedná se o brzdu nouzovou. Je založena na principu přitažení se elektromagnetu větších rozměrů a hmotnosti, který je připevněn na podvozku vozidla, přímo k hlavám kolejnic. Tato brzda je používána zejména u tramvají.

Ovládání brzdy je u železniční klasické brzdy stlačeným vzduchem. Podívejme se dále blíže na její funkci.

Dvě hlavní vlastnosti vzduchové železniční průběžné brzdy jsou:

1. NEPŘÍMOČINNÁ

2. SAMOČINNÁ

Vysvětlení označení ve schématech:

HP (PP) hlavní potrubí (průběžné potrubí)

S spojky mezi vozidly

K kompresor

HV hlavní vzduchojem

B brzdič

R rozvaděč

PV pomocný vzduchojem

BV brzdový válec

P pákoví

ŠB špalíková brzda

V vypouštění vzduchu

PB přímočinná brzda (jen hnací vozidla)

STAV BRZDĚNÍ

Brzdičem, který je jedním z ovládacích prvků na stanovišti strojvedoucího, se vypustí vzduch z hlavního potrubí (modrá šipka). Tlak vzduchu z pomocného vzduchojemu způsobí přestavení pístku v rozvaděči (znázorněn černě) tak, že tlak vzduch z pomocného vzduchojemu dále působí na píst v brzdovém válci, čímž se přes pákoví dociluje brzdný účinek.

Tím, že se brzdný účinek dociluje NEPŘÍMO, tedy pomocí tlakové zásoby vzduchu z pomocného vzduchojemu, hovoříme o brzdě NEPŘÍMOČINNÉ.

Protože brzda funguje i v havarijním případě přerušení hlavního potrubí, při přetržení vlakové soupravy, a to automaticky bez zásahu obsluhy, hovoříme, že je SAMOČINNÁ.

STAV ODBRZDĚNÍ

PŘÍMOČINNÁ BRZDA

Aby nedošlo k zablokování kol musí platit tato podmínka rovnováhy momentů:

- pro jedno kolo:

- a pro celé vozidlo:

Prakticky se volí: F_BV = (0,7¸0,8).G_V

Stejná podmínka jako pro špalíkovou brzdu, platí i v případě brzdy kotoučové. Při sestavování rovnice rovnováhy však musí být zohledněn vliv ramen sil, na kterých působí příslušné momenty:

Na obrázku je znázorněna kotoučová brzda v klasickém uspořádání, včetně pákoví.

Na obrázku vedle (vpravo) je uspořádání modernější, kdy je pákoví nahrazeno samostatnými brzdovými

jednotkami – pro každý brzdový kotouč.


	Kontrolní otázky z kapitoly 4 - BUDE DOPLNĚNO
	Zpět