titModerná nákladná železničná doprava sa v minulosti vyznačovala neustálym rastom objemu prepravy a tovarov. Dnes sa situácia dramaticky zmenila. Nejde pritom len o pokles prepravných objemov, ale mení sa aj štruktúra vozňového parku s ohľadom na charakter prepráv.
Prepravy sa vo veľkej miere realizujú v ucelených vlakových súpravách na tratiach, ktoré sú využívané aj na osobnú prepravu. Výsledkom je, že nákladné vlaky sa musia vojsť do časových intervalov medzi osobné vlaky s ohľadom na priepustnosť dopravnej cesty. Táto požiadavka sa však v súčasnosti len málo prejavuje v objednávkach nákladných vozňov, kde prevažuje brzdný režim S, t. j. prevádzková rýchlosť 100km/h.
Na jednej strane sú z pohľadu spoločnosti výhody nákladnej železničnej dopravy známe, napr. vysoká plošná a energetická efektivita, nízke emisie skleníkových plynov. Na druhej strane zostávajú trhový podiel železničných dopravcov na doprave tovaru, ako aj jeho hospodárnosť nízke. Hlavná cesta smerom k väčšiemu rastu, ako aj k lepšej ochrane životného prostredia a zdrojov vedie cez inovatívny nákladný železničný vozeň a podvozok.
Snahy o inovácie sú však obmedzené tým, že nákladný vozeň a podvozok je dimenzovaný na životnosť 30 rokov. Druhým, nemenej závažným faktom sú legislatívne požiadavky, ktoré sa v posledných rokoch zavedením legislatívy Európskej únie výrazne sprísňujú v porovnaní s predchádzajúcimi požiadavkami UIC, Medzinárodnou úniou železníc (Union Interantionale des Chemins de fer) a RIV, Medzinárodný zväz pre nákladné vozne. Základom legislatívy sú tzv. TSI-čka – Technické Špecifikácie Interoperability, nariadenia Komisie, ktoré sú vydávané ako zákon. Kým v dobe nedávno minulej bolo možné v rámci UIC pri schvaľovaní so schvaľovacími inštitúciami diskutovať o technických otázkach. Dnes, v dobe TSI, sa o zákone nediskutuje. Buď sú požiadavky splnené, alebo nie. Za základ sa berú európske normy, na ktoré sa TSI odvolávajú v čisto právnom ponímaní. Platné je to znenie, ktoré je citované v nariadení aj napriek tomu, že medzičasom už bola vydaná novelizácia európskej normy.
Železničné správy a súkromný sektor prevádzkujúci vozne majú nemalé kapacitné a finančné náklady s udržiavaným svojej flotily. Preto je miera inovácie podvozkov do značnej miery obmedzená mierou modifikácie štandardných podvozkov (s ohľadom na vymeniteľnosť komponentov štandardných podvozkov) až po niekoľko koncepcií výrazne odlišných od existujúcich riešení. Schválenie výrazne inovatívneho konceptu podvozka v železničnom segmente sa tak stáva extrémne nákladnou záležitosťou.

História a súčasná situácia vo vývoji a výrobe nákladných podvozkov
Pri nákladných vozňoch všeobecne hovoríme o pojazdovom ústrojenstve, ktoré je pri dvojnápravových vozňoch nazývané pojazdom, pri štvornápravových a viacnápravových vozňoch podvozkom. V ďalšom sa podrobnejšie zameriame na dvojnápravové nákladné podvozky.

Štandardné podvozky
Celosvetovo najrozšírenejším nákladným podvozkom je podvozok označovaný ako trojdielny – trojkusový, tzv. podvozok Diamond, v Rusku označený ako Chanin, typového značenia 18-100. Či podvozok nazveme tak alebo onak, hlavný konštrukčný princíp je rovnaký. Konštrukcia podvozka pozostáva z dvoch pozdĺžnikov, na ktorých je pružne uložený priečnik.

obr 1

Obr.1 Trojdielny podvozok

 

V Európe bol dlhú dobu pri nákladných vozňoch štandardom dvojnápravový vozeň vybavený pojazdom, z ktorého bol odvodený podvozok stredoeurópskeho typu. Od zhruba 60-tych rokov minulého storočia je postupne nahrádzaný podvozkom koncepcie Y25. Vývoj tohto podvozka smeroval k odstráneniu jeho slabín, k zvýšeniu únosnosti a prevádzkovej rýchlosti, ako aj úžitkových vlastností súvisiacich s technológiou výroby, údržbou a spoľahlivosťou jednotlivých častí. Štandardné podvozky boli dlhodobým vývojom vycibrené do stavu, keď sú z pohľadu ceny akceptované, pričom ich slabiny sú tolerované.

obr 2
Obr.2 Štandardný podvozok Y25

 

Postup výroby štandardného podvozka Y25
Väčšina súčiastok pre výrobu podvozka typu Y25 sa delí z polotovarov laserovým a plazmovými páliacimi strojmi. Laserová a plazmová technológia umožňuje priamo počas pálenia dielca súbežne vytvoriť aj úkos pre následné operácie zvárania. Všetky stroje sú dnes počítačovo riadené a snahou je ďalej obnovovať páliace stroje za účelom zvýšenia presnosti rozmerov a kvality plôch po pálení. Následne po vypálení sa vykonáva operácia brúsenia hrán a povrchu po pálení, alebo v prípade malých dielcov operácia omieľaním v bubnových strojoch. Kde je to z pohľadu presnosti a tvaru plôch nevyhnutné, nasledujú operácie trieskového opracovania a tvárnenia na lisoch v zápustkách alebo v ohraňovacích lisoch, kde súčiastky nadobúdajú požadovaný tvar a rozmer.

Každá vykonaná operácia si vyžaduje precíznosť, lebo predurčuje výsledok, ktorý dosiahneme na ďalšej operácii a následne aj na celom výrobku z pohľadu jeho funkčnosti, rozmerov, vzhľadu, prípadne ďalších požiadaviek technickej dokumentácie a zákazníka.
Rám podvozka typu Y25 sa skladá z dvoch hlavných podskupín, a tými sú priečnik a pozdĺžnik. Tie sa montujú z jednotlivých dielcov a stehujú v montážnych prípravkoch, ktoré sú väčšinou s hydraulickým vyhotovením upnutia. Nasleduje zváranie na robotizovaných zariadeniach a podľa potreby a vyhotovenia zvarov aj ručné zváranie. Hlavnou metódou zvárania je elektrický oblúk v ochrannej atmosfére dvojzložkovej zmesi Ar+CO2. To isté platí následne aj pre montáž a zváranie rámu.
Záverečné opracovanie rámu podvozka vykonáva dvojvretenové portálové CNC centrum, ktoré súčasne opracováva obe uloženia pre dvojkolesie na jedno upnutie. Od tejto technológie sa však postupne upúšťa a je nahrádzaná modernejším prístupom, kde jednotlivé podskupiny sa montujú v takej presnosti, že celkové rozmery rámu sú už v požadovaných toleranciách. Tu sa dosahujú v rámci presnosti rozmerov rovnaké alebo lepšie rozmery ako v CNC obrábacom centre. Každý dokončený rám podvozka je potrebné skontrolovať z hľadiska kvality vyhotovenia zvarov a následne zmerať, a tým overiť jeho požadované rozmery. Meranie prebieha s najmodernejšími 3D meracími zariadeniami.
Následne prechádza kompletne zvarený rám cez odmasťovaciu a otryskávaciu kabínu, kde sa povrch materiálu zbavuje nečistôt, mastnoty a korózie. Na povrch je vrhaný prúd oceľového a liatinového tryskacieho média. Rám potom ide na povrchovú úpravu maľovaním, kde sa nafarbí vo farebných odtieňoch podľa želania zákazníka. Podobne ako rámy, aj všetky drobné komponenty montované inak ako zváraním, sa pred montážou povrchovo ošetrujú náterom v pôvodnej linke, alebo z časti v automatickej linke s čistiacimi a sušiacimi boxmi.
Na povrchovo ošetrené a vysušené rámy podvozkov sa v špeciálnom prípravku montuje kompletná brzda. Následne je možné podvozkový rám s brzdou uložiť na skompletizované nápravy naložiskovaných dvojkolesí, keď sa na dodávané dvojkolesia namontovali valivé ložiská a nasadila sa ložisková skriňa. Na záver nasleduje lisovanie klznej vložky guľového čapu a výstupná kontrola vykonávaná v spoločnosti zástupcu odberateľa.

Legislatívne požiadavky
V súčasnosti platná legislatíva [2] zaviedla dva nové pojmy:
Standardised bogie (štandardizovaný podvozok)
Established bogie (uznaný podvozok):
-podvozky rodiny Y25
-podvozky rodiny 2-osových radiálne nastaviteľných dvojkolesí
Pod štandardizovaným podvozkom sa rozumie podvozok, pri ktorom bolo preukázané plnenie požiadaviek normy [1] na jazdno-technické vlastnosti.
Pod uznaným podvozkom sa rozumie podvozok, ktorý bol schválený do prevádzky v minulosti v rámci UIC a ktorého parametre spĺňajú predpísané parametre [1].

Tieto nové pojmy ešte nie sú v koľajovej terminológii celkom vžité, pretože doposiaľ bol pod štandardom chápaný konvenčný podvozok Y25.
Aj napriek tomu, že konvenčný podvozok je uznaný, nie vždy plní požiadavky nových európskych noriem, pozri [7]. Dôvodom je neustále legislatívne sprísňovanie limitných hodnôt. Poznanie tejto skutočnosti vo výraznej miere komplikuje masívnejšie nasadenie inovatívnych podvozkov. To, čo je pre konvenčný podvozok akceptované, nie je možné akceptovať v prípade nového podvozka.

* * * * *
ZDK-SB v porovnaní s konvenčným podvozkom Y25 zaujímajú dvojkolesia vhodnejšiu polohu voči koľaji pri prejazde oblúkov malých polomerov, čo má priaznivý vplyv na bezpečnosť a ekonomiku prevádzky.
* * * * *

Vývojové trendy v smerovaní nových podvozkov
Požiadavky v smerovaní vývoja nových podvozkov je možné zhrnúť nasledovne:
a) nízka vlastná hmotnosť
b) nízke emisie hluku – legislatívna požiadavka [4]
c) zníženie dynamický účinkov v kontakte koleso - koľajnica, požiadavka na tzv. „Track Friendly“
d) zníženie opotrebovania dvojkolesí v oblúkovitých tratiach
e) konštrukčná rýchlosť minimálne 120km/h
f) zabezpečenie stability jazdy pri vyšších rýchlostiach
g) vymeniteľnosť za existujúce podvozky
h) zlepšenie bezpečnosti proti vykoľajeniu
i) zachovanie kompatibility s existujúcou infraštruktúrou trate
j) zosilnenie brzdného účinku
k) zníženie nákladov na životný cyklus podvozka tzv. LCC (Life cycle costs)

Podvozok novej generácie ZDK-SB
Pri vývoji inovatívneho podvozka novej generácie ZDK-SB bolo snahou skĺbiť čo najviac vývojových trendov v oblasti nákladných podvozkov a v čo možno najväčšej miere zachovať výhody, ktoré prinášajú konvenčné podvozky. Samočinné radiálne nastavenie dvojkolesí v kombinácii s optimalizovanou charakteristikou vypruženia vo zvislom smere radia podvozok ZDK-SB do skupiny „Track Friendly“ podvozkov. To znamená, že v porovnaní s konvenčným podvozkom Y25 zaujímajú dvojkolesia vhodnejšiu polohu voči koľaji pri prejazde oblúkov malých polomerov, čo má priaznivý efekt na bezpečnosť a ekonomiku prevádzky.

obr 3
Obr. 3 Podvozok ZDK-SB

 

Technická špecifikácia podvozka ZDK-SB

tab1

Podvozok ZDK-SB charakterizujú dva základné princípy – obr. 4:

1. Radiálna nastaviteľnosť dvojkolesí pri prejazde oblúkov malých polomerov
Táto vlastnosť bola dosiahnutá použitím obojstranného piestu tlmiča, vďaka ktorému sa zabezpečila vôľa vo vedení dvojkolesia v pozdĺžnom smere.
2. Prepojenie dvojkolesí pomocou U-rámu

Uvoľnením vedenia dvojkolesia v pozdĺžnom smere bolo potrebné optimalizovať stabilitu podvozka pri vyšších rýchlostiach na priamej trati. To sa podarilo zabezpečiť aplikovaním U-rámu, ktorý vzájomne viaže pohyb medzi dvojkolesiami v pozdĺžnom smere.

obr4a
Obr. 4 ZDK-SB - základné princípy

 

Znížením hmotnosti podvozka docielime zníženie celkovej hmotnosti vozňa. Hlavný význam pre redukcii hmotnosti podvozka, resp. vozňa je ten, že sily, potrebné na urýchlenie posuvných a rotačných hmôt podvozka, sú menšie. Tým sa zmenšujú i ťažné sily a výkony a dosahujú sa značné úspory na trakčných nákladoch. Zníženie hmotnosti vedie priamo k úspore použitých konštrukčných materiálov pri stavbe podvozkov a v niektorých prípadoch aj k redukcii prácnosti pri výrobe, a tým k zníženiu výrobných nákladov. Zníženie hmotnosti na neodpružených hmotách (ložiskové skrine, dvojkolesia a pod.) má veľký význam pre veľkosť zrýchľujúcich síl, ktoré nepriaznivo namáhajú železničný zvršok a vozidlo obzvlášť pri vyšších rýchlostiach. Výrazné zníženie hmotnosti podvozka prinieslo bezčelníkové riešenie rámu podvozka. Bezčleníkový rám podvozka je pevnostne optimalizovaný tak, aby boli zachované pevnostné požiadavky požadované európskou normou.
Aj napriek veľkej snahe o zníženie hmotnosti inovovaných podvozkov nedochádza k veľkému rozdielu oproti podvozkom konvenčným. Je to spôsobené faktom, že konštrukcia podvozka je z dôvodu dodatočných požiadaviek na hluk a jazdné vlastnosti zaťažená ďalšími prvkami, napr. brzdovými komponentmi, protihlukovými krytmi, robustnejšou ložiskovou skriňou, či nutnosťou zabudovania tiahel U-rámu. Práve naopak, dá sa očakávať, že spomenuté náročnejšie požiadavky či celkom nové požiadavky povedú k miernemu zvýšeniu hmotnosti. Pritom pri samotných nákladných vozňoch klesá hmotnosť použitím vysoko pevných materiálov, zlepšuje sa pomer ložnej hmotnosti k vlastnej hmotnosti vozňa, čo však kladie vyššie požiadavky na pevnostné a dynamické dimenzovanie nových optimalizovaných konštrukcií vozňov a podvozkov.

Environmentálne a zdravotné aspekty
Požiadavky na kvalitu života obyvateľstva sú čoraz vyššie. Medzi faktory, ktoré vplývajú na kvalitu života a životného prostredia, patrí aj hluk, ktorý vo vysokej miere negatívne pôsobí na fyzické aj psychické zdravie obyvateľstva. Preto je znižovanie hluku jedným z hlavných cieľov Európskej komisie. Znečistenie hlukom z koľajovej dopravy je globálnym problémom, ktorý výrazne ovplyvňuje obyvateľstvo žijúce pri železnici. Znečistenie životného prostredia okolitým hlukom sa týka hluku vyžarovaného z cestnej dopravy, železničnej a leteckej dopravy, priemyslu, stavebníctva a iných aktivít.
Cestná doprava je najviac dominantným zdrojom hluku v Európe. Je odhadované, že približne 125 miliónov ľudí je ovplyvnených hladinou hluku z cestnej dopravy Ldeň vyššou než 55 dB, vrátane viac než 37 miliónov ľudí, ktorí sú vystavení hladine hluku Ldeň vyššej než 65 dB. Ldeň je spoločný ukazovateľ v EÚ, ktorý zodpovedá priemernej hladine hluku v priebehu dňa, večera a noci, ktorému je človek vystavený po dobu jedného roka.

Po hluku z cestnej dopravy je obyvateľstvo vystavované nadmernou hladinou hluku z dopravy v nasledujúcom poradí:
Železničná doprava – približne 8 miliónov ľudí je vystavených hladine hluku Ldeň vyššej než 55 dB
Letecká doprava – skoro 3 milióny ľudí je vystavených hladine hluku Ldeň vyššej než 55 dB
Priemysel – 300 tisíc ľudí je vystavených hladine hluku Ldeň vyššej než 55 dB

V priebehu vývoja nákladných vozňov sa výrobcovia snažia aplikovať niektoré zo známych riešení, ktoré preukázateľne vedú k znižovaniu emisií hluku. Z pohľadu brzdy aj napriek vyššej nadobúdacej ceny a vyššej hmotnosti sa dostáva do popredia kotúčová brzda, a to hlavne z dôvodu vyššieho kilometrického nábehu (nižšie opotrebenie kolesa, brzdového obloženia) a taktiež zníženia hluku. Hluk pri prejazde je u podvozka ZDK-SB znížený použitím kotúčovej brzdy, optimalizovaným diskom kolesa (štandardné zvonové koleso bolo nahradené kolesom s rovným diskom) a špeciálne vyvinutými protihlukovými krytmi.
Vozeň s podvozkami ZDK-SB je v porovnaní s vozňom vystrojeným s konvenčnými podvozkami Y25 menej hlučnejší. Radiálne postavenie dvojkolesia v oblúkoch o malých polomeroch vedie ku zníženiu intenzity sklzov medzi kolesom a koľajnicou s pozitívnym dopadom na potlačenie nepríjemných a rušivých zvukov.
Všetky známe riešenia pre elimináciu hluku tak na strane infraštruktúry ako aj na strane vozidla v procese nákladov na životný cyklus vedú ku enormnému navýšeniu. Vlastníci vozidiel a vlastníci infraštruktúry sú rozdielny a každý má svoj pohľad na problematiku. V dnešnej dobe sú v nákladnej koľajovej doprave kladené vysoké nároky na nízku cenu a nízku hmotnosť. Preto nie sú zákazníci naklonený vynaložiť dodatočné náklady navyše, súvisiace s potrebou znižovania hlukových emisií bez dodatočnej podpory. Snahou komisie pre riešenie financovania okrem iných aktivít je aj návrh systému bonusov, vo forme úľav za prevádzku tichých vozidiel, je možné zmieniť Nariadenie komisie EU č.2015/429/EU [6]. Definuje dodatočné bonusy za:
- „nehlučné vozne“ nové alebo existujúce vozne, ktoré spĺňajú príslušné limitné hodnoty hluku stanovené v TSI Hluk [4];
- „veľmi tiché vozne a rušne“ sú vozne a rušne s emisiami hluku, ktoré sú najmenej o 3 dB nižšie ako príslušné hodnoty uvedené v TSI Hluk [4].

Riešenie prinieslo úspory aj vyššiu bezpečnosť
Zmenou charakteristiky vypruženia podvozka s optimalizovanou tuhosťou a tlmením spolu s uvoľnením vedenia dvojkolesia v pozdĺžnom smere sme zabezpečili zníženie dynamických účinkov medzi kolesom a koľajnicou. Dôsledkom je nižšia miera poškodzovania železničnej trate. V porovnaní s konvenčným podvozkom sa podvozok ZDK-SB lepšie prispôsobuje oblúkovitej trati, čo má za následok zníženie opotrebovania okolkov kolies a koľajníc. Veľkosť opotrebenia kolies podvozka ZDK-SB v porovnaní s konvenčným podvozkom predstavuje pokles o 30-40% ( v závislosti od počtu malých oblúkov na trati).
Na bezpečnosť vozidla proti vykoľajeniu má najväčší vplyv zvislé zaťaženie kolesa a vodorovná priečna sila medzi kolesom a koľajnicou. K vykoľajeniu dochádza v okamžiku, kedy vodiace koleso je po určitú dobu odľahčené a kedy súčasne na jeho okolok pôsobí vodorovná priečna sila. Pri určitom nepriaznivom pomere týchto síl dochádza ku tzv. šplhaniu okolku na temeno koľajnice a následne ku vykoľajeniu. Medzi ďalšie vplyvy, ktoré sa uplatňujú pri procese vykoľajenia môžeme zaradiť veľký súčiniteľ trenia medzi kolesom a koľajnicou, uhol sklonu okolku a malý polomer oblúku koľaje v ktorom sa realizujú veľké uhly nábehu. Vďaka novému vedeniu dvojkolesia so zmenenou charakteristikou vypruženia a U-rámom sa výrazne zlepšila bezpečnosť proti vykoľajeniu za kvázi statických podmienok.

Záver
Na jednej strane je tu silná požiadavka na zavádzanie inovatívnych riešení v podvozkoch nákladných vozidiel, na strane druhej ide o istú opatrnosť pri prijímaní neštandardných a v praxi neoverených riešení. Potenciálna chyba sa prejaví až s určitým časovým odstupom a obyčajne prináša obrovské finančné škody.
Nadobúdacie náklady ale následne náklady na prevádzkovanie a údržbu koľajového vozidla tvoria podstatnú zložku nákladov životného cyklu tzv. LCC (Life Cycle Cost). Dôsledkom prevádzky koľajového vozidla vzniká opotrebovanie a degradácia tratí. V koľajovej doprave sa stretávame s istým paradoxom. A to je odlišný od prístupu od dopravy cestnej, ktorým účastníkom sme aj my bežný motoristi, užívatelia ciest a diaľnic. Oddelením správy infraštruktúry od prevádzkovateľov vozidiel, v rámci uvoľňovania obchodu v železničnom sektore, dochádza k nasledovnému javu. Prinesením inovatívneho podvozku so zníženými silovými účinkami na trať, čoho dôsledkom je zníženie opotrebovania v oblúkoch malých polomeroch, to: Na jednej strane predstavuje zvýšené náklady nadobúdateľa koľajového vozidla v podobe vyššej ceny a viac-náklady v podobe komplikovanejšej údržby (Úspora nákladov na strane zmenšenia opotrebovania dvojkolesí vo forme predkladaných štúdii nie je akceptovaná. Očakáva sa preukázanie v prevádzke.) Na druhej strane dochádza ku zmenšeniu opotrebovania tratí kvôli efektu radiálnej staviteľnosti dvojkolesí. Správca infraštruktúry tak bude až s určitým časovým odstupom profitovať z menšieho opotrebenia koľají v oblúkoch. To je samozrejme za predpokladu, že na daných úsekoch bude dominovať prevádzka inovatívnych podvozkov zo zníženými silovými účinkami na trať. Zvýšené náklady jedného účastníka tak prinesú prospech účastníkovi druhému. Dnes v Európe poplatky za použitie dopravnej cesty nezohľadňujú zlepšené vlastnosti inovovaných vozidiel, a preto je motivácia k inováciám tohto druhu na strane vlastníkov vozidiel veľmi malá.

Literatúra
[1] EN 14363 Railway applications – Testing and Simulations for the acceptance of running characteristics of railway vehicles – Running Behaviour and stationary tests. 2005
[2] EN 16235 Railway applications – Testing for the acceptance of running characteristic of railway vehicles – Freight wagons – Conditions for dispensation of freight wagons with defined characteristics from on-track tests according to EN 14363... 2013
[3] Nariadenie komisie č.2013/321/ES. o technickej špecifikácii interoperability týkajúcej sa subsystému „železničné koľajové vozidlá – nákladné vozne“ systému železníc v Európskej únii, ktorým sa zrušuje rozhodnutie Komisie 2006/861/ES. 2013.
[4] Nariadenie komisie č.1304/2014 o technickej špecifikácii interoperability týkajúcej sa subsystému „železničné koľajové vozidlá - hluk“ ktorým sa mení rozhodnutie 2008/232/ES a zrušuje rozhodnutie 2011/229/EÚ
[5] MORAVČÍK M., ŠIMŠAJ D., TOMAS M.,: Vyhodnotenie výsledkov simulácie jazdných vlastností podvozka ZDK-SB podľa EN 14363
[6] Vykonávacie nariadenie komisie č.2015/429, ktorým sa stanovujú spôsoby uplatňovania spoplatňovania nákladov súvisiacich s pôsobením hluku
[7] GERLICI J., MORAVČÍK, M.: Reduction of Dynamic Effects upon Track. In.: Dynamical Problems in Railway Vehicles, Žilina, 2016

logoČlánok boll vypracovaný v rámci výskumného projektu „Nákladný železničný podvozok novej generácie”, ktorý bol podporený Agentúrou na podporu výskumu a vývoja grantom č. APVV-14-0595.

TEXT/FOTO Marián Moravčík, Železničný dopravný klaster, Poprad