Metody pomiaru sił przestawiania ruchomych części rozjazdów dużych prędkości

Transkrypt

1 PAŚ Jacek 1 DYDUCH Janusz 2 Metody pomiaru sił przestawiania ruchomych części rozjazdów dużych prędkości WSTĘP Polska wpisując się w szereg zmian geopolitycznych, gospodarczych i społecznych zachodzących we współczesnym świecie generuje wzrost oczekiwań obywateli na szybki, bezpieczny i niezawodny transport. Odpowiedzią na te oczekiwania jest rozwój systemów kolei dużych prędkości, które implikują falę innowacyjności w przemyśle kolejowym. Nowe rozwiązania techniczne powstające w biurach badawczo rozwojowych wiodących producentów napędzają technologiczny postęp całego sektora. Rozwiązania implementowane na sieciach KDP z czasem przechodzą do systemów kolei konwencjonalnej, miejskiej, metra powodując wzrost konkurencyjności całego sektora. Ostatnia dekada na liniach PKP PLK SA to permanentne modernizacje i próby zwiększania prędkości przejazdowej pojazdów szynowych. W projekt rozwoju infrastruktury w Polsce dokładnie wpisuje się budowa linii kolejowych dużych prędkości, gonienie Europy zachodniej i budowa korytarzy łączącej największe aglomeracje miejskie. Dodatkowym czynnikiem motywującym do dynamicznych zmian są pozyskiwane z coraz lepszym efektem środki finansowe na dofinansowanie projektów modernizacji i podnoszenia parametrów eksploatacyjnych linii kolejowych z Unii Europejskiej. Integracja polityczna i gospodarcza kontynentu, otwarcie gospodarek i państw na przepływ towarów i ludzi wymusiła na instytucjach europejskich konieczność ujednolicenia przepisów prawnych związanych z koleją oraz dążenie do unifikacji rozwiązań technicznych i technologicznych czego wynikiem jest opracowanie TSI, co tworzy podstawę do rozwoju transeuropejskiego systemu kolei dużych prędkości. Nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne stosowane w rozjazdach kolejowych, dedykowanych dużym prędkością wymuszają zapewnienie przyleganie iglicy do opornicy poprzez zwiększanie ilości zamknięć nastawczych w procesie budowy rozjazdu kolejowego. Również zmiany konstrukcji napędów nabierają dużego znaczenia dla spełnienia wyższych parametrów i wymagań co do wartości siły trzymania i sił nastawczych w napędach zwrotnicowych oraz w obrębie krzyżownicy z ruchomym dziobem, wymusza konieczność prac nad ulepszaniem przyrządów pomiarowych mogących rejestrować w sposób ciągły zmiany parametrów mechanicznych zachodzących w procesie przestawiania ruchomych elementów rozjazdu kolejowego. 1. KLASYFIKACJA ROZJAZDÓW KOLEJOWYCH DUŻYCH PRĘDKOŚCI Rozjazd zwyczajny dużych prędkości składa się z trzech podstawowych części: a) Zwrotnica, której podstawowym zadaniem jest zmiana kierunku jazdy pojazdu szynowego z toru zasadniczego na tor zwrotny [6], [8] realizowane przez dwa ruchome elementy zwrotnicy: iglica prosta, iglica łukowa, które sterowane są za pomocą urządzeń nastawczych, napędu zwrotnicowego poprzez zamknięcia nastawcze, które zaobserwować można na rysunku 1. 1 Kolejowe Zakłady Nawierzchniowe Bieżanów Sp. z o.o.; Kraków; ul. Półłanki 25; Tel , j.pas@kzn.pl. 2 Uniwersytet Techniczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki; Radom; ul. Malczewskiego 29. Tel , Fax

2 Rys. 1. Zwrotnica dla rozjazdu Rz 60E :18,5, eksploatowana na linii CMK, stacja Strzałki b) Szyny łączące. c) Krzyżownica z ruchomym dziobem zaprezentowana na rysunku 2 - która przestawiana jest za pomocą urządzeń nastawczych a ruchomy dziób przylega do szyny skrzydłowej wymaganego kierunku jazdy. Powyższe rozwiązanie zapewnia ciągłość kontaktu koło szyna i zmniejsza oddziaływania dynamiczne na skład pociągu. Rys.2. Krzyżownica z ruchomym dziobem dla rozjazdu Rz 60E :18,5, eksploatowana na linii CMK, stacja Strzałki. Stalowe części rozjazdów kolejowych dużych prędkości połączone są z systemem przestawiania i kontroli ruchomych elementów w skład, których wchodzą: a) Zamknięcia nastawcze. Powszechnie stosowane są rozwiązania zamknięć nastawczych suwakowych, odpornych na wahania temperatur z możliwością tolerancji podłużnego przesunięcia iglicy. Kolejnym rodzajem zamknięcia nastawczego są zamknięcia hakowe oraz pozostałe zamknięcia nastawcze, które różną się od zamknięć suwakowych jak: VCC, Spherolock. b) Napędy wraz z własnym systemem kontroli. Napędy są urządzeniami wykonawczymi systemów sterowania i zabezpieczenia ruchu pociągów. System sterowania podaje napięcie nastawcze do napędu i następuje przestawienie iglicy. Proces ten trwa kilka sekund, natomiast przez cały czas napęd jest zasilany napięciem kontrolnym i kontrolowane jest położenie krańcowe iglicy lub ruchomego dzioba krzyżownicy po zakończeniu procesu przestawiania [3]. Napędy zwrotnicowe wykonywane są w dwóch wersjach jako: rozpruwalne które mogą być stosowane na liniach z maksymalną dopuszczalną prędkością V 160[km/h]. Dla kolei dużych prędkości do V 350[km/h] w szczególności w układach wielonapędowych zarówno w obrębie zwrotnicy jak również w ruchomych dziobach krzyżownicy stosuje się napędy nierozpruwalne. W rozjazdach kolejowych dużych prędkości rozróżnia się układy wielonapędowe, w których ilość 3759

3 zamknięć nastawczych jest równa ilości napędów oraz układ jednonapędowy z sprzężeniem zamknięć nastawczych [6], [7]. System sterowania ruchem kolejowym [4], [5] musi zapewnić przekaz kompletnych informacji do nastawni odnośnie kierunku przełożenia rozjazdu po którym realizowany ma być ruch oraz poprawności wzajemnego położenia ruchomych elementów rozjazdu co zapewniają mechanizmy zwane kontrolerami. 2. PODSTAWOWE KONSTRUKCJE ROZJAZDÓW DUŻYCH PRĘDKOŚCI EKSPLOATOWANE W POLSCE Podstawowe konstrukcje rozjazdów dużych prędkości eksploatowane na krajowych liniach kolejowych przedstawiają się następująco: a) R2500-1:26,5. Prędkość maksymalna: 200/120 km/h. Zwrotnica posiada 4 zamknięcia nastawcze. b) R1200-1:18,5. Prędkość maksymalna: 250/100 km/h. Zwrotnica posiada 3 zamknięcia nastawcze. Krzyżownica z ruchomym dziobem posiada 2 zamknięcia nastawcze. c) R760-1:14. Prędkość maksymalna: 200/80 km/h. Zwrotnica posiada 3 zamknięcia nastawcze. W porównaniu do krajów Europy zachodniej o rozbudowanej sieci kolei dużych prędkości, zauważalny jest brak konstrukcji rozjazdów kolejowych klotoidalnych o zmiennych wartościach promienia łuku toru zwrotnego w obrębie zwrotnicy oraz na fakt braku wizji rozwoju klasyfikacji rozjazdów. Zgodnie z istniejącymi standardami technicznymi zawartymi w Szczegółowe warunki techniczne dla modernizacji lub budowy linii kolejowych do prędkości Vmax 200 km/h (dla taboru konwencjonalnego) / 250 km/h (dla taboru z wychylnym pudłem) Wersja oraz nowym projektem standardów technicznych zauważalny jest brak nowych konstrukcji rozjazdów dla KDP a rozjazdem podstawowym nadal jest rozjazd Rz 60E :12 oraz rozjazd Rz 60E :18,5. W związku z powyższym konieczne staje się sprawdzenie parametrów mechanicznych w zakresie współpracy stalowych elementów rozjazdu kolejowego wraz z urządzeniami przestawczymi sterowania ruchem kolejowym (napęd w obrębie zwrotnicy oraz w obrębie krzyżownicy z ruchomym dziobem). Parametry współpracy układu zwrotnica / krzyżownica z ruchomym dziobem - napęd i kontrola rozjazd ze względu na znaczenie są uregulowane w Instrukcji o oględzinach, badaniach technicznych i utrzymaniu rozjazdu Id-4, wydanym przez PKP Polskie Linie Kolejowe SA z 9 grudnia 2014 roku 4, w których zawarto zapisy odnośnie maksymalnych oporów przestawiania ruchomych elementów rozjazdu kolejowego bez względu na porę roku. Wartości powyższe wynoszą: dla Rz 60E :12 3,7 kn w obrębie zwrotnicy i 3,4 kn w obrębie krzyżownicy, dla Rz 60E :18,5 5,2 kn w obrębie zwrotnicy i 5,5 kn w obrębie krzyżownicy. Powyższe wartości oporów przestawiania nie dotyczą specjalnych zamknięć nastawczych, a wartości te podaje producent w warunkach technicznych. Dobierając napęd do rozjazdu należy kierować się zasadą, iż opory przestawiania ruchomych elementów rozjazdu kolejowego nie powinny przekraczać 80% siły nastawczej napędu. Dla prawidłowego i niezawodnego działania układu napęd rozjazd staje się badanie występujących sił w trakcie przestawiania zwrotnicy i krzyżownicy z ruchomym dziobem. Obecnie maksymalna ilość zamknięć nastawczych w rozjazdach to 3 w obrębie zwrotnicy oraz 2 w obrębie krzyżownicy. Wyjątek stanowi rozjazd kolejowy Rz 60E :26,5 o 4 zamknięciach nastawczych w obrębie zwrotnicy ale nie jest powszechnie stosowanych na krajowych liniach kolejowych. W sytuacji permanentnego eksploatowania linii kolejowej dużych prędkości, zwłaszcza w układach wielonapędowych kłopotliwe staje się badanie sił przestawiania dla każdego z punktów z osobna. Często badania trwają godzinami a żadne z obecnie stosowanych rozwiązań technicznych w tym zakresie nie gwarantuje sprawdzenia całego rozjazdu w tym samym czasie w trakcie dwóch przestawień iglicy rozjazdu na + oraz na -. 3 Szczegółowe warunki techniczne dla modernizacji lub budowy linii kolejowych do prędkości Vmax 200 km/h (dla taboru konwencjonalnego) / 250 km/h (dla taboru z wychylnym pudłem) Wersja 1.1, Warszawa 2009 r. 4 Instrukcja o oględzinach, badaniach technicznych i utrzymaniu rozjazdu Id-4, PKP Polskie Linie Kolejowe SA, 9 grudnia 2014 roku, Warszawa. 3760

4 W Polsce producenci rozjazdów kolejowych, jednostki badawcze oraz diagności z Zakładów Linii Kolejowych posługują się następującymi urządzeniami pomiarowymi: 1. Analogowy EZK trzpieniowy przyrząd pomiarowy, wzdłuż którego znajdują się dwie szczeliny, gdzie górna jest otwarta z przymocowanymi nakładkami a dolna zamknięta z 3 prostopadłymi kołnierzami do osi trzpienia. Pomiar dokonywany jest poprzez włożenie trzpienia pomiarowego w miejsce trzpienia łączącego suwak nastawczy z prętem nastawczym napędu zwrotnicowego. Pomiar odbywa się poprzez uruchomienie napędu i występowaniu sił pomiędzy drążkiem suwakowym a prętem nastawczym. Pomiar wskazywany jest za pomocą analogowego czujnika zegarowego bez rejestratora danych. Urządzenie EZK przedstawione zostało na rysunku 3. Rys. 3. Analogowe urządzenie pomiarowe EZK. 2. Cyfrowy μmoza-2 służy do pomiaru, rejestracji i analizy sił jakie pojawiają się w układzie napęd zwrotnica/ruchoma krzyżownica. Miernik μmoza-2, prezentowany na rysunku 4, przystosowany jest do pomiaru oporów przestawiania ruchomych elementów rozjazdu w funkcji drogi lub w funkcji czasu [1]. Stosowany również do pomiaru siły nastawczej lub siły trzymania w rozjazdach kolejowych oraz wraz z specjalną nakładką do rozjazdów tramwajowych. Trzpień pomiarowy zintegrowany z obudową zawiera rejestrator elektroniczny, enkoder, radiowe łącze Bluetooth do sterowania zdalnego, umieszczany jest do otworu pomiarowego drążka suwakowego zamka i pręta nastawczego napędu. Rys. 4. Urządzenie pomiarowe μmoza Cyfrowy Pamar-MS dwukanałowy, mikroprocesorowy, przyrząd pomiarowy do pomiaru, rejestracji i analizy sił występujących w układzie napęd zwrotnica/ruchoma krzyżownica, rozjazdu kolejowego. Stosowany do pomiaru siły nastawczej, oporów przestawiania rozjazdu a także siły rozprucia, umożliwia pomiar i jego rejestrację dla wszystkich mierzonych sił [2]. Pomiar sił jest wykonywany w funkcji czasu z możliwością wykonania wydruku. Trzpień pomiarowy jest tensometrycznym przetwornikiem mierzącym wartości odkształcenia 3761

5 mechanicznego kształtu trzpienia pod wpływem przyłożonej siły, wsadzany w miejsce trzpienia łączącego drążek suwakowy z prętem nastawczym napędu zwrotnicowego, po czym należy dokonać zerowania trzpienia. Przyrząd pokazany na rysunku 5 jest urządzeniem analizująco rejestrującym. Rys. 5. Urządzenie pomiarowe Pamar-MS. 3. ANALIZA WYNIKÓW Z PRZYRZĄDÓW POMIAROWYCH SIŁ PRZESTAWIANIA RUCHOMYCH ELEMENTÓW ROZJAZDU. Badania wykonano na eksploatowanym kolejowym rozjeździe zwyczajnym Rz60E :18,5 sb-s, w pochyleniu 1:40 z krzyżownicą z ruchomym dziobem, dedykowanemu prędkości maksymalnej na torze zasadniczym 250 km/h, produkcji Kolejowych Zakładów Nawierzchniowych Bieżanów Sp. z o.o. i hiszpańskiej firmy Talleres Alegria s.a. zabudowanym na linii nr 4, na stacji Strzałki, rozjazd numer 27 w dniach od marca 2015 roku. Badania wykonano z zastosowaniem następujących przyrządów pomiarowych: a) Pomiar trzpieniem EZK Wyniki pomiarów nie są rejestrowane cyfrowo a jedynie w formie odczytu z zegara analogowego. Pomiar dokonany w trakcie przestawiania rozjazdu przez napęd EBI Switch 700, w czasie którego wskazówka drga bardzo szybko i wynik pomiaru jest szacunkowy. Zapisy pomiarów w tabeli 1. b) μmoza-2 Wyniki pomiarów rejestrowane na dysku urządzenia z możliwością wydruku. Największy problemem było zsynchronizowanie uruchomienia urządzenia z reakcją osób w nastawni stacji Strzałki. Zapisy z pomiarów o dużej dokładności umieszczono w zbiorczej tabeli 1. Poniżej graficzne zapisy z pomiarów na pierwszym zamknięciu nastawczym w obrębie zwrotnicy (rysunek 6) i krzyżownicy (rysunek 7) podczas przestawiania ruchomych elementów rozjazdu w prawo i lewo. Pomiarów dokonano dwukrotnie. 3762

6 Rys. 6. Wyniki pomiarów sił przestawiania zwrotnicy (L), (P) rozjazdu Rz60E :18,5 sb-s, w pochyleniu 1:40 z krzyżownicą z ruchomym dziobem na stacji Strzałki, urządzeniem μmoza-2. Rys. 7. Wyniki pomiarów sił przestawiania krzyżownicy (L), (P) rozjazdu Rz60E :18,5 sb-s, w pochyleniu 1:40 z krzyżownicą z ruchomym dziobem na stacji Strzałki, urządzeniem μmoza-2. c) Pamar-MS Wyniki pomiarów rejestrowane na dysku urządzenia z możliwością wydruku. Zaletą jest fakt auto wzbudzenia urządzenia funkcją Autostart w momencie dokonywania przestawiania przez pracownika nastawni na stacji kolejowej w szczególności komunikacji zdalnej. Zapisy z pomiarów o dużej dokładności umieszczono w zbiorczej tabeli 1. Poniżej graficzne zapisy z pomiarów na pierwszym zamknięciu nastawczym w obrębie zwrotnicy (rysunek 8) i krzyżownicy (rysunek 9) podczas przestawiania ruchomych elementów rozjazdu w prawo i lewo. Pomiarów dokonano dwukrotnie. 3763

7 Rys. 8. Wyniki pomiarów sił przestawiania zwrotnicy (L), (P) rozjazdu Rz60E :18,5 sb-s, w pochyleniu 1:40 z krzyżownicą z ruchomym dziobem na stacji Strzałki, urządzeniem Pamar-MS. Rys. 9. Wyniki pomiarów sił przestawiania krzyżownicy (L), (P) rozjazdu Rz60E :18,5 sb-s, w pochyleniu 1:40 z krzyżownicą z ruchomym dziobem na stacji Strzałki, urządzeniem Pamar-MS. Tab. 1. Zbiorcze zestawienie wyników pomiarów trzema urządzeniami. Zestawienie pomiarów sił oporów przestawiania wykonanych dnia na stacji Strzałki ZWROTNICA - 1 zamknięcie (kn) PAMAR MS MIMOZA 2 EZK kierunek L kierunek P kierunek L kierunek P kierunek L kierunek P 2,68-2,81 2,77-2,70 <2,8 <-2,8 2,69-2,91 2,74-2,64 <2,8 <-2,8 KRZYŻOWNICA - 1 zamknięcie (kn) kierunek L kierunek P kierunek L kierunek P kierunek L kierunek P 1,56-2,65 1,41-2,95 <1,6 <3 1,50-2,67 1,44-2,87 <1,6 <3 Źródłem danych zgromadzonych w tabeli1 są pomiary własne wykonywane dwukrotnie. W trakcie pomiarów dokonano porównania obecnie dostępnych urządzeń pomiarowych z uwzględnieniem uwarunkowań na szlaku kolejowym i przy zastosowaniu komunikacji radiowej z osobą odpowiedzialną za przestawianie rozjazdu. Przyrząd PAMAR Zalety: prostota pomiaru (bardzo proste oprogramowanie), opcja pomiaru siły nastawczej, oporu przestawiania, siły rozprucia, naprężenia iglicy, 3764

8 duży zakres pomiarowy - do 15kN, wysokiej jakości trzpień pomiarowy, pomiar siły pokazywany jest na urządzeniu na bieżąco w trakcie przestawiania rozjazdu, przyrząd ma wpisaną datę wzorcowania, czujnik temperatury i wilgotności. Wady: wysoki koszt, oprogramowanie do drukowania wykresów nie pozwala przypisać jednego napędu do kilu rozjazdów, co w przypadku odbioru u producenta sprawia problem, możliwość zerwania przewodu łączącego trzpień z urządzeniem, możliwość pomiaru tylko do 2 miejsc w tym samym czasie. Przyrząd μmoza-2 Zalety: łączność bezprzewodowa, możliwość wydruku wykresu sił bezpośrednio po pomiarze (mini drukarka w zestawie), pomiar w funkcji drogi, max zakres pomiaru - 8kN. Wady: brak możliwości podglądu siły podczas pomiaru, duże gabaryty trzpienia oraz całego zestawu, konieczność ustalenia czasu pomiaru, co stwarza trudności podczas pomiaru w torze, gdzie rozjazd jest przekładany z nastawni, trzpień nie jest umocowany centralnie lecz asymetrycznie - w przypadku napędów EEA5 konieczność kierunkowego wkładania trzpienia z uwagi na możliwy kontakt z obudową napędu. Przyrząd EZK Zalety: niski koszt, prostota pomiaru, małe gabaryty przedmiotu. Wady: brak możliwości rejestracji pomiaru (odczyt bezpośrednio w trakcie pomiaru z czujnika zegarowego), brak możliwości uzyskania wykresu siły, mało dokładny odczyt mierzonych wartości podczas przekładania za pomocą napędu. Wskazania rejestrowane przez przyrządy PAMAR i μmoza są dokładne a ich wartości mieszczą się w zakresie do 5%, wyjątek stanowi pomiaru krzyżownicy (kierunek w prawo) a różnica wynika z piku który jest zarejestrowany na wykresach urządzenia μmoza, dla ułamka części sekundy. WNIOSKI Rozjazdy kolejowe dużych prędkości wymagają szczegółowej diagnostyki w zakresie współpracy napęd - stalowe elementy rozjazdu. Badanie układu torowego na stacji Strzałki wykazało konieczność opracowania założeń do nowego modelu pomiarowego sił przestawiania ruchomych elementów rozjazdu kolejowego dla zastosowania w układach wielonapędowych w pełnym zakresie pól pomiarowych tj. zwrotnica i krzyżownica w tym samym czasie. Analizując płaszczyzny współpracy oraz parametry determinujące i mające wpływ na poprawne działanie systemu napęd rozjazd należy przede wszystkim zwrócić uwagę na wartości : a) sił tarcia stopy iglicy o elementy ślizgowe płyt, 3765

9 b) sił powstałych na skutek wynikających ze współpracy elementów mechanicznych: zamknięcia, prętów nastawczych, braku osiowości oraz niedokładności wynikających z tolerancji wykonania, c) sprężystości iglicy, d) oporów urządzeń wyposażenia dodatkowego takie jak: sprzężeń, kontrolerów, e) sztywności układu zamknięcie napęd zapewniająca współosiowość współpracujących elementów przenoszących siłę przestawiania, f) momentu bezwładności ruchomych elementów rozjazdu jak: iglica, dziób krzyżownicy. Streszczenie W referacie przedstawiono modele współpracy rozjazdu kolejowego z napędem dla kolei dużych prędkości na przykładzie rozjazdu zwyczajnego eksploatowanego na stacji Strzałki. W pracy dokonano klasyfikacji przykładowych rozwiązań geometrycznych stosowanych rozjazdów kolejowych w Polsce oraz przyrządów pomiarowych sił przestawiania ruchomych elementów w rozjeździe dużych prędkości. Oceniono obecnie stosowane metody pomiarowe, podjęto badania wtórne nad koniecznością zmian i zastosowaniu nowatorskich rozwiązań technicznych dla skrócenia czasu i zwiększeniu dokładności pomiarów w liniach kolejowych PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. Słowa kluczowe: rozjazd kolejowych dużych prędkości, pomiar oporu przestawiania ruchomych elementów rozjazdu kolejowego, napęd. Methods for measuring adjustment of forces moving parts high speed turnouts. Abstract The paper presents models of cooperation between railway turnout and point machine for high speed railways for example, turnout which is operated on Strzałki station. The paper presents the classification of the sample geometries used in railway turnouts in Poland and measuring devices adjustment forces moving parts in high speed turnouts. To judge from the facto of current measurement method, used secondary research on the need of change and the use of innovative technical solutions for time reduction and increase precision of measure in PKP Polish high speed railways. Keywords: high speed turnout, measuring devices adjustment forces moving parts, point machine. BIBLIOGRAFIA 1. Dokumentacja Techniczno Ruchowa, Przyrząd do pomiaru sił i oporów przestawiania rozjazdów μmoza 2, Diakom s.c r., Kraków. 2. Dokumentacja Techniczno Ruchowa, Przyrząd pomiarowy PAMAR-MS, r., Jastrzębie Zdrój. 3. Dyduch J., Kornaszewski M., Systemy sterowania ruchem kolejowym, Wydawnictwo UTH, Radom Dyduch J. : Oferta nauki polskiej w obszarze kolejnictwa, Komisja Sejmu RP, Dyduch J. : Rola Komitetu Transportu PAN w innowacyjności infrastruktury, XI MTI Warszawa, Paś J., Dyduch J., Współpraca rozjazdu z napędem dla kolei dużych prędkości, Czasopismo Logistyka 6/ Paś J.: Rozjazd jako kluczowy element infrastruktury kolejowej, Międzynarodowa Konferencja Naukowo Techniczna, Nowoczesne technologie w projektowaniu, budowie i utrzymaniu rozjazdów kolejowych, Warszawa, rok. 8. Towpik K. Infrastruktura transportu kolejowego, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa