Kraków, 13.06.2017 r. dr hab. inż. Marek Babeł Politechnika Krakowska Instytut Pojazdów Szynowych Recenzja rozprawy doktorskiej mgr inż. Jarosława Czerwińskiego nt: Nowy system transportu kolejowo - drogowego dla przewozów standardowych naczep samochodowych 1. Ocena celowości podjęcia problematyki Sprawny system transportowy jest warunkiem rozwoju gospodarczego każdego kraju. Powinien on zapewnić niezawodny, bezpieczny oraz efektywny przewóz towarów zarówno w ruchu krajowym jak i międzynarodowym. System ten zależy między innymi od właściwej relacji transportu drogowego i szynowego. Aktualnie w Polsce około 85% ładunków przewożonych jest transportem drogowym generującym największe obciążenia ekonomiczne, na które składają się koszty ekologiczne i społeczne. W stosunku do transportu wyłącznie drogowego, transport intermodalny - kombinowany kolejowo - drogowy wnosi jego proekologiczne, prospołeczne i ekonomiczne zalety. Zgodnie z założeniami europejskiej polityki transportowej do 2030 roku 30% drogowego transportu towarów należy przenieść na inne środki transportu, kolej lub transport wodny, zaś do 2050 roku powinno to być 50%. W tym kontekście wdrażanie w polski system transportowy systemów transportu kombinowanego kolejowo-drogowego umożliwi realizację wytycznych Unii Europejskiej dla utworzenia jednolitego europejskiego obszaru transportowego. Pomimo bezsprzecznych zalet umożliwiających uzyskanie przewagi konkurencyjnej, transport kombinowany kolejowo-drogowy w Polsce nie został wdrożony na szeroką skalę. W procesie przejęcia masy towarowej z transportu drogowego, sektor kolejowy hamowany jest niesprzyjającym stanem organizacyjno-technicznym zarówno infrastruktury jak i posiadanych środków transportu. Stąd wszelkie prace ukierunkowane na wdrożenie powyższego systemu transportu do praktyki są jak najbardziej aktualne. Wobec tego wybór problematyki przez Doktoranta należy uznać za bardzo trafny tak z punktu widzenia praktycznego jak i poznawczego.
2 2. Omówienie rozprawy Autor podjął próbę opracowania konstrukcji pojazdu szynowego umożliwiającej poziomy załadunek i transport standardowych naczep samochodowych w ich obecnym stanie technicznym. Ten nierozwiązany problem o charakterze naukowo-technicznym stanowi jedną z barier wdrożenia systemu transportu kombinowanego kolejowo-drogowego w Polsce. Praca zawiera 7 rozdziałów i liczy 125 stron. Na początku pracy zamieszczono streszczenie w języku polskim, a na końcu spis literatury zawierający 88 pozycji, w tym 78 pozycji polskojęzycznych, pozostałe anglojęzyczne oraz streszczenie w języku angielskim. We Wprowadzeniu autor omawia uwarunkowania związane z koniecznością wdrażania w Polsce jednego z rodzajów transportu intermodalnego - transportu kombinowanego do przewozu naczep samochodowych. Określa cel pracy, definiuje zadania badawcze do przeprowadzenia oraz podaje wybrane definicje i terminy występujące w różnych systemach transportu, użyte w przedmiotowej pracy. W rozdz. 1 autor omówił stan przewozów transportem intermodalnym w Polsce charakteryzując strukturę przewozów, techniczne parametry infrastruktury. Autor stwierdza, iż po wdrożeniu wysoko zaawansowanych systemów transportu kombinowanego, obsługujących główne europejskie korytarze transportowe, pojawi się luka transportowa dla realizacji usług transportowych na liniach drugorzędowych. Na tych liniach autor proponuje wdrożyć technologię uzupełniającego transportu naczep opartego na prostych oraz niedrogich rozwiązaniach środków transportu, nie wymagających częstej i kosztownej obsługi oraz urządzeń dźwigowych do rozładunku naczep Autor dokonał przeglądu krajowych i zagranicznych rozwiązań wagonów specjalnych do przewozu jednostek ładunkowych w transporcie intermodalnym, wykorzystujących różne sposoby załadunku tych jednostek. Analizie poddano konstrukcje wybranych wagonów w fazie opracowanego projektu, wykonanego prototypu oraz eksploatowane jednostki, głównie na kolejach Europy zachodniej. Autor przeanalizował także w tym rozdziale rozwiązania techniczne stosowane w systemach transportu bimodalnego wykorzystujące wózki kolejowe wyposażone w urządzenia mocujące naczepy siodłowe. Dokonał oceny porównawczej wybranych systemów wskazując ich zalety oraz ograniczenia i wady. Zasadniczą część pracy tworzą rozdziały od 3 do 5. W rozdz. 3 przedstawiono założenia konstrukcyjne dla nowego pojazdu szynowego do przewozu standardowych naczep z określeniem między innymi sposobu ich przeładunku, docelowego rodzaju pojazdu - wagon, warunków jego eksploatacji i wynikające z tego wymagania skrajni, elementów układu biegowego - wymiary kół zestawów kołowych, układu konstrukcyjnego pojazdu oraz
materiału na wykonanie elementów konstrukcyjnych. Zaprezentowano opis konstrukcji pojazdu, jako wagon dwuczłonowy - przedstawiono konstrukcję wybranych wózków z układem hamulcowym, ostoi (wewnętrznej i zewnętrznej), węzła połączenia ww. ostoi między sobą, posadowienia ostoi na wózkach oraz urządzeń pomocniczych wagonu. Dla obciążonego naczepą wagonu przeprowadzono analizę nacisków statycznych zestawów kołowych na szyny oraz skrajni dla zarysu GB1. Dokonano oceny skuteczności działania hamulca dla jednego członu wagonu oraz przedstawiono poszczególne etapy załadunku naczepy na zaprojektowany wagon. W rozdz. 4 pracy przedstawiono metodykę oraz wyniki badań symulacyjnych zaprojektowanego wagonu sprawdzających jego właściwości wytrzymałościowe oraz bezpieczeństwo ruchu. Przedmiotowe badania przeprowadzono z wykorzystaniem opracowanych modeli numerycznych konstrukcji wagonu wykonanych na podstawie modeli geometrycznych. Obliczenia numeryczne wytrzymałości konstrukcji nośnej wagonu wykonano metodą MES z wykorzystaniem programu Abaąus. Wyniki obliczeń dla różnych obciążeń i warunków brzegowych przedstawiono w postaci rozkładu naprężeń w wybranych elementach konstrukcyjnych wagonu. Poddawano analizie obszary, w których występowały największe naprężenia i wprowadzono modyfikacje konstrukcji, dla których poziom naprężeń uznano za niebezpieczny. Badania symulacyjne dla oceny bezpieczeństwa ruchu i własności dynamicznych zaprojektowanego wagonu przeprowadzono w systemie Simpack 9.5. Zaprezentowano opracowany model analizowanego pojazdu do przedmiotowych badań wraz z określeniem wartości parametrów i charakterystyk dla wybranych zespołów wagonu oraz toru, niezbędnych do przeprowadzenia tych badań. Przedstawiono wyniki analizy stabilności załadowanego wagonu, bezpieczeństwa przed wykolejeniem oraz własności dynamicznych wagonu podczas przejazdów po torze prostym i w łuku torowym. Rozdz. 5 zawiera ocenę konstrukcji zespołów i układów nowo zaprojektowanego wagonu przedstawioną przez autora na podstawie wyników przeprowadzonych prac konstrukcyjnych i badań symulacyjnych. Przedstawiono podstawowe parametry wagonu oraz jego charakterystyczne wymiary w stanie załadowanym standardową naczepą. Dokonano porównania zaproponowanego systemu transportu, opartego na zaprojektowanym wagonie, z wybranymi rozwiązaniami aktualnie eksploatowanymi oraz wariantem znajdującym się na etapie prac projektowych i analiz. Zaakcentowano konieczność dalszej modyfikacji wskazanych rozwiązań konstrukcyjnych wagonu w celu spełnienia wymagań odpowiednich norm oraz poprawy właściwości eksploatacyjnych pojazdu.
4 W rozdz. 6 pracy przedstawiono analizy - ekonomiczną (koszty operacyjne i przewozu), środowiskową oraz konkurencyjności związane z wdrożeniem nowego systemu transportu kombinowanego kolejowo-drogowego na PLK w porównaniu z przewozami naczep realizowanych transportem samochodowym. W zakończeniu pracy - rozdz. 7 przedstawiono podsumowanie, wnioski wynikające z przeprowadzonych badań, obliczeń i analiz oraz kierunki dalszych prac. 3. Merytoryczna ocena pracy Cel pracy, który dotyczył opracowania nowatorskiej konstrukcji pojazdu kolejowego umożliwiającej poziomy załadunek i przewóz standardowych naczep samochodowych systemem transportu kombinowanego kolej owo-drogowego, został osiągnięty. Ważną częścią pracy, a zarazem zawierającą dorobek autora jest przeprowadzenie w ramach prac badawczo-rozwojowych kompleksowej analizy i oceny konstrukcji oraz badań symulacyjnych nowatorskiego rozwiązania wagonu kolejowego obejmujących: - założenia konstrukcyjne oraz zastosowane nowatorskie rozwiązania w zespołach i układach wagonu, - analizę nacisków zestawów kołowych oraz zarys GB1 skrajni dla wagonu w stanie ładownym, - układ biegowy (dobór wózków) oraz układ hamulcowy (ocena skuteczności hamowania), - sprawdzenie i ocenę wytrzymałości konstrukcji nośnej wagonu na zgodność z wymaganiami normy PN-EN 12663-2:2010 dla kategorii wytrzymałościowej wagonu Fil, - ocenę bezpieczeństwa ruchu i własności dynamicznych (analiza stabilności wagonu, bezpieczeństwa przed wykolejeniem, spokojność biegu), - ocenę fragmentów konstrukcji z ujawnionymi niedoskonałościami (propozycje zmian w konstrukcji nośnej ostoi i materiału konstrukcyjnego dla wskazanych podzespołów), - propozycje modyfikacji konstrukcji wybranych układów wagonu (poprawa właściwości eksploatacyjnych pojazdu). Przyjęte do przeprowadzenia ww. analiz i ocen - metodyka obliczeń, zastosowane systemy wspomagania projektowania, symulacji i obliczeń oraz materiały normatywne (normy PN-EN, karty UIC), są poprawne i nie budzą zastrzeżeń. Równie istotną częścią pracy jest analiza wybranych uwarunkowań uzasadniających wdrożenie nowego systemu transportu kolejowo-drogowego na PLK. Autor analizuje i porównuje koszty transportu i operacyjne przewozu naczep transportem drogowym i kolejowym dla różnych wariantów długości tras, masy przewożonego ładunku i liczby
5 transportów realizowanych w ciągu roku. Z wyników obliczeń wynika jednoznacznie, iż transport kolejowy jest korzystniejszym rozwiązaniem pod względem kosztów. Efekty ekonomiczne od wdrożenia nowego systemu znacząco rosną przy zwiększaniu masy ładunku w pociągu oraz odległości przewozu. Autor podjął także próbę oceny i porównania (dla obydwu rodzajów transportu) kosztów zewnętrznych ponoszonych przez społeczeństwo, a mianowicie kosztów wypadków, hałasu, zanieczyszczenia powietrza i innych. W tym kontekście autor dokonał analizy oddziaływania na środowisko mającej na celu porównanie uciążliwości dla środowiska transportu określonej liczby naczep transportem drogowym i kolejowym. Oszacował w ujęciu kosztowym korzyści środowiskowe, jakie można uzyskać zastępując transport drogowy transportem kombinowanym kolejowo- drogowym. Przedstawiona w rozdziałach 1 i 2 charakterystyka transportu intermodalnego ma spore walory dydaktyczne. Uwagi ogólne: Cel pracy autor sformułował we Wprowadzeniu, a we wnioskach - rozdział 1.4 zamieścił uzupełnienie, że przedmiotowy system transportu przeznaczony jest do realizacji usług transportowych na drugorzędnych kierunkach, jako zapełnienie luki transportowej. Właściwym byłoby doprecyzowanie celu pracy o ww. konkluzję we Wprowadzeniu do pracy zamieszczając w treści tego rozdziału wybrane zagadnienia z rozdz. 1.3 i 1.4, a krótkie ww. rozdziały usunąć i zastąpić wnioskami do rozdziału 1. Normy PN-EN 15273-2:2010 i PN-EN 14363:2005 zastąpione zostały normami, odpowiednio PN-EN 15273-2+A 1:2017-03 i PN-EN 14363: 2016-04. Należałoby otrzymane wyniki wybranych obliczeń, analiz i ocen zweryfikować na zgodność z wymaganiami obecnie obowiązujących ww. norm. Dodatkowych wyjaśnień wymaga zastosowana w rozdziale 6 pracy metodyka analizy porównawczej kosztów przewozu naczep transportem kolejowym i drogowym oraz kosztów operacyjnych. W pracy brak jest zależności (formuł) w oparciu, o które dokonano przedmiotowych analiz. Wskazanym byłoby zamieścić na końcu rozdziałów 3, 4, 5 i 6 wnioski z danego rozdziału, co ułatwiłoby analizowanie całości pracy. Pomimo powyższych uwag wartość merytoryczną pracy oceniam bardzo pozytyw ie.
6 4. Uwagi krytyczne W recenzowanej pracy autor nie ustrzegł się szeregu błędów merytorycznych jak i formalnych. Poniżej pozwoliłem sobie zwrócić uwagę na najważniejsze, które należałoby wyeliminować, przy ewentualnych dalszych edycjach całości lub fragmentów pracy, czy też na etapie opracowywania ostatecznego wariantu konstrukcji wagonu. Uwagi szczegółowe: Str. 56-57 - Norma PN-EN 12663-2:2010 podaje podstawowe przypadki obciążeń działających na wagon towarowy znajdujący się w składzie pociągu. Należałoby również przeanalizować dodatkowe warunki obciążeń wynikające z normalniej eksploatacji towarowych pojazdów szynowych. Przykładowo wykorzystując normę PN-EN 12663-1+A1:2015-01 należałoby wykonać obliczenia dla następujących przypadków obciążenia: ściskanie siłą przyłożoną 50 mm poniżej poziomu zderzaków - np. od współpracy ze standardowym wagonem towarowym w konfiguracji wagon próżny - wagon ładowny - tab. 3 w PN- EN 12663-1, ściskanie diagonalne - np. od współpracy ze standardowym wagonem towarowym w trakcie jazdy w łuku torowym - tab. 4 w PN- EN 12663-1, podnoszenie wagonu na obu końcach z obniżoną jedną z podpór oraz ponoszenie wagonu na jednym z końców, np. odwzorowanie wkolejania pojazdu w warunkach eksploatacyjnych - p. 6.3.2, 6.3.3 oraz 6.3.4 w PN-EN 12663-1, obciążenie poprzeczne miejsca połączenia ramy wagonu z wózkiem (czopa skrętu bądź płyty mocowania czopa skrętu) siłą wynikającą z masy wózka i działania przyspieszenia wkierunku poprzecznym do osi w agonu-p. 6.5.1 w PN-EN 12663-1. Str. 56-57 - W pracy przeanalizowano wytrzymałość statyczną struktury nośnej wagonu. Wskazanym byłoby również wykonanie analizy wytrzymałości zmęczeniowej konstrukcji. Str. 56-57 - W pracy nie przedstawiono analizy częstotliwościowej konstrukcji. W przypadku ustrojów poddawanych cyklicznym wymuszeniom należy uwzględnić konieczność sprawdzenia czy częstotliwość drgań własnych konstrukcji nie zawiera się w paśmie zakazanym z uwagi na działające wymuszenia - np. pochodzące od toru. Str. 57 - W pracy nie przedstawiono podstawowych charakterystyk zastosowanych rodzajów kontaktów pomiędzy analizowanymi geometriami. Warto byłoby również zamieścić informację dotyczącą rodzajów odebranych stopni swobody poprzez utworzone pary kontaktowe.
7 Str. 59 - Przedstawione wyniki analizy MES nie zawierają podstawowych informacji dotyczących użytych elementów skończonych, np. liczby elementów skończonych i węzłów, danych dotyczących rodzaju użytego elementu skończonego oraz zastosowanej funkcji kształtu. Dla celów późniejszej analizy wyników (oraz ewentualnych przekroczeń wartości dopuszczalnych naprężeń) przydatna byłaby również analiza jakości siatki elementów skończonych. Str. 59-65 - W treści pracy (str. 59 w. 2 dół) oraz w podpisach pod rys. 4.3+4.8 stosowane są na przemian określenia Schemat obciążeń i warunków brzegowych... lub Schemat sił i warunków brzegowych Należałoby ujednolicić przedmiotowe określenie. Str. 60 - Jakie urządzenia/elementy wyposażenia wagonu (oprócz wózków) były analizowane w przypadku obciążeniowym 5g w kierunku wzdłużnym? Str. 62 - Czy dla przypadku/przypadków podnoszenia wagonu przyjęcie, że punkty podparcia znajdują się w miejscach ślizgów bocznych oparcia nadwozia na wózku jest technicznie możliwe? W przypadku np. wykolejenia wagonu miejsce to może być trudnodostępne lub niedostępne dla potrzeby zainstalowania podnośnika hydraulicznego/podnośników hydraulicznych bądź też innych urządzeń służących podniesieniu konstrukcji. Str. 65 - Dot. analizy czopa naczepy przy obciążeniu 5 g oraz masie naczepy 38t. W takim przypadku obiekty o znaczącej sztywności, jak czop naczepy powinny być utwierdzane nie poprzez bezpośrednie przyłożenie do nich warunków brzegowych, a poprzez uwzględnienie części geometrii, do której są one bezpośrednio przymocowane. W przedmiotowym przypadku proponuje się, aby analizowany czop przymocować do fragmentu konstrukcji naczepy (zgodnie z rzeczywistym sposobem zabudowy), do której dopiero przyłożone są warunki brzegowe w postaci utwierdzeń. Niejednokrotnie analiza takich przypadków prowadzi do uzyskania odmiennych wyników w skutek ograniczenia sztucznego przesztywnienia konstrukcji. Uwzględnienie przyspieszenia 5g niepotrzebnie doprowadziło do olbrzymich przeciążeń w czopie naczepy - rys. 4.9. Zwykle w badaniach typowych wagonów towarowych takich obciążeń nie uwzględnia się. Badania przez nabiegania dają znacznie mniejsze przyspieszenia zwłaszcza dla kategorii Fil: około 2g dla wagonu próżnego i około lg dla wagonu załadowanego. Prędkość nabiegania wynosi tylko 7km/h. Powyższe wynika z wieloletniej praktyki badawczej - teoretycznej i eksperymentalnej. Str. 67-70 oraz 72-73 - Sposób prezentacji wyników uniemożliwia określenie wartości poziomów naprężeń w prezentowanych elementach konstrukcji - legendy mało czytelne lub nieczytelne. W przedstawionych wynikach można zauważyć, iż w niektórych
8 przypadkach przekroczenia / koncentracje naprężeń mają charakter lokalny. Analiza geometrii w omawianych lokalizacjach sugeruje, iż możliwe jest oddziaływanie karbu. W pracy brak jest informacji na temat przeprowadzonej analizy wyników oraz oceny wpływu karbu oraz ewentualnie jakości siatki elementów skończonych na uzyskane wyniki. Str. 75 i 82 - W nazwie rozdz. 4.2 stosowane jest określenie właściwości dynamiczne Na str. 82 w. 3 góra powtórzono ww. określenie, a poniżej w. 6 góra i w. 5 dół używane jest określenie własności dynamiczne. W przywołanej na str. 82 normie PN-EN 14363: 2005 występuje w nazwie tej normy określenie Własności dynamiczne Przedmiotowa rozbieżność wymaga wyjaśnienia. Str. 75 - W założeniach do analiz dynamicznych (rozdz. 4.2) przyjęto przyspieszenie boczne 9 9 zbyt małe - ay=lm /s zamiast 0,2g, (co daje około 2m/s ) zgodnie z tab. 13 normy PN- EN 12663-2:2010. Wpływa to na wyniki analiz dynamicznych wagonu. Str. 83 w. 2 dół - Jest Przyjęty układ hamulca ma nieskomplikowaną budowę, jest lżejszy i tańszy, powinno być Przyjęty układ hamulca cechuje się nieskomplikowaną budową, mniejszą masą i niższą ceną. Str. 83 w. 1 dół - Jest Lżejsza będzie również konstrukcja wózka wózka będzie również mniejsza powinno być Masa Powyższe uwagi krytyczne nie umniejszają wartości naukowej pracy. 5. Wniosek końcowy Przedstawiona mi do recenzji praca doktorska mgr inż. Jarosława Czerwińskiego cechuje się dobrym poziomem merytorycznym, jest zredagowana poprawnie. Ma dużą wartość aplikacyjną. Stanowi ona wkład Doktoranta w dziedzinie prac mających na celu wdrożenie transportu kombinowanego kolejowego - drogowo na sieci PLK. Rozprawa spełnia wymagania stawiane pracom doktorskim określonym w ustawie z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym z późniejszymi zmianami i wnioskuję o dopuszczenie mgr inż. Jarosława Czerwińskiego do publicznej obrony.