POLITECHNIKA WYDZIAŁ MASZYN ROBOCZYCH I TRANSPORTU NOWY SYSTEM TRANSPORTU KOLEJOWO - DROGOWEGO DLA PRZEWOZÓW STANDARDOWYCH NACZEP SAMOCHODOWYCH

POLITECHNIKA WYDZIAŁ MASZYN ROBOCZYCH I TRANSPORTU NOWY SYSTEM TRANSPORTU KOLEJOWO - DROGOWEGO DLA PRZEWOZÓW STANDARDOWYCH NACZEP SAMOCHODOWYCH Jarosław Czerwiński Promotor: prof. dr hab. Agnieszka Merkisz-Guranowska POZNAŃ 2017

NOWY SYSTEM TRANSPORTU KOLEJOWO - DROGOWEGO DLA PRZEWOZÓW STANDARDOWYCH NACZEP SAMOCHODOWYCH Streszczenie Położenie geograficzne Polski stwarza dogodne warunki do realizacji międzynarodowych przewozów. W Polsce przy braku dostatecznej liczby autostrad i dróg szybkiego ruchu z obwodnicami miast, wzmożone przewozy drogowe powodują kongestie przekładające się na straty ponoszone przez społeczeństwo. W celu równorzędnego udziału w transporcie funkcjonującym w Unii Europejskiej konieczne jest wdrożenie alternatywnego kolejowo drogowego systemu transportowego. Sprzężenie tych dwóch środków transportu stanowi jeden z rodzajów transportu intermodalnego transport kombinowany, w którym naczepy przewozi się na specjalnych wagonach platformach. Transport drogowy ogranicza się do dojazdu do i z centrum przeładunkowego. Celem pracy było opracowanie nowatorskiej konstrukcji pojazdu kolejowego, umożliwiającej poziomy załadunek i transport standardowych naczep samochodowych. W oparciu o przegląd europejskich i krajowych rozwiązań oraz ocenę technicznych parametrów infrastruktury istotnych dla przewozów naczep, określono kryteria doboru decydujących parametrów techniczno-ekonomicznych do założeń projektu pojazdu. W oparciu o wnioski z powyższych opracowań założeń konstrukcyjnych nowej jednostki transportowej opracowano model komputerowy jednostki. Na uzyskanym modelu wykonano badania symulacyjne wytypowanych istotnych parametrów konstrukcyjnych. Sprawdzono wytrzymałość konstrukcji oraz oceniono bezpieczeństwo jazdy. Uzyskane wyniki badań posłużyły do weryfikacji nowej jednostki transportowej. Przeprowadzono analizę konkurencyjności nowego transportu kombinowanego wraz z analizą ekonomiczną i środowiskową oraz określono możliwe kierunki dalszych prac. 2

SPIS TREŚCI WPROWADZENIE... 4 1. STAN PRZEWOZÓW TRANSPORTEM INTERMODALNYM W POLSCE... 8 1.1. Ilość i struktura przewozów... 8 1.2. Techniczne parametry infrastruktury... 10 1.3. Perspektywy rozwoju polskiego rynku przewozów kombinowanych... 18 1.4. Wnioski... 19 2. KOLEJOWE ŚRODKI TECHNICZNE W TRANSPORCIE INTERMODALNYM... 20 3. SYSTEM TRANSPORTU KOLEJOWO - DROGOWEGO DLA PRZEWOZÓW STANDARDOWYCH NACZEP SAMOCHODOWYCH..... 35 3.1. Założenia konstrukcyjne... 35 3.2. Konstrukcja... 36 3.3. Statyczne naciski zestawów kołowych... 42 3.4. Analiza zarysu skrajni... 43 3.5. Układ hamulca... 49 3.6. Przebieg załadunku naczep... 53 4. BADANIA SYMULACYJNE MODELU JEDNOSTKI TRANSPORTOWEJ... 56 4.1. Sprawdzenie wytrzymałości konstrukcji... 56 4.2. Ocena bezpieczeństwa ruchu i właściwości dynamicznych... 75 5. OCENA SYSTEMU POD WZGLĘDEM PRZYDATNOŚCI WYKORZYSTANIA... 83 5.1. Wnioski konstrukcyjne po weryfikacji systemu... 83 5.2. Porównanie zaprojektowanej jednostki ze znanymi systemami... 86 5.3. Możliwości rozwoju konstrukcji... 88 6. POTENCJALNE MOŻLIWOŚCI WDROŻENIA TABORU KOMBINOWANEGO KOLEJOWO - DROGOWEGO... 91 6.1. Analiza ekonomiczna... 91 6.1.1. Analiza kosztów przewozów dla przewoźnika... 91 6.1.2. Analiza kosztów dla społeczeństwa... 96 6.2. Analiza środowiskowa... 101 6.2.1. Analiza emisji w przeliczeniu na jednostkę energii... 101 6.2.2. Analiza oddziaływań środowiskowych w ujęciu kosztowym... 108 6.3. Analiza konkurencyjności transportu intermodalnego... 112 6.3.1. Analiza SWOT rozwoju transportu intermodalnego w Polsce... 112 6.3.2. Analiza SWOT realizacji przewozów naczep samochodowych proponowanym systemem transportu kombinowanego... 117 7. PODSUMOWANIE I WNIOSKI KOŃCOWE... 120 LITERATURA... 122 3

WPROWADZENIE Dynamiczny rozwój transportu drogowego w Europie spowodował przeciążenie sieci dróg. Nadmierne przewozy drogowe negatywnie wpływają na środowisko, niszczą drogi, przyczyniają się do wzrostu liczby wypadków. Ponadto w Polsce przy braku dostatecznej liczby autostrad i dróg szybkiego ruchu z obwodnicami miast, wzmożone przewozy drogowe powodują kongestie przekładające się na niewymierne straty ponoszone przez społeczeństwo. Alternatywnym środkiem transportu lądowego działającym mniej destruktywnie na środowisko jest kolej. Możliwości przewozowe kolei sprzed kilku lat świadczą o dużej rezerwie natężenia ruchu [1]. Intencjonalne jest przekierowanie tranzytowego i wewnętrznego transportu samochodowego na sieć kolejową. Zbieżny układ szlaków kolejowych i drogowych przedstawiony na rysunkach 1 i 2 umożliwia zamienne wykorzystanie tych systemów transportowych na całości bądź na części szlaków. Rys. 1. Zaplanowany układ autostrad i dróg ekspresowych [2] 4

Rys. 2. Główne szlaki kolejowe w Polsce [3] Koncepcja transportu kolejowo drogowego zainicjowana została w połowie ubiegłego wieku w Szwajcarii w wyniku działania ruchu społecznego na rzecz ochrony środowiska. Wprowadzenie transportu ciągników samochodowych z naczepami na platformach kolejowych zapoczątkowało powstanie i rozwój kolejnych nowych systemów transportowych zaliczanych do transportu intermodalnego. Pozytywne właściwości ekologiczne i ekonomiczne przyczyniają się do wdrażania systemów intermodalnych w Europie. Położenie geograficzne Polski stwarza dogodne warunki do realizacji międzynarodowych przewozów. Wykorzystując ten fakt, Polska jest największym przewoźnikiem drogowym w Europie operującym na rynku krajowym i międzynarodowym [4, 87]. W kraju występują już przeciążenia natężenia transportu samochodowego W celu równorzędnego udziału w transporcie funkcjonującym w Unii Europejskiej konieczne jest dostosowanie polskiej infrastruktury transportowej do nowoczesnych form usług logistycznych oraz wdrożenie alternatywnego kolejowego systemu transportowego. Sprzężenie tych dwóch środków transportu stanowi jeden z rodzajów transportu intermodalnego transport kombinowany w którym naczepy lub całe pociągi drogowe przewozi się na specjalnych wagonach platformach. Transport drogowy ogranicza się do dojazdu do i z centrum prze- 5

ładunkowego. Główna część transportu odbywa się po torach. Jedną z odmian transportu kombinowanego jest transport bimodalny. W tym transporcie naczepy samochodowe muszą być dostosowane do połączenia z wózkami oraz spełniać konstrukcyjne wymagania kolejowe. W obecnej sytuacji przewoźnicy drogowi nie mają motywacji do skierowania transportu na kolej. Przy wysokich taryfach za korzystanie z infrastruktury kolejowej oraz braku odpowiedniego zaplecza logistycznego niezbędnego do organizacji transportu kombinowanego, wymóg przystosowania naczep do takiego transportu stanowi kolejną barierę wdrożenia systemu. Wobec faktu funkcjonowania na polskim rynku przewozowym około 340 tysięcy naczep samochodowych zasadne jest wdrożenie systemów umożliwiających transport koleją naczep samochodowych w ich obecnym stanie technicznym [87]. Zakładając, że zgodnie z polityką transportową krajów członkowskich Unii Europejskiej sformułowanej w Białej Księdze [5] stworzone zostaną warunki umożliwiające wdrożenie transportu kombinowanego w Polsce, należy przygotować odpowiedni system transportu. Celem pracy jest opracowanie nowatorskiej konstrukcji pojazdu kolejowego umożliwiającej poziomy załadunek i transport standardowych naczep samochodowych. Realizacja pracy wymaga przeprowadzenia następujących zadań badawczych: analizy stanu przewozów intermodalnych w Polsce oraz przeglądu kolejowych środków technicznych wykorzystywanych w tym typie przewozów, określenia parametrów techniczno-ekonomicznych jednostki transportowej i opracowania założeń konstrukcyjnych nowej jednostki, opracowania modelu komputerowego jednostki, przeprowadzenia badań symulacyjnych wytypowanych istotnych parametrów konstrukcyjnych, w szczególności oceny wytrzymałości konstrukcji oraz bezpieczeństwa jazdy, porównania zaprojektowanej jednostki transportowej ze znanymi systemami transportu kombinowanego kolejowo-drogowego, oceny systemu pod względem ekonomicznym i środowiskowym wraz z analizą konkurencyjności realizacji przewozów naczep samochodowych systemem transportu kombinowanego. 6

Przewóz towarów koleją może być łączony z innymi rodzajami transportu. Poniżej przedstawiono definicje możliwych powiązań oraz specjalne terminy występujące w niniejszej pracy [1]. Transport multimodalny (ang. multimodal transport) przewóz towarów przez co naj-mniej dwie różne gałęzie transportu. Transport intermodalny (ang. intermodal transport) przewóz towarów w jednej i tej samej jednostce ładunkowej lub pojeździe, z użyciem różnych gałęzi transportu i bez prze-ładunku samych towarów w zmieniających się gałęziach transportu. Transport kombinowany (ang. combined transport) transport intermodalny, w którym główna część przewozu jest wykonana przez kolej, żeglugę śródlądową lub transport mor-ski, a początkowy i lub końcowy odcinek jest wykonany przez transport drogowy tak krót-ko jak to możliwe. Transport bimodalny (ang. bimodal transport) przewóz naczep drogowych na wózkach kolejowych. Odpowiednio przystosowana naczepa drogowa po zamocowaniu na wózkach kolejowych która pod względem strukturalnym stanowi wagon. Transport bimodalny jest jedną z odmian transportu kombinowanego. Ruchoma droga (ang. rolling road, niem. rollende Landstrasse) przewóz całkowitych pojazdów drogowych, przy zastosowaniu technik roll-on i roll-off, pociągami składającymi się z wagonów o obniżonej podłodze. Roll-on-Roll-off Ro-Ro załadunek i wyładunek pojazdu drogowego, wagonu kolejowego lub ITU na i ze statku na ich własnych kołach lub kołach doczepionych w tym celu. Wagon kieszeniowy (ang. pocket wagon) wagon kolejowy z kieszeniami do umieszczenia kół jezdnych naczepy. Naczepa bimodalna (ang. rail road semi trailer) naczepa drogowa zdolna do przekształcenia w wagon kolejowy przez dodanie wózków kolejowych. Intermodalna jednostka ładunkowa ITU (ang. intermodal transport unit) kontenery, nadwozia wymienne i naczepy właściwe dla transportu intermodalnego. 7

1. STAN PRZEWOZÓW TRANSPORTEM INTERMODALNYM W POLSCE 1.1. Ilość i struktura przewozów W polskim transporcie kolejowym dominują przede wszystkim przewozy towarów masowych, głównie surowców. Na rysunku 1.1 zaprezentowano kolejowe przewozy towarowe według przetransportowanej masy towarów w ostatnich dziesięciu latach [19]. Omawiany okres charakteryzuje się trendem spadkowym przewozów. W 2013 roku odnotowano niewielki przyrost, jednak dane za kolejne lata potwierdziły spadkowy trend. Rys. 1.1. Kolejowe przewozy towarowe [Opracowanie własne na podstawie 19] Na tym tle lepiej prezentuje się tendencja wzrostu przewozów intermodalnych. Na rysunku 1.2 przedstawiono przetransportowaną masę towarów kolejowym transportem intermodalnym w Polsce w latach 2004-2016. W okresie tym charakteryzującym się trendem wzrostowym, jedynie w 2009 roku zanotowano spadek przewozów. W 2016 roku przetransportowano ponad 12,8 miliona ton ładunków. Rys. 1.2. Kolejowe przewozy intermodalne [Opracowanie własne na podstawie 19] 8

W odniesieniu do 2015 roku nastąpił ponad 23% wzrost przetransportowanej masy w przewozach intermodalnych. W odniesieniu do całkowitej masy przetransportowanej koleją, udział transportu intermodalnego wzrastał od 0,8% w 2004 roku do 5,8% w 2016 roku (rys. 1.3). Taka wartość świadczy o dużej dysproporcji pomiędzy Polską a krajami Unii Europejskiej, w której średnia udziału przekracza wartość 10%, a w przodujących krajach jest bliska wytycznych Białej księgi tj. 30%. Rys. 1.3. Udział przewozów intermodalnych w całkowitej masie przewozów [Opracowanie własne na podstawie 19] Na rysunku 1.4 pokazano wielkość przewozów intermodalnych według przeliczeniowych jednostek TEU. Przy średniej dynamice wzrostu za ostatnie lata wynoszącej przeszło 18% rocznie, w 2016 roku przewoźnicy uzyskali najlepszy dotychczasowy wynik kolejowych przewozów intermodalnych transportując ponad 1,4 miliona TEU. Realizacja przewozów intermodalnych nastąpiła przy udziale czternastu z ponad sześćdziesięciu licencjonowanych przewoźników działających na polskim rynku [19]. Rys. 1.4. Kolejowe przewozy intermodalne wyrażone w jednostkach TEU [Opracowanie własne na podstawie 19] 9

Kolejowy transport intermodalny w Polsce opiera się na przewozie kontenerów. W 2012 roku stanowiły one 98,57% ogólnej liczby jednostek. Przewozy wymiennych nadwozi samochodowych, naczep, przyczep i samochodów ciężarowych stanowiły zaledwie 1,43% [19]. A zatem, pomimo poprawiających się wskaźników dynamiki rozwoju transportu intermodalnego, typowy transport kombinowany kolejowo drogowy nadal stanowił jedynie margines przewozów. Kamieniem milowym było uruchomienie w połowie 2012 roku przewozów intermodalnych pomiędzy Rotterdamem a Poznaniem [21]. Serwis obsługiwany przez terminal CLIP w Swarzędzu obejmuje różne typy intermodalnego transportu towarowego, w którym 35% stanowią naczepy. W pierwszych dwóch latach przeprowadzono ponad 800 pociągów. Ruch stale rośnie, umożliwiając zwiększenie liczby usług z początkowych trzech par pociągów tygodniowo do sześciu. W okresie od stycznia 2013 do marca 2014 roku na trasie ze Swarzędza do Rotterdamu przewieziono 5600 naczep (łącznie pociągi obsługujące trasy w kierunku wschodnim jak i zachodnim). Obecnie średnia miesięczna wynosi około 370 sztuk. Transportowane naczepy muszą być przystosowane do pionowego przeładunku, ponieważ transport realizowany jest prostymi wagonami kieszeniowymi. W niedalekiej przyszłości planowane jest przedłużenie linii do Łodzi. Przewozy te realizowane są dzięki środkom finansowym uzyskanym w ramach projektu unijnego Marco Polo II. 1.2. Techniczne parametry infrastruktury Istotnym technicznym parametrem linii kolejowych decydującym o eksploatacji pojazdów transportu kombinowanego jest zarys skrajni [42]. Istniejąca infrastruktura sieci kolejowej PKP budowana była według norm krajowych [44], które zasadniczo zgodne były z metodyką międzynarodową przedstawioną w kartach UIC 505-1 [61], UIC 505-4 [62] oraz UIC 505-5 [63]. W wyniku wdrażania do eksploatacji nowych wagonów towarowych do przewozu ładunków wielkogabarytowych podjęto prace nad opracowaniem nowych skrajni budowli [21],[49]. Nowe, obecnie obowiązujące wymagania formalnie wprowadzono 1 stycznia 2015 roku kiedy to weszły w życie nowe Techniczne Specyfikacje Interoperacyjności Infrastruktura [70] obejmując całą sieć kolejową Unii Europejskiej bazujące na wcześniej opracowanej grupie norm PN-EN 15273-2 [42]. 10

Podstawowym dla górnej części skrajni ładunku jest zarys G1 o połowie szerokości 1620 mm poniżej wysokości 1170 mm ponad główkę szyny oraz 1645 mm powyżej tej wysokości. Obrysy GA, GB, GB1 i GC różnią się od niego ukształtowaniem i wysokością górnego obrysu. W zależności od rozwiązania systemu transportu kombinowanego i transportowanych jednostek ładunkowych, wymagane są powiększone skrajnie: GC stosowana na nowych liniach lub co najmniej GB1 zalecana do wprowadzenia podczas modernizacji linii. Dla dolnych części skrajni podstawowym jest obrys GI2. Na liniach przeznaczonych do transportu intermodalnego na wagonach niskopodłogowych stosuje się zarys GI3. Obecnie, między innymi z powodu przekroczeń skrajni ładunku na niezmodernizowanych szlakach, zorganizowanie przejazdu kombinowanego na większości tras polskiej sieci podlega procedurom przejazdu specjalnego, co skutkuje dodatkowymi pracami przy uruchomieniu przejazdu i podwyższonymi jego kosztami. Drugim ważnym parametrem jest dopuszczalna prędkość pojazdów. W większości przypadków tabor towarowy przystosowany jest do maksymalnej prędkości 120 km/h i teoretycznie umożliwia uzyskanie średnich prędkości realizowanych przewozów na poziomie umożliwiającym rywalizację z transportem drogowym. Czynnikiem istotnie wpływającym na poziom średniej prędkość handlowej transportu kolejowego jest stan torów. Według stanu na koniec 2015 roku, PKP PLK zarządzały liniami kolejowymi o długości 18 510 km i o długości torów 36 218 km [60]. Z tego 54,5% oceniono jako dobre, czyli eksploatowane zgodnie z założonymi parametrami podlegające wyłącznie zabiegom konserwacyjnym. W porównaniu ze stanem na dzień 31 grudnia 2012 roku uzyskano 11,5 punktu procentowego wzrostu, ocenę dobrą uzyskało wówczas 43% torów. Jako dostateczne, czyli posiadające lokalne ograniczenia prędkości i wymagające napraw bieżących oraz wymiany uszkodzonych elementów, oceniono 18% torów. Pozostałe 27% stanowiły tory w stanie niezadawalającym ze znacznie obniżonymi parametrami eksploatacyjnymi, zakwalifikowane do kompleksowej wymiany nawierzchni. Powyższe udziały przedstawiono na rysunku 1.5. Poprawa stanu technicznego torów umożliwiła podwyższenie maksymalnej prędkości rozkładowej. Dla prędkości 120 km/h i wyższej dostosowano 32,3% długości torów. Łącząc z przedziałem prędkości 80-120 km/h istotnym dla przewozów towarowych otrzymujemy ponad 66% torów umożliwiających szybki ruch towarowy (rys. 1.6). 11

Rys. 1.5. Ocena stanu technicznego infrastruktury PKP PLK [60] Rys. 1.6. Procentowa struktura maksymalnych prędkości rozkładowych w 2015/2016 roku [60] Mimo poprawy stanu infrastruktury średnia prędkość handlowa kolejowych przewozów towarowych nadal jest niska. W Polsce prędkość ta nie przekracza 26 km/h, co stanowi połowę średniej prędkości w krajach Unii Europejskiej. Opisany wcześniej transport naczep pomiędzy Rotterdamem i Swarzędzem na trasie o długości 1000 km trwa dwadzieścia dwie godziny. Daje to wysoką średnią 45 km/h, przy czym polski odcinek przejazdu odbywa się po zmodernizowanej linii. 12

Pozytywnym aspektem są prowadzone prace modernizacyjne, które mają na celu podwyższenie parametrów eksploatacyjnych sieci linii kolejowych. Obecnie spółka PKP PLK, będąca właścicielem infrastruktury liniowej, przy współudziale środków Unii Europejskiej, realizuje zadania inwestycyjne, które przyczynią się do poprawy stanu technicznego infrastruktury. Celem działalności inwestycyjnej jest zintegrowanie polskiego transportu kolejowego z systemem Unii Europejskiej w aspekcie wymaganych standardów technicznych jak i interoperacyjności linii kolejowych. Linie objęte umowami międzynarodowymi są sukcesywnie modernizowane dla osiągnięcia docelowych standardów i zapewnienia interoperacyjności sieci kolejowej Polski w europejskim systemie kolejowym. Kluczowe znaczenie mają linie kolejowe objęte umową AGC (Umowa europejska o głównych międzynarodowych liniach kolejowych) i umową AGTC (Umowa europejska o głównych międzynarodowych liniach kolejowych transportu kombinowanego i obiektach towarzyszących). W umowie AGC wyznaczona została, wg kryterium EKG-ONZ, sieć linii kolejowych znaczenia międzynarodowego. Przebieg linii w Polsce pokazano na rysunku 1.7. Rys. 1.7. Przebieg linii kolejowych objętych umową AGC i AGTC [57] 13

Długość linii kolejowych układu AGC w Polsce wynosi 2 972 km. Linie tworzące ten układ powinny być dostosowane do prędkości 160 km/h w ruchu pasażerskim i 120 km/h w ruchu towarowym, przy nacisku osi 225 kn. Umowa AGTC określiła, wg kryteriów EKG-ONZ, sieć linii kolejowych dla międzynarodowych przewozów kontenerowych transportem kolejowym oraz terminale kontenerowe, położone na sieci kolejowej. Długość linii kolejowych układu AGTC w Polsce wynosi 4 278 km. Umowa ta jest uzgodnionym planem rozwoju i funkcjonowania linii międzynarodowego transportu kombinowanego i obiektów towarzyszących, który powinien być realizowany w ramach programów narodowych. Docelowo system kluczowych linii kolejowych w Polsce będzie umożliwiał przejazdy pociągów towarowych z prędkością 120km/h. Kolejnym składnikiem infrastruktury decydującym o funkcjonowaniu transportu kombinowanego są terminale przeładunkowe. Wśród terminali przeładunkowych specjalnego znaczenia z punktu widzenia priorytetów UE nabierają te zlokalizowane w klasycznych centrach logistycznych, będących dogodnymi miejscami do kompleksowej obsługi użytkowników systemu transportowego. W polskich realiach intermodalność zachodzi w relacjach pomiędzy transportem morskim a transportem kolejowym i drogowym dokonywanym w portach morskich oraz pomiędzy transportem drogowym i kolejowym. Dla tych ostatnich integracyjnymi węzłami są drogowo-kolejowe terminale przeładunkowe, które w Polsce nie są przygotowane do szybko wzrastających przewozów intermodalnych. Część funkcjonujących terminali są to terminale przestarzałe, z bocznicami kolejowymi o długości nie przekraczającej 350 m, przy wymaganej dwukrotnie większej długości dla zapewnienia obsługi pełnowymiarowych pociągów towarowych. Potrzebne są inwestycje w terminale wyposażone w nowoczesne urządzenia przeładunkowe oraz nowe środki transportu. Niedostosowana infrastruktura i brak nowoczesnego sprzętu powodują, że transport intermodalny na terytorium Polski jest znacznie mniej konkurencyjny niż w innych państwach. Przeprowadzone analizy odnoszące się do kierunków i natężeń przepływu ładunków w Polsce wskazują, że istniejąca obecnie sieć terminali transportu intermodalnego nie jest wystarczająca. Objęcie transportem intermodalnym całego terytorium Polski wymagałoby pełnego uruchomienia co najmniej około 30 terminali oraz dodatkowo 6-8 centrów logistycznych [55]. Łączna liczba powinna wynieść około 40 punktów. Wprawdzie w Polsce funkcjonuje już blisko 40 terminali intermodalnych, ale pomimo stosunkowo dużej liczby 14

terminali ich rozmieszczenie jest nierównomierne, a w nich potencjał przeładunkowy jest niski i docelowo obsługują wyłącznie przesyłki operatorów terminali. Istniejące terminale koncentrują się wokół takich aglomeracji jak Poznań, Warszawa, Trójmiasto oraz Śląsk. Brakuje natomiast niezbędnej infrastruktury np. we wschodniej części Polski. Tworzenie dużej liczby niezależnych terminali wokół wymienionych aglomeracji jest skutkiem tego, że w związku z brakiem dużych ogólnodostępnych centrów logistycznych, decyzje o lokalizacji terminali podejmowali sami spedytorzy lub przewoźnicy. Istniejące terminale są efektem decyzji poszczególnych operatorów logistycznych (często jako pochodne decyzji inwestorów strategicznych działających w skali globalnej), a nie wynikiem przemyślanej polityki rządu (centralnej). Konsekwencją tego jest również to, że duża część terminali obsługuje wyłącznie przesyłki, dla których organizatorem transportu jest zarządca terminalu bądź przedsiębiorstwa należące do tej samej grupy kapitałowej. Kluczowe jest zatem zwiększenie liczby intermodalnych centrów logistycznych ogólnego dostępu. Obecnie w Polsce działa pięć terminali ogólnodostępnych, a w Niemczech jest ich 180, w tym dużych 80. Brak kontenerowych terminali przeładunkowych hamuje kolejowe przewozy intermodalne. W Polsce brakuje choćby jednego obiektu podobnego do Werony czy Gratzu, gdzie oprócz podstawowej obsługi przeładunkowej oferowany jest cały pakiet usług dodatkowych [55]. Terminale często powstawały jako tymczasowe z chwilą pojawienia się klienta i dysponują tylko placami przeładunkowymi i mobilnymi urządzeniami przeładunkowymi kontenerów, a nie stałym wyposażeniem (stacjonarne urządzenia np. suwnice, bocznice kolejowe o długości 600-750m). Większość terminali to w rzeczywistości kolejowe terminale kontenerowe, a nie lądowe terminale intermodalne. Charakterystycznymi cechami małych terminali kontenerowych są [56]: - zły stan nawierzchni płyty terminali powodujący szybkie zużycie i uszkodzenia samojezdnych urządzeń przeładunkowych, - niewłaściwy profil powierzchni placów składowych uniemożliwiający wysokie piętrzenie kontenerów (zły profil przy silnych podmuchach wiatru powoduje spadanie ostatnich warstw), - małe powierzchnie placów składowych powodujące ich zapełnienie ponad technologiczne normy, co z kolei utrudnia dotarcie do potrzebnej jednostki ładunkowej, - brak nowoczesnego sprzętu ładunkowego, 15

- terminale w większości nie spełniają wymogów umowy AGTC co do długości torów(tylko 4 terminale mają tory o długości powyżej 700m, a łącznie 15 o długości min 600m), czasu obsługi (przy dzieleniu składów odwóz i dowóz wagonów oraz oczekiwanie na czynności celne), połączeń z siecią drogową (co najmniej drogi szybkiego ruchu), - brak torów wyładunkowych o długości co najmniej 600m, co powoduje konieczność dzielenia składów i wykonywania dodatkowej pracy manewrowej co wydłuża obsługę, - terminale generują wysokie koszty eksploatacji, co przekłada się na wysoką cenę usług przy relatywnie niskiej jakości. Trzeba jednocześnie zaznaczyć, że w ostatnich latach nastąpiła wyraźna poprawa w tym zakresie. Dzięki dofinansowaniu unijnemu, głównie przez Centrum Unijnych Projektów Transportowych z Programu Operacyjnego Infrastruktura i Środowisko powstają nowoczesne ogólnodostępne terminale intermodalne o charakterze centrów logistycznych takie jak Europort Sławków, Euroterminal Małaszewicze. Modernizacji podlegają także istniejące terminale np. terminale morskie w Gdyni, Gdańsku i Szczecinie, terminal w Świnoujściu, terminal w Kątach wrocławskich czy PKP Cargo Terminal Warszawa. Pozytywnym aspektem jest również to, że większość polskich terminali zlokalizowana jest na liniach objętych umową europejską o ważnych międzynarodowych liniach transportu kombinowanego i obiektach towarzyszących. Należy przypuszczać, że nowe terminale nadal będą w Polsce powstawały, aby zapewnić obsługę rosnących potoków ładunków i spełnić wymagania zrównoważonej polityki transportowej, ale również dlatego, że rozwój infrastruktury intermodalnej przyczynia się do [56]: - wzrostu konkurencyjności logistycznego systemu regionu i kraju, - poprawy wizerunku regionu sprzyjającego proekologicznym formom transportu, wzrostu zatrudnienia, - lepszej obsługi potoków ładunków przepływających przez region. Terminale przystosowane do przeładunku kontenerów w zakresie transportu kombinowanego mogą być wykorzystane tylko w przypadku systemów wykorzystujących standardo- 16

wy załadunek pionowy lub systemów z załadunkiem poziomym, które mogą samodzielnie dostosować się do powierzchni terminala. Podstawowe wymogi (w tym techniczne) dotyczące terminali intermodalnych zostały ujęte w umowie AGTC. Określa ona linie, terminale, punkty graniczne, porty mające istotne znaczenie dla przewozów kombinowanych. Umowa precyzuje także minimalne wymogi dotyczące parametrów eksploatacyjnych pociągów i infrastruktury (terminali, stacji pośrednich, stacji wymiany grup wagonów, punktów granicznych oraz stacji zmiany zestawów kołowych). Wymogi dotyczące terminali [55]: Okres pomiędzy końcowym terminem przyjęcia ładunków a odjazdem pociągów, jak również między przyjazdem pociągów a gotowością wagonów do wyładunku jednostek ładunkowych nie powinien przekraczać 1 godziny, o ile wymagania użytkowników odnośnie końcowego terminu przyjęcia lub oddania ładunków nie mogą być spełnione w inny sposób. Postój środków transportu drogowego, zapewniający dostawę lub odbiór jednostek intermodalnych, powinien być możliwie krótki (maksimum 20 minut). Długość torów przeładunkowych powinna umożliwiać wjazd pociągów z pełnym składem wagonów tj. o długości 600m. Docelowo przewiduje się, że optymalna długość całego składu powinna wynieść 750m. W przypadku realizacji przeładunków wagonów grupami (a nie całych pociągów) czas pracy dla realizacji tych operacji nie powinien być dłuższy niż 30 minut. Lokalizacja powinna zapewniać łatwy dostęp z ośrodków gospodarczych, w ramach sieci kolejowej miał dobrą łączność dalekobieżnymi liniami kolejowymi, a w przypadku przewozów grup wagonowych miał dobre połączenie z szybkimi pociągami towarowymi, wykorzystywanymi w transporcie kombinowanym. Podstawowe kryteria, których spełnienie warunkuje możliwość sprawnej obsługi pociągów intermodalnych to: tory o minimalnej długości 600 m, dostęp do infrastruktury drogowej w postaci drogi ekspresowej lub autostrady lub do infrastruktury innych gałęzi transportu np. dróg wodnych śródlądowych czy portów morskich. 17

Jak dotychczas w Polsce nie funkcjonuje żaden specjalistyczny terminal przystosowany do środków transportu kombinowanego, które współdziałają z aktywnymi urządzeniami zabudowanymi w torach i peronach. Pierwszym planowanym do budowy w Polsce jest automatyczny terminal do załadunku poziomego spółki CargoBeamer AG [16]. Planowana lokalizacja terminalu w Legnicy w pobliżu autostrady A4 nie została jeszcze potwierdzona. Spółka PKP PLK, wykorzystując środki funduszy Unii Europejskiej, realizuje zadania inwestycyjne wynikające z zawartych umów o ważnych międzynarodowych liniach transportu kombinowanego i obiektach towarzyszących. Celem jest poprawa stanu technicznego infrastruktury do poziomu umożliwiającego zintegrowanie z systemem Unii Europejskiej. 1.3. Perspektywy rozwoju polskiego rynku przewozów kombinowanych Usytuowanie Polski na trasie międzynarodowego ruchu tranzytowego wschód zachód Europy, zapewne będzie skutkowało wdrożeniem najbardziej rozwiniętych i sprawdzonych już w eksploatacji w Europie zachodniej systemów transportu kombinowanego. Obecnie najbardziej dojrzałym technicznie systemem jest CargoBeamer, który umożliwia realizację przewozów z udziałem skomputeryzowanych systemów logistycznych. Drugim systemem o podobnych właściwościach jest również testowany przez przewoźników Modalohr. Niezależnie od wybranego przez przewoźników systemu, w Polsce na linii wschód zachód powstaną jedynie dwa lub trzy główne terminale przeładunkowe. Na rysunku 1.8 przedstawiono układ tras i terminali w zakrojonym na szeroką skalę pilotażowym projekcie Efficient Semi-Trailer Transport on Rail Baltica (w skrócie ESTRaB), w którym zdecydowano się wprowadzić i wypróbować system CargoBeamer. Rys. 1.8. Pilotażowy układ transportu ESTRaB [16] 18

1.4. Wnioski Zaistnieje możliwość a nawet potrzeba uzupełnienia wdrożonych systemów obsługujących główny ruch tranzytowy wyłącznie za pomocą dedykowanych wagonów na zautomatyzowanych terminalach. Technologia uzupełniającego transportu powinna opierać się na prostych oraz niedrogich rozwiązaniach, nie wymagających częstej i kosztownej obsługi. System powinien być pozbawiony drogich urządzeń zabudowanych na wagonach lub terminalach. Właściwości pojazdów winny umożliwić transport naczep do każdej stacji kolejowej i ich rozładunek na utwardzonej nawierzchni bocznicy bez udziału urządzeń dźwigowych. Pomijając ograniczenia wynikające z gęstości sieci kolejowej, pojazdy powinny konkurować z mobilnością transportu samochodowego. Konkluzja: Po wdrożeniu wysoko zaawansowanych systemów transportu kombinowanego obsługujących główny ruch europejski pojawi się luka transportowa dla realizacji usług transportowych na drugorzędnych kierunkach. 19

2. KOLEJOWE ŚRODKI TECHNICZNE W TRANSPORCIE INTERMODALNYM Istotą transportu intermodalnego jest transport towarów w jednostkach ładunkowych zapewniających trwałość kształtu, wymiarów i zawartości ładunku od miejsca ich zestawienia poprzez łańcuch transportowy aż do chwili rozformowania. W zależności od sposobu zestawienia ładunków w jedną całość wyróżnia się następujące rodzaje jednostek ładunkowych: jednostki paletowe; formowanie ładunków na znormalizowanych paletach [6A], jednostki pakietowe; formowanie ładunków bez użycia palet przez zastosowanie różnych środków wiążących ładunek, jednostki kontenerowe; formowane przy użyciu kontenerów [6]. Jednostki ładunkowe transportowane są w zintegrowanych jednostkach ładunkowych [7] które w transporcie intermodalnym stanowią: kontenery; urządzenia transportowe trwałe, o konstrukcji gwarantującej wielokrotne użycie, których budowa umożliwia przewóz jednym lub wieloma środkami transportu nadwozia wymienne; zdejmowane nadwozia ciężarowego pojazdu drogowego przeznaczone do kombinowanego kolejowo-drogowego przewozu towarów, wyposażone w specjalne podpory, nie przystosowane do piętrzenia, naczepy siodłowe; nadwozia transportowe posiadające drogowy układ jezdny oraz urządzenie umożliwiające sprzężenie z ciągnikiem siodłowym. Kontenery i nadwozia wymienne podobne są do siebie pod względem właściwości i stanowią najpopularniejsze w transporcie jednostki zintegrowane. Odmienne konstrukcyjnie i funkcjonalnie naczepy samochodowe najrzadziej występują w transporcie intermodalnym. W transporcie kombinowanym, przewóz naczep koleją można klasyfikować konstrukcyjnie na dwie grupy: transport standardowych naczep na specjalnych wagonach, transport przystosowanych naczep w systemach bimodalnych. Przystosowanie naczep do transportu bimodalnego polega wyposażeniu ich w układy wsporników służących do łączenia z kolejowymi układami jezdnymi oraz na wzmocnieniu ich konstrukcji do stanu umożliwiającego przeniesienie sił występujących w transporcie kolejowym. 20

Istotnym kryterium decydującym o zastosowaniu kolejowego systemu transportu naczep jest kierunek załadunku. Znane systemy umożliwiają jeden z następujących sposobów załadunku: pionowy, poziomy od czoła pojazdu, poziomy z boku pojazdu. Wprowadzenie do transportu zintegrowanych jednostek ładunkowych spowodowało przystosowanie istniejących oraz powstanie specjalistycznych pojazdów kolejowych. Najliczniejsze i najpopularniejsze w transporcie kolejowym są wagony umożliwiające przewóz kontenerów i nadwozi wymiennych. Najmniej jest wdrożonych i eksploatowanych pojazdów i systemów umożliwiających kolejowy transport kompletnych pojazdów drogowych lub samych naczep samochodowych. Jest to następstwem trudności konstrukcyjnych, jak również wynikiem istotnych, poza technicznych, uwarunkowań dotyczących przewozów drogowych i kolejowych. Ujednolicone wymagania i zalety konstrukcyjne kontenerów i pojemników wymiennych umożliwiły szybkie ich wprowadzenie do różnych gałęzi transportu. W transporcie kolejowym wykorzystano istniejące konstrukcje konwencjonalnych wagonów-platform wyposażając je w trzpienie kontenerowe. Możliwość wysuwania trzpieni w różnych kombinacjach przewożonych kontenerów, bądź ich całkowite schowanie zwiększyło uniwersalność platform. Zaprojektowane na początku lat 70-tych konstrukcje są nadal eksploatowane. Platformy kolejowe były też wykorzystywane w transporcie kombinowanym. W 1994 roku podjęto próbę wdrożenia transportu samochodów ciężarowych takimi wagonami na Linii Hutniczo Siarkowej. Ponownie uruchomiony w 2005 roku transport naczep wraz z ciągnikami z Ukrainy do Sławkowa, odbywał się również na standardowych platformach. Rys. 2.1. Transport 15 samochodów TIR linią LHS [61] 21

W celu obniżenia kosztów transportu, nowe konstrukcje projektowane są jako wagony specjalne charakteryzujące się małą masą własną i obniżonym poziomem powierzchni ładunkowej. Obniżenie masy wagonów uzyskuje się poprzez stosowanie materiałów konstrukcyjnych o zwiększonej wytrzymałości i optymalizację konstrukcji. Obniżenie współczynnika masy własnej wagonu do masy ładunku osiąga się też przez łączenie dwóch jednostek wspólnym wózkiem uzyskując w ten sposób sześcioosiowe przegubowe wagony. Posiadają one zdolności przewozowe dwóch klasycznych wagonów przy masie własnej jednostki mniejszej o masę jednego wózka oraz kompletu sprzęgów i zderzaków. Przykład wagonu przegubowego do transportu kontenerów 20, 30, 40 i 45 stopowych pokazano na rysunku 2.2. Rys. 2.2. 6-osiowy przegubowy wagon platforma 90 typu 627Za serii Sggmrss-K do przewozu kontenerów [8] Kolejnym rozwiązaniem również obniżającym koszty transportu kolejowego są wagony służące do tworzenia składów z jednostek krótko-sprzęgniętych. Do łączenia wagonów środkowych jednostek stosuje się krótkie sprzęgi śrubowe bez klasycznych haków oraz diagonalne pojedyncze zderzaki nisko zabudowane. Wagony te mają obniżoną powierzchnię ładunkową, mniejszą masę własną a skrócona długość sprzęgnięcia umożliwia zwiększenie liczby wagonów w składach. Wagony skrajne mają z jednej strony zabudowane klasyczne urządzenia sprzęgowo-zderzne do łączenia z lokomotywą i innymi standardowymi wagonami. Rozwiązania takie stosuje się w transporcie kontenerów oraz naczep samochodowych. Na rysunku 2.3 przedstawiono koncepcję zestawu lekkich platform do transportu kontenerów w składach wagonów krótkosprzęgniętych. 22

a) b) Rys. 2.3. Zestaw kontenerowy do tworzenia jednostek krótkosprzęgniętych a) wagon skrajny, b) wagon wewnętrzny [9] Proces przewozu naczep samochodowych na środkach transportu kombinowanego jest utrudniony między innymi przez parametry konstrukcyjne naczep. Wyposażone są we własny tylny układ jezdny drogowy, który przyczynia się do kolizji ze skrajnią pojazdów kolejowych. Dlatego transport naczep postawionych na typowych platformach kolejowych jest utrudniony bądź też niemożliwy na wybranych szlakach, z powodu przekroczenia skrajni w jej górnym zarysie. 23

Jednym z pierwszych środków transportu naczep był system ruchoma droga (Rollende Landstrasse)[10]. System stanowi pociąg zestawiony z krótko sprzęgniętych niskopodłogowych wagonów tworzących przejezdną powierzchnię ładunkową. Pierwszy i ostatni wagon wyposażony jest w czołownice odchylne posiadające standardowe urządzenia pociągowo zderzne umożliwiające połączenie z lokomotywą i normalnymi wagonami. Załadunek odbywa się na płaskim terminalu po otwarciu czołownicy i dostawieniu rampy najazdowej na końcu składu. Ciągniki z naczepami wjeżdżają od końca składu i ustawiają się kolejno na wagonach od czoła pociągu. Rozładunek następuje w tej samej kolejności poprzez rampę dostawioną do pierwszego wagonu. Możliwy jest również transport naczep bez ciągników siodłowych. Załadunek odbywa się pionowo dźwigiem lub poziomo przy pomocy specjalnego ciągnika a naczepa podczas transportu opiera się na belce postawionej na burtach wagonu. Niską powierzchnię ładunkową uzyskano dzięki zastosowaniu kół o małej średnicy. Rozwiązanie to wymusiło złożoną konstrukcję układów jezdnych. Niestety wieloosiowe wózki są drogie w eksploatacji z tytułu nadmiernych zużyć zestawów kołowych. Wymagają też ograniczenia prędkości z powodu obniżonego bezpieczeństwa przed wykolejeniem. Pomimo swych wad system funkcjonuje nadal w tranzycie pojazdów samochodowych w Szwajcarii, Austrii i Niemczech. Pojedynczy wagon systemu ruchoma droga wyposażony z dwóch stron w czołownice odchylne przedstawiony jest na rysunku 2.4. Rys. 2.4. Wagon niskopodłogowy konstrukcji IPS TABOR [8] 24

Do transportu naczep przystosowanych do pionowego załadunku według karty UIC 596-5 [62], zaprojektowano wagony kieszeniowe. Wagony wykonane według wymagań zawartych w kartach UIC 571-4 [63] służą do transportu naczep drogowych dwu lub trzy osiowych. Na burtach wagonów zamocowane są dodatkowo trzpienie kontenerowe umożliwiające przewóz kontenerów i niektórych typów nadwozi wymiennych. Pomimo uniwersalności, wagony nie zostały wdrożone do eksploatacji w dużych ilościach, ponieważ zdecydowana większość dotychczas produkowanych naczep nie została przystosowana do przeładunku pionowego. Na rysunku 2.5. przedstawiono wagon kieszeniowy zaprojektowany w IPS TABOR w Poznaniu przystosowany również do przewozu kontenerów i nadwozi wymiennych. Rys. 2.5. Wagon kieszeniowy [9] Na bazie wagonów kieszeniowych powstały wagony koszowe. Nazwa ich pochodzi od odejmowalnej od wagonu środkowej części ładunkowej przystosowanej do pionowego przeładunku. Załadunek naczepy odbywa się poziomo przez najazd naczepą do wystawionego poza wagon kosza, a następnie pionowo do wagonu wraz z koszem. Pomimo wyeliminowania wady wagonów kieszeniowych, system ten również nie został powszechnie zastosowany. Na rysunku 2.6 przedstawiono konstrukcję wagonu koszowego. Rys. 2.6. Wagon koszowy [11] 25

Do załadunku pionowego wagonów kieszeniowych naczepami standardowymi powstał prosty i tani system ISU. System przedstawiony na rysunku 2.7 wykorzystuje wagony kieszeniowe doposażone w belki - uchwyty kołowe i belkę wspierającą czop naczepy. Stanowią one wraz z ramą pośrednią i sześcioma zawiesiami nosidło umożliwiające transport naczep standardowymi urządzeniami dźwigowymi na terminalach przeładunkowych. Do przeprowadzenia podwieszenia naczepy służy specjalne stanowisko najazdowe pokazane na rysunku 2.8. Wagon wyposażony w belki transportowe przedstawiony na rysunku 2.9. System ISU wdrożony został w 2009 roku przez Rail Cargo Austria do transportu naczep tureckich przewoźników. Obecnie wykorzystywany jest przez Rail Cargo Group do transportu naczep z Triestu do Wels, przybywających drogą morską z Turcji [72]. Rys. 2.7. Standardowa naczepa w trakcie załadunku pionowego na wagon kieszeniowy [72] Rys. 2.8. Stanowisko montażowe umożliwiające najazd naczepy na belki [72] 26

Rys. 2.9. Wagon wyposażony w belki transportowe [72] Kolejnym wariantem wagonów kieszeniowo koszowych jest system modalohr [12]. Jest to trzyczęściowy wagon złożony z dwóch modułów wózkowych oraz części środkowej w kształcie zagłębionej platformy. Zagłębiona platforma jest rozłącznie powiązana z modułami wózkowymi. Na terminalu przeładunkowym wyposażonym w odpowiednią infrastrukturę pomocniczą, następuje rozłączenie części środkowej od modułów wózkowych oraz obrót umożliwiający wprowadzenie do niej naczepy lub ciągników. Załadunek naczepy na wagon przedstawiono na rysunku 2.10. Rys. 2.10. Wagon systemu modalohr w trakcie przeładunku [12] Po załadowaniu, część środkowa wagonu powraca do pierwotnego położenia i zostaje zaryglowana na modułach wózkowych. Załadunek może odbywać się jednocześnie na każdym obrotowym stanowisku terminala. System modalohr umożliwia poziomy załadunek i transport naczep dowolnego typu oraz ciągników siodłowych, ale tylko na specjalnie wyposażonych terminalach. Terminal systemu modalohr przedstawiono na rysunku 2.11. 27

Rys. 2.11. Terminal systemu modalohr [12] W pełni automatycznym wagonem do transportu naczep wraz z ciągnikami, nie wymagającym specjalistycznego terminala jest Flexiwaggon. Konstrukcja wagonu umożliwia samodzielne wysunięcie przestrzeni ładunkowej w lewo lub w prawo w obydwóch kierunkach. Załadunek i rozładunek może odbywać się z utwardzonej nawierzchni z boku toru przez najazd ciągnika z naczepą. Te zalety predysponują wykorzystanie systemu w pociągach ratowniczych oraz w transporcie drogowych pojazdów wojskowych. Maksymalna prędkość wynosząca 160 km/h oraz możliwość transportu naczep wraz z ciągnikami, samochodów ciężarowych z przyczepami lub też kontenerów świadczą o wysokiej mobilności i uniwersalności systemu. Złożona budowa wagonu, mechanizmów wysuwu, składanych ramp najazdowych i ich napędów skutkuje niekorzystną dużą masą własną oraz wysokimi kosztami wagonu. Flexiwaggony pokazano na rysunku 2.12. Rys. 2.12. Flexiwaggon w pełni automatyczny wagon [13] 28

Podobnym systemem, ale mniej skomplikowanym konstrukcyjnie jest Megaswing. System zbudowany jest z dwu członów opartych na dwóch skrajnych wózkach i jednym środkowym, wspólnym dla obu członów. Wózki standardowej konstrukcji umożliwiają transport w stanie ładownym z prędkością 120 km/h. Człony tego systemu posiadają wychylne na boki i opuszczane do poziomu rampy części ładunkowe. Wagon posiada własny napęd hydrauliczny mechanizmów platformy ładunkowej. Załadunek odbywa się przez najazd tyłem naczepy z utwardzonego pobocza lub rampy z poziomu główki szyny. Po odłączeniu ciągnika część ładunkowa z naczepą przemieszcza się do pozycji transportowej. Wagonami można transportować naczepy bez ciągników lub krótsze samochody ciężarowe. Pojazdy systemu Megaswing są drogie, ale umożliwiają obsługę rozproszonych klientów na standardowych stacjach przeładunkowych. Wagon z wysuniętą załadowaną rampą pokazano na rysunku 2.13. Rys. 2.13. Megaswing [14] Zbliżonym funkcjonalnie do systemu Megaswing jest zaprojektowany w Wojskowej Akademii Technicznej trzyczęściowy wagon z obrotową platformą ładunkową. Obrót następuje na węźle obrotowym umieszczonym na obniżonej ramie w osi platformy i podpartej na rolkach. Według założeń ma posiadać własny napęd hydrauliczny mechanizmu obrotu platformy oraz hydrauliczne podpory stabilizujące platformę podczas załadunku. Jest to nowa konstrukcja w fazie modelowych i komputerowych prób. Model wagonu pokazano na rysunku 2.14 29

Rys. 2.14. Projekt wagonu Wojskowej Akademii Technicznej [15] Najbardziej rozbudowanym i zautomatyzowanym systemem jest CargoBeamer [16]. System składa się z terminali zbudowanych z modułów przeładunkowych oraz wagonów z mobilnymi platformami. Moduły wykonane są z prefabrykowanych elementów betonowych uzbrojonych w tory i urządzenia. Umożliwia to budowę dowolnego terminala o wielkości i układzie dopasowanym do warunków i zapotrzebowania. W systemie, załadunek naczep odbywa się poprzez poziomy najazd na kosze oczekujące na pasie postojowym znajdującym się pomiędzy torami i drogą dojazdową. Po wjechaniu pociągu następuje rozładunek i załadunek równocześnie na lewy i prawy pas postojowy. Wagony posiadają opuszczane ściany boczne, co daje możliwość bocznego załadunku koszy z naczepami. Przemieszczenie platform realizowane jest urządzeniami zabudowanymi w modułach terminala. Przeładunek platform odbywa się w pełni automatycznie równocześnie na 36 wagonach pociągu w czasie kilkunastu minut. Platformy systemu CargoBeamer umożliwiają przeładunek i transport standardowych naczep nieprzystosowanych do pionowego przeładunku żurawiem. Pierwszy eksperymentalny terminal powstał w Lipsku. Widok terminala z wagonami i załadowanymi na platformach przedstawia rysunek 2.15. Kolejny budowany jest w Wolfsburgu. Wagony uzyskały pozwolenie na eksploatację w kilku krajach Europy. Planowane jest wprowadzenie systemu w tranzycie między Holandią i Litwą. 30

Rys. 2.15. Terminal systemu CargoBeamer [16] Kosze wagonów CargoBeamer umożliwiają również załadunek pionowy naczep samochodowych. Na rysunku 2.16 pokazano kosz moduł systemu w trakcie przeładunku konwencjonalnym urządzeniem na terminalu podczas testów wagonów w Szwajcarii. Rys. 2.16. Naczepa w koszu CargoBeamer podczas przeładunku [73] Odmienne od przedstawionych powyżej są systemy bimodalne. W systemach tych nie występują wagony, wykorzystuje się wózki kolejowe wyposażone w urządzenia mocujące naczepy siodłowe. Pociąg bimodalny zbudowany jest tylko z naczep i wózków. System taki najlepiej wykorzystuje skrajnię i charakteryzuje się najmniejszym stosunkiem masy taboru do masy ładunku. Wytrzymałość konstrukcji naczep standardowych nie pozwala na 31

bezpośrednie wdrożenie ich do systemów transportu bimodalnego. Z uwagi na kolejowe wymagania, struktura nośna naczep musi charakteryzować się większą wytrzymałością i sztywnością, spełniając wymagania wytrzymałościowe karty UIC 597. Ponadto w naczepach należy wprowadzić systemy mocowania z wózkami, zmiany w usprężynowaniu pneumatycznym, kolejowy przewód hamulcowy, układ ryglowania osi i inne zmiany komplikujące budowę, zwiększające masę własną, koszt eksploatacji i cenę naczepy [17]. Jednak porównując podstawowe parametry składów złożonych z taboru bimodalnego i z wagonów kieszeniowych uzyskuje się o około 50% lepszy stosunek masy ładunku do masy taboru obniżający koszty eksploatacji, oraz prawie połowę niższe koszty zakupu, na korzyść systemu bimodalnego [71]. Systemy bimodalne powstały i zostały wdrożone do eksploatacji w USA. Po przystosowaniu do warunków europejskich przez kilka lat funkcjonowały na trasach kolei niemieckich i włoskich. W Europie powstało kilka innowacyjnych systemów bimodalnych. Systemy te nie są kompatybilne. Mimo prowadzonej polityki wdrożenia jednolitych unijnych środków transportu wobec braku jednego systemu bimodalnego transport ten nie funkcjonuje. W IPS TABOR w latach 90- tych XX wieku powstał polski system przystosowany do prędkości ruchu 160 km/h zbudowany na wózkach typu 6TN, a w 2012 roku system na standardowych wózkach Y25 przeznaczony do ruchu z prędkościami 100 i 120 km/h. Zbudowane prototypy pojazdów poddano niezbędnym próbom i badaniom zakończonym pozytywnie, jednak żaden z pojazdów nie został wdrożony do eksploatacji. Na rysunku 2.17. zaprezentowano prototypowy zestaw bimodalny systemu TABOR. Rys. 2.17. Tabor bimodalny przystosowany do ruchu S i SS [9] 32

W rezultacie kolejnego projektu zrealizowanego w IPS TABOR powstał pojazd pośredni między taborem bimodalnym oraz wagonami do transportu naczep [18]. Dwunaczepowy modułowy pojazd przeznaczony jest do poziomego załadunku naczepami na prostym terminalu i transportu w sformowanym składzie pociągu w całości do terminala rozładunkowego. Nie stanowi przejezdnej powierzchni ładunkowej jak w składzie wagonów typu ruchoma droga, ale podobnie bez rozłączenia pociągu nie umożliwia rozładunku pojedynczych naczep na terminalach pośrednich. Pojedynczy moduł składa się z rozłączalnego dla załadunku przedniego i tylnego układu jezdnego. Moduły połączone są ze sobą tylnymi układami jezdnymi wyposażonymi w krótkie sprzęgi i diagonalne zderzaki. Na rysunku 2.18 przedstawiono budowę jednej części systemu. Przedni dwuosiowy układ jezdny połączony jest z naczepą i z tylnym czteroosiowym układem jezdnym na którym opierają się koła drogowe. Układy stanowią podparcie pionowe transportowanej naczepy tak jak w ruchu drogowym, ale wzdłużne siły pociągowe generują większe momenty gnące i powodują konieczność wzmocnienia transportowanych naczep. Stanowi to istotne ograniczenie zastosowania systemu. Rys. 2.18. System modułowy IPS Tabor [18] Przedstawione systemy umożliwiają kolejowy transport naczep samochodowych lub całych zestawów drogowych. Część konstrukcji przeznaczona jest do zestawienia jednolitych składów ruchu tranzytowego ( ruchoma droga, CargoBeamer, Modalohr), pozostałe mogą być włączone w skład dowolnego pociągu i rozładowane lub wyłączone ze składu na stacjach pośrednich. Różnią się poziomem technicznym realizacji przeładunku. Proste, tanie konstrukcje posiadają ograniczone możliwości przeładunków, złożone, uniwersalne są drogie i w większym stopniu narażone na awarie. Przeniesienie napędów ruchomych podzespołów ładownych na terminale obniża masę i cenę wagonów, ale również ogranicza rozładunek wyłącznie na tych specjalistycznych terminalach. Podstawowe zalety i ograniczenia eksploatacji opisanych systemów przedstawiono w tabeli 2.1. 33

Charakterystyczne właściwości systemów transportu naczep [opracowanie własne] System Zalety Ograniczenia i wady Wagony platformy Ruchoma droga Wagon kieszeniowy Wagon koszowy Modalohr Flexiwaggon Megaswing Projekt WAT CargoBeamer System bimodalny IPS System modułowy IPS Wykorzystanie eksploatowanego standardowego taboru. Krótki czas załadunku naczep wraz z ciągnikami, z użyciem stałej lub dostawianej rampy czołowej. Tanie wagony oparte na standardowych wózkach, przystosowane również do transportu kontenerów. Posiada zalety wagonu kieszeniowego, a ponad to umożliwia pionowy załadunek standardowych naczep. Umożliwia jednoczesny poziomy załadunek standardowych naczep na wagony całego składu, przeładunek dowolnego wagonu w składzie. Przystosowany do poziomego, jednoczesnego załadunku standardowych naczep wraz z ciągnikiem. Nie wymaga specjalnego terminala, załadunek odbywa się z utwardzonej nawierzchni wzdłuż torów. Umożliwia poziomy, jednoczesny załadunek standardowych naczep. Poziomy załadunek z płaszczyzny terminala bez urządzeń pomocniczych. Umożliwia jednoczesny przeładunek dowolnej ilości, wagonów w składzie pociągu. Krótki czas załadunku na platformę i sformowania całego pociągu. System zautomatyzowany. Umożliwia poziomy przeładunek naczep dowolnego typu w każdym miejscu składu pociągu. Najmniejsza masa własna, wysoka prędkość transportowa(160 km/h), nie wymaga specjalnych terminali załadunek możliwy z poziomu główki szyny. Niska masa własna, eksploatowany w skrajni UIC 505-1. Tabela 2.1 Przekroczenie skrajni w górnym zarysie eksploatacja w kraju tylko na Lini Hutniczo Siarkowej. Wieloosiowe układy jezdne z małymi średnicami kół są drogie w eksploatacji, ograniczają prędkość. Do eksploatacji w skrajni UIC GC. Wyłącznie dla naczep przystosowanych do załadunku pionowego. Wyłącznie załadunek pionowy kosza. Duża masa własna. Przeładunek wyłącznie na terminalach wyposażonych w układy napędowe obrotowych platform wagonów. Ciężkie, drogie, skomplikowane konstrukcje wyposażone we własne napędy ramp najazdowych. Skomplikowana droga konstrukcja ruchomej części ładownej. Duża masa własna, skomplikowana konstrukcja. Wysokie koszty systemu, przeładunek może odbywać się jedynie na specjalnych terminalach stanowiących element składowy systemu. Transport wyłącznie specjalnie przystosowanych naczep. Nie ma możliwości wyłączenia naczepy na terminalach pośrednich. Transport bimodalny podlega odrębnym przepisom kolejowym. Transport wyłącznie specjalnie przystosowanych naczep. 34

3. SYSTEM TRANSPORTU KOLEJOWO - DROGOWEGO DLA PRZEWOZÓW STANDARDOWYCH NACZEP SAMOCHODOWYCH 3.1 Założenia konstrukcyjne Nowy system transportu ma służyć do przewożenia standardowych naczep samochodowych w dowolnych składach pociągów towarowych, uzupełniając europejski transport tranzytowy. Przeładunek naczep powinien odbywać się poziomo z utwardzonej nawierzchni bocznicy bez urządzeń dźwigowych, przy pomocy ciągnika naczepy, innych ciągników lub lokomotyw dostępnych na bocznicach kolejowych. Z przedstawionych systemów wymagania takiego przeładunku spełniają Flexiwaggon i Megaswing, ale ich skomplikowana konstrukcja ruchomych platform z własnymi układami napędowymi powoduje wysokie koszty produkcji i utrzymania podczas eksploatacji. Jednostki nowego systemu powinny charakteryzować się nieskomplikowaną budową, prostą obsługą niezależną od zewnętrznych dodatkowych zabudowanych urządzeń oraz tanią eksploatacją. Z uwagi na podwyższone opłaty korzystania z infrastruktury kolejowej dla pojazdów typu bimodalnego, przyjęto że nowy system będzie się opierał na pojazdach klasyfikowanych jako wagony, przy czym w ich konstrukcji wykorzystane zostaną wybrane techniczne rozwiązania stosowane w systemach bimodalnych. Projektowany pojazd dedykowany jest do eksploatacji przede wszystkim na liniach drugorzędnych, zlokalizowanych pomiędzy głównymi korytarzami transportowymi. W odniesieniu do głównych korytarzy spełniających wymagania skrajni typu C, linie drugorzędne charakteryzują się znacząco mniejszym gabarytem zewnętrznym dla ładunku, zdefiniowanym wymaganiami skrajni GB1. W związku z tym koła drogowe naczepy w uformowaniu kolejowym powinny być usytuowane na możliwie najmniejszej wysokości mierząc od poziomu główek szyn toru, tak by spełnić jednocześnie wymagania skrajni dotyczących dolnych części taboru. Skutkiem powyższego wymagania konieczne jest zastosowanie zestawów kołowych o jak najmniejszej średnicy tocznej koła. Uwzględniając bezpieczeństwo jazdy, maksymalne naciski na tor oraz koszty eksploatacji wstępnie przyjęto do analiz koła o średnicy 760 mm. Jest to najmniejsza standardowa średnica koła, która będzie mogła przenieść obciążenia załadowanego naczepą wagonu a przejazd nie będzie podlegał dodat- 35

kowym opłatom z tego tytułu. Kształt transportowanych naczep wymaga obniżenia ostoi wagonu pod tylną częścią naczepy. W takim przypadku korzystnym rozwiązaniem jest połączenie dwóch identycznych wagonów w jednostkę za pomocą obniżonego krótkiego sprzęgu i dwóch diagonalnych zderzaków. W odniesieniu do dwóch samodzielnych wagonów uzyskuje się: - skrócenie długości sprzęgniętych wagonów, - obniżenie masy i kosztów budowy o elementy konstrukcyjne ostoi umożliwiające zabudowę urządzeń pociągowo - zderznych na standardowej wysokości, - obniżenia kosztu o wartość dwóch zderzaków i haków cięgłowych. Taki wariant konstrukcji przyjęto do dalszych analiz. Jako materiał konstrukcyjny przyjęto powszechnie stosowaną w budowie pojazdów szynowych stal stopową o podwyższonej wytrzymałości S355. 3.2 Konstrukcja Zgodnie z przyjętymi założeniami system zaprojektowany został jako wagon dwuczłonowy. Z uwagi na koszt i stopień skomplikowania konstrukcji zrezygnowano ze znanych rozwiązań polegających na odchyleniu lub wysuwaniu na boki części ostoi dla prac przeładunkowych. Dla umożliwienia rozładunku poziomego przyjęto sposób stosowany w transporcie bimodalnym, przez rozłączanie składu. W przypadku wagonu z wózkami standardowymi przejazd naczepy przez czoło wagonu byłby zbyt skomplikowany do realizacji. Przyjęto koncepcję rozłącznych wagonów. Każdy z dwch wagonów stanowiących jednostkę posiada dwie rozdzielne części: wewnętrzną z podparciem na koła naczepy oraz skrajną, wyposażoną w podparcie czopa naczepy. W pierwszym etapie rozpatrywano realizację oparcia wewnętrznej części na dwóch wózkach lub dwóch pojedynczych osiach. Rozwiązanie to porzucono z uwagi na konieczność zapewnienia przesuwu bocznego wewnętrznych zestawów kołowych oraz wyższe koszty takiej konstrukcji. Do połączenia części wagonu wybrano koncepcję wsuwanych wzajemnie części belek grzbietowych i blokowanie ich końców sworzniami. Część wewnętrzną wyposażono w podpierające belkę grzbietową odchylne kółka umożliwiające realizację procesu łączenia i rozłączania oraz stanowiące podporę po rozdzieleniu części wagonu. Do wstępnych analiz wykorzystano wózek stosowany w systemie bimodalnym opierający się na standardowej konstrukcji wózka do wago- 36

nów towarowych typu Y25. Dwuczłonowy wagon stanowią połączone dwa identyczne człony. Pierwotną konstrukcję jednego członu wagonu pokazano na rysunku 3.1. Rys. 3.1. Konstrukcja rozłącznego modułu wagonu z naczepą Po wstępnych analizach funkcjonowania systemu, zmieniono miedzy innymi kształt belki grzbietowej skrajnej części oraz sposób blokowania, wyposażając ją w czop naprowadzający i stabilizujący jej położenie podczas eksploatacji wraz z mechanizmem dociskowym. Z uwagi na stabilną, utrzymującą równowagę konstrukcję skrajnej części, zrezygnowano z kółek podpierających belkę grzbietową. Również w części wewnętrznej usunięto kółka. Z uwagi na zbyt duże siły potrzebne do uniesienia załadowanej naczepą części wewnętrznej, wprowadzono siłowniki hydrauliczne zasilane pompą z ręcznym napędem. Wydłużone zostały podpory pod koła w części wewnętrznej dla umożliwienia bezpośredniego najazdu kół naczepy przy maksymalnie możliwym pochyleniu wewnętrznej części wagonu. Fragment ostoi przedstawiający połączone belki grzbietowe dźwignią blokującą oraz zabudowane podnośniki pokazano na rysunku 3.2 Rys. 3.2. Połączenie belek grzbietowych 37

Wykorzystano wózki z hamulcem tarczowym. Po zamodelowaniu powyższych zmian uzyskano pojazd do dalszych analiz, przedstawiony na rysunku 3.3. Rys. 3.3. Dwuczłonowy wagon transportowy załadowany naczepami samochodowymi Jest to jednostka złożona z dwóch symetrycznych członów wagonu połączonych stale sprzęgiem krótkospiętym z diagonalnymi zderzakami. Na obu końcach jednostki zabudowano standardowe urządzenia pociągowo-zderzne. Naczepy drogowe transportowane są na ostojach nośnych członów wagonu, podparte tak jak w transporcie samochodowym, na czopie i na kołach. Do analiz przyjęto standardowe naczepy do poziomego załadunku bez jakichkolwiek dodatkowych wzmocnień w ich konstrukcji. Prezentowana konstrukcja modułowa stanowi integralną jednostkę transportową, czyli wagon zdolny do tworzenia dowolnych składów pociągów towarowych ciągnionych pojazdem trakcyjnym. Strukturę budowy jednego modułu wagonu zilustrowano na rys. 3.4. Każdy człon wagonu składa się z dwóch wózków tocznych, ostoi nośnej zewnętrznej i ostoi nośnej wewnętrznej. Rys. 3.4. Jeden moduł wagonu Obie części ostoi nośnej są połączone między sobą przez dyszel ostoi zewnętrznej wsunięty w skrzynkową część ostoi wewnętrznej i odpowiednio zaryglowany. Jeden człon wagonu w stanie rozłączonym zilustrowano na rys. 3.5. Część zewnętrzna utrzymuje się w stanie równowagi trwałej na wózku i może być w takim układzie przeostoja zewnętrzna ostoja wewnętrzna 38

mieszczana po torach. Załadowana naczepą ostoja wewnętrzna po przeciwległej stronie wózka oparta jest na podłożu wysuwaną w kierunku pionowym podporą. Rys. 3.5. Jeden człon wagonu w stanie rozłączonym Zabudowana na wózku ostoja zewnętrzna przedstawiona na rysunku 3.6 jest spawaną konstrukcją skrzynkową złożoną z trzech głównych segmentów: belki końcowej, belki nadwózkowej i belki łącznikowej. siodło belka nadwózkowa odluźniacz hamulca standardowy zderzak standardowy sprzęg belka łącznikowa Rys. 3.6. Ostoja zewnętrzna Na belce końcowej zabudowano standardowe urządzenia pociągowo-zderzne. Na górnej płaszczyźnie belki nadwózkowej osadzono siodło mocujące czopy naczep. W dolnej strefie belki znajdują się elementy składowe oparcia ostoi nośnej na ramie wózka w postaci czopa skrętu i ślizgów bocznych, standardowych dla wagonów towarowych. Na końcu belki łącznikowej usytuowano czop naprowadzający, a po obu stronach na pionowych ścianach belki wykonano prostokątne otwory stanowiące opory dźwigni ryglujących. W dolnej częczop naprowadzający opora dźwigni belka końcowa czop kołnierzowy belka łącznikowa wózek ślizgi boczne zawór sterujący hamulca wskaźnik hamulca 39

ści belki umieszczono czopy kołnierzowe ustalające położenie belki po połączeniu. Na ostoi zabudowano aparaty i urządzenia hamulcowe: zawór sterujący, zbiornik powietrza, wskaźniki hamowania, urządzenie przestawcze próżny-ładowny i odluźniacz hamulca. Rysunek 3.7 przedstawia na przekroju w osi czopa skrętu połączenie wózka z ostoją. belka nadwózkowa ślizg boczny Rys. 3.8. Ostoja wewnętrzna Na belce końcowej zabudowano urządzenia pociągowo-zderzne w postaci diagonalnego zderzaka, płyty zderzakowej oraz urządzenia cięgłowego ze sprzęgiem krótkim służącym do stałego połączenia z symetrycznym modułem wagonu. Belka nadwózkowa ostoi służy do zabudowy czopa skrętu oraz ślizgów bocznych które stanowią oparcie i mocowanie ostoi nośnej na ramie wózka. Główna belka nośna jest złożona z belki centralnej o przekroju prostokątnym do której po obu stronach za pomocą wsporników zamocowano półki nogniazdo skrętu Rys. 3.7. Połączenie wózka z ostoją Ostoja wewnętrzna pokazana na rysunku 3.8 jest również spawaną konstrukcją skrzynkową złożoną z belki końcowej, belki nadwózkowej i głównej belki nośnej. belka nadwózkowa belka skrajna diagonalny zderzak sprzęg krótki główna belka nośna płyta zderzakowa gniazdo czopa półka nośna wspornik belka centralna urządzenie ryglujące podnośnik hydrauliczny slizgi boczne 40

śne. Półki służą do najazdu i podparcia kół naczepy. Belkę główną wyposażono w urządzenie ryglujące oraz podnośniki hydrauliczne zabudowane na pionowych ścianach bocznych belki centralnej. Na końcu belki centralnej na wewnętrznych stronach pionowych ścian belki wykonano odpowiednio ukształtowane gniazda współpracujące z czopami kołnierzowymi ostoi zewnętrznej, a w dalszej części belki prostokątne otwory na dźwignie ryglujące oraz czop oporowy zamykający przestrzeń wewnętrzną belki centralnej. Elementy te pokazano na rysunku 3.9 przedstawiającym przekrój belki nośnej. gniazdo czopa kołnierzowego otwór dźwigni ryglującej gniazdo czopa naprowadzającego Rys. 3.9. Przekrój belki głównej W celu połączenia ostoi zewnętrznej na wózku z ostoją wewnętrzną na wózku należy wprowadzić belkę łącznikową w prostokątny otwór belki centralnej ostoi wewnętrznej aż do oparcia czopa naprowadzającego w gnieździe czopa oraz oparcia czopów kołnierzowych w ich gniazdach w pionowych ścianach belki centralnej. W tym położeniu belek należy zacisnąć końce dźwigni ryglujących przez prostokątne otwory wykonane w ścianach bocznych belki łącznikowej i belki centralnej. Zacisk wykonuje się za pomocą śruby rozpierającej ramiona dźwigni, wykonując odpowiednią liczbę jej obrotów przy pomocy klucza. Urządzenie ryglujące pokazano na rysunku 3.10. kostka z gwintem dżwignia ryglująca śruba z dwustronnym gwintem Rys. 3.10. Urządzenie ryglujące w stanie otwartym 41

3.3 Statyczne naciski zestawów kołowych W oparciu o zaprojektowany model przestrzenny wagonu, wyznaczono masę ostoi i wózków. W połączeniu z masami zastosowanego wyposażenia do obliczeń nacisków uzyskano następujące wartości: masa jednego wózka: = 4 500 kg masa ostoi wraz z urządzeniami i instalacją pneumatyczną: = 11 070 kg Wagon obciążono naczepą w następujący sposób: masa naczepy z ładunkiem obciążająca koła naczepy: 3x9000 kg = 27 000 kg masa własna naczepy obciążająca koła naczepy: 3x1527,7 kg = 4 583 kg masa naczepy z ładunkiem obciążająca siodło: = 11 000 kg masa własna naczepy obciążająca siodło: = 1 867 kg Przyjęty do obliczeń układ mas przedstawiono na rys 3.11. Przyjęto następujące oznaczenia: M 1 - masa wózka tylnego; M 2 - masa ramy i adaptera wraz z urządzeniami i instalacją pneumatyczną, M 3a - wypadkowa masa na osie naczepy przy masie całkowitej, M 3b - wypadkowa masa na osie naczepy przy masie własnej, M 4 - masa wózka przedniego, M 5a masa przypadająca na siodło, M 5b masa przypadająca na siodło. Rys. 3.11. Układ mas skupionych Wyniki obliczeń nacisków przedstawiono w tabeli 3.1. 42

Tabela 3.1 Naciski zestawów kołowych na tor Stan Nacisk zestawu kołowego na tor Wózek wewnętrzny [kn] Wózek zewnętrzny [kn] Wagon z naczepą maksymalnie załadowaną 142,82 141,99 Wagon z naczepą próżną 66,68 63,37 Wagon bez naczepy 51,11 47,3 Obliczone wartości maksymalne nacisków zestawów kołowych nie przekraczają dopuszczalnych maksymalnych nacisków zestawów kołowych dla linii kolejowych o najniższej klasie A wynoszących 157 kn/oś [64], co potwierdza możliwość eksploatacji systemu na liniach kolejowych wszystkich klas. 3.4 Analiza zarysu skrajni Analizę zarysu skrajni wykonano zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 15273-2:2010 [42] dla zarysu GB1. Zarys odniesienia jaki wybrano dla projektowanego pojazdu przedstawiono na rys. 3.12. Zarys dolnej części przyjęto taki jak dla pojazdów, które nie powinny przejeżdżać ani przez górki rozrządowe ani hamulce torowe oraz inne urządzenia manewrowe i zatrzymujące w pozycji pracy. Według określonych w normie wytycznych i zależności wyznaczono zarys skrajni zawężonej w wybranych przekrojach pojazdu oraz zestawu kołowego. Następnie sprawdzono, czy w charakterystycznych przekrojach, zarys konstrukcyjny załadowanego naczepą pojazdu mieści się w zarysie skrajni zawężonej. W oparciu o wstępne założenia projektu przyjęto dane do analizy skrajni pokazane w tabeli 3.2. W oparciu o wytyczne dla obliczeń skrajni kinematycznej wagonów czteroosiowych [43] wyznaczono współczynnik kołysania, wysokość bieguna przechylania oraz wysokość sprężyn w stanie maksymalnie załadowanym. Przy wyznaczaniu współczynnika podatności dla elementów pojazdu uwzględniono sztywność pionową usprężynowania wózka. Natomiast dla elementów naczepy oprócz sztywności pionowej usprężynowania wózka uwzględniono również sztywność pionową opon oraz odbijaków usprężynowania naczepy wraz z odpowiadającymi im rozstawami, w odpowiednich układach wzajemnych połączeń 43

(szeregowo-równoległym). Wybrane do analizy zwężeń przekroje poprzeczne pojazdu pokazano na rysunku 3.13 Tabela 3.2 Naciski zestawów kołowych na tor Wielkość baza pudła baza wózka maksymalne promieniowe zużycie koła maksymalne ugięcie pionowe usprężynowania Iº oraz IIº przesuw poprzeczny na usprężynowaniu Iº przesuw poprzeczny na usprężynowaniu IIº wysokość nieobciążonej sprężyny wysokość oparcia sprężyny od główki szyny szerokość prowadzenia zestawu kołowego połowa poprzecznego rozstawu sprężyn maksymalna różnica w zużyciu promieniowym zest. kołowych niesymetria wykonania sztywność pionowa usprężynownia wózka (na maźnicę) sztywność poprzeczna usprężynownia wózka (na maźnicę) sztywność pionowa opony naczepy sztywność pionowa odbijaka usprężynowania naczepy połowa poprzecznego rozstawu opon naczepy połowa poprzecznego rozstawu odbijaków masa całkowita wagonu masa zestawu kołowego ciężar części odsprężynowanej członu [(mc-4 mzk) 9,81] luz pionowy na ślizgu bocznym wysokość środka ciężkości części odsprężynowanej członu z maksymalnym ładunkiem, ponad główką szyny Wartość a=11,120 m p=1,800 m Usr= 0,030 m Aff=0,060 m q=0,010 m w=wa=wi=0,000 m hs =0,242 m hop=0,246 m d=1,410 m I b2=1,000 m Usr=0,005 m ηo=1,0 czspr=2,44 kn/mm cyspr=1,5 kn/mm czop=2,0 kn/mm czodb=5,0 kn/mm bop=1,020 mm bodb=0,620 mm mc=58000 kg mzk= 1500 kg G=510,120 kn J=0,012 m hs=2,855 m 44

Rys. 3.12. Zarys odniesienia skrajni kinematycznej typu GB1 według PN-EN 15273-2:2010 [42] 45

Rys. 3.13. Rozmieszczenie przekrojów w których analizowano zawężenia zarysu skrajni 46

Przyjęto je w skrajnych częściach wagonu, gniazdach skrętu, osiach zestawów kołowych, środku wagonu oraz skrajnych części załadowanej naczepy. Wymiary skrajni zawężonej w przekrojach poprzecznych uzyskano poprzez przemieszczenie poszczególnych punktów zarysu odniesienia skrajni w kierunku poprzecznym i pionowym zgodnie z wytycznymi i zależnościami zawartymi w normie [42]. Obliczone dla wybranych przekrojów współrzędne skrajni zawężonej przedstawiono w tabeli 3.3. Porównanie ich z zarysem konstrukcji wagonu załadowanego naczepą przedstawiono graficznie. W przekrojach nr 2-8 wystąpiły przekroczenia zarysu skrajni zawężonej przez górną krawędź naczepy. Tabela 3.3 Zarys Skrajni PN-EN 15273-2 Zarys GB1 Współrzędne zarysów zawężonych Przekrój 1 Przekrój 2 Przekrój 3 Przekrój 4 Przekrój 5 X Y X Y 0,000 0,190 0,000 0,190 0,000 0,190 0,000 0,212 0,000 0,209 0,173 0,190 0,213 0,190 0,186 0,190 0,221 0,212 0,211 0,209 0,173 0,170 0,213 0,170 0,186 0,170 0,221 0,192 0,211 0,189 0,912 0,170 0,872 0,170 0,899 0,170 0,864 0,192 0,874 0,189 1,152 0,197 1,112 0,197 1,139 0,197 1,104 0,219 1,114 0,215 1,227 0,230 1,187 0,230 1,214 0,230 1,179 0,252 1,189 0,248 1,495 0,510 1,454 0,510 1,482 0,510 1,446 0,532 1,457 0,529 1,595 0,514 1,554 0,514 1,582 0,514 1,546 0,536 1,557 0,533 1,582 1,284 1,546 1,284 1,574 1,284 1,539 1,306 1,549 1,303 1,607 1,285 1,571 1,285 1,599 1,285 1,564 1,307 1,574 1,304 1,585 3,240 1,549 3,240 1,577 3,240 1,541 3,240 1,552 3,240 1,367 4,200 1,331 4,200 1,359 4,200 1,354 4,200 1,356 4,200 0,470 4,340 0,470 4,340 0,470 4,340 0,457 4,340 0,459 4,340 0,000 4,340 0,000 4,340 0,000 4,340 0,000 4,340 0,000 4,340 0,000 0,190 0,000 0,190 0,000 0,190 Przekrój 6 Przekrój 7 Przekrój 8 Przekrój 9 Przekrój 1 (ZK) 0,000 0,190 0,000 0,190 0,000 0,199 0,000 0,209 0,000 0,130 0,173 0,190 0,173 0,190 0,185 0,199 0,212 0,209 0,173 0,130 0,173 0,170 0,173 0,170 0,185 0,179 0,212 0,189 0,173 0,110 0,912 0,170 0,912 0,170 0,900 0,179 0,873 0,189 0,912 0,110 1,152 0,197 1,152 0,197 1,140 0,206 1,113 0,216 1,152 0,130 1,227 0,230 1,227 0,230 1,215 0,239 1,188 0,249 1,227 0,160 1,495 0,510 1,495 0,510 1,483 0,519 1,456 0,529 1,497 0,430 1,595 0,514 1,595 0,514 1,583 0,523 1,556 0,533 1,597 0,430 1,582 1,284 1,582 1,284 1,575 1,293 1,548 1,303 1,597 1,200 1,607 1,285 1,607 1,285 1,600 1,294 1,573 1,304 1,622 1,200 1,585 3,240 1,585 3,240 1,578 3,240 1,551 3,240 1,622 3,240 1,367 4,200 1,367 4,200 1,362 4,200 1,356 4,200 1,417 4,200 0,470 4,340 0,470 4,340 0,465 4,340 0,459 4,340 0,522 4,340 0,000 4,340 0,000 4,340 0,000 4,340 0,000 4,340 0,000 4,340 47

W przekrojach 4 i 5 skrajnię przekroczyły dolne krawędzie półek nośnych wagonu podpierających naczepę. Maksymalne wartości przekroczeń występujące w środku wagonu w przekroju nr 4 przedstawiono na rys. 3.14. Aby uniknąć powyższych przekroczeń wprowadzono zmianę w konstrukcji. Likwidację górnego przekroczenia uzyskano poprzez obniżenie o15 mm podparcia naczepy. Dolne przekroczenie zlikwidowano przez korektę szerokości i kształtu podparcia kół naczepy na nadwoziu wagonu. Rys. 3.14. Zarys konstrukcyjny załadowanego wagonu na tle zarysu skrajni zawężonej w przekroju nr 4 48

3.5 Układ hamulca Z uwagi na potrzebę zwiększenia wytrzymałości konstrukcji wskazaną w wykonanych obliczeniach nastąpi powiększenie głównych przekrojów belki ostoi. W konsekwencji nastąpi również powiększenia masy własnej ostoi. Dlatego podjęto działania prowadzące do obniżenia masy pojazdu przez zmianę jego wyposażenia hamulcowego. Do opracowania modelu ostoi, wstępnie zaadaptowano model wózka z hamulcem tarczowym. Przy zakładanych prędkościach ruchu i obciążeniach, układ hamulcowy wagonu można zbudować w oparciu o klockowy hamulec cierny. Najlżejszym rozwiązaniem jest zintegrowany hamulec wózkowy jednostronnego działania, jeden na każdy wózek z uwagi na konieczność rozłączania członów pojazdu podczas załadunku. Przykład takiego układu hamulca montowanego pomiędzy osiami wózka pokazano na rysunku 3.15. Jest to rozwiązanie oferowane przez firmę Wabtec MZT [67] w podstawowej wersji jako IBB10 dostosowane do standardowych wózków towarowych Y25, przy czym producent zapewnia możliwość dostosowania systemu do układu wagonu wraz z hamulcem ręcznym. Konstrukcja wyróżnia się małym stopniem skomplikowania, składa się z cylindra hamulcowego 8, nastawiaczy skoku, dźwigni, opraw klocków i elementów zawieszenia z dwoma belkami wiążącymi kompletny system. Jest to najlżejszy obecnie dostępny układ hamulca. Rys. 3.15. Zintegrowany hamulec wózkowy typu IBB 10 [67] 49

Podstawowa wersja posiada masę około 190 kg. W układzie z hamulcem ręcznym pozwoli obniżyć masę jednego członu o kilkaset kilogramów. Na rysunku 3.16 pokazano wózek z zabudowanym hamulcem zintegrowanym. Korzystnie dla konstrukcji systemu do transportu naczep, zwarta zabudowa pomiędzy zestawami kołowymi umożliwi powiększenie przekroju a tym samym wzmocnienie ostoi w części nadwózkowej dotychczas zajętej przez tarcze i zabudowę zacisków hamulca tarczowego. Do zabudowy układu potrzebne jest tylko przyłącze pneumatyczne oraz cztery punkty zawieszenia. Cały układ charakteryzuje się znaczną swobodą ruchów a dźwignie podczas hamowania dostosowują się do przemieszczeń podzespołów wózka. Pozwala to na równomierny rozkład nacisków i zużycia wstawek hamulca i kół. Układ jest prosty, łatwy do montażu i demontażu, co stanowi o niskich kosztach utrzymania w eksploatacji [68]. Rys. 3.16. Zintegrowany hamulec wózkowy typu zabudowany na wózku z hamulcem ręcznym [68] W układzie pojazdu z dwoma wózkami o rozłączalnej strukturze każdy z członów musi posiadać jeden zawór rozrządczy i jeden przekładnik ciśnienia cylindrów hamulcowych. Pomiar aktualnego obciążenia wagonu można prowadzić z wykorzystaniem ugięciowego czujnika zabudowanego na pierwszym stopniu usprężynowania wózka. Wstępną ocenę skuteczności hamulca opracowano w IPS TABOR pod kierunkiem autora [69]. 50

Ze względu na symetryczną budowę, ocenę przeprowadzono dla jednego członu wagonu. Przyjęto trzy charakterystyczne stany obciążenia członu wagonu: - próżny bez naczepy, - pośredni naczepa bez ładunku, - ładowny naczepa z maksymalnym ładunkiem. Dane wejściowe do obliczeń zestawiono w tabeli 3.4. stan obciążenia Zestawienie wartości parametrów do oceny hamulca [69] Tabela 3.4 wózek tylny wózek przedni próżny pośredni ładowny próżny pośredni ładowny nacisk osi na tor [t] 5,1 6,7 14,3 4,7 6,3 14,2 masa ekwiwalentna z uwzględnieniem mas wirujących [t] 5,7 7,3 14,9 5,3 6,3 14,2 Masa ½ wagonu (1 członu) [t] 10,2 13,4 28,6 9,4 12,6 28,4 Szacowane opory ruchu [kn] 0,26 0,34 0,72 0,24 0,32 0,71 Ocenę hamowności przeprowadzono zgodnie z wymaganiami karty UIC 544-1 [52]. Wymaganą skuteczność hamulca przyjęto na poziomie 100% masy hamującej, co przy prędkości 120km/h odpowiada drodze hamowania równej 700m (rysunek 3.17). Rys. 3.17. Arkusz oceny hamowności dla pojedynczego pojazdu według UIC 544-1 [69] 51

Szczegółowe wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli 3.5. Tabela 3.5 Ocena skuteczności hamulca [69] prędkość maksymalna V [km/h] 120 Maksymalna droga hamowania S max [m] 700 opóźnienie hamowania a=v 2 /2S [m/s 2 ] 0,8 powierzchnia tłoka A [mm 2 ] 32300 siła przeciwdziałania sprężyny cylindra F s [N] 500 Sprawność ƞ [-] 0,85 przełożenie i [-] 2,85 wózek tylny wózek przedni stan obciążenia próżny pośredni ładowny próżny pośredni ładowny ciśnienie cylindrowe p c [kpa] 170 195 370 160 170 355 Suma nacisków 4-rech klocków jednego wózka N 4 [kn] 12,1 14,0 27,7 11,3 12,1 26,6 nacisk klocka N 1 [kn] 3,0 3,5 6,9 2,8 3,0 6,6 Wytworzona sumaryczna siła hamowania wózka F w [kn] 6,0 7,0 13,9 5,7 6,0 13,3 Siła hamowania członu wraz z oporami ruchu F H [kn] 12,2 13,7 28,6 Obliczona droga hamowania 635 684 699 S H [m] procent masy hamującej λ [%] 112,8 103,3 100,6 Uzyskane wyniki wskazują, że tego typu wagon mógłby być dopuszczony do ruchu SS, czyli z prędkością maksymalną 120 km/h zarówno w stanie próżnym jaki i ładownym wagonu. Skuteczność utrzymywana jest na wymaganym poziomie w całym zakresie obciążenia dla ruchu SS zgodnie z wykresem przedstawionym na rysunku 3.18 według karty UIC 541-04 [53]. Udało się to uzyskać mimo jednostronnie hamowanych kół przy pomocy zintegrowanego modułu, gdyż maksymalna masa członu wynosi poniżej 60 ton, co daje maksymalny nacisk na zestaw kołowy tylko około 14 ton. Dopuszczenie do ruchu wagonu z prędkością 120 km/h niewątpliwie podniosłoby jego właściwości eksploatacyjne, ale w obecnej postaci wagon posiada ograniczenia prędkości maksymalnej wynikające z warunków bezpieczeństwa jazdy. 52

Rys. 3.18. Przebieg procentów masy hamującej przy samoczynnej zmianie skuteczności hamowania w zależności od obciążenia ładunkiem wg zał. A, UIC 541-04 [53] 3.6 Przebieg załadunku naczep Załadunek naczep na wagon możliwy jest do zrealizowania na terminalu z odcinkiem toru prostego ułożonego na poziomie terminalu. Do przeładunku naczep nie wykorzystuje się dźwigowych urządzeń przeładunkowych. Poszczególne etapy załadunku naczepy na wagon zilustrowano na rys. 3.19 poz. a-f. Do załadunku naczepy na wagon należy przygotować dwa segmenty wewnętrzne członu wagonu połączone sprzęgiem krótkospiętym, tak aby końce ostoi nośnych wewnętrznych opartych na siłownikach hydraulicznych były opuszczone do poziomu terminala (poz. a). Wózki należy zahamować hamulcem ręcznym, a pod koła osi zestawów podłożyć płozy hamujące. Za pomocą ciągnika siodłowego należy wprowadzić tyłem naczepę na półki ostoi nośnej, tak aby opony tylnej osi jezdnej zostały oparte na ogranicznikach półek (poz. b). Następnie opuścić podpory naczepy do oparcia na półkach ramy nośnej i opróżnić miechy nośne naczepy z powietrza. W tym momencie można wyjechać ciągnikiem siodłowym spod przodu naczepy (poz. c). 53

a) b) c) d) e) f) Rys. 3.19. Załadunek naczep Za pomocą hydraulicznej pompy ręcznej podłączonej do siłowników hydraulicznych należy unieść ostoję nośną do poziomu, równolegle do podłoża terminala. Następnie wózek z ramą zewnętrzną przetoczyć w kierunku ostoi nośnej segmentu wewnętrznego, aby czop naprowadzający belki łącznikowej trafił w otwór belki centralnej ostoi segmentu wewnętrznego (poz. d). Dalej przetoczyć wózek z ramą zewnętrzną do oparcia czopa naprowadzającego o czop oporowy zabudowany w belce centralnej oraz oparcia siodła naczepy na siodle ramy nośnej zewnętrznej. 54

Za pomocą odpowiedniego klucza zaryglować belką łącznikową w belce centralnej, łącząc w ten sposób moduł wagonu. Następnie unieść nogę podporową naczepy oraz podpory hydrauliczne. Odpowiednim klinem zablokować opony przedniej osi naczepy. Następnie odhamować wózek ramy wewnętrznej i wyjąć płozy spod kół wózka (poz. e). W tej samej kolejności należy załadować naczepę na drugim członie wagonu (poz. f). System pozwala na jednoczesny załadunek na wagon dwóch naczep. Wagon należy doposażyć w niezbędną do załadunku naczep pompę hydrauliczną ręczną opcjonalnie napędzaną elektronarzędziem. 55

4. BADANIA SYMULACYJNE MODELU JEDNOSTKI TRANSPORTOWEJ Zamodelowanie konstrukcji wagonu podczas prac projektowych umożliwiło sprawne wykonanie podstawowych badań symulacyjnych sprawdzających jego właściwości wytrzymałościowe oraz bezpieczeństwo ruchu. 4.1 Sprawdzenie wytrzymałości konstrukcji Obliczenia wytrzymałości konstrukcji nośnej wagonu wykonano metodą elementów skończonych (MES) [23], posługując się programem ABAQUS. Sposoby i wartości obciążeń oraz kryteria wytrzymałości przyjęto zgodnie z wymaganiami dla pojazdów kolejowych zawartymi w normie PN-EN 12663-2: 2010 [24]. W obliczeniach posłużono się wstępnie określonymi masami zespołów konstrukcji oraz obciążeniami: masa załadowanego wagonu (naczepa załadowana) masa załadowanego wagonu (naczepa próżna) masa naczepy załadowanej masa naczepy próżnej masa kompletnej ostoi masa wózka m 1z = 58064 kg, m 1p = 26514 kg, m 3z = 38000 kg, m 3p = 6450 kg, m ra = 11070 kg, m 2 = 4497 kg. Przyjęto następujące rodzaje obciążeń i przypadki superpozycji konieczne do przeprowadzenia oceny wytrzymałości statycznej konstrukcji nadwozia: ściskanie siłą 1200 kn (po 600 kn na jeden zderzak) przyłożoną w osi zderzaków i obciążenie pionowe 1,0 g (masa ostoi i naczepy), rozciąganie siłą 1000 kn przyłożoną w rejonie opory sprzęgu śrubowego i obciążenie pionowe 1,0 g (masa ostoi i naczepy), jednoczesne działanie wyżej wymienionych obciążeń i statycznego obciążenia pionowego 1,0 g (masa ostoi i naczepy załadowanej), 56

obciążenie pionowe 1,3 g (masa ostoi i naczepy załadowanej), unoszenie całego pojazdu w miejscach do tego wyznaczonych 1,0 g (masa ostoi, naczepy załadowanej i masa wózków), sprawdzenie wsporników wyposażenia przy maksymalnym przyspieszeniu wzdłużnym 5g i obciążenie pionowe 1,0 g (masa ostoi i naczepy załadowanej). Jako podstawowy materiał konstrukcyjny ostoi przyjęto stal typu S355 [25], której granica plastyczności wynosi Re = 355 Mpa dla elementów o grubości mniejszej od 16 mm oraz Re = 345 Mpa dla elementów o grubości 16-40 mm. Wartości naprężeń dopuszczalnych dla statycznego kryterium wytrzymałości zgodnie z normą [24] nie mogą przekraczać granicy plastyczności materiału ze współczynnikiem bezpieczeństwa = 1,15. Wartości naprężeń dopuszczalnych dla stali S355 przyjęte w obliczeniach zestawiono w tabeli 4.1. Tabela 4.1 Wartości naprężeń dopuszczalnych wg [23] Gatunek stali S355 Grubość[mm] 16 16 σ dop [Mpa] (S 1 =1,15) 355/1,15=309 345/1,15=300 W modelu obliczeniowym uwzględniono wszystkie elementy mające wpływ na pracę układu nośnego oraz właściwe wprowadzenie i odebranie analizowanych obciążeń. Ze względu na sposób obciążenia i oddziaływania łączonej ostoi, analizę wykonano na modelu uwzględniającym wszystkie podzespoły nośne pojazdu. Widok modelu obliczeniowego przedstawiono na rys. 4.1. W celu odwzorowania rzeczywistych oddziaływań pomiędzy ostoją zewnętrzną wewnętrzną w miejscu klinowania się stożka (szczególnie podczas ściskania platformy) oraz pomiędzy dźwignią blokującą ostoję zewnętrzną (przy rozciąganiu platformy) wprowadzono połączenie typu kontakt. Dodatkowo w każdej próbie obliczeniowej wprowadzony został kontakt pomiędzy wewnętrznymi płaszczyznami pasów ostoi zewnętrznej i wewnętrznej. Obciążenie pionowe pochodzące od naczepy przyłożono w miejscach oparcia opon na ostoi wewnętrznej oraz w miejscu oparcia siodła nad czopem skrętu ostoi zewnętrznej. Przyjęto następujący podział obciążenia: naczepa próżna 6450kg (1867kg/siodło i 4583kg/koła), 57

naczepa załadowana 38000 kg (11000 kg/siodło i 27000 kg/koła). W próbie unoszenia wagonu wstępnie założono, że punkty podparcia będą znajdować się w miejscach oparcia ślizgów bocznych na ostoi zewnętrznej i wewnętrznej wagonu. Rys. 4.1. Widok modelu obliczeniowego 58

W próbie nabiegania z maksymalnym, przewidzianym dla tej kategorii pojazdów, przyspieszeniem wzdłużnym 5g założono, że środek ciężkości załadowanej naczepy znajduje się 200 mm nad jej podłogą. Wstępnie w obliczeniach przyjęto, że siła wzdłużna wynikająca z masy załadowanej naczepy i przyspieszenia 5g będzie przeniesiona przez czop naczepy blokujący się w siodle. Założono tak, ponieważ połączenie czop siodło jest w kierunku wzdłużnym bez luzu, a elastyczność zablokowanych kół (opon) stosunkowo duża. Stąd w takim rozwiązaniu konstrukcyjnym siła 190t musi zostać przeniesiona na konstrukcję nośną wagonu poprzez czop naczepy. Dodatkowo na czop będzie działać siła pionowa wynikająca z momentu pochodzącego od wysokości środka ciężkości naczepy. W obliczeniach ostoi przyjęto układ współrzędnych, gdzie oś x wyznacza kierunek jazdy, y prostopadły do osi toru, z pionowy. Do obliczeń podzielono model na elementy skończone bryłowe. Fragment podzielonego modelu konstrukcji przedstawiono na rysunku 4.2. Rys. 4.2. Podział modelu obliczeniowego konstrukcji nośnej nadwozia na elementy skończone widok na dźwignię blokującą dyszel ostoi zewnętrznej Schematy wprowadzenia obciążenia i warunków brzegowych konstrukcji dla podstawowych przypadków obciążeń przedstawiono na rysunkach 4.3 4.7. 59

Rys. 4.3. Schemat sił i warunków brzegowych przy obciążeniu wzdłużnym z przyspieszeniem 5g 60

Rys. 4.4. Schemat sił i warunków brzegowych przy maksymalnym obciążeniu pionowym 61

Rys. 4.5. Schemat obciążeń i warunków brzegowych przy unoszeniu platformy w miejscach do tego przeznaczonych 62

Rys. 4.6. Schemat obciążeń i warunków brzegowych przy ściskaniu platformy Siłą 1200 kn w osi zderzaków 63

Rys. 4.7. Schemat obciążeń i warunków brzegowych przy rozciąganiu platformy Siłą 1000 kn w osi sprzęgu 64

Wykonane obliczenia wytrzymałości zamodelowanej konstrukcji dla poszczególnych przypadków obciążeń, umożliwiły określenie rozkładu warstwic poziomów naprężeń zredukowanych oraz przemieszczeń (odkształceń) ostoi. Lokalnie w kilku miejscach konstrukcji naprężenia te znacznie przekroczyły wyznaczone wartości dopuszczalne zatem nie posiada ona w tej postaci wystarczającej wytrzymałości na przeniesienie zakładanych przypadków obciążeń. Maksymalne naprężenia w próbie ściskania konstrukcji nośnej wagonu w osi zderzaków z naczepa próżną wynoszą 432 MPa a z naczepą załadowaną 549 MPa. Wysokie stany naprężeń występują w górnym pasie i środnikach ramy zewnętrznej. W próbach rozciągania najwyższy stan naprężeń występuje w dźwigni blokującej i wynosi w zależności od stanu naczepy (ładowny/próżny) 654 MPa i 421 MPa. Maksymalne naprężenia zredukowane w konstrukcji nośnej wagonu przy obciążeniu pionowym wynoszą 613 MPa i występują w rejonie czopa skrętu. W przypadku gdy wagon zostanie podniesiony w rejonie oparcia ślizgów bocznych, naprężenia maksymalne występują w środnikach wsporników ślizgów i wynoszą 376 MPa. W próbie sprawdzenia zamocowania wyposażenia dla maksymalnego przyspieszenia 5g w kierunku wzdłużnym najwyższe stany naprężeń występują w rejonie czopa skrętu i oparcia siodła w ostoi zewnętrznej i osiągają wartość 640MPa. W tej sytuacji sprawdzono również wytrzymałość czopa naczepy. Na rysunku 4.8 przedstawiono przyjęty schemat sił. Rys. 4.8. Schemat sił i warunków brzegowych dla czopa naczepy podczas nabiegania Wyniki wykazały, że przyjęcie do obliczeń modelu w którym przez układ podparcia naczepy zostanie przekazana siła wzdłużna wynikająca z przyspieszenia wzdłużnego i masy całej naczepy, skutkuje uszkodzeniem jej czopa. Przy założeniu, że czop naczepy przeniesie całą siłę wzdłużną wynikającą z przyspieszenia 5g i masy 38 ton, naprężenia wyniosą 19 x 395 MPa, gdyż przy sile jednostkowej 100kN naprężenia wyniosły 395 MPa. Taki stan czopa pokazano na rysunku 4.9. 65

Rys. 4.9. Rozkład naprężeń zredukowanych w [MPa] powstających w czopie naczepy przy sile wzdłużnej 100kN przyłożonej wg schematu z rys.5.8 widok ogólny Maksymalne wartości naprężeń od wszystkich założonych przypadków obciążeń konstrukcji zestawiono w tabeli 4.2. Miejsca ich wystąpienia pokazano na rysunkach 4.10 4.16. L.p. 1 2 Zestawienie wartości maksymalnych naprężeń zredukowanych [23] Przypadek obciążenia ściskanie siłą 1200kN (po 600kN na jeden zderzak) przyłożoną w osi zderzaków i obciążenie pionowe 1,0 g (m ra + m 3p ), rozciąganie siłą 1000kN przyłożoną w osi sprzęgu i obciążenie pionowe 1,0 g (m ra + m 3p ), Tabela 4.2 Maksymalna wartość naprężenia zredukowanego według Hubera-Misesa w [MPa] Nr rysunku 432 5.10 654 5.11 3 obciążenie pionowe 1,3 g (m ra + m 3z ), 613 5.12 4 5 6 7 ściskanie siłą 1200kN (po 600kN na jeden zderzak) przyłożoną w osi zderzaków i obciążenie pionowe 1,0 g (m ra + m 3z ) rozciąganie siłą 1000kN przyłożoną w osi sprzęgu ramy nadwozia i obciążenie pionowe 1,0 g (m ra + m 3z ) unoszenie całego pojazdu w miejscach do tego wyznaczonych 1,0 g (m ra + m 3z +2 m 2 ) obciążenie wzdłużne wynikające z przyspieszenia 5g i obciążenie pionowe 1,0 g (m ra + m 3p ) 549 5.13 421 5.14 376 5.15 640 5.16 66

Rys. 4.10. Rozkład naprężeń zredukowanych w [MPa] w górnym pasie ramy wewnętrznej powstających podczas ściskania wagonu z próżną naczepą siłą 1200kN w osi zderzaków Rys. 4.11. Rozkład naprężeń zredukowanych w [MPa] powstających podczas rozciągania wagonu z próżną naczepą siłą 1000kN w osi sprzęgu widok na dźwignię blokującą 67

Rys. 4.12. Rozkład naprężeń zredukowanych w [MPa] powstających w rejonie czopa skrętu ramy zewnętrznej podczas maksymalnego obciążenia pionowego widok z dołu na ostoję zewnętrzną Rys. 4.13. Rozkład naprężeń zredukowanych w [MPa] w belce nośnej ramy zewnętrznej powstających podczas ściskania wagonu z załadowaną naczepą siłą 1200kN w osi zderzaków 68

Rys. 4.14. Rozkład naprężeń zredukowanych w [MPa] powstających podczas rozciągania wagonu z załadowaną naczepą siłą 1000kN w osi sprzęgu widok dźwignię blokującą Rys. 4.15. Rozkład naprężeń zredukowanych w [MPa] powstających w rejonie wspornika ślizgu ostoi zewnętrznej podczas unoszenia wagonu z załadowaną naczepą widok z dołu na ostoję zewnętrzną 69

Rys. 4.16. Rozkład naprężeń zredukowanych w [MPa] powstających w rejonie czopa skrętu przy maksymalnym przyspieszeniu wzdłużnym 5g widok z dołu na ostoję zewnętrzną W związku z powyższym przypadek przyspieszenia 5g w kierunku wzdłużnym został przeanalizowany powtórnie, ze zmienioną koncepcją mocowania naczepy do ostoi pojazdu. Wykonano uzupełniające obliczenia [66], w których założono że blokowane będą koła naczepy, a obciążenie wzdłużne będzie przekazane na ostoję w miejscu styku opon naczepy z ostojnicami ramy nośnej podobnie jak pionowe. Schemat obciążenia przedstawiono na rysunku 4.17. Przy takim założeniu dodatkowo na czop działa siła pionowa wynikająca z momentu pochodzącego z wysokości środka ciężkości naczepy i przyspieszenia wzdłużnego. Taką samą siłą odciążane są jednocześnie zestawy kołowe naczepy. Rozkład naprężeń zredukowanych przedstawiono na rysunku 4.18. W próbie najwyższe stany naprężeń występują w rejonie przegięcia ostoi w górnym pasie ramy wewnętrznej przedstawione na rysunku 4.19 i wynoszą w miejscu największego spiętrzenia naprężeń 574 MPa. Podwyższone stany naprężeń występują również w dolnym pasie ramy wewnętrznej pokazane na rysunku 4.20 oraz na krawędzi węzłówek ramy zewnętrznej osiągając wartość bliską 400 MPa. Podobnie jak w przypadku innych prób z siłami wzdłużnymi można stwierdzić, że w ostatecznym rozwiązaniu należy zwiększyć przekrój głównej belki nośnej ramy. 70

5g x m3z Masa naczepy załadowanej przypadająca na koła 3 x 9000 kg /2 mm Siły wynikające z momentu (środek ciężkości załadowanej naczepy przyjęto 200mm nad jej podłogą) Masa naczepy załadowanej przypadająca na siodło 11000 kg /2 Rys. 4.17. Schemat sił przy obciążeniu wzdłużnym z przyspieszeniem 5g 71

Rys. 4.18. Rozkład naprężeń zredukowanych w [MPa] w ostoi powstających przy obciążeniu wzdłużnym wynikającym z przyspieszenia 5g widok ogólny wariant z mocowaniem kół 72

Rys. 4.19. Rozkład naprężeń zredukowanych w [MPa] w ostoi powstających przy obciążeniu wzdłużnym wynikającym z przyspieszenia 5g widok na górny pas ramy wewnętrznej Rys. 4.20. Rozkład naprężeń zredukowanych w [MPa] w ostoi powstających przy obciążeniu wzdłużnym wynikającym z przyspieszenia 5g widok na górny pas ramy wewnętrznej 73

Ponadto uzyskane wyniki obliczeń wskazują na konieczność wprowadzenia następujących zmian w konstrukcji nośnej ostoi: zewnętrzna część w miejscu zagięcia belki łącznikowej powinna mieć możliwie powiększony przekrój lub być wykonana z materiału o wyższej granicy plastyczności, przy czopach skrętu pasy dolne i górne powinny zostać połączone żebrami, dźwignia blokująca musi być wykona z materiału o granicy plastyczności 650 MPa lub wyższej, miejsca podparcia dla podnoszenia konstrukcji muszą być ustalone i odpowiednio przygotowane, wskazane jest zastosowanie dodatkowych elementów mocujących naczepę zmniejszających siłę działająca na jej czop. Zaproponowane powyższe zmiany powinny doprowadzić do znacznego obniżenia naprężeń w konstrukcji do wartości naprężeń dopuszczalnych dla zastosowanych materiałów konstrukcyjnych odpowiednich podzespołów. Ostateczne sprawdzenie wytrzymałości konstrukcji będzie możliwe na etapie opracowania dokumentacji konstrukcyjnej uwzględniającej zabudowę kompletnego wyposażenia pojazdu oraz przyjętego sposobu wzdłużnego mocowania naczepy. Poza tym uzyskane wyniki próby wskazują, że należy rozważyć, czy dla tego typu konstrukcji przeznaczonej do transportu naczep drogowych nieprzygotowanych do warunków kolejowych powinno się stawiać, bez dodatkowych ograniczeń wszystkie wymagania kategorii wytrzymałościowej F II [24] dotyczącej wagonów towarowych nie rozrządzanych na górkach. 74

4.2 Ocena bezpieczeństwa ruchu i właściwości dynamicznych Zaprojektowany model przestrzenny umożliwił wykonanie analizy dynamicznej pojazdu. Wykonanie badań symulacyjnych oparto o wymagania zawarte w normie PN-EN-14363 [59]. Symulację przeprowadzono w systemie SIMPACK 9.5, który jest aktualnie jednym z wiodących systemów wykorzystywanych do symulacji zachowania dynamicznego pojazdów szynowych. Program ten na podstawie wprowadzonej przez użytkownika topologii pojazdu automatycznie generuje równania opisujące symulowany układ, które są następnie numerycznie rozwiązywane. Poza wcześniej określonymi parametrami pojazdu, do obliczeń dynamicznych przyjęto następujące dane: a) geometryczne - masa zestawu kołowego mz=1 140 kg - rozstaw okręgów tocznych kół 2s=1,5 m - średnica koła jezdnego Dk=760 mm - profil koła jezdnego S1002 b) charakterystyki elementów podatnych - sztywność pionowa usprężynowania (na maźnicę) zakres I Cz =0,82 kn/mm - sztywność pionowa usprężynowania (na maźnicę) zakres II Cz =2,44 kn/mm c) parametry toru - eksploatacyjne niezrównoważone przyspieszenie poprzeczne na łukach ay=1,0 m/s2 - typ szyn UIC60 o pochyleniu 1:40 - współczynnik tarcia kół po szynach (podczas badań) μ=0.36 - stan utrzymania torów badawczych wg. [59] QN2 - ekwiwalentna stożkowatość dla amplitudy ±3mm λ=0,176 Wagon platforma do przewozu naczep samochodowych jest pojazdem wózkowym wyposażonym w dwa wózki dwuosiowe. Do modelu zaadaptowano wózki towarowe wyposażone w układ hamulca tarczowego na osi. Pojazd posiada jeden stopień usprężynowania, w skład którego wchodzą sprężyny śrubowe realizujące progresywną charakterystykę, zabudowane miedzy maźnicami a ramą wózka. W wózku zastosowano widłowe prowadzenie zestawów kołowych. W rozwiązaniu tym maźnica jest dociskana do wideł prowadzących za pomocą wahacza-jarzma, którego siła docisku zależy od aktualnego obciążenia piono- 75

wego sprężyn śrubowych. Układ ten realizuje w sposób cierny tłumienie drgań pionowych oraz do pewnej wartości siły kasuje luz wzdłużny w widłowym prowadzeniu zestawu kołowego. Wózek jezdny połączony jest z nadwoziem wagonu za pomocą standardowego czopa skrętu oraz dwóch sprężystych ślizgów bocznych tłumiących ciernie ruchy obrotowe wózka względem pudła. Model wózka przedstawiono na rysunku 4.21. Rys. 4.21. wózek toczny Model analizowanego pojazdu składa się z brył sztywnych (rys. 4.22) połączonych elementami podatnymi oraz elementami łączącymi (rys. 4.23) umożliwiającymi wprowadzenie więzów pomiędzy bryłami. Dane masowe brył modelu zawiera tabela 4.3, parametry elementów siłowy oraz więzów przedstawiono w tabeli 4.4. Rys. 4.22. Bryły modelu pojazdu 76

Nr na rys. 4.22 1 2 3 Tabela 4.3 Zestawienie wartości parametrów poszczególnych brył sztywnych modelu pojazdu [55] Momenty Nazwa bryły Środek ciężkości [m] Masa[kg] bezwładności względem środka ciężkości [kg*m^2] x c =0,28 Jxx=3339 Naczepa tara y c = 0 6500 Jyy=72456 z c =-1,18 Jzz=75357 x c =-0,28 Jxx= 44169 Naczepa brutto y c =0 38000 Jyy=586206 z c -2,27 Jzz= 578517 x c =-0,86 Jxx=2935 Nadwozie platformy y c =0 9879 Jyy=119459 z c =0,57 Jzz=200616 x c =±5,55 Jxx=1156 Rama wózka z y c =0 1507 Jyy=693 osprzętem z c =-0,51 Jzz=1784 x c =±4,65 ±6,45 Jxx=1,2 4 Maźnica y c =±1 150 Jyy=1,2 z c =-0,35 Jzz=1,2 x c =±4,65 ±6,45 Jxx=542 5 Zestaw kołowy y c =0 1140 Jyy=158 z c =-0,35 Jzz=542 Rys. 4.23. Schemat wózka z zaznaczonymi elementami łączącymi siłowymi 77

Nr na rys. 4.23 Zestawienie wartości parametrów elementów łączących bryły sztywne modelu pojazdu [55] Nazwa elementu łączącego 1 Węzeł maźniczny 2 Ślizg boczny Parametry Tabela 4.4 Dwa komplety sprężyn na maźnice podano wartość jednego kompletu. Ugięcie od stanu tara naczepy z<0,03m (sprężyna wewnętrzna nie aktywna) c x = 0,395[kN/mm] c y = 0.395[kN/mm] c z = 0,41 [kn/mm] Ugięcie od stanu tara naczepy z 0,03m (sprężyna wewnętrzna aktywna) c x = 0,395+0,29[kN/mm] c y = 0.395+0,29[kN/mm] c z = 0,41+0,81 [kn/mm] Siła docisku do wideł maźnicznych powodowana przez element dociskowy F=0,4*siła pionowa w jednej sprężynie śrubowej zewnętrznej. Współczynnik tarcia na styku maźnica widły prowadzące oraz na styku maźnica element dociskowy μ=0,2. Luz wzdłużny w prowadzeniu widłowym zestawu kołowego x=±3mm Luz poprzeczny w prowadzeniu widłowym zestawu kołowego y=±10mm Sztywność wzdłużna prowadzenia zestawu kołowego po wyczerpaniu luzy c x =15 kn/mm Sztywność wzdłużna prowadzenia zestawu kołowego po wyczerpaniu luzy c y =15 kn/mm Siła docisku ślizgu bocznego (wyjściowa) F d =16 kn, sztywność pionowa sprężyn w ślizgu c z =0,57 kn/mm. Współczynnik tarcia na slizgu μ=0,2. Po modyfikacji przyjęto ostatecznie siłę docisku ślizgu bocznego F d =24 kn 3 Przegub kulowy Sztywny element blokujący translacji w kierunku x, y, z. 4 Ogumione koło naczepy Sztywność pionowa opony c z =10 kn/mm W oparciu o powyższe dane, pod kierunkiem autora wykonano w IPS TABOR badania symulacyjne [55] o charakterze wstępnym, służące weryfikacji przyjętych założeń konstrukcyjnych struktury pojazdu do transportu naczep samochodowych. Przed wykonaniem zasadniczych badań wyznaczono prędkość krytyczną analizowanego wagonu na podstawie obserwacji odpowiedzi pojazdu na zadane wstępnie zakłócenie ruchu. Wyznaczona tak prędkość krytyczna dla pojazdu poruszającego się z naczepą w stanie tara wynosiła 77 km/h, w przypadku ruchu pojazdu z naczepą w stanie brutto prędkość krytyczna spadła do 51 km/h. Uzyskane prędkości krytyczne były znacznie mniejsze od maksymalnej planowanej prędkości eksploatacyjnej pojazdu 100 km/h. Dla podniesienia uzyskanej wartości prędkości krytycznej zastosowano modyfikację polegającą na zwiększeniu momentu skrętnego wózka względem nadwozia. Zrealizowano to przez zwiększenie siły napięcia wstępnego sprężyn w ślizgach bocznych z 16 kn do 24 kn. Wyznaczona po tej modyfikacji prędkość krytyczna wagonu z naczepą w stanie tara przyjmuje wartość 78

111 km/h a w stanie brutto 141 km/h. Przebiegi wychylenia poprzecznego dla maksymalnie obciążonego pojazdu przed modyfikacją pokazano na rysunku 4.24 a na rys 4.25 po modyfikacji. Obie prędkości krytyczne posiadają wartość powyżej planowanej maksymalnej prędkości eksploatacyjnej 100 km/h z co najmniej 10% zapasem bezpieczeństwa. Przeprowadzone badania stacjonarne i liniowe uwzględniają zaproponowaną modyfikację w sile napięcia wstępnego sprężyn ślizgów bocznych. Rys. 4.24. Analiza stabilności wagonu załadowanego przed modyfikacją parametrów [55] Rys. 4.25. Analiza stabilności wagonu załadowanego po modyfikacji parametrów [55] 79

Dla określenia bezpieczeństwa przed wykolejeniem na torze wichrowatym posłużono się torem według wymagań normy PN-EN-14363 [59]. Tor zdefiniowany jest jako odcinek o stałym promieniu R=150 m i wichrowatości 3 realizowanej przez zmianę wysokości położenia zewnętrznej szyny. Przejazd przez tor zasymulowano w programie SIMPACK. Podczas badania zmierzono następujące wielkości: siły prowadzące na zewnętrznych i wewnętrznych kołach pojazdów Y i, Y a, siły pionowego nacisku na zewnętrznych i wewnętrznych kołach pojazdów Q i, Q a, uniesienie koła prowadzącego z badanych zestawów w całym łuku. Pojazd jest uważany za bezpieczny przed wykolejeniem jeśli jest spełnione kryterium Nadala [65],warunek stosunku siły prowadzącej do siły nacisku koła (Y/Q)lim = 1,2 (dla profilu koła S1002 oraz przyjętego współczynnika tarcia =0,36). Ponieważ analizowany wagon wyposażony jest w sprężyny o progresywnej charakterystykach dlatego badania zostały wykonane z naczepą w stanie tara oraz w stanie brutto. Uzyskane przebiegi dla pierwszego wózka pokazano na rysunkach 4.26 i 4.27. Rys. 4.26. Stosunek siły prowadzącej do siły nacisku koła Y/Q w stanie tara [55] 80

Rys. 4.27. Stosunek siły prowadzącej do siły nacisku koła Y/Q w stanie brutto[55] W tabeli 5.5 przedstawiono uzyskane maksymalne wartości stosunku siły prowadzącej do pionowej siły nacisku na koło (Y/Q) w odniesieniu do poszczególnych kół pojazdu. Ekstremalne wartości stosunku Y/Q [55] L.p. Koło Y/Q Y/Q (oznaczenia osi rys. 5.3) (wagony puste) (wagony załadowany) 1 oś 1 koło prawe (zewnętrzne) -0,34-0,35 2 oś 1 koło lewe (wewnętrzne) 0,76 0,71 3 oś 2 koło prawe (zewnętrzne) -0,14-0,11 4 oś 2 koło lewe (wewnętrzne) -0,07 0,03 5 oś 3 koło prawe (zewnętrzne) -0,35-0,36 6 oś 3 koło lewe (wewnętrzne) 0,43 0,39 7 oś 4 koło prawe (zewnętrzne) -0,16-0,11 8 oś 4 koło lewe (wewnętrzne) -0,04-0,05 Tabela 4.5 Zarejestrowana maksymalna wartość współczynnika Y/Q wynosi 0,76 i nie przekracza wartości dopuszczalnej, która dla przyjętego współczynnika tarcia na styku koło szyna = 0,36 wynosi 1,2. Zbliżoną wartość uzyskano dla wagonu z naczepą w stanie brutto. Brak 81

wyraźnego spadku współczynnika Y/Q miedzy przejazdami mimo dużej różnicy mas wynika z faktu zastosowania w pojeździe odsprężynowania o progresywnej charakterystyce. W ramach wstępnej oceny właściwości dynamicznych wagonu [55] w części dotyczącej badań liniowych zasymulowano serię przejazdów po rzeczywistym torze, zarówno prostym jak i w łuku. Sprawdzono w ten sposób czy pojazd spełnienia wymagania odnośnie bezpieczeństwa jazdy, obciążenia toru oraz spokojności biegu (własności dynamiczne). Przejazdy po torze prostym oraz po łuku R=850 m z krzywymi przejściowymi o długości 60 m, wykonano z prędkością 110% Vmax czyli 110 km/h. W zakresie prób dotyczących bezpieczeństwa jazdy wielkościami ocenianymi były odpowiednio suma sił prowadzących, stosunek siły prowadzącej do siły nacisku (Y/Q)max, sprawdzano także stabilność ruchu pojazdu. Uzyskane maksymalne wartości spełniają oczekiwane wymagania. W zakresie badań liniowych dotyczących obciążenia toru wielkościami ocenianymi były odpowiednio nacisk kół i siły prowadzące. Otrzymane wartości ekstremalne tych sił nie wykazują żadnych przekroczeń wartości granicznych, co więcej dla każdej z analizowanych wielkości istnieje jeszcze zapas bezpieczeństwa. Również wielkości odnoszące się do spokojności biegu (własności dynamiczne), czyli odpowiednio przyspieszenia pionowe i poprzeczne dla wszystkich przejazdów przybierają wartości poniżej granicznych. Podsumowując wstępne badania można stwierdzić, że analizowany model pojazdu do transportu naczep samochodowych po uwzględnieniu zaproponowanych modyfikacji do prędkości 100 km/h spełnia wymagania zawarte w normie PN-EN-14363 [59]. 82

5. OCENA SYSTEMU POD WZGLĘDEM PRZYDATNOŚCI WYKORZYSTANIA 5.1 Wnioski konstrukcyjne po weryfikacji systemu W wyniku przeprowadzonych prac konstrukcyjnych, analiz i badań symulacyjnych otrzymano wagon kolejowy systemu transportu kombinowanego charakteryzujący się parametrami przedstawionymi w tabeli 5.1. Podstawowe wymiary wagonu pokazano na rysunku 5.1. W odniesieniu do przyjętych wstępnie założeń dla nowego systemu, wykazano możliwość wykonania i eksploatacji nieskomplikowanej i taniej konstrukcji umożliwiającej transport standardowych naczep samochodowych na drugorzędnych liniach kolejowych. System opiera się na dwuczłonowych jednostkach klasyfikowanych jako wagony towarowe. Wagony umożliwiają realizację transportu naczep w dowolnych składach towarowych, a po wyłączeniu ze składu lub jego rozdzieleniu, przeładunek dwuczłonowych jednostek. Prace przeładunkowe poziome możliwe są na nawierzchni terminala na poziomie główki szyny. Do przeładunku niezbędne jest użycie dowolnego ciągnika szynowego lub lokomotywy manewrowej dostępnych na każdej bocznicy towarowej. Napęd podnośników pionowych wewnętrznej części ostoi odbywa się ręcznie lub za pomocą elektronarzędzia. Prace przeładunkowe mogą odbywać się pod siecią trakcyjną. Wagon w każdym stanie załadowania wpisuje się w skrajnię GB1 dedykowaną dla modernizowanych linii kolejowych. Wykonane obliczenia wykazały niedostateczną wytrzymałość fragmentów konstrukcji zbudowanej jednolicie ze stali stopowej S355, dla spełnienia wymagań dla pojazdów kolejowych zawartych w normie PN-EN 12663-2: 2010 [24]. Na etapie opracowania dokumentacji konstrukcyjnej uwzględniającej zabudowę kompletnego wyposażenia pojazdu oraz przyjętego sposobu wzdłużnego mocowania naczepy konieczne będzie wprowadzenie zaproponowanych zmian w strukturze ostoi oraz zmiana materiału konstrukcyjnego dla wskazanych podzespołów. Technicznie uzasadniona okazała się zmiana pierwotnie przyjętego układu hamulca na klockowy cierny, jednostronnego działania. Parametry hamulca tarczowego w który wyposażono zaadaptowany do wstępnych analiz wózek, okazały się zawyżone w odniesieniu do potrzeb. Przyjęty nowy układ hamulca ma nieskomplikowaną budowę, jest lżejszy i tańszy. Lżejsza będzie również konstrukcja wózka jeżeli zostanie zaprojektowane rozwiązanie 83

dedykowane dla systemu, na niższe parametry obciążeń eksploatacyjnych. Powyższe zmiany zrekompensują częściowo wzrost masy ostoi spowodowany koniecznością jej wzmocnienia. Parametry i właściwości eksploatacyjne jednostki [69] Tabela 5.1 Parametr Całkowita długość dwuczłonowej jednostki Całkowita długość pojedynczego członu Szerokość toru Rozstaw wózków Rozstaw osi zestawów kołowych wózka Rozstaw ślizgów na wózku Wysokość zderzaków zewnętrznych Rozstaw zderzaków zewnętrznych Wysokość zderzaków wewnętrznych diagonalnych Rozstaw zderzaków wewnętrznych Wysokość półek podparcia kół naczepy od szyny Wysokość siodła Masa konstrukcyjna modułu dwuczłonowego Masa konstrukcyjna przypadająca na jeden człon bez naczepy Wartość 31 450 [mm] 16 035 [mm] 1435 [mm] 11 120 [mm] 1 800 [mm] 1320 [mm] 1050 [mm] 1750 [mm] 770 [mm] 800 [mm] 195 [mm] 1 370 [mm] 39 900 [kg] 19 950 [kg] Maksymalna prędkość biegowo: hamulcowo: 100+10% [km/h] 120+10 % [km/h] Maksymalny nacisk osi zestawu kołowego wózka skrajnego na tor Maksymalny nacisk osi zestawu kołowego wózka wewnętrznego na tor Skrajnia kolejowa 142 [kn] 143 [kn] GB1 84

Rys. 5.1. Podstawowe wymiary wagonu 85

Układ hamulcowy predysponuje eksploatację w każdym stanie załadowania jednostki z maksymalną prędkością dla wagonów towarowych 120 km/h. Z uwagi na otrzymane w drodze symulacji właściwości biegowe, maksymalna prędkość eksploatacyjna jest wyznaczona na maksymalnym poziomie wynoszącym 100 km/h. Pomimo że jest to wartość, która przy obecnym stanie technicznym drugorzędnych szlaków i stanie taboru towarowego będącego w eksploatacji nie stanowi ograniczenia w zastosowaniu tego systemu transportu naczep na torach PKP, w trakcie opracowaniem ostatecznej dokumentacji wózka należy doprowadzić układ biegowy do spełnienia wymagań bezpiecznej jazdy wagonu z oczekiwaną dla przyszłościowych pojazdów towarowych prędkością 120 km/h. 5.2 Porównanie zaprojektowanej jednostki ze znanymi systemami Do porównania opracowanego systemu transportu naczep samochodowych z innymi znanymi systemami, spośród opisanych w rozdziale drugim, wybrano tylko te które przeznaczone są do transportu standardowych naczep, charakteryzują się poziomym załadunkiem na dowolnym terminalu bez specjalnej infrastruktury dla dedykowanego systemu. Są to systemy: ruchoma droga (Ro-La), Flexiwaggon, Megaswing i projekt WAT. Porównanie zestawiono w tabeli 5.2. System Ro-La to standardowe pojazdy sprawdzone w transporcie kombinowanym. Flexiwaggon i Megaswing wykonano w ilości zaledwie kilku sztuk. System WAT znajduje się również na etapie projektowania i analiz. W każdym z systemów przewożona jest naczepa drogowa, przy czym systemy Ro-La i Flexiwaggon zostały zaprojektowane przede wszystkim do transportu naczepy wraz z ciągnikiem siodłowym tworzącym zestaw drogowy. Są one dłuższe i cięższe od pozostałych. Transport kompletnych zestawów drogowych funkcjonuje głównie w Alpach. Nowy system oraz Megaswing duo zaprojektowano do transportu dwóch naczep. W skrajnym przypadku, gdy do stacji docelowej miałaby dotrzeć tylko jedna naczepa na wagonie, byłby to niekorzystny dla tych pojazdów parametr. Biorąc jednak pod uwagę masowość i natężenie transportu samochodowego, sytuacja taka jest mało prawdopodobna, tak więc jest to zaleta systemu ekonomicznie uzasadniona. W porównaniu z pozostałymi systemami, tylko omawiany nowy system wymaga każdorazowo rozłączenia składu i jego rozsunięcia dla rozłączenia części wagonu podczas rozładunku. Jest to niekorzystna cecha wydłużająca czas i komplikująca wykonanie prac przeładunkowych. 86

Zgodnie z założeniami, nowym systemem można przewozić standardowe naczepy o masie 38 Mg. Poza systemem WAT pozostałe mogą przewozić większe masy. Ma to jednak odzwierciedlenie w dużo wyższej masie własnej tych pojazdów. Ostatecznie po porównaniu podstawowych cech, można nowy system określić jako najprostszy i najtańszy w budowie, spełniający wymagania eksploatacji na drugorzędnych liniach. Słabością systemu jest czasochłonny sposób przeładunku naczep. Porównanie nowego systemu ze znanymi rozwiązaniami Tabela 5.2 Parametr, własność System Ładunek Technologia przeładunku Czas załadunku Masa ładunku [Mg] Ro-La ciągnik z naczepą lub naczepa od czoła, kolejno cały skład, rozładunek drugim końcem składu kilka minut, zależnie od długości składu Flexiwaggon ciągnik z naczepą z boku dwie strony wagonu, dwa kierunki, dowolny wagon w składzie 44 50 Megaswing duo projekt WAT Nowy system - wagon dwuczłonowy dwie naczepy naczepa dwie naczepy najazd tyłem naczepy, dwie strony wagonu, dowolny wagon w składzie dwie strony dowolny wagon w składzie około 7 minut kilka minut brak danych 2x46 dla wersji 2 członowej w osi toru, dowolne wagony, wymaga rozłączenia składu kilkanaście minut Koszt wagonu średni bardzo wysoki wysoki wysoki niski Skrajnia kolejowa Max. Prędkość eksploatacyjna [km/h] Rodzaj wózków kolejowych Inne 2x38 GC G1 GB1 GB1 100 160 120 brak danych 100 niestandardowe standardowe standardowe brak danych wysokie koszty eksploatacji posiadają gniazda energii elektrycznej: 110/240/400 V do zasilania agregatów skomplikowany mechanizm wysuwu platformy skomplikowany napęd i mocowanie obrotowej platformy, wymaga nieznacznego przystosowania rampy zmodyfikowana standardowa konstrukcja prosta konstrukcja, w założeniu niezawodna w eksploatacji 87

5.3 Możliwości rozwoju konstrukcji Uzyskane z przeprowadzonych analiz wnioski pozwalają na modyfikacje konstrukcji wagonu zmieniające jego właściwości. Opracowanie nowego wózka według sprecyzowanych w pracy parametrów zmniejszy ograniczenia przestrzeni i umożliwi znaczne usztywnienie belki łączącej części nadwózkowe ze środkową częścią ostoi, przez powiększenie wysokości i szerokości jej przekroju. Dodatkowe usztywnienie ostoi można będzie uzyskać przez zamknięcie otwartych dotychczas przestrzeni między poprzecznicami i belką grzbietową, co pokazano na rysunku 5.2. Spowoduje to oczywiście wzrost masy, ale też zmieni parametry konstrukcji uwzględniane w zawężeniach skrajni. Wybór najkorzystniejszego rozwiązania będzie możliwy po wykonaniu badań symulacyjnych. Rys. 5.2. Przekrój ostoi ilustrujący dodatkowe blachy usztywniające Usunięcie tarcz hamulcowych z osi zestawów kołowych pozwala na powiększenie kąta obrotu ostoi względem wózka. Daje to możliwość wdrożenia nowej koncepcji bocznego załadunku poprzez skręcenie platformy w osi gniazda skrętu wózka, tak by najazd platformy znalazł się z boku wagonu. Poza tym istotnym rozszerzeniem własności eksploatacyjnych, dzięki temu znacznemu skróceniu ulega droga rozsuwania składu podczas prac przeładunkowych. Po rozsunięciu wagonu, maksymalny skręt ostoi ograniczony jest zestawami kołowymi. Taki układ przedstawiono na rysunku 5.3. 88

Rys. 5.3. Maksymalny obrót ostoi w osi wózka Przy maksymalnym obrocie o 12 zachowana jest współpraca ślizgów bocznych, ale dochodzi do zblokowania wewnętrznego zderzaka diagonalnego, zejścia drugiego zderzaka z płyty zderzakowej oraz kolizji i najprawdopodobniej zerwania sprzęgu krótkiego. W tej sytuacji przed obrotem ostoi do rozładunku bocznego należałoby rozprzęgać również sprzęgi krótkie. Wymagania techniczne dotyczące warunków sprzęgania i czas dodatkowej obsługi praktycznie wykluczają to rozwiązanie. Realizacja załadunku bocznego będzie możliwa po wprowadzeniu następujących zmian pokazanych na rysunkach 5.4 i 5.5: - obrót ostoi należy ograniczyć do 10, - zderzaki diagonalne rozsunąć symetrycznie po 20 mm na stronę, - wydłużyć odpowiednio płyty zderzakowe, - wydłużyć sprzęg o około 40 mm, - sprzęg przenieść ponad lub pod zderzaki (układ niestandardowy). Dla realizacji obrotu ostoi konieczne będzie zastąpienie dotychczasowych podpór ostoi układem poprzecznej prowadnicy z niezbędnym napędem. Zgodnie z ideą systemu, wysunięcie powinno odbyć się bez udziału dodatkowych urządzeń zabudowanych na terminalu. Obecnie prowadzone są prace nad koncepcją prostego rozwiązania napędu. W drugim wariancie można skorzystać z automatycznych układów napędowych co uprości obsługę, ale 89

Rys. 5.4. Osiągalny obrót ostoi w osi wózka Rys. 5.5. Możliwa zabudowa sprzęgu krótkiego znacznie podniesie koszt konstrukcji. Przedstawione rozwiązanie stanowi podstawę do opracowania nowego systemu, którego ostateczny wariant będzie zależał od wymagań postawionych przez potencjalnego przewoźnika. 90

6. POTENCJALNE MOŻLIWOŚCI WDROŻENIA TABORU KOMBINOWANEGO KOLEJOWO - DROGOWEGO 6.1 Analiza ekonomiczna 6.1.1 Analiza kosztów przewozów dla przewoźnika Transport kombinowany ma szansę na wdrożenie tylko pod warunkiem, że będzie przynosił wymierne korzyści finansowe przewoźnikom. Ich działalność opiera się na rachunku ekonomicznym, a rentowność przewozów jest czynnikiem determinującym wybór środka transportu. Rentowność przewozów zależy od wielkości ładunków, odległości przewozu, częstotliwości wykonywania przewozów oraz typu środków transportu. Analizie kosztowej poddano przewozy na 4 długościach tras, od 400, przez 600 km, 800 km do 1000 km oraz przy założeniu 55 transportów realizowanych w ciągu roku. Masa przewożonego ładunku wynosiła 384 t (tj. 16 naczep o ładowności 24 t), 576 t (tj. 24 naczepy) i 912 t (tj. 38 naczep). Dla transportu drogowego wybrano ciągnik siodłowy spełniający normy EURO VI oraz naczepę o ładowności 24 t, a dla transportu kombinowanego założono wykorzystywanie lokomotywy elektrycznej oraz jednostek transportowych, z których każda służy do przewozu dwóch standardowych naczep o ładowności 24 t. Szczegółowe założenia przyjęte w analizie kosztów dla transportu drogowego są następujące: koszt zestawu ciągnik siodłowy (spełniający normy EURO VI) i naczepa kurtynowa to łącznie 410 000 zł; przyjęta stawka amortyzacji ciągnika siodłowego i naczepy zgodnie z Klasyfikacją Środków Trwałych i wykazem rocznych stawek amortyzacyjnych to 14% rocznie; koszt przeglądów i serwisowania ciągnika siodłowego z naczepą wynosi 0,15 zł na 1 km; zużycie paliwa oszacowano na 33 l/100 km; koszt oleju napędowego założono w wysokości 4,6 zł/l; stawka opłat drogowych dla dróg klasy S i A dla ciągników spełniających przynajmniej normy EURO V to 0,27 zł/km. 91

Szczegółowe założenia przyjęte w analizie kosztów dla transportu kolejowego są następujące: koszt lokomotywy elektrycznej to 10 000 000 zł; koszt platformy kolejowej do przewozu naczep w transporcie kombinowanym wyceniono na 625 000 zł; przyjęta stawka amortyzacji taboru kolejowego zgodnie z Klasyfikacją Środków Trwałych i wykazem rocznych stawek amortyzacyjnych to 7% rocznie; koszt napraw rewizyjnych realizowanych co 600 000 km lub co 6 lat wynosi 27 000 zł; koszt przeglądu realizowanego co 150 dni wynosi 160 zł; zużycie energii przyjęto zgodnie z szacunkami zawartymi w tabeli 1 dla średniej prędkości 80 km/h; masa pociągu transportującego 16 naczep wynosi 1016 t, 24 naczepy 1480 t, a 38 naczep 2292 t; koszt energii założono w wysokości 0,2 zł/1kw; stawką opłat za dostęp do infrastruktury kolejowej z uwzględnieniem zniżki dla transportu intermodalnego założono na poziomie 18,34 zł/poc/km. Tabela 6.1 Zużycie energii w transporcie kombinowanym dla składu 8, 12 i 19 platform i wykorzystaniu lokomotywy elektrycznej [Opracowanie własne na podstawie 74, 75] Rodzaj składu Zużycie energii netto [kw/km] dla prędkości 40 km/h 60 km/h 80 km/h 100 km/h Skład 8 platform o masie całkowitej 1016 t 7,33 9,36 11,89 14,86 Skład 12 platform o masie całkowitej 1480 t 10,61 13,47 16,94 21,61 Skład 19 platform o masie całkowitej 2292 t 16,33 20,61 27,00 32,03 W analizie kosztów nie brano pod uwagę kosztów pracy, tj. kosztów zatrudnienia kierowców zestawów drogowych, maszynistów oraz innych osób pracujących przy obsłudze transportu kombinowanego. Wszystkie podane wartości kosztów są wartościami netto. 92

Analizę kosztów w ujęciu rocznym przedstawiono w tabeli 6.2. Tabela 6.2 Koszty w ujęciu rocznym dla przewozu 16, 24 i 38 naczep transportem drogowym i kolejowym przy założeniu 55 transportów w ciągu roku [Opracowanie własne] Przewóz 16 naczep (masa ładunku 384 t) Trasa 400 km 600 km 800 km 1000 km Transport kolejowy [zł] 1 545 191 1 773 089 2 000 987 2 228 885 Transport drogowy [zł] 1 600 576 1 941 664 2 282 752 2 623 840 Różnica [%] 3,6 9,5 14,1 17,7 Przewóz 24 naczep (masa ładunku 576 t) Trasa km 400 km 600 km 800 km 1000 km Transport kolejowy [zł] 1 762 108 2 001 116 2 240 124 2 479 132 Transport drogowy [zł] 2 400 864 2 912 496 3 424 128 3 935 760 Różnica [%] 36,2 45,5 52,9 58,8 Przewóz 38 naczep (masa ładunku 912 t) Trasa km 400 km 600 km 800 km 1000 km Transport kolejowy [zł] 2147092 2408232 2669372 2930512 Transport drogowy [zł] 3 801 368 4 611 452 5 421 536 6 231 620 Różnica [%] 77,0 91,5 103,1 112,6 W każdym z analizowanych wariantów transport kolejowy jest korzystniejszym rozwiązaniem pod względem kosztów. Najmniejszą różnicę kosztową (3,6%) stwierdzono dla przewozu 16 naczep na odległość 400 km. Dla przewozu tej samej liczby naczep na odległość 1000 km różnica na korzyść transportu kolejowego wynosi blisko 18% (rys.6.1). Rys. 6.1. Porównanie rocznych kosztów transportu 16 naczep przy założeniu 55 transportów w ciągu roku [Opracowanie własne] 93

Różnice dla przewozu 24 naczep wynoszą od 36% dla przewozów na odległość 400 km do 59% dla przewozów na odległość 1000 km (rys.6.2). Rys. 6.2. Porównanie rocznych kosztów transportu 24 naczep przy założeniu 55 transportów w ciągu roku Najbardziej korzystnym rozwiązaniem jest transport 38 naczep, gdyż różnica kosztów wynosi od 77% dla przewozów na odległość 400 km do 113% dla przewozów na odległość 1000 km (rys.6.3). Rys. 6.3. Porównanie rocznych kosztów transportu 38 naczep przy założeniu 55 transportów w ciągu roku 94

Tabela 6.3 Porównanie kosztów operacyjnych (paliwa/energii oraz dostępu do infrastruktury) w ujęciu rocznym dla przewozu 16, 24 i 38 naczep transportem drogowym i kolejowym przy założeniu 55 transportów w ciągu roku [Opracowanie własne] Przewóz 16 naczep (masa ładunku 384 t) Trasa 400 km 600 km 800 km 1000 km Transport kolejowy [zł] 455 796 683 694 911 592 1 139 490 Transport drogowy [zł] 629 376 944 064 1 258 752 1 573 440 Różnica [%] 38,1 38,1 38,1 38,1 Przewóz 24 naczep (masa ładunku 576 t) Trasa km 400 km 600 km 800 km 1000 km Transport kolejowy [zł] 478 016 717 024 956 032 1 195 040 Transport drogowy [zł] 944 064 1 416 096 1 888 128 2 360 160 Różnica [%] 97,5 97,5 97,5 97,5 Przewóz 38 naczep (masa ładunku 912 t) Trasa km 400 km 600 km 800 km 1000 km Transport kolejowy [zł] 522 280 783 420 1 044 560 1 305 700 Transport drogowy [zł] 1 494 768 2 242 152 2 989 536 3 736 920 Różnica [%] 186,2 186,2 186,2 186,2 Przedstawiony w pracy system transportu kombinowanego również wymaga zakupu naczep do transportu drogowego, co nie zostało uwzględnione w kalkulacji kosztów rocznych dla transportu kombinowanego. Podane w tabeli 6.2 wartości nie są zatem porównywalne chociaż pozwalają na ogólną ocenę kosztową rozwiązań. W celu wyeliminowania wpływu amortyzacji i kosztów związanych z serwisowaniem środków transportu w tabeli 6.3 przedstawiono kalkulację kosztów obejmującą wyłącznie koszty zmienne związane z przewozem ładunku, tj. kalkulację kosztu energii lub paliwa w zależności od typu transportu oraz kosztu dostępu do infrastruktury. Również w tym przypadku transport kombinowany okazuje się korzystniejszym finansowo rozwiązaniem. Z przeprowadzonych szacunków dotyczących kosztów wynika, że koszt operacyjny związany z przewozem naczep transportem drogowym jest o 38% wyższy niż koszt operacyjny 95

przewozu naczep transportem kolejowym dla przewozu 16 naczep i aż o 186% wyższy dla przewozu 38 naczep. 6.1.2 Analiza kosztów dla społeczeństwa Dzięki rozwojowi transportu multimodalnego polepsza się perspektywa rozwoju rynków globalnych. W przypadku Polski daje to możliwość umocnienia kraju na pozycji łącznika między Europą Zachodnią a Europą Wschodnią oraz Rosją. Z punktu widzenia klientów usług transportowych na dalekich trasach, transport kombinowany może przynosić oszczędności. Najważniejsze jednak korzyści ekonomiczne transport kombinowany generuje na poziomie makroekonomicznym, w szerokim ujęciu społeczno-gospodarczym. Korzyści te wyrażają się oszczędnościami związanymi ze zmniejszonymi kosztami zewnętrznymi oraz kosztami tworzenia infrastruktury. Koszty zewnętrzne są jednym z najważniejszych czynników, które brane są obecnie pod uwagę w ocenie poszczególnych gałęzi transportu na poziomie strategicznym czy ogólnogospodarczym, podczas gdy analiza rentowności usług decyduje o ocenie przydatności transportu dla jego użytkowników. Kosztami zewnętrznymi transportu są wszelkie koszty zużycia środków służących do wytworzenia usługi transportowej, które nie są ponoszone przez producenta usługi, ale przez ogół społeczeństwa [76]. Do kosztów zewnętrznych transportu wliczane są koszty związane z negatywnymi dla środowiska naturalnego i życia człowieka skutkami działalności transportu, do których zalicza się przede wszystkim [76,77]: zanieczyszczenie wody, gleby, powietrza, emisję gazów cieplarnianych, emisję hałasu, wypadki, kongestię, zajętość terenu i wpływ na zmiany w krajobrazie, w tym zajmowanie cennych przyrodniczo terenów i rozcinanie ich ciągłości (fragmentacja) nowo budowanymi ciągami infrastruktury technicznej, co przyczynia się do utraty różnorodności biologicznej, a także utrudnień w funkcjonowaniu dotkniętych tym oddziaływaniem społeczności. 96

Ustalając koszty zewnętrzne zanieczyszczenia powietrza, gleby i wody wlicza się przede wszystkim: koszty redukcji skażenia środowiska generowanego przez transport, koszty usuwania zniszczeń: np. odnawiania fasad budynków (zwłaszcza zabytków) czy nowych nasadzeń zniszczonych lasów, koszty leczenia osób chorujących z powodu niewydolności dróg oddechowych czy innych chorób wywoływanych przez wdychanie substancji szkodliwych, koszty zmniejszenia plonów. Koszty emisji gazów cieplarnianych związane są z zapobieganiem skutkom ocieplania klimatu lub usuwaniem tych skutków, które już wystąpiły. Są szczególnie trudne do określenia ze względu na różnorodność zależności fizycznych i globalnych rozmiarów ich wpływu oraz konieczność rozpatrywania w długoterminowej perspektywie, mając również na uwadze dobro następnych pokoleń [78]. Koszty zewnętrzne hałasu wynikają przede wszystkim ze strat społecznych, tzn.: strat produktywności człowieka powodowanych niezdolnością do koncentracji, zmęczenia, braku snu, wypoczynku - niższej wydajności, pogorszenia jakości pracy, kosztów opieki zdrowotnej. Koszty wypadków to przede wszystkim koszty akcji ratunkowych i interwencji służb policyjnych i ratowniczych oraz koszty medyczne, które nie są zwracane przez sprawców wypadków i ich ubezpieczenia OC. Ponadto obejmują one koszty strat materialnych spowodowanych przez wypadki oraz w niektórych przypadkach koszty cierpienia osób poszkodowanych. Koszty kongestii związane są ze stratą czasu osób korzystających z infrastruktury transportowej o ograniczonej przepustowości i wyceną tego czasu, który nie został wykorzystany w inny sposób. W metodologii stosowanej przez Komisję Europejską bierze się również pod uwagę koszty utraconej aktywności gospodarczej. Koszty zewnętrzne są trudne do precyzyjnego oszacowania, gdyż nie da się jednoznacznie określić kto i w jakim stopniu odpowiedzialny jest za powstałe szkody. Niektóre szkody występują ponadto z opóźnieniem, a także występują pomiędzy skutkami interakcje, zarówno pomiędzy efektami działalności człowieka (i to nie tylko wynikającymi z realizacji usług transportowych) jak i zjawiskami przyrodniczymi. Ponadto samych szkód nie da się w niektórych przypadkach wprost przeliczyć na wartość pieniężną. Wymaga to 97

opracowania metod ich wyceny w oparciu np. o gotowość do zapłaty, czy też gotowość do akceptacji. Tym samym, wybór wykorzystanej techniki, może wpływać na wartości kosztów, co z kolei budzi wątpliwości odnośnie poziomu poprawności ewaluacji [79, 80, 81]. Ponadto koszty różnią się w zależności od konkretnej lokalizacji infrastruktury transportowej oraz gałęzi transportu [79, 81]. Istnieją znaczące różnice pomiędzy występowaniem i zakresem kosztów zewnętrznych w zależności od gałęzi transportu (tab.6.4). Najważniejszym kosztem społecznym są wypadki. Dotyczy to szczególnie krajów o wysokich statystykach wypadków drogowych. W Polsce aż 71% kosztów zewnętrznych stanowią skutki ludzkie i materialne wypadków transportowych. Pozostałe 29% stanowią koszty destrukcyjnego oddziaływania transportu na środowisko, z czego: koszty zanieczyszczenia powietrza 11%, koszty zmian klimatycznych 5%, koszty hałasu 11%, inne koszty środowiskowe 2%. Szacuje się, że koszty zewnętrzne stanowią znaczną sumę wydatków nie uwzględnianych w rachunkowości podmiotów gospodarczych sektora transportu, bo sięgającą ekwiwalentu 6% PKB. Przeniesienie ładunków z transportu drogowego na transport kolejowy powoduje zmniejszenie potoku ruchu na drogach, co bezpośrednio przyczynia się do zmniejszenia kongestii w niektórych węzłach komunikacyjnych, a w konsekwencji do zmniejszenia liczby wypadków i zwiększenia bezpieczeństwa na drogach. Tabela 6.5 przedstawia całkowity rozkład kosztów zewnętrznych generowanych przy pracy przewozowej 1000 tkm w zależności od gałęzi transportu, natomiast rysunek 6.4 pokazuje poziom oszczędności związany z przeniesieniem ładunków na inne gałęzie transportu niż transport drogowy (dla transportu drogowego i kolejowego przyjęto średnie koszty kongestii). Średnia wartość kosztów zewnętrznych dla transportu drogowego wynosi 26,56 euro na 1000t/km, podczas gdy dla transportu kolejowego wynosi zaledwie 5,7 euro na 1000/tkm. Transport drogowy generuje koszty cztery i pół razy większe w porównaniu do transportu kolejowego oraz sześć do ośmiu razy większe w porównaniu do transportu wodnego. W kalkulacji kosztów uśredniono oddziaływania w zależności od rodzaju zabudowy, pory dnia i rodzaju dróg. W porównaniu do szacunków Komisji Europejskiej z 2002 roku [82] koszty zewnętrzne dla transportu towarów transportem kolejowym są niższe o 98

40%, co wynika z niższych kosztów związanych z wypadkami, hałasem i zanieczyszczeniem powietrza. Koszty zewnętrzne dla transportu drogowego wzrosły w tym samym czasie o 28%. Różnice w kosztach zewnętrznych w zależności od gałęzi transportu [83] Tabela 6.4 Wypadki Hałas Rodzaj kosztu Zanieczyszczenie powietrza Emisja gazów cieplarnianych Zajętość terenu i zmiany w krajobrazie Kongestia Transport samochodowy Wartość kosztów zewnętrznych zależy od zakresu pokrywania kosztów przez ubezpieczycieli Ścisły związek pomiędzy gęstością zaludnienia i kosztami Ścisły związek pomiędzy gęstością zaludnienia i kosztami Wszystkie gazy cieplarniane istotne. Różne koszty w zależności czy dotyczy historycznego układu dróg czy budowy nowych węzłów i dróg szybkiego ruchu Transport indywidualny powoduje kongestię zbiorową skoncentrowaną w wąskich gardłach i w godzinach szczytu Transport kolejowy Jak w transporcie samochodowym Z reguły uznawany za mniej uciążliwy od samochodowego, ale zależy to od pory dnia i częstotliwości kursowania pociągów. Wyraźne zróżnicowanie pomiędzy lokomotywami elektrycznymi i diesla Wszystkie gazy cieplarniane istotne. Biorąc pod uwagę produkcję elektryczności. Wyraźne miejscowe zróżnicowanie pomiędzy lokomotywami elektrycznymi i diesla Różne koszty w zależności czy dotyczy historycznej sieci czy budowy nowej sieci zwłaszcza dla kolei dużych prędkości Rozkładowy transport powoduje niedobory (w przyznawaniu slotów) i opóźnienia Transport lotniczy Jak w transporcie samochodowym Ściśle zależy od ruchu w porcie lotniczym i pory dnia. Należy brać pod uwagę również zanieczyszczenie powietrza w górnych częściach atmosfery Wszystkie gazy cieplarniane istotne. Nie stanowi istotnego problemu Jak w transporcie kolejowym Transport wodny Jak w transporcie samochodowym Nie stanowi istotnego problemu Zanieczyszczenia w okolicach portów są trudne do przydziału Wszystkie gazy cieplarniane istotne. Istotne dla nowych śródlądowych dróg wodnych. Koszty zewnętrzne pojedynczych wypadków mogą być bardzo wysokie (np. katastrofy ekologiczne przy wycieku ropy) Jeżeli nie ma przydziału slotów w portach/kanałach, indywidualne jednostki powodują kongestię 99

Zewnętrzne koszty globalne generowane przez różne gałęzie transportu [83, 84] Tabela 6.5 [euro/1000 tkm] Transport samochodowy (naczepy) Transport kolejowy Żegluga śródlądowa Żegluga bliskiego zasięgu Wypadki 10,2 0,2 0 0 Poziom hałasu 1,8 1,0 0 0 Zanieczyszczenie powietrza 6,7 1,1 3,6 2 Emisja gazów cieplarnianych 1,7 0,2 0,6 nieistotne Infrastruktura 2,45 2,9 1 < 1 Koszty kongestii* 0,388-7,035 0,1-0,5 nieistotne nieistotne Suma 23,24-29,89 5,5-5,9 około 4,2 około 3,0 *W zależności od rodzaju dróg i typu zabudowy Rys. 6.4. Oszczędności wynikające ze zmiany gałęzi transportowej [83, 84] Analizując całkowite koszty zewnętrzne aż 93% udziału przypada na transport drogowy, przy czym za 61% kosztów odpowiadają samochody osobowe, samochody ciężarowe za 13%, samochody dostawcze za 9%, jednoślady za 6% i autobusy za 4% [85]. Transport lotniczy generuje w UE (tylko loty wewnętrzne w ramach UE) 5% kosztów zewnętrznych, transport kolejowy 2% a żegluga śródlądowa 0,3%. Wysoki udział transportu drogowego wynika ze znaczącego udziału tej gałęzi w przewozach, a także z wysokich średnich kosztów zewnętrznych pasażerokilometra i tonokilometra. 100

Oceniając skalę kosztów zewnętrznych wypadków, najważniejszego czynnika w oddziaływaniach społecznych, okazuje się, że transport kolejowy (założenie transportu towarów pociągiem 348t) redukuje o 98% koszty wypadków na obszarach miejskich i o 91% na terenach niezabudowanych w stosunku do przewozów naczepą 33t [77]. Wykorzystując transport intermodalny można zatem ograniczyć koszty zewnętrzne związane z wypadkami o 82 do 88% w przypadku wykorzystania kolei na odcinku 90% i od 55 do 59% dla udziału kolei na poziomie 60% (tab. 6.6). Koszty generowane przez wypadki [Opracowanie własne na podstawie 77] Tabela 6.6 Transport samochodowy (naczepy) euro centy/tkm Transport kolejowy euro centy/tkm Różnica oddziaływań % Kombinowany (kolej 90%) euro centy/tkm Oszczędność kosztów Kombinowany (kolej 60%) % euro centy/tkm Oszczędność kosztów Obszary miejskie 0,92 0,02 98 0,11 88 0,38 59 Teren niezabudowany 0,23 0,02 91 0,04 82 0,10 55 % 6.2 Analiza środowiskowa 6.2.1 Analiza emisji w przeliczeniu na jednostkę energii Na potrzeby pracy dokonano autorskiej analizy środowiskowej mającej na celu porównanie uciążliwości dla środowiska transportu 38 naczep o ładowności 24 ton transportem drogowym i transportem kolejowym. Porównano dwie możliwości transportu towaru, pierwszą z nich był konwencjonalny transport drogowy naczep z wykorzystaniem ciągników siodłowych. Druga możliwość zakładała transport tych samych 38 naczep za pomocą kombinowanego transportu z wykorzystaniem opisywanego w pracy systemu transportu kolejowo-drogowego dla przewozów standardowych naczep samochodowych. Do obliczeń założono, że wagony kolejowe będą ciągnięte przez lokomotywę spalinową. Jest to bardziej uciążliwa środowiskowo wersja transportu w porównaniu z wykorzystaniem lokomotyw elektrycznych. Wyboru takiego dokonano w celu oceny maksymalnych obciążeń środowiskowych transportu kombinowanego. Przyjęto założenie, że jeden skład wykorzystuje 19 wagonów przeznaczonych do transportu naczep, na które ładuje się po dwie naczepy, co odpowiada transportowi 38 naczep drogowych, przy długości podwójnego wagonu 31,06 m i całkowitej długości składu nie przekraczającej 580 m. 101

Ocena obciążeń w transporcie drogowym zakłada wykorzystanie do transportu 38 naczep 38 ciągników siodłowych. Ze względu na bardzo zróżnicowaną strukturę wiekową ciągników siodłowych zmienną w zależności od rodzaju przedsiębiorstw transportowych przyjęto trzy warianty transportowe dla konwencjonalnego transportu naczep, które pokażą pełne spektrum rozpatrywanego problemu. Wariant I zakładał strukturę pojazdów dla typowych przedsiębiorstw transportowych, które działają na rynku od przynajmniej dwudziestu lat i w miarę możliwości wymieniają starszy tabor na nowsze ciągniki siodłowe. Wariant II zakładał strukturę wiekową ciągników siodłowych zgodną ze strukturą podawaną przez GUS (rys. 6.5), na podstawie której określono normę emisji spalin EURO dla pojazdów ciężarowych. Wariant III zakładał tabor typowy dla nowoczesnego przedsiębiorstwa inwestującego w najnowsze ciągniki siodłowe. Całościowe ujęcie składu i struktury wiekowej pojazdów przy uwzględnieniu spełnionej przez te pojazdy normy emisji spalin przedstawiono w tabeli 6.7. Wartości emisji dla analizowanych związków toksycznych spalin zamieszczone w tabeli 6.8 przyjęto zgodnie z obowiązującym standardami [86]. Rys. 6.5. Struktura wiekowa samochodów ciężarowych według danych GUS [87] 102

Tabela 6.7 Liczba ciągników siodłowych dla przyjętych 3 wariantów transportu naczep [Opracowanie własne] Liczba poszczególnych ciągników siodłowych [ ] Norma emisji spalin Wariant I Wariant II Wariant III Euro III 15 6 0 Euro IV 10 7 0 Euro V 7 10 13 Euro VI 6 15 25 Tabela 6.8 Wartości emisji poszczególnych związków toksycznych dla danych norm emisji spalin pojazdów HDV [Opracowanie własne na podstawie 86] Euro III Euro IV Euro V Euro VI CO [g/kwh] 2,1 1,5 1,5 1,5 HC [g/kwh] 0,66 0,46 0,46 0,13 NO x [g/kwh] 5,0 3,5 2,0 0,4 PM [g/kwh] 0,10 0,02 0,02 0,01 Tabela 6.9 Całkowita emisja związków toksycznych dla przyjętych trzech wariantów transportu naczep z wykorzystaniem ciągników siodłowych [Opracowanie własne] Substancja toksyczna Całkowita emisja zanieczyszczeń [g/kwh] Wariant I Wariant II Wariant III CO 66,0 60,6 57,0 HC 18,5 13,7 9,2 NO x 126,4 80,5 36,0 PM 1,9 1,1 0,5 Wyliczona i przedstawiona w tabeli 6.9 wartość emisji poszczególnych związków dla transportu ładunku z wykorzystaniem 38 ciągników siodłowych potwierdziła, że im przedsiębiorstwo ma więcej pojazdów spełniających wyższe normy emisji spalin, tym ich uciążliwość dla środowiska jest mniejsza. Do porównania uciążliwości dla środowiska naturalnego niezbędne było ustalenie wartości emisji związków toksycznych emitowanych w trakcie transportu kolejowego naczep z wykorzystaniem lokomotyw spalinowych. Doświadczenie Autora w tej tematyce i analiza 103

rynku pozwoliły na wskazanie najbardziej prawdopodobnego wariantu transportu pociągu składającego się z 19 wagonów intermodalnych, transportujących 38 naczep za pomocą lokomotyw spalinowych, których silniki spalinowe spełniały przedstawione w tabeli 6.10 wartości emisji. W celach porównawczych wskazano trzy lokomotywy spalinowe spełniające starsze normy emisji spalin: ORE B13, UIC 2003, UIC 2008 oraz dwie nowoczesne lokomotywy, których jednostki napędowe spełniały normy: Stage III oraz Stage IV. Wartości emisji na jednostkę energii przyjęto na podstawie danych zawartych w publikacji [88]. Tabela 6.10 Wartości emisji poszczególnych związków toksycznych dla danych norm emisji spalin lokomotyw spalinowych [Opracowanie własne na podstawie 88] Substancja toksyczna Całkowita emisja zanieczyszczeń [g/kwh] ORE B13 UIC 2003 UIC 2008 Stage III Stage IV CO 12,0 3,0 2,0 2,0 2,0 HC 4,0 0,8 0,5 0,5 0,5 NO x 24,0 9,5 6,0 6,0 1,0 PM - 0,25 0,20 0,20 0,20 Rys. 6.6. Porównanie wartości emisji CO przyjętych wariantów transportu drogowego z normami emisji spalin dla lokomotyw spalinowych [Opracowanie własne] 104

Rys. 6.7. Porównanie wartości emisji HC przyjętych wariantów transportu drogowego z normami emisji spalin dla lokomotyw spalinowych [Opracowanie własne] Rys. 6.8. Porównanie wartości emisji Nox przyjętych wariantów transportu drogowego z normami emisji spalin dla lokomotyw spalinowych [Opracowanie własne] 105

Rys. 6.9. Porównanie wartości emisji CO przyjętych wariantów transportu drogowego z normami emisji spalin dla lokomotyw spalinowych [Opracowanie własne] Przedstawione na rysunkach 6.6-6.9 porównanie wartości emisji związków toksycznych dla rozpatrywanych możliwości transportu 38 naczep wykazało, iż w przypadku transportu drogowego im młodszy tabor, tym mniejsza emisja związków toksycznych do atmosfery. Rozszerzając analizę o możliwość transportu tego samego towaru za pomocą transportu intermodalnego z wykorzystaniem 19 wagonów kolejowych przystosowanych do załadunku dwóch naczep każdy wykazano, iż transport kolejowy z wykorzystaniem nawet najstarszej lokomotywy spalinowej, której silnik spalinowy spełniał normę emisji spalin ORE B13 jest bardziej przyjazny dla środowiska naturalnego i wartości emisji związków toksycznych są mniejsze niż w przypadku tego samego transportu z wykorzystaniem 38 nowoczesnych ciągników siodłowych. Rys. 6.10. Różnica w emisji CO dla przyjętych wariantów transportu drogowego w stosunku do transportu kombinowanego [Opracowanie własne] 106