Pardubičtí vědci „učí“ tramvaje lépe jezdit

24. 10. 2014

Vědci z Dopravní fakulty Jana Pernera právě zakončují výzkumný projekt zaměřený na zlepšení jízdních vlastností pražských tramvají 15T ForCity. Pro výzkum si postavili i experimentální vozidlo, s nímž více jak dva roky jezdili na úzkorozchodné dráze v Mladějově, aby na něm vyzkoušeli různé řídicí algoritmy. Do vědeckého týmu patří i Ing. Petr Sýkora z katedry elektrotechniky, elektroniky a zabezpečovací techniky v dopravě, který s námi o výzkumu hovořil.

Váš výzkum je zaměřen na zlepšení jízdních vlastností nejnovějších pražských tramvají. Já jsem myslela, že jsou tyto tramvaje technicky dokonalé.

Ano, nejnovější pražské tramvaje – dodávané pod označením 15T ForCity firmou Škoda Transportation - jsou po technické stránce na špičkové světové úrovni, přesto bychom je chtěli naučit jezdit ještě o něco lépe. Nová koncepce podvozku a trakčního pohonu to umožňuje, proč toho tedy nevyužít.

Říkáte, že je v tramvaji nový druh podvozku. Co to znamená?

Tramvaj 15T má takzvaný pojezd s volnými koly. To znamená, že mezi koly, které by normálně tvořily klasickou pevnou nápravu, tedy dvě kola spojená společnou osou do dvojkolí, tato společná osa není – každé kolo je uloženo zvlášť, muže se samostatně otáčet nezávisle na kole protilehlém.

Co vedlo výrobce k použití této koncepce?

Použití pojezdu s volnými koly víceméně vyplynulo ze zadání pražského dopravního podniku, který požadoval na jedné straně tramvaj s otočnými podvozky a stoprocentně poháněnou, protože jsou tramvajové tratě v Praze poměrně kopcovité a plné ostrých oblouků, zároveň ale stoprocentně nízkopodlažní, tedy bez jediného schodu ve voze – to kvůli pohodlí cestujících. Pojezd s volnými koly umožňuje právě konstrukci nízkopodlažních podvozků – ve výšce, kde by normálně byla osa klasické nápravy, můžete mít podlahu salonu pro cestující.

A co nový druh trakčního pohonu?

Ten je také technickou novinkou. Jako trakční motory totiž škodovka použila pomaloběžné synchronní motory buzené permanentními magnety, které bylo možné díky jejich velkému momentu a malému objemu zamontovat na podvozek vně kol. Odtud pohánějí kola bez jakékoliv převodovky - jak rychle se točí rotor motoru, tak rychle se točí kolo. Díky tomu je možné velice přesně řídit silové momenty jednotlivých kol a jejich otáčky.

Zatím popisujete tramvaj v superlativech – co na ní tedy ještě chcete zlepšovat?

Drtivá většina tramvají a kolejových vozidel používá klasická dvojkolí. O chování tohoto dvojkolí se dnes ví takřka všechno: při jízdě v přímé trati se toto dvojkolí samo stabilizuje ve středu koleje, zatímco v oblouku vždy jedno kolo musí prokluzovat, což způsobuje charakteristické pískání. Naproti tomu je pojezd s volnými koly poměrně neprobádanou záležitostí. Z jeho principu ale plyne, že jej nic nenutí při jízdě po přímé trati ke stabilizaci ve středu koleje, při jízdě obloukem se ale mohou kola otáčet různými rychlostmi.

My bychom rádi tramvaj „naučili“ chovat se při jízdě v přímé trati jako vozidlo s klasickými nápravami, tedy aby došlo ke stabilizaci uprostřed koleje. Při jízdě obloukem bychom naproti tomu rádi využili vlastností volných kol ke snížení prokluzu, rádi bychom vytvořili obdobu diferenciálu jako u auta.

Tyto změny jako cestující poznám?

Pravděpodobně nepoznáte. Projevit by se to ale mělo na opotřebení kol tramvaje a kolejnic na tratích, kde tramvaje jezdí. Čím méně budou kola po kolejnicích prokluzovat, tím méně bude obojí ubývat. A to je poměrně lákavé, protože jsou jak výměny kol u tramvají, tak i opravy tramvajových tratí poměrně nákladné.

Jakým způsobem chcete uvedených zlepšení dosáhnout?

Provést jakoukoli změnu na již schváleném drážním vozidle je vždy problém, protože to znamená schvalovací řízení za účasti Drážního úřadu. Proto navrhujeme změny pouze v softwaru řídícím trakční pohon tramvaje, do „železa“ není třeba zasahovat.

Jak s tímto výzkumem souvisí vaše experimentální vozidlo?

Vyvíjet cokoliv na skutečné tramvaji, navíc v podmínkách skutečného tramvajového provozu, je, jak už jsem zmínil, velice obtížné. Nejdříve jsme tedy pro řešení našeho problému použili počítačové simulace. Ty dopadly velice slibně, chtěli jsme tedy jejich výsledky ověřit na kolejovém vozidle, na druhou stranu jsme si byli vědomi toho, že nás čeká ještě dlouhé ladění řídicích algoritmů trakčního pohonu, než bude vše fungovat tak, jak má. Řešením se ukázala stavba experimentálního vozidla, na kterém jsme mohli posléze experimentovat, jak se nám zachtělo.

Můžete experimentální vozidlo blíže popsat?

Návrh mechanické části je dílem kolegů z Výzkumného ústavu kolejových vozidel (VÚKV), v podstatě se jedná o zmenšený model jednoho podvozku tramvaje Škoda 15T ForCity postavený na rozchod 600 mm, na podvozku je uložen hlavní rám a spočívající dále na třetí běžné nápravě, na hlavním rámu je dále postavena jednoduchá vozová skříň, či spíše jen střecha.

A elektrické vybavení vozidla?

Elektrická výzbroj vozidla, která je naším dílem, sestává z baterií, trakčních motorů a z hlavního rozváděče. V něm je umístěno vše zbývající – tedy kontaktní přístroje, i polovodičové měniče a to jak pomocně, tak i trakční střídače naší vlastní konstrukce. Pro jejich řízení jsme využili regulátorů Škoda, nadřazený řídicí systém – který zajišťuje jak synchronizované řízení, tak i měření - pak běží na systému NI Compact-RIO.

Celá konstrukce vozidla je podřízena jeho účelu, tedy experimentálnímu výzkumu. Oproti skutečné tramvaji tedy umožňuje měřit mnohem více veličin – například můžeme měřit skutečné kolové síly pomocí takzvaných tenzometrických ojniček, nebo můžeme volná kola spojit spojovací hřídelí a přímo porovnávat jízdní vlastnosti s koly spojenými a rozpojenými.

I když vypadá naše experimentální vozidlo dosti zvláštně, po technické stránce snese srovnání se současnými špičkovými vozidly na železnici. Umožňuje například rekuperační brzdění, automatickou regulaci rychlosti a je vybaveno i skluzovou ochranou. Navíc jde všechno díky nadřazenému řízení poměrně jednoduše měnit a konfigurovat.

Říkáte, že má experimentální vozidlo rozchod kol 600 mm, což je dost nestandardní. Kde s ním jezdíte?

Coby zkušební trať využíváme mladějovskou úzkokolejku, což je železnice, která byla postavena v letech 1918 až 1920 jako čistě průmyslová pro odvoz uhlí a šamotového lupku z dolů na  hřebečském hřbetu do mladějovské šamotky. V této podobě fungovala až do roku 1991, dokonce i s původními parními lokomotivami v pravidelném denním provozu.  Dnes je dráha využívána coby turistická s víkendovým provozem. Přes týden však většinou trať zeje prázdnotou, čehož využíváme pro náš výzkum – můžeme si jezdit podle našich potřeb.

Zvláštností dráhy je právě rozchod pouhých 600 mm. Z toho plynou výrazně menší náklady na stavbu i provoz, čehož jsme koneckonců využili i při konstrukci našeho vozidla. Trať má navíc pro účely zkoušek výborné směrové i výškové vedení: jsou na ní jak oblouky s různými poloměry a příkrá stoupání, tak i dlouhé roviny – dá se na ní zkoušet vše, jako na velké dráze.

Když jezdily v Mladějově parní lokomotivy, předpokládám, že tam není trolejové vedení. Jak vaše vozidlo napájíte?

Jako skutečná tramvaj jezdíme na elektřinu. Tu si ale musíme – doslova sbalenou na cesty -  vozit s sebou, a to v akumulátorové baterii, která je tvořena osmi bloky trakčních olověných akumulátorů. Mimochodem, akumulátorové napájení kolejových vozidel je podle nás velice perspektivní, proto bychom rádi zaměřili naše výzkumné snahy v budoucnu i do této oblasti.

Vlak na baterky. To je opravdu možné?

Nejen, že to je dnes možné, ale není to ani žádnou novinkou. Už František Křižík na počátku 20. století jezdil s akumulátorovým vozem, například v Německu jezdily akumulátorové vozy donedávna v běžném provozu. Dnes se však na železnici s akumulátorovým vozidlem takřka nepotkáte. A to se jedná v každém ohledu o vozidlo šetrné k přírodě a z provozního hlediska velice úsporné.

Pro vysvětlení malý příklad: naše vozidlo váží přibližně 2140 kg, když s ním pojedeme z Mladějova do stanice Nová Ves a zpět, což šest kilometrů tam a šest zpět, spotřebujeme kolem 2 kWh, je to energie, kterou „sežere“ varná konvice při hodinovém chodu. Současná cena této elektrické energie je asi deset korun. Pokud bych jel stejnou trasu s motorovou drezínou, která má obdobné provozní parametry, spotřeboval bych as tři litry nafty, což je v přepočtu na peníze stovka…

Vraťme se k vašemu výzkumu. Ten nyní končí, k jakým výsledkům jste dospěli?

Při jízdách s naším experimentálním vozidlem se nám podařilo opravdu řídicí algoritmy odladit tak, že došlo objektivně ke snížení vodicích sil kol v koleji. Protože je ale naše vozidlo jen modelem, zkoušeli jsme finální verzi algoritmů v Praze na skutečné tramvaji. I tamní výsledky jsou poměrně optimistické, vodicí síly by měly klesnout až o třicet procent, což by se již na poklesu opotřebení kol i kolejnic projevit mělo.

Co bude s experimentálním vozidlem teď?

Fakultě experimentální vozidlo zůstane. Určitě jej využijeme k dalším výzkumným účelům, plánujeme se zaměřit na oblast trakční energetiky, zejména na možnosti vlastního akumulátorového napájení kolejových vozidel – jeden z kolegů v rámci svého doktorského studia plánuje nahradit stávající těžké olověné akumulátory moderními akumulátory na bázi lithia. Já pak budu zkoušet nabíjení našeho vozidla pomocí fotovoltaických panelů. Zkrátka vozidlo zůstane naší experimentální základnou.

O projektu

  • Oficiální název zní „Výzkum jízdních vlastností a řízení pohonů trakčních kolejových vozidel s nezávisle otáčivými koly“, projekt je podpořen grantem TAČR TA01030391.
  • Koncepce s volnými koly na jedné straně umožňuje stavbu stoprocentně nízkopodlažního kolejového vozidla, na straně druhé však přináší mnoho obtíží. Pomineme-li mechanické záležitosti, tedy konstrukčně náročnější podvozky, je to hlavně značný nárůst složitosti trakčního pohonu vozidla a doposud nepříliš probádané chování takovýchto vozidel při jízdě v koleji.
  • Katedra elektrotechniky, elektroniky a zabezpečovací techniky v dopravě dlouhodobě spolupracuje s firmou Škoda Electric a.s. Právě tato spolupráce vyústila ve výzkumný projekt, přičemž se na něm podílí jako další spoluřešitel i Výzkumný ústav kolejových vozidel, a.s. Řešitelem projektu na dopravní fakultě je prof. Ing. Jaroslav Novák, CSc. Do týmu vědců dále patří Ing. Ondřej Černý, Ph.D, Ing. Václav Lenoch a Ing. Petr Sýkora.

Bc. Věra Přibylová
Oddělení propagace a vnějších vztahů UPa ve spolupráci s Ing. Petrem Sýkorou z Katedry elektrotechniky, elektroniky a zabezpečovací techniky v dopravě DFJP


Přišlo vám to zajímavé? Dejte o tom vědět