Styk kuželového kola a kolejnice je kritickou oblastí, kde milimetrové rozměry rozhodují o jízdních vlastnostech mnohatunových vozidel. Liberečtí strojaři proto vyvinuli zařízení na sofistikované měření rozchodu tramvajových kolejí.
Tramvajovou dopravu začalo město Praha provozovat v roce 1875, kdy vyjela na koleje první linka koněspřežné tramvaje. První elektrická tramvaj Františka Křižíka následovala v roce 1891. Město začalo vlastní dráhu provozovat v roce 1897 a tramvajová doprava se brzy rozšířila do všech větších měst. Zájem o tento způsob městské dopravy trvá dodnes, kdy v města v tramvajové dopravě spatřují jednu z cest k řešení problémů vyvolaných stále sílící individuální automobilovou dopravou a také následují obecný trend dopravní elektrifikace. S tím jsou spojeny vyšší přepravní nároky, které jsou dány jak nárůstem městské populace, tak požadavky na vyšší jízdní komfort nebo na snižování akustického projevu. Obecně lze říci, že jde o zajištění bezpečné, hospodárné, rychlé a pohodlné osobní přepravy. Ke splnění tohoto požadavku pomůže unikátním patentem chráněná technologie měření vyvinutá v rámci vloni ukončeného projektu Technologické agentury ČR realizovaného na Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace a na Fakultě strojní Technické univerzity v Liberci (FS TUL).
Kvalitu jízdy ovlivňuje rozchod kolejí
Jedním z nejdůležitějších provozních parametrů, který má zásadní vliv na výše uvedené požadavky, je rozchod kolejí a jejich aktuální stav. Z pohledu jízdních vlastností jsou ústředním prvkem tramvají podvozky a kola. Průměr nových tramvajových kol většinou bývá v rozmezí cca 600 až 700 mm a jejich přípustné opotřebení, které má za následek pokles podvozku, bývá obvykle na úrovni zhruba 10 %. Styk kuželového kola a kolejnice je přitom kritickou oblastí, kde milimetrové rozměry rozhodují o jízdních vlastnostech mnohatunových vozidel. Asi v žádném jiném konstrukčním uzlu vozidla nepředstavují tak malé rozdíly tak velkou roli. Vlastní geometrická charakteristika profilu kolejnice i profilu kola tramvajového podvozku tvoří stěžejní faktor ovlivňující jízdní vlastnosti a akustické projevy. Podstatný je i rozchod kolejí, který vyjadřuje vzdálenost mezi vnitřními hranami kolejnic. Naše tratě mají v přímém úseku a v obloucích velkých poloměrů 1 435 mm, v obloucích menších poloměrů bývá obvykle rozchod o několik milimetrů rozšířen, aby jimi snáze tramvajové soupravy projely. Průběžný stav kolejové trati je v současné době běžně kontrolován ručními, případně manuálně pojízdnými měřidly, zatím spíše náhodně a jen na vytipovaných místech trati. Na Fakultě strojní TUL vyvinul tým Ing. Michala Starého, Ph.D., unikátní technologii měření rozchodu, případně i profilu, kterou je možné integrovat na podvozky tramvajových vozů. „Předností je jednak výrazně komfortnější automatizované měření, které je možné výrazně snadněji realizovat po celé trati, tak také způsob měření, které je prováděno přímo v oblasti pod podvozkem a trať je tak při měření pod reálným provozním zatížením,“ přibližuje novou technologii dr. Starý.
Manuální metody jsou nekomfortní a zdlouhavé
Skutečná hodnota rozchodu kolejí se měří rozchodkou. Klasická rozchodka je tvořena obyčejnou kovovou tyčí, na které jsou instalovány jazyky vymezující požadovaný rozchod. Používá se nejen pro kontrolu, ale i pro vymezení správného rozchodu při stavbě trati. Pro vymezení zvětšeného rozchodu v obloucích se k ní dodávaly sady distančních vložek. Vylepšená rozchodka je vybavena měřidlem a vodováhou pro určování převýšení v obloucích. Dalším vylepšením jsou ručně vedené pojízdné rozchodky. Novodobé rozchodky představují většinou elektronická zařízení s možností generování měřicích protokolů. Jedná se o poměrně nekomfortní a zdlouhavé měření spíše lokálního charakteru. Nevýhodou je, že měření probíhá na nezatížené trati, přičemž je zřejmé, že projíždějící mnohatunové soupravy mohou mít na vzájemnou polohu jednotlivých kolejí nezanedbatelný vliv. Oproti současným metodám měření je výhodou nové technologie vyvinuté na FS TUL to, že měřicí zařízení je umístěno přímo na podvozku tramvaje, takže se může pohybovat rychle a proměřit během krátké doby celou tramvajovou trať, a že v okamžiku měření je kolej zatěžkaná hmotností vozu nebo celé tramvajové soupravy.
Trendem jsou sofistikované metody měření
Liberečtí vědci vycházeli z toho, že moderním trendem v oblasti měření rozchodu kolejí jsou sofistikované systémy na bázi odměřovacích laserů, příp. laserů a kamer, které jsou schopny vyhodnotit rozchod, popř. i celou funkční část jednotlivých profilů kolejnic. „V praxi jsou tyto systémy využívány u vlakových tratí. Ty ale vystupují nad úroveň okolního terénu, což umožňuje vzájemnou vazbu, respektive viditelnost měřených objektů. Protože středová část podvozku vlakových vozů netvoří předěl mezi oběma stranami, je také umožněna přímá fyzická nebo optická vazba mezi odměřovacími zařízeními. Byly zde v ojedinělých případech pokusy o implementaci obdobných systémů na tramvajové trati, to ale vzhledem ke zcela odlišnému geometrickému charakteru vlakových a tramvajových tratí nevedlo k finálnímu praktickému řešení,“ říká dr. Starý s tím, že výchozím předpokladem k definování potřeb a předpokladů vyvíjeného měřicího zařízení byly odlišné geometrické charakteristiky tramvajových tratí. Unikátnost řešení spočívá podle něj právě v tom, že se dá využít na tramvajových tratích, které jsou na rozdíl od vlakových kolejnic často (především v městské zástavbě, aby splynuly s okolním terénem) zapuštěny do země a neumožňují tak (i vzhledem k hlubokému podvozku tramvaje) kon-takt mezi dvěma měřicími zařízeními.
Měření pomocí kamer a laserů
Diagnostický systém tvoří dvojice odměřovacích zařízení zrcadlově pevně uchycená na levé i pravé straně podvozku tramvaje. Pevné uchycení bylo zvoleno proto, že by případné odpružení mohlo vnášet do vzájemné polohy odměřovacích zařízení těžko identifikovatelné a kvantifikovatelné nepřesnosti. Základem odměřovacího zařízení o rozměrech 140 × 106 × 400 mm a hmotnosti cca 6,5 kg je úhlově polohovatelná kamera s objektivem a podélně polohovatelný liniový laser, přičemž laser je umístěn blíže ke kontaktnímu místu kola a kolejnice. „V souladu s experimentálními poznatky jsme zvolili konfiguraci kolmé polohy laseru na kolejnici a kamery pod úhlem. Pro přesné polohování bylo použito mikrometrických polohovacích stolů. Kamera s laserem jsou umístěny ve stejné vertikální rovině, případné doladění vzájemné pohovy obou zařízení je možné přes podložky pod sloupky, na nichž je fixován otočný stůl kamery. Kamery jsou napojeny na notebook, který má správce při sobě v tramvaji, takže na displeji vidí současně oba profily. Důležité je také spárování s GPS, protože zároveň se stavem kolejí vidí, na kterém úseku tratě se nachází,“ přibližuje novou technologii dr. Starý.
Klíčová je kalibrace
Klíčovou myšlenkou předloženého nízkonákladového řešení je kromě vlastního měřicího principu i sofistikovaný způsob kalibrace, díky kterému je možná relativně snadná instalace zařízení na tramvaje bez požadavků na komplikované manipulační nebo 3D odměřovací postupy. Pro umožnění kalibrace je zařízení vybaveno trojicí laserů pro odměřování vzdálenosti. „Přes kalibrační přípravek, který umístíme na kolejnici, ta dvě zařízení vzájemně spárujeme a dáme jim informaci, kde se aktuálně vůči sobě nacházejí,“ vysvětluje Michal Starý.
Podnět k řešení vyšel z praxe
Podnět k řešení tohoto úkolu vyšel z praxe a Dopravní podnik měst Liberce a Jablonce (DPMLJ) pro realizaci projektu vytvořil dobré podmínky. „Je to pro nás užitečné řešení usnadňující lidskou práci,“ konstatuje provozně- technický ředitel DPMLJ Ludvík Lavička. DPMLJ společně s libereckými vědci nový systém měření testoval na zrekonstruované trati z Liberce do Vratislavic při rychlosti do 25 km/h. (Tramvaje jezdí podle provozního předpisu rychlostí zatím maximálně 50 km/h). Ludvík Lavička je přesvědčen, že získané výsledky mohou být využity kromě odhalování potenciálně nebezpečných či opotřebovaných traťových úseků i v rámci dlouhodobého monitoringu k predikci zajištění bezpečnosti provozu na jednotlivých traťových úsecích. „Tím mohou posloužit k dlouhodobému plánování údržby tramvajové trati, především k zajištění finančních prostředků,“ dodává. Měření rozchodu a opotřebování kolejnic se v běžné praxi dělá hlavně kvůli bezpečnosti provozu, ale stav kolejí ovlivňuje i komfort jízdy pro cestující v závislosti na hluku a vibracích. pro bezpečnu jízdu musí mít kolej (navzájem souběžné kolejnice) určitý rozchod. Tím, že se kolejnice jízdou postupně opotřebovávají, rozchod se postupně zvětšuje. K nejzákladnějším požadavkům pro všechna kolejová vozidla patří takzvaná „bezpečnost proti vykolejení“. To je v užším slova smyslu měřitelný parametr každé tramvajové trati. Současně každé vozidlo, které se pohybuje po kolejích, musí být zkonstruované tak, aby ani za nejhorších provozně přípustných stavů koleje a vozidla nenastala situace, která by vedla k vykolejení vozidla nebo se vykolejení nebezpečně přiblížila. Aby s rostoucím opotřebováním kolejnic neklesla bezpečnost proti vykolejení, je nutné současně na vozidlech zajistit správné hodnoty rozkolí. „Vyhláškou a normou je dána určitá tolerance opotřebování, pokud by se ta hranice překročila, výrazně by se ohrozila bezpečnost proti vykolejení. V určitém momentu opotřebení je proto nutné kolejnice vyměnit. Díky měřicímu zařízení z liberecké univerzity získáme podstatně rychleji kompletní všeobecný přehled o míře opotřebení všech našich tratí. Jako provozovatel tramvajových tratí v Liberci a Jablonci jsme získali nástroj k průběžné predikci vývoje stavu kolejí, a můžeme tak rychleji kvalifikovat míru opotřebení kolejnic,“ říká Ludvík Lavička s tím, že na tratě vyjede nová technologie opět na jaře, protože zimní podmínky nejsou pro měření stavu kolejí optimální.
Častější měření
To, že má navrhované řešení perspektivu, naznačuje také fakt, že Technologická agentura ČR navrhla projekt na cenu nejlepšího projektu v jedenáctém ročníku soutěže inovativních projektů Vizionáři 2021. I když cenu liberecký tým nakonec nezískal, cení si této nominace jako uznání své výzkumné práce. Dlouhodobým vyhodnocováním průběžných záznamů lze predikovat vývoj stavu kolejnic a potřebu jejich výměny i z dlouhodobější perspektivy, a to třeba i s ohledem na roztažnost kolejí a koeficient tření při různých teplotách. Je zřejmé, že s klesajícím koeficientem tření vzrůstá bezpečnost proti vykolejení, protože se třecí síly mezi koly a kolejnicí snižují. „Víme, že na koeficient tření mají vliv i povětrnostní podmínky — zejména za mrazů, kdy je vzduch velmi suchý, takže roste koeficient tření. To se projevuje mimo jiné i zvuky emitovanými vzájemnými skluzy kol a kolejnic, což se u tramvají projevuje velmi zřetelně. Námi navrhovaný technologický postup měření je nejen komfortnější, ale umožní také navýšení četnosti měření a vyhodnocení míry opotřebení kolejí za různých klimatických podmínek. To vše bezesporu povede k zefektivnění traťového hospodářství,“ uzavírá Michal Starý. /Jaroslava Kočárková/