Výzkumný tým Petra Voltra a Tomáše Michálka

VÝZKUMNÉ OBLASTI

• mechanika pohybu kolejových vozidel – týká se energetické náročnosti dopravy, jízdních odporů, jízdních dob v kolejové dopravě (včetně vlivu brzdných křivek ETCS), problematiky tažného a narážecího ústrojí apod.;
• interakce vozidla a koleje – otázky adhezních vlastností, řízení tření v kontaktu kolo–kolejnice, poškozující účinky jízdy vozidla na kolej, opotřebení povrchů, bezpečnost proti vykolejení;
• analýza dynamického chování kolejových vozidel – zahrnuje simulační i experimentální práce za účelem hodnocení kvality chodu vozidel, bezpečnosti jízdy, účinků jízdy vozidla na infrastrukturu a potenciálních přínosů nových technologií (aktivní prvky, semiaktivní tlumiče, …);
• diagnostika vozidel a infrastruktury – cílem je hodnocení technického stavu na základě dynamických projevů při jízdě.

AKTIVITY

Experimentální výzkum adheze

Kontaktem kola a kolejnice se přenáší kromě svislého zatížení, daného tíhou vozidla, také téměř všechny síly, které určují pohyb vozidla – například síly tažné a brzdicí. Schopnost lokomotivy vyvíjet tažnou sílu je dána nejen výkonem jejích motorů, ale i mírou adheze, která umožní přenést sílu na obvod kola i bez jeho zjevného prokluzování. Předmětem výzkumu je závislost veličin charakterizujících adhezi na různých parametrech. Má to význam například pro tvorbu výpočetních modelů, rozvoj algoritmů skluzové regulace vozidel a opatření proti nízké adhezi v nepříznivých povětrnostních podmínkách. V souvislosti s tím se dnes užívá pojem „friction management“ neboli řízení tření v kontaktu kola a kolejnice.

Pro experimentální výzkum adheze využíváme zejména zkušební stav tramvajového kola, který je umístěn v laboratoři ve Výukovém a výzkumném centru v dopravě. Tento zkušební stav obsahuje kolo z tramvaje, které se odvaluje proti kladce zastupující kolejnici. V minulosti jsme realizovali mimo jiné následující výzkumy:

• měření adhezních charakteristik v přítomnosti různých znečisťujících látek;
• studium přechodových jevů tření – čištění povrchů vlivem prokluzu (viz publikace);
• podmínky nízké adheze vlivem malého množství vody v kombinaci s oxidy železa – spolupráce na mezinárodním projektu, na základě těchto měření byl vytvořen model WILAC (viz publikace);
• možnosti zvýšení adheze pomocí čištění vodou nebo suchým ledem – spolupráce na mezinárodních projektech, nyní se čištění suchým ledem nasazuje do provozu ve Velké Británii;
• ověřování metod skluzové regulace pro hnací vozidla (viz např. publikace).

Aktuálně se zabýváme měřením adhezních charakteristik při použití tuhých maziv a modifikátorů tření, abychom rozšířili poznatky doposud získávané jen na dvoukotoučovém stroji v malém měřítku a s omezenými možnostmi nastavování podmínek zkoušky

Dále se věnujeme vlivu spinu na silové poměry v kontaktu kola a kolejnice, které mají význam pro bezpečnost proti vykolejení. Předmětem našeho experimentálního výzkumu je prokázání vlivu spinu na Testovacím zařízení železničních kol a potvrzení teoretických výsledků.

Výzkum v oblasti jízdních odporů železničních vozidel

Při jízdě vlaku vznikají odporové síly, které v obecném případě působí proti pohybu vlaku a které je nutné překonávat tažnou silou hnacího vozidla, s čímž je spojená i spotřeba trakční energie. Fyzikální podstata těchto odporů je ovlivněna jak konstrukcí a technickým stavem vozidel (vozidlové odpory), tak i infrastrukturou (sklony, oblouky, tunely). Pro potřeby trakčních výpočtů (tj. výpočtů jízdních dob a spotřeby energie) se dnes využívají různé empirické vztahy, které více či méně odpovídají realitě. Rozdíly mezi teoretickými hodnotami odporů, stanovených pomocí těchto vzorců (původem z 80. a 90. let 20. století), a reálnými hodnotami odráží mj. technický pokrok, ke kterému v posledních dekádách na železnici došlo (přechod od litinových na kompozitní brzdové špalíky, používání vysoce kvalitních ložiskových jednotek, jízda po elektricky svařované bezstykové koleji s pružným upevněním a s vysokou kvalitou geometrické polohy, používání ucelených jednotek v osobní dopravě apod.).

Předmětem výzkumných aktivit v oblasti vozidlových odporů je proto zejména experimentální zpřesňování vzorců vozidlových odporů na základě zkoušek prováděných v podmínkách reálného železničního provozu. Vedle hodnocení výběhových zkoušek jde především o měření tažné síly lokomotivy při jízdě vlaku s využitím vlastní měřicí šroubovky opatřené tenzometrickým měřením síly v závěsnicích. Například v letech 2022 až 2023 tak byl s využitím těchto metod řešen úkol Správy železnic spočívající právě v aktualizaci vzorců vozidlových odporů.

Kromě toho je pozornost věnována také analýzám v oblasti vlivu oblouků a tunelů na jízdní odpor vlaku. Zde se kromě experimentů uplatňují i počítačové simulace a do řešení těchto úloh jsou formou závěrečných prací zapojováni rovněž studenti.

Počítačové simulace jízdy kolejových vozidel

Počítačové simulace jsou dnes nedílnou součástí vývoje nových kolejových vozidel, díky kterým je možné optimalizovat konstrukci vozidla již ve fázi vývoje a prověřit jeho dynamické vlastnosti ještě před stavbou prototypu. Simulační výpočty mohou být rovněž využity například při vyšetřování příčin nadměrného opotřebení či vzniku některých mimořádných událostí. V rámci aktivit výzkumného týmu je na Dopravní fakultě Jana Pernera dlouhodobě vyvíjen a neustále zdokonalován programový systém SJKV, který slouží právě k realizaci simulačních výpočtů jízdy kolejových vozidel. Tento systém je založen na principu tzv. multi-body simulací a v minulých letech byly s jeho využitím realizovány například následující výzkumné aktivity:

• vývoj motorové lokomotivy řady 744.0 CZ LOKO,
• vývoj nové metody sloužící k ověřování bezpečnosti kolejových vozidel proti vykolejení,
• vývoj nového třínápravového lokomotivního podvozku CZ LOKO pro rozchod 1520 mm,
• posouzení vhodnosti lokomotivy C30-M k provozu na finské železniční síti,
• optimalizace vypružení a uložení pohonné jednotky elektrické lokomotivy,
• posouzení účinků jízdy jednotek s naklápěcí skříní na kolej.

Simulační výpočty rovněž umožňují prověřovat potenciální přínos různých nových technologií z hlediska bezpečnosti jízdy, poškozujících účinků jízdy vozidla na kolej či jízdního komfortu. V rámci řešení některých výzkumných projektů je tak pozornost věnována například hodnocení přínosu aktivního natáčení dvojkolí v obloucích či použití semiaktivně řízených hydraulických tlumičů vypružení.

Právě v oblasti semiaktivně řízených tlumičů pro kolejová vozidla spolupracujeme s kolegy z VUT v Brně a se Strojírnou Oslavany na vývoji řídicích algoritmů pro rychlé magnetoreologické tlumiče. Ve spolupráci s VÚKV Praha, VZÚ v Plzni a s Českými drahami byl v roce 2024 semiaktivní systém tlumení sekundárního vypružení odzkoušen na elektrické jednotce 10Ev (InterPanter) v provozu na tratích v okolí Brna. Předpokládané přínosy nového systému, predikované s využitím simulačních výpočtů, tak byly experimentálně ověřeny na reálném vozidle.

Doprovodnou činností je experimentální zjišťování charakteristik některých prvků vypružení (flexi-coil pružiny, hydraulické tlumiče, táhlové a narážecí ústrojí…) na dynamickém zkušebním stavu Dopravní fakulty Jana Pernera, které umožňuje využívat v simulacích reálné charakteristiky těchto prvků.