Prohlášení
Prohlášení Prohlašuji tímto, že jsem diplomovou práci na téma: Design elektrické lokomotivy zpracoval sám, pouze s využitím pramenů v práci uvedených.
Poděkování
Poděkování Děkuji tímto vedoucímu mé diplomové práce ak. soch. Miroslavu Zvonkovi ArtD. za připomínky a nápady, které mne vedly k řešení této práce. Také bych chtěl poděkovat lidem, kteří mi věnovali svůj čas při konzultacích a nejvíce svým kolegům a přátelům za jejich pomoc a podporu. Děkuji všem pedagogům, kteří mě vedli studiem na VUT FSI a zvláště těm z odboru Průmyslového designu a panu Molíkovi za jeho ochotu vždy pomoci. Děkuji především svému otci za mnoho podnětných rad z oboru a celé své rodině, že mi umožnila vystudovat vysokou školu.
Anotace
Anotace Lokomotiva je určena pro vozbu vlaků vyšší kategorie a rychlíků, stejně jako rychlých nákladních vlaků. Její trakční výzbroj určuje její použití pro vozbu vlaků na tratích celostátních a regionálních na území České republiky a koridorech Evropské unie, elektrizovaných systémy 3 kVss, 25 kV/50 Hz a 15 kV/16,7 Hz. Lokomotiva je řešena jako skříňová s rozměry podle normy UIC 505.1. Kabiny jsou provedeny jako tlakotěsné a jsou vybaveny klimatizací. Skříň lokomotivy je uložena na dvou dvounápravových podvozcích s individuálním pohonem dvojkolí. Čtyři trakční motory jsou asynchronní třífázové, jejich jmenovitý výkon na hřídeli motoru je 4 x 1 600 kW. Řízení lokomotivy, hlavních i pomocných pohonů je procesorové a umožňuje násobné řízení dvou spřažených lokomotiv z jednoho stanoviště lokomotivy nebo z řídicího vozu.
Annotation The locomotive is primarily intended for passenger trains of higher category and Fast Freight trains as well. Its traction equipment designates utilization on the country wide tracks of the Czech Republic as well as the corridors of the European Union which are electrified by 3 kVdc, 25 kV/50Hz and 15 kV/16,7 Hz. The locomotive is designed in a box frame with measurements in accordance with norm UIC 505.1. The cabins are made pressure proof and are equipped with air-conditioning. The body of the locomotive is stored on two two-axle bogies with individual drive for axle. Four traction motors are asynchronous three-phase, their rated output on the engine shaft is 4 x 1 600 kW. Control of the locomotive and of main as well as auxiliary drives is controlled by a processor and allows multiple control of two coupled locomotives from one locomotive stand or driving vehicle.
Obsah
Obsah Zadání................................................. 3
4. Použitá literatura............................37
Prohlášení............................................5
5. Přílohy...........................................39
Poděkování...........................................7 Anotace...............................................9 0. Úvod..............................................13 1. Designérská část.............................14 1.1 Vývoj návrhu.................................15 1.1.1 Tvarové řešení............................16 1.1.2 Řešení vstupních dveří................22 1.1.3 Návrh hyg. koutku......................23 1.2 Ergonomické řešení.......................24 1.2.1 Vstup do lokomotivy....................24 1.2.2 Dispoziční řešení stanoviště strojvedoucího..............................................24 1.2.3 Řešení ovladačů a sdělovačů na řídícím pultu.........................................26 1.2.4 Dispoziční řešení hyg. koutku..... 27 2. Technická část................................ 28 2.1 Uspořádání lomotivy......................28 2.2 Elektrická část...............................29 2.3 Pneumatické a brzdové obvody.......31 2.4 Pojezd..........................................31 2.5 Bezpečnost...................................32 2.6 Řídící systémy............................... 33 3. Závěr..............................................35 11
0. Úvod
0. Úvod Tématem mé diplomové práce je návrh designu elektrické lokomotivy. Téma spojené s železniční dopravou jsem si zvolil, nejen protože mám blízký vztah k železnici, ale také z důvodů ekonomických a ekologických. Železniční doprava má daleko nižší energetické nároky v porovnání s dopravou silniční, což jí dává předpoklady ekonomické konkurenceschopnosti i na kratší vzdálenosti. Železniční doprava je mnohem bezpečnější, méně citlivá na vlivy počasí, charakterem provozu může být mnohem spolehlivější, pohodlnější a příjemnější v přepravě osob než autobus i osobní auto, takže může lépe zajišťovat alespoň část cest za prací, do škol a za službami, které nejsou v místě bydliště. Železniční doprava má ve vztahu k přepravním výkonům podstatně nižší negativní vlivy na životní prostředí než doprava silniční. Železnice potřebuje k přemístění stejného množství zboží ve srovnání se silniční dopravou nejmenší zábor pozemků, spotřebuje méně energie, způsobuje méně exhalací a méně hluku. Mým cílem bylo navrhnout univerzální elektrickou lokomotivu, pro použití ve vozbě expresních a rychlíkových vlaků vyšších tříd a rychlých nákladních vlaků při rychlostech do 200 km/h. Lokomotivu, jejíž design nebude podléhat krátkodobým trendům, a který bude specifický a rozeznatelný na první pohled narozdíl od většiny dnešních lokomotiv a tažných jednotek. Lokomotivu, jejíž interiér bude co možná nejvíce přizpůsoben obsluze ve všech možných ergonomických a fyziologických požadavcích. Při řešení návrhu byly brány v potaz veškeré znalosti z železniční dopravy a techniky nastíněné v první části diplomové práce – seminární práci.
13
1. Designérská část
1. Designérská část Design lokomotiv se již od prvopočátků parostrojního provozu striktně odvíjel od tvaru parního kotle a na něm napojené strojvůdcovské budky. Tento princip v přeneseném významu platí i pro dnešní moderní elektrické i motorové lokomotivy. Dnešní elektrické lokomotivy jsou koncipovány většinou jako skříňové s dvěmi stanovištěmi strojvedoucího na obou koncích stroje. Tato koncepce nenabízí příliš mnoho prostoru pro jakékoliv tvarování skříně. Proto se téměř jediná možnost, jak odlišit lokomotivu od lokomotivy konkurenční firmy, skýtá v tvarování čela lokomotivy, potažmé celé kabiny strojvedoucího. Lokomotivy jsou omezeny samozřejmě také rozměrově normami Mezinárodní železniční unie UIC 505.1. Jedničkou na světovém trhu v oblasti kolejové dopravní techniky je kanadská společnost Bombardier Transportation, jež spolupracuje s nespočtem firem po celém světě, mimo jiné i s plzeňskou Škodou Dopravní technikou. Podíl Bombardieru na celosvětovém trhu tvoří 32%, není tedy divu, že společnost jde cestou takzvaných COP a cup lokomotiv. Lokomotivy jsou standardizovány buď podle COP (Country packages) tzn. národního provedení, nebo cup (customer packages) tzn. zákaznických provedení. Díky této standardizaci se namísto separátních typů lokomotiv nyní vyrábějí základní varianty lokomotiv s velkým množstvím stejných komponentů. Tento přístup jednak ekonomicky zvýhodňuje samotnou výrobu a také přináší nezanedbatelné úspory pro samotné dopravní společnosti v oblasti zásobování náhradními díly i údržby. Mezi další výhody patří jednotná obsluha lokomotiv, dokumentace, školení, kratší dodací lhůty a zkrácení schvalovacích procesů. Nevýhodou je však jistá uniformita vyrobených lokomotiv, které se díky rozšíření společnosti Bombardier Transportation prodávají ve většině evropských zemí. Tímto přístupem se jistě ztratí jistá národní „železniční“ identita v zemích, kde byla výroba lokomotiv tradicí.
1.1 Lokomotiva řady 185 vyrobená koncernem Bombardier Transportation [18]
14
1.2 Lokomotiva Taurus 1216 vyrobená koncernem Siemens [18]
1. Designérská část Elektrickou lokomotivu jsem se od počátku snažil navrhnout tak, aby její tvarového řešení bylo odlišné od dnešních lokomotiv, které jsou v mnohých případech k nerozeznání. Jednoduchá tvarová řešení mají jistě své ekonomické důvody, kterými jsem se při této práci naštěstí zaobírat nemusel. Při návrzích jsem kladl důraz na pohodlí obsluhy, její bezpečnost a v neposlední řadě na hygienické a sociální podmínky, kterým se v dnešních lokomotivách mnoho prostoru neposkytuje. Předpokládané využití lokomotivy je při vozbě rychlíkových a expresních dálkových vlaků vyšších tříd (IC/EC/SC) a rychlíkových nákladních vlaků na tratích České republiky a také většiny tratí Evropských.
1.1 Vývoj návrhu Při návrhu řešení designu lokomotivy jsem přejal koncepci tvaru z mého předdiplomového projektu – vize lokomotivy s jaderným pohonem. Jaderná lokomotiva vycházela z konceptu parních lokomotiv, neboť v přeneseném významu fungovala totožně, jen namísto kotle k ohřívání kapaliny využívala jaderný reaktor. A tak jako u parních lokomotiv, byla spodní část tvořena masivním rámem, na němž byl posazen válcový kotel, tak měly obě varianty jaderné lokomotivy rám s vysokými stěnami, do nichž byla vložena lokomotivní skříň se strojovnou s reaktorem a dalšími zařízeními. Tvarové řešení ještě nebylo stoprocentní, ale s hrubým návrhem tohoto netradičního spojení rámu s lokomotivní skříní jsem byl spokojen.
1.3 Vize jaderných lokomotiv - předdiplomní projekt
15
1. Designérská část 1.1.1 Tvarové řešení (1) Jeden z prvních návrhů lokomotivy ještě s klasickým uspořádáním dnešních lokomotivních skříní. I když jsem v tomto směru dále nepokračoval, některé prvky tohoto tvaru skříně se ukázaly výhodné pro další použití.
1.4 Skica
(2) V dalším z návrhů jsem se pokusil experimentovat s výraznějším rozšířením a optickým oddělením části lokomotivní skříně. Toto řešení exteriéru stále nebylo přesně to, co jsem hledal, ale stejně jako předchozí skica, posloužila i tato v dalším procesu navrhování.
1.5 Skica
(3) V dalším návrhu jsem zašel ještě dál a oddělil celou spodní část, tedy hlavní rám, od lokomotivní skříně, stejně jako to bývalo běžné u parních lokomotiv v případě rámu a kotle. Tento návrh mne přivedl na myšlenku oživení tvarového konceptu parní lokomotivy v moderním využití. Původní záměr předdiplomové práce byla vize elektrické lokomotivy, nicméně z tohoto nápadu logicky vzešlo spojení konceptu parních lokomotiv s moderní vizí jaderného stroje. Začal jsem tedy pracovat na resuscitaci a modernizaci tvarových řešení parních lokomotiv.
16
1. Designérská část
1.6 Skica
(4) Jeden z prvních návrhů s masivním rámem přecházejícím do vnější skříně lokomotivy, do které je vsazena vnitřní skříň. Tato zajímavá a ojedinělá verze sestavení exteriéru lokomotivy mne zaujala, a rozhodl jsem se pokračovat v návrzích právě tímto směrem. Když byl tento hrubý základ hotov, byl nutný posun dalšího řešení tvaru také s ohledem na estetické vyznění spojení lokomotivy s vlakovou soupravou, jelikož budou za lokomotivu povětšinou zapojovány vozy s kolmou čelní stěnou.
1.7 Skica
(5) Na dalším návrhu je patrná kolize dveří, vnitřní a vnější skříně, která je zapříčiněna nedostatečnou výškou bočnic vycházejících z rámu a nynějšího nepraktického umístění dveří na lokomotivách. Spodní práh dveří bývá ve výšce 150 – 160 cm, což ani nijak neulehčuje nastupování a vystupování obsluhy. Rozhodl jsem se tedy zaměřit na možnost co možná největšího snížení dveří, a tedy i usnadnění práce strojvedoucích. Ač s nevyhovujícím umístěním vstupních dveří na stanoviště obsluhy, stal se tento návrh základem pro jednu variantu jaderné lokomotivy.
1.8 Skica
17
1. Designérská část (6) Druhá z variant jaderné lokomotivy. Jelikož šlo víceméně o vizi, nezabýval jsem se do detailů problémy s pozicí vstupních dveří, rám lokomotivy byl mnohem vyšší než na předchozím návrhu. Stejně tak celá lokomotiva dosahovala o něco větší výšky než běžné evropské stroje, což nebylo na škodu, neboť nebyla určena pro tento typ trhu.
1.9 Jedna z variant vize jaderné lokomotivy
(7) Jen pro ukázku přidávám i tuto skicu jaderné lokomotivy, jde o první variantu, která se ještě více přiblížila konceptu parních lokomotiv umístěním kabiny strojvedoucího až za „kotel“ s jaderným reaktorem.
1.10 Skica
(8) Výsledná podoba první varianty jaderné lokomotivy sestávající ze dvou stejných částí, pro usnadnění jízdy oběma směry. V jednom díle byl umístěn malý Pebble-Bedův modulární jaderný reaktor o výkonu 10 MW, v druhém elektrická trakční a chladící výzbroj, uprostřed byly propojené kabiny strojvedoucího, pod nimiž se nacházely nádrže s heliem, který fungoval jako chladící medium.
18
1. Designérská část
1.11 Jedna z variant vize jaderné lokomotivy
(9) Po skončení práce na předdiplomovém projektu jsem pokračoval v návrzích skříňové elektrické lokomotivy. Tato skica je jakousi symbiózou návrhů (2) a (5), znázorňuje pokus o umístění vstupních dveří do bočnic vnější skříně, aniž by zasahovaly do prostoru vnitřní části lokomotivní skříně. Další návrhy pokračovaly více dynamičtější cestou.
1.12 Skica
(10) Další z návrhů na první pohled působil zajímavě, nicméně tvar lokomotivní skříně se opticky rozpadal, neudržoval soudržnost a ani v praxi by nenabyl žádného významu, nemluvě o aerodynamickém hluku, jež by jistě sehrál výraznou negativní roli.
1.13 Skica
19
1. Designérská část (11) Následně jsem vytvořil několik dalších návrhů, které působily dynamicky při zachování kompaktnosti kombinacee vnějších a vnitřních lokomotivních skříní.
1.14 Skica
1.15 Skica
(12) Při převedení několika návrhů do hrubých 3D modelů jsem se rozhodl pokračovat v práci na třetí variantě. Ze všech tří návrhů vypadala sestava hlavního rámu se stěnami a lokomotivní skříně nejkompaktněji, také bočnice vnější skříně hned na první pohled dávaly dostatek prostoru pro umístění vstupních dveří do kabiny strojvedoucího bez toho, aby zasahovaly do prostoru vnitřní skříně.
1.16 Hmotová řešení
20
1. Designérská část (13) Ropracovaná varianta lokomotivy. V této fázi byly pevně určeny tvary návěstních světlometů, čelního okna a umístění dveří (viz. 1.1.2 Řešení vstupních dveří). Po konzultacích došlo ke změně tvaru přístupových krytů k trakčnímu transformátoru ve střední části lokomotivy a změně dálkových světlometů nad kabinou.
1.17 Rozpracovaný model lokomotivy
(14) Téměř hotový návrh lokomotivy. Došlo ke změně tvaru vykrojení prostoru pro podvozek, aby více odpovídal linii střechy a střední části lokomotivní skříně. Původně zamýšlené střešní přívody vzduchu jsem umístil na boční stěny střešní části skříně lokomotivy. Tyto jsou nyní řešeny systémem rolet, narozdíl od bežně používaných mřížek. Také byl usnadněn přístup k transformátoru rozdělením krytu na čtyři stejné části.
1.18 Model lokomotivy
21
1. Designérská část 1.1.2 Řešení vstupních dveří Jeden z prvních problémů, které bylo třeba řešit, bylo umístění vstupních dveří na stanoviště strojvedoucího. Jelikož jsem se práh dveří snažil umístit blíže k zemi pro snadnější nastupování a vystupování, bylo nutné řešit interiér současně s exteriérem. Většina dnešních lokomotiv má dveře umístěny ve výšce 150 – 160 cm od země. Strojvedoucí tedy při každém nastupování a vystupování musí lézt do této výšky po žebříku, aby se dostal na úroveň podlahy stanoviště. Mé řešení spočívalo ve snížení dveří na úroveň 55 – 60 cm, což je výška nových nástupišť na rychlostních koridorech. Do lokomotivy se tedy pohodlně nastoupí jak z nástupiště, tak z kolejiště, kdy je třeba do dveří překonat pouhých 60 cm. Se snížením dveří se však nesnížila podlaha kabiny lokomotivy, bylo tedy nutné dořešit výškový rozdíl obou míst. Pokud by na stanoviště od nízkých dveří vedly schody s krajní mezí sklonu 45°, otvor v podlaze, který by vznikl jejich použitím, by byl neúnosně velký. Proto jsem namísto schodů použil stupačky s úhlem sklonu 70°. Stupačky vedoucí do lokomotivy vytvořily v podlaze otvor menší, nicméně se stále velkými prostorovými nároky (50 x 60 cm), pokud by do stanoviště byl vstup možný z obou stran. Rozhodl jsem se tedy dveře do kabiny umístit pouze z levé strany ve směru jízdy, jak je tomu u některých evropských lokomotiv. Kabina na opačném konci lokomotivy je vybavena stejně, vstup do lokomotivy je tedy možný z obou stran.
1.19 Pohled na vstup do lokomotivy
Otvor v podlaze nicméně stále představoval nebezpečí pro posádku, jež by se mu musela obratně vyhýbat v už tak stísněném prostoru. Toto nebezpečí bylo odstraněno speciální konstrukcí dveří, jejichž součástí je sklápěcí kryt na otvor. Při postupném otevírání dveří, které se vysouvají směrem z lokomotivy, dochází k otevírání krytu ve smyslu zvedání padacího mostu. Ve chvíli, kdy je kryt odklopen v maximální pozici a je zapuštěn do těla dveří, odsunou se dveře doprava, směrem k čelu lokomotivy. Tento směr otevírání dveří jsem zvolil z jediného praktického důvodu, pokud by mělo dojít ke kolizi a strojve22
1. Designérská část doucí by se rozhodl lokomotivu opustit za jízdy, mohl by se o otevřené dveře zachytit při vyskakování například oděvem.
1.20 Princip otevírání vstupních dveří
1.1.3 Návrh hygienického koutku Další změnou oproti dnešním běžným lokomotivám je uspořádání interiéru skříně lokomotivy. Skříňové lokomotivy mají skříň rozdělenou příčkami na tři části, dvě stanoviště strojvedoucího a strojovnu. V těchto prostorách není mnoho místa, nezřídka žádné, věnováno sociálnímu zařízení a hygienickému koutku. Důležitost těchto prostor je nezpochybnitelná především při jízdě, kdy strojvedoucí stráví během dvanáctihodinové směny většinu času na lokomotivě.
1.21 Řešení WC a umývárny
Mnou navrhovaná lokomotiva má skříň rozdělenou na čtyři části, dvě stanoviště strojvedoucího, strojovnu a výše zmiňovaný hygienický koutek se sociálním zařízením. Při příchodu ze stanoviště strojvedoucího nebo ze strojovny se obsluha dostává do „komory“, kde na jedné straně má volný prostor se skříňkou s integrovaným elektrickým vařičem, malou chladničkou a prostorem pro různé nádobí nebo potraviny. 23
1. Designérská část Na straně druhé je stěna s dveřmi vedoucími na WC spojené s umývárnou. Jako základ této místnosti jsem použil kombinaci vysouvatelného WC, umístěného pod umyvadlo, použité v jedné z mých semestrálních prací z předmětu Atelier – experimentální design. Odpad z klozetu ovšem nevede přímo do kolejiště, jak je to obvyklé u osobních vagónů, nýbrž do odpadní jímky umístěné pod komorou. Jak je známo, ve chvílích, kdy vlak stojí ve stanici, je používání WC zakázáno. Neporušení tohoto pravidla během služby by pro strojvedoucího bylo jistě záludným oříškem.
1.2 Ergonomické řešení Při návrhu elektrické lokomotivy bylo nezbytné pohlížet na ergonomické nároky především při práci na těchto částech: - vstup do lokomotivy, - dispoziční řešení stanoviště strojvedoucího, - řešení ovladačů a sdělovačů na řídícím pultu, - dispoziční řešení hygienického koutku.
1.2.1 Vstup do lokomotivy Jak bylo popsáno již v předchozí kapitole Řešení vstupu do lokomotivy (1.1.2), řešil jsem problém vstupních dveří do lokomotivy s novým přístupem. Světlost dveří je 60/200 cm. Jsou umístěny ve výšce 60 cm nad temenem kolejnice, k jejich snadnějšímu dosažení slouží madlo po pravé straně dveřního otvoru a stupačka ve výšce 35 cm od temena kolejnice. Od rámu dveří dále do lokomotivy pokračují tři stupačky pod sklonem 70°, každý stupeň stupačky je vysoký 25 cm a hluboký 21 cm. V tomto prostoru se může obsluha přidržet madla, které jde ve stejném sklonu jako stupačky po zadní stěně stanoviště strojvedoucího. 1.2.2 Dispoziční řešení stanoviště strojvedoucího Stanoviště strojvedoucího je v nejširším bodě široké 250 cm, v nejužším 220 cm. Od zadní stěny k začátku řídícího pultu je 150 cm volného prostoru (při zasunutých sedadlech). Pokud jsou sedadla vysunutá do maximální polohy směrem k zadní stěně, je kolem ní pomyslná ulička široká 70 cm. Strop kabiny je umístěn ve výšce 200 cm. Ve stropě jsou umístěny dva zdroje světla a uprostřed je místo sloužící k výměně dálkových světel lokomotivy. V zadní stěně stanoviště strojvedoucího jsou uprostřed umístěny dveře pro vstup do hygienického koutku potažmo do strojovny. Tyto dveře mají světlost 60/190 cm a otevírají se směrem z kabiny do strojovny. Čelní okno začíná ve výšce 103 cm a končí ve výšce 180 cm od podlahy stanoviště. 24
1. Designérská část K řídícímu pultu jsou posazena dvě sedadla. Levé, sedadlo strojvedoucího a sekundární druhé, menší sedadlo. Obě sedadla jsou přidělána ke kolejnicím vedoucím v podlaze stanoviště, takže s nimi lze snadno posouvat vpřed i vzad. Vedlejší, pravé sedadlo lze při maximálním sklopení zádového opěráku zasunout úplně pod řídící pult tak, že na stanovišti nezabírá žádné místo. Výška hlavního sedadla je nastavitelná, základní poloha sedáku je ve výšce 50 cm nad podlahou kabiny. Ruční opěrky jsou ve výšce 20 cm od sedáku a lze je sklápět, stejně jako zádové opěráky hlavního i vedlejšího sedadla. Nožní opěrka, která vychází z řídícího pultu je stejná na místě strojvedoucího i spolujezdce, její nejvyšší bod je ve výšce 16 cm, nejnižší v 5 cm a má optimální sklon pro další umístění nožních ovladačů. Řídící pult je skloněn pod úhlem 7° a jeho horní deska začíná ve výšce 77 cm. Na místě strojvedoucího je vykrojen do oblouku pro lepší dosah na všechny ovladače. Z pultu vychází ve zhruba ve vzdálenosti 30 cm trojdílná deska se třemi dotykovými displeji a dalšími ovladači. Tato funkční deska je pod úhlem 80° a je dobře krytá proti dennímu světlu, které by na displejích způsobovalo nepříjemné odlesky a mohlo by také zapříčinit nečitelnost podávaných informací. Je důležité, aby strojvedoucímu nepřekáželo nic v zorném poli pro viditelnost drážních signálů. Toto zorné pole se rozprostírá v úhlu 15° nad a pod osu pohledu sedícího strojvedoucího. Při použití výše popsaného řídícího pultu v kombinaci s hlavním sedadlem a čelním oknem je tato podmínka dodržena.
1.22 Rozměry stanoviště strojvedoucího
25
1. Designérská část
1.2.3 Řešení ovladačů a sdělovačů na řídícím pultu Řídící pult jsem pomyslně rozdělil na tři části - střední, levou a pravou. Na střední části jsou umístěny nejdůležitější ovladače pro řízení lokomotivy. Je to pět pákových ovladačů, tři na levé straně a dva na pravé. Levé pákové ovladače slouží k nastavení směru jízdy lokomotivy, její uvedení do pohybu a nastavování rychlosti. Pákové ovladače na pravé straně jsou dva a oba slouží k ovládání brzd - jeden k řízení elektrodynamické brzdy, druhý k ovládání brzdy vlakové. Ve střední části mezi pákovými ovladači je v pultu vodorovné vybrání, které slouží strojvůdci k umístění jízdního řádu nebo jiných důležitých dokumentů. Za tímto prostorem je pás ovladačů, které jsou po pákových ovladačích používány nejčastěji. Jsou to ovladače pískování, reflektorů, spínače osvětlení jízdního řádu, kabiny, vlaku a ovladače dveří vlaku. V levé části řídícího pultu je prostor pro ovladače kompresorů, ventilátorů, sběračů, a dalších. Na této straně je také umístěn hlavní vypínač. Na pravé straně řídícího pultu je vedle pákových ovladačů brzd prostor pro spínače pomocných brzd.
1.23 Manipulační prostor a zorné pole: Nejtmavší šedá udává zorný úhel, světlejší úhel zřetelného vidění a nejsvětlejší šedá binokulární zorné pole. Světle zelená představuje normální pracovní prostor, zatímco tmavě zelená optimální pracovní prostor.
26
1. Designérská část Funkci sdělovačů obstarávají tři dotykové LCD displeje na trojdílné funkční stěně. Na hlavním panelu se během jízdy zobrazují nejdůležitější údaje jako aktuální rychlost soupravy, brzdná nebo tažná síla lokomotivy, grafické informace o stavu lokomotivy, zabezpečovacím systému a případných poruchách některého ze zařízení. Na pravém displeji jsou zobrazovány informace o provozních a diagnostických stavech, jako zobrazení trakčního napětí a proudu, stav trakčních motorů a tlak vzduchu v potrubí, vzduchojemech a brzdových válcích. Na třetím, levém displeji se zobrazují podružnější informace, mapa tratě, teplota v kabině a venku, čas, jízdní řád, atd. V případě poruchy jednoho z displejů jiný samozřejmě dokáže přebrat jeho funkci. Displeje jsou dotykové, slouží tedy také jako ovladače k podružnějším systémům a usnadňují přepínání zobrazování jednotlivých informací. Na kterémkoliv z displejů je také možné sledovat obraz snímaný některou z kamer na lokomotivě. Kamerový systém sestává ze čtyř kamer nahrazujících zpětná zrcátka a ze dvou kamer sledujících spřáhla. 1.2.4 Dispoziční řešení hygienického koutku Hygienický koutek sestává ze dvou oddílů. Z kuchyňky, která je otevřená do prostoru a WC s umývárnou, které jsou za stěnou a dveřmi. Dveře do umývárny mají světlost 60/190 cm, jsou umístěny v levé části stěny a otevírají se směrem do kuchyňského koutku. Umývárna má rozměry 80 x 100 cm, skříňka s integrovaným umyvadlem a výsuvným WC je umístěna u kratší stěny koutku a má hloubku 40 cm. Obsahuje také několik menších polic, do kterých lze umístit například toaletní potřeby. Kuchyňský koutek je o poznání větší, neboť není za stěnou. Jeho rozměry jsou tedy 160 x 100 cm a u jeho kratší stěny je opět umístěna skříňka s integrovaným elektrickým vařičem a malou chladničkou pro uchovávání potravin. Na stěně sousedící se stanovištěm strojvedoucího je upevněna sklápěcí sedadlo, například pro případ delší přípravy pokrmu. Výška stropu v tomto hygienickém koutku je stejná jako na stanovišti strojvedoucího, tedy 200 cm.
27
2. Technická část
2. Technická část Elektrická lokomotiva je typem lokomotivy, který především na hlavních tratích zcela vytlačil lokomotivy dieselové a parní. Důvody jsou především ekonomické a ekologické, nicméně v našich zemích hrála významnou roli také snaha o co nejmenší závislost na dovozu ropy v poválečném období. V současné době existuje celá řada různých typů elektrických lokomotiv, které se liší napájecí soustavou, typem motoru a regulací jeho pohonu, hmotností, výkonem, převodem (lokomotivy určené pro rychlíky mají větší převod, než lokomotivy určené pro nákladní vlaky), provozními podmínkami apod. Elektrická lokomotiva (s výjimkou akumulátorových lokomotiv) potřebuje ke svému provozu přívod elektrické energie, který je zajišťován pomocí napájecí soustavy. Protože existuje několik typů napájecích soustav, existují i různé typy elektrických lokomotiv, které se liší tím, pro jaké napájecí soustavy jsou konstruované. Tato lokomotiva je navrhována jako vícesystémová, tedy pro přepravu vlaků po tratích s různými soustavami.
2.1 Uspořádání lokomotivy Lokomotiva byla o počátku navrhována jako skříňová. Tedy skládající se z rámu lokomotivy, skříně a podvozků. Hlavní skříň lokomotivy sestává z hlavního rámu, vnější skříně a vnitřní skříně, která přechází ve střechu. Hlavní část rámu lokomotivy tvoří dva podélníky a dva čelníky. Mezi čelníky jsou navařeny dva další upravené a zpevněné příčníky s otočným čepem a několik dalších jednoduchých příčníků. Na rám jsou k podélníkům a příčníkům přivařeny úchyty pro zavěšení trakčního transformátoru a akumulátorové skříně. Přímo na rámu je umístěna podlaha z tvarovaného plechu, který je navařen na příčníky a podélníky. Narážecí a tažná ústrojí jsou umístěna do čelníků hlavního rámu. Na podélníky hlavního rámu je také navařena kostra vnější skříně lokomotivy, na níž jsou přimontovány bočnice. Interiér hlavní skříně lokomotivy je rozdělen na čtyři části. Dvě stanoviště strojvedoucího, strojovnu a hygienický koutek obsahující toaletu, umývadlo, ohřívač vody, vařič, chladničku a lékárničku. Stanoviště strojvedoucího jsou tvořena dvěmi bočními stěnami, nízkou částí čelní stěny a stropem, přecházejícím do čelní stěny s oknem kabiny. Tato konstrukce je provedena jako svařovaná příhradovina opláštěná plechem, čímž zajišťuje kabině dostatečnou tuhost v případě nehody. Kabiny strojvedoucího jsou navrženy jako tlakotěsné, vybavené klimatizací a odhlučněné. Čelní okno na stanovišti je zaskleno bezpečnostním vrstveným sklem, vybaveným plošným ohřevem. Sklo je vlepeno do rámu, který je namontován do čelní stěny kabiny. Je důležité, aby se na čelním skle neodrážely rušivé světlené zdroje z vnitřku i vnějšku kabiny a aby sklo nezkreslovalo výhled ven. Každé ze stanovišť má jedny dveře na levé straně lokomotivy ve směru jízdy, které se otevírají automaticky s pomocí 28
2. Technická část hydraulického systému lokomotivy. Při blížící se kolizi se po stisknutí nouzového tlačítka dveře otevřou za pomoci veškeré síly stlačeného vzduchu ve vzduchojemu. Uprostřed zadní stěny kabiny jsou umístěny dveře vedoucí do strojovny, popřípadě do hygienického koutku, v případě nehody mohou také sloužit jako únikový východ (dle směrnice Českých drah. Nicméně většina strojvůdců raději při nehodě vyskakuje z lokomotivy, než aby dala svůj život všanc ukrýváním se ve strojovně plné kovových a elektrických zařízení, která nebývají často pevně přimontována). Napříč strojovnou prochází středem ulička, podél níž jsou sestaveny jednotlivé součásti nutné pro provoz lokomotivy. Trakční měniče, chladící věže pro kapalinové chlazení transformátoru a měničů, pneumatická zařízení, ventilátory trakčních motorů, automatické hasící zařízení, brzdový odporník, vzduchojemy, a další skříně s elektronikou a s vlakovými zabezpečovači. Veškeré kabelové a pneumatické rozvody jsou umístěny přímo pod uličkou a tedy snadno dostupné. Ve střední části lokomotivy je na rámu zavěšen trakční transformátor a bateriová skříň s akumulátory.
2.1 Uspořádání lokomotivy: 1) Kabiny strojvedoucího, 2) hygienický koutek, 3) strojovna
2.2 Elektrická část Přívod elektrické energie do lokomotivy je zajišťován dvěma jednoramennými pantografy umístěnými na střeše lokomotivy. Díky materiálu použitém na smykadlech jsou pantografy univerzální, tedy použitelné jak na střídavém napájecím systému, tak i na stejnosměrném. Při změně napájecího systému se změní pouze tlak v pneumatickém válci, a tím i přítlak na trolej. Jádrem trakční výzbroje elektrické lokomotivy jsou dva komplety trakčních měničů, vždy jeden ke každému podvozku. Tyto jsou umístěny uprostřed lokomotivy po obou stranách uličky ve strojovně. Trakční měniče jsou skříňové a jsou složeny z čtyřkvadrantového měniče, stejnosměrného meziobvodu a trakčních střídačů. Oba trakční měniče mají svůj vlastní chladící okruh. Vodní čerpadlo a filtr jsou umístěny v chladící věži. Chladící systém ohřáté vody je sestaven ze dvou samostatných výměníků voda-vzduch. Pro každý podvozek jeden. Pokud by došlo k poruše trakčního měniče nebo trakčního motoru, umožňuje tato koncepce vadný prvek odpojit a pokračovat v cestě alespoň s částečným výkonem, 29
2. Technická část kdy v tomto případě je možné vyvinout až 75% maximální tažné síly. Na stejnosměrný meziobvod každého kompletu trakčních měničů je napojen měnič pro napájení pomocných pohonů. Jako pohony pomocných systémů jsou použity třífázové asynchronní motory. Používají se pro pohon chladících systémů, klimatizačních agregátů, kompresoru, čerpadla trafooleje a nabíječe lokomotivní akumulátorové baterie. Trakční transformátor je zavěšen pod rámem uprostřed lokomotivy. Transformátor slouží pro přeměnu elektrické energie přivedené z trolejového vedení 25 kV nebo 15 kV do vstupních obvodů lokomotivy a dále k napájení elektrických trakčních zařízení, zařízení pomocných pohonů a vlakového topení. Transformátor je složen z primárního vinutí, osmi sekundárních vinutí pro trakci a čtyř pro vlakové vytápění. Kabelový svod vedoucí k transformátoru vede ze střechy strojovnou v místech mezi trakčním měničem a chladící věží. Kabelové vývody z transformátoru jsou vedeny přímo pod středovou uličkou. Pod strojovnou nad trakčním transformátorem je prostor pro umístění skříně akumulátorových baterií. Baterie jsou alkalického typu s jmenovitým napětím 24 V.
2.2 Uspořádání strojovny: 1) Skříň vlakových zabezpečovačů a elektroniky, 2) brzdový odporník, 3) chladící věž, 4) automatické hasící zařízení, 5) pneumatický rozvaděč, 6) skříň pomocných pohonů, 7) kobka 3 kV, 8) trakční měniče, 9) ventilátory trakčních motorů, 10) vzduchojem
30
2. Technická část
2.3 Pneumatické a brzdové obvody Jako zdroj stlačeného vzduchu na elektrické lokomotivě slouží šroubový kompresor o výkonu 2400 l/min při tlaku 10 bar. Kompresor je umístěn ve strojovně na posuvných kolejnicích (pro snadnější údržbu). K uchování stlačeného vzduchu jsou pod strojovnou zavěšeny dva vzduchojemy, každý o objemu 500 l. Ostatní brzdová a pneumatická zařízení ve strojovně jsou soustředěna do jednoho kompaktního bloku.
2.4 Pojezd Rám lokomotivy je uložen na dvou dvounápravových podvozcích se samostatným pohonem každého z dvojkolí. Rám podvozku je tvořen dvěma tvarovanými podélníky, které jsou uprostřed spojeny příčníkem a na koncích dvěma čelníky, všechny části jsou z uzavřených plnostěnných profilů. Snížená část podélníku tvoří část lůžka pro trojici vinutých ocelových pružin sekundárního vypružení. Na rámu lokomotivy je přivařen svařovaný otočný čep, jímž je k rámu připojen podvozek. Dvojkolí sestávají z náprav a dvou monoblokových kol. Vedení dvojkolí je realizováno vodorovnými ojničkami. Primární i sekundární odpružení jsou tvořena pružinami. Primární odpružení podvozku je složeno ze čtyř dvojic šroubovitých pružin umístěných na ložiskových skříních. Sekundární odpružení tvoří jeden pár trojic šroubovitých pružin, jsou uloženy částečně na podélnících podvozku, částečně na vyztuženém středním příčníku.
2.3 Pojezd: 1) Pohonná jednotka, 2) sekundární odpružení, 3) primární odpružení, 4) brzdový kotouč
31
2. Technická část V rámu každého pojezdu jsou zavěšením umístěny dvě trakční jednotky. Trakční jednotka sestává z trakčního asynchronního motoru, nápravové převodovky, dutého hřídele a dvojkolí. Trakční motory jsou chlazeny vzduchem nasávaným ventilátory ve strojovně. Studený vzduch je nasáván otvory v bočních stěnách skříně a horký vzduch je vyfukován z trakčního motoru směrem do kolejí. Trakční motory jsou asynchronní třífázové s vinutím zapojeným do dvojité hvězdy. Jejich jmenovitý výkon na hřídeli motoru je 1600 kW. Trakční motor je šrouby připevněn přes přírubu na nápravovou jednostupňovou převodovku s ozubenými koly se šikmým čelním ozubením. Přenos výkonu je zajištěn kloubovým dutým hřídelem, který je s převodovkou spojen přes kloubovou spojku. Na druhém konci dutého hřídele je přes kloubovou spojku připevněno monoblokové kolo s upevňovacími otvory. Kolo je nalisováno na nápravu, ta je zasunuta do dutého hřídele a na druhý konec nápravy je nalisované druhé kolo. Na obou stranách monoblokových kol jsou umístěny kotouče kompaktních brzdových jednotek. Nová kola mají průměr 1 250 mm, při opotřebení se tato hodnota zmenší maximálně o 80 mm. Každé dvojkolí je vybaveno automaticky řízeným systémem trysek pro mazání okolků. Stejně tak jsou všechna kola pískována vytápěnými písečníkovými trubkami a tryskami, tento systém je řízen strojvedoucím.
2.5 Bezpečnost V roce 2005 vznikla nová revize bezpečnostní normy TSI, v níž jsou zakomponovány zásadní změny oproti normě předešlé. Revize definuje čtyři scénáře nárazu: A) čelní náraz 2 shodných vozidel rychlostí 36 km/h; B)čelní náraz lokomotivy do čtyřnápravového nákladního vozu o hmotnosti 80 t rychlosti 36 km/h; C) čelní náraz do poddajné vyšší překážky o hmotnosti 15 t rychlostí 110 km/h; D) čelní náraz do nízké překážky nebo zvířete - definice požadavků na pluh. (Železniční magazín, 2005 [12]) Odolnost vozidla pro varianty scénářů A a B je zajištěna pomocí speciálně řešených nárazníků, jejich deformovatelných elementů a dalších deformovatelných částí na čelníku lokomotivního rámu. Jde o výkonné nárazníky s elastometrovou patronou, jež jsou schopny absorbovat energii až 0,06 MJ, tj. vznikající při posunu do rychlosti 12 km/h. Tyto kolize nevyvolají žádné deformace, tudíž ani náklady na opravu. Deformovatelné elementy na čelnících hlavního rámu jsou schopny pohltit energii až 1,7 MJ. Požadované odolnosti skříně lokomotivy pro scénář C se dosáhne vhodnou konstrukcí s programovaným zborcením skeletu kabiny v předdefinovaných mezích. Spodní část skříně sestávající z bočnic, čelního, spodního a horního dílu bude provedena jako svařovaná příhradovina opláštěná plechem, stejně jako kabina strojvedoucího. Toto řešení zaručuje dostatečnou odolnost čela lokomotivy proti deformacím, a tím i vysokou ochranu obsluhy při kolizi. Při vážnější nehodě zůstane v zadní části stanoviště strojvedoucího prostor široký min. 750 mm, tzv. prostor pro přežití. Tímto je také sníženo nebezpečí poškození strojovny a jejích zařízení. Pro bezpečné zvládnutí scénáře typu D slouží mohutný zesílený sněhový pluh, který 32
2. Technická část musí být schopen odolat požadovaným silám a pohltit nárazovou energii. Pluh je výškově nastavitelný a taktéž schopný kontrolované deformace, aniž by způsobil vykolejení vozidla. Součástí dalších stupňů ochrany je také ochrana proti vyšplhání vozidla, která je u běžných lokomotiv tvořena pevným trnem nebo deskou umístěnou nad tažná zařízení. V případě mé lokomotivy je ochrana proti vyšplhání vozidla zajištěna vhodným tvarem čelní stěny kabiny. Za čelní stěnou přes celou šířku stanoviště je umístěna ocelová antipenetrační stěna, zabraňující vniknutí cizího tělesa do prostoru kabiny. V zadní stěně kabiny je umístěn portálový plech, za nímž se nachází druhý prostor pro přežití. Tento plech zároveň snižuje možnost přechodu deformace z kabiny na strojovnu.
2.4 Bezpečnostní prvky: 1) Bezpečnostní skelet, ve spodní části zastupuje ochranu proti vyšplhání vozidla, 2) antipenetrační stěna, 3) nárazníky s deformačními elementy, 4) pluh, 5) portálový plech, 6) prostor pro přežití
2.6 Řídící systémy Veškeré řízení lokomotivy je procesorové. Tento řídící systém umožňuje bezpečné násobné řízení dvou lokomotiv spřažených za sebou, nebo řízení obou lokomotiv připojených k opačným koncům vlaku z jednoho stanoviště strojvedoucího. Systém zaručuje také součinnost pneumatických a elektrodynamických brzdových systémů u aktivních hnacích jednotek. Procesorové řízení lokomotivy umožní provoz vlaku v několika možných režimech. 33
2. Technická část Základním režimem je ruční řízení, kdy strojvedoucí nastavuje poměrný tah a lokomotivy a účinek průběžné brzdy vlaku pomocí ovladačů na řídícím pultu. Dalším režimem je automatická regulace rychlosti, při které strojvedoucí nastavuje požadovanou cílovou rychlost vlaku a volí jízdní režim, přičemž mu zůstává zachována možnost ručního brždění vlaku, jak brzdou elektrodynamickou tak brzdou pneumatickou. Třetím režimem je cílové brždění, jedná se o automatizovaný režim, při kterém je jízda soupravy samočinně řízena podle dat obsažených v tzv. mapě tratě. Strojvedoucímu zůstává možnost volby nižší traťové rychlosti i možnost ručního brždění oběma hlavními brzdami. Posledním možným režimem jízdy je tzv. optimalizace jízdy vlaku. Jde o automatizovaný režim v kombinaci s cílovým bržděním, při kterém se zároveň vypočítává a realizuje energeticky optimální jízdní strategie. Při delším přestávce v jízdě lokomotivy se uplatní tzv. režim aktivního odstavení vozidla. Během tohoto režimu je lokomotiva zabržděna ruční i parkovací brzdou, je zdvižen sběrač, zapnut hlavní vypínač a do lokomotivy je přiváděno trolejové napětí. Veškeré trakční systémy jsou však blokovány. Zapojeny jsou pouze systémy vytápění, resp. klimatizace stanovišť strojvedoucího, kompresor, nabíječ lokomotivní akumulátorové baterie, požární signalizace, poruchové a havarijní diagnostiky a další systémy nezbytné pro tento režim. Během tohoto režimu požární signalizace upozorní na nebezpečí akustickými signály houkačky a píšťaly. Lokomotiva je také vybavena kombinací digitálních a analogových radiostanic pro hlasovou komunikaci s dispečinkem, v kombinaci s vlakovým rozhlasem pro komunikaci mezi členy vlakové obsluhy.
34
3. Závěr
3. Závěr
Konečný návrh designu elektrické lokomotivy je výsledkem postupného seznamování se s historií, současností a budoucími trendy v železniční dopravě a technologiích v ní používaných. Ve výsledném návrhu lokomotivy se prolínají principy používané od prvotních počátků parostrojní železniční dopravy se současnými požadavky na lokomotivu a budoucími technologiemi. V mé práci jsem se snažil vytvořit nový koncept tvaru elektrické lokomotivy, jejíž interiér i exteriér by zároveň odpovídaly ergonomickým požadavkům člověka.
35
4. Použitá literatura
4. Použitá literatura [1] Doc. Ing. Antonický, S., CSc., Doc. Ing. Herzáň, F., CSc., Ing. Jelen, J., CSc., Ing. Sellner, K., CSc. Lokomotivy a historie. 1. vydání. Praha: Nadas, 1989. 160 s. ISBN 80-7030-038-8
[13] www.cd.cz [14] www.atlaslokomotiv.cz [15] www.perner.cz [16] prototypy.bilysklep.cz
[2] Antonický, S. Svet na koľajniciach. 1. vydání. Bratislava: Mladé Letá, 1987. 245 s. [3] Ing. Bek, J. Atlas lokomotiv, svazek 7, náčrtky parních lokomotiv a tendrů. 1. vydání. Praha: Nadas, 1984. 192 s.
[17] www.k-report.net [18] www.bahnbilder.de
[19] Ing. Lorko M., CSc., Ing. Jambrichvá Z.: Ergonómia, Fakulta výrobných tech[4] Ing. Bek, J., Ing Kvarda, K. Atlas lo- nológií Technickej univerzity v Košiciach, komotiv I. 1. vydání. Praha: Nadas, 1970. Prešov, 1998, ISBN 80-7099-692-7 (brož.) 190 s. [5] Ing. Bek, J., Ing Kvarda, K. Atlas lokomotiv II - motorová a elektrická trakce. 1. vydání. Praha: Nadas, 1971. 124 s. [7] Železniční magazín - Atlas vozidel, 1. díl. 1. vydání. Modellbahnpresse s.r.o., 2000. 102 s. [8] Železniční magazín - 6/2001, 1. vydání. M-presse s.r.o., 2001. 44 s. [9] Železniční magazín - 1/2003, 1. vydání. M-presse s.r.o., 2003. 44 s. [10] Železniční magazín - 5/2003, 1. vydání. M-presse s.r.o., 2003. 60 s. [11] Železniční magazín - 5/2004, 1. vydání. M-presse s.r.o., 2004. 64 s. [12] Železniční magazín - 2/2006, 1. vydání. M-presse s.r.o., 2006. 60 s. 37
5. Přílohy
5. Přílohy 1 - Náhled sumarizačního posteru 2 - Náhled designérského posteru 3 - Náhled technického posteru 4 - Náhled ergonomického posteru
39
