120118 IK wykład 3 WO KOLEJE DUŻYCH PRĘDKOŚCI

Wykłady z przedmiotu

INŻYNIERIA KOMUNIKACYJNA

BLOK TEMATYCZNY: PODSTAWY DRÓG SZYNOWYCH

TEMAT:

KOLEJE DUŻYCH PRĘDKOŚCI

dr inż. Wojciech Oleksiewicz

Warszawa, styczeń 2012 r.

Politechnika Warszawska - Instytut Dróg i Mostów

Zakład Inżynierii Komunikacyjnej

Kolej dużych prędkości - definicja:

• kolej dużych prędkości (KDP),

system kolejowego transportu
publicznego, który pozwala na
wykonywanie przewozów
pasażerskich …

… z prędkościami

przekraczającymi 200 km/h.

Historia

Pomysł na szybką kolej narodził się we Francji prawie dwadzieścia
lat przed wejściem do eksploatacji pierwszego pociągu TGV.
Zakładano wtedy połączenie wysokiej prędkości maksymalnej
pociągów i pochyleń poziomych trasy dochodzących nawet do 40 ‰
(w tradycyjnej kolei nachylenie poziome toru rzadko przekracza
10 ‰). Takie podejście zapewniałoby krótki czas przejazdu
i łatwiejsze wytyczanie nowych linii.

Historia

28 lipca 1978 dwa pierwsze składy TGV opuściły fabrykę Alstomu w
Belfort.
W następnych miesiącach przeprowadzono w nich ponad 15000
modyfikacji. Po wielu problemach, 25 kwietnia 1980 fabrykę opuścił
pierwszy z seryjnych składów TGV. Aktualnie szybka kolej funkcjonuje
w wielu krajach Europy.

Kolej dużych prędkości w Europie:

• 1981 r. Francja – linia Paryż – Lyon – pierwsza kolej dużych prędkości

w Europie,

• następnie: Niemcy, Hiszpania, Włochy, Wielka Brytania.

Sieci kolei dużych prędkości

w Europie

Sieć TGV

Sieć Thalys

Sieć Thalys - Belgia/Francja/Holandia
Thalys –przewoźnik kolejowy,
obsługujący przy użyciu pociągów TGV
połączenia kolejowe między Francją
a Belgią, Holandią i Niemcami.
Przedsiębiorstwo powstało w maju 1995
z przekształcenia firmy Westrail
International.
Główną relacją pociągów Thalys jest
połączenie Paryż – Bruksela.

Sieć Eurostar

Sieć Eurostar - Francja/Wielka
Brytania/Belgia

Eurostar - przewoźnik obsługujący
połączenia kolejowe pomiędzy
Londynem, Paryżem i Brukselą.
Pociągi pokonują kanał La Manche
korzystając z Eurotunelu. Poza tym
tunelem, pociagi korzystają na znacznej
części trasy z linii szybkich kolei LGV
Nord, LGV 1 i High Speed 1 (osiągając
szybkość 300 km/godz we Francji,
w Belgii i w Anglii).

Sieć AVE

Sieć AVE - Hiszpania
AVE –szybka kolej hiszpańska
osiągająca prędkość do 320 km/h
na trasie z Madrytu do Barcelony.
Pociągi AVE rozpoczęły kursowanie
pomiędzy Madrytem a Sewillą
21 kwietnia 1992. Trasę o długości
471 km, krótszą o 103 km od starego
połączenia, pokonują z prędkością
dochodzącą do 300 km/h w 2,5 godziny.

Sieć ICE

Sieć ICE - Niemcy
Intercity-Express– kategoria pociągów
dalekobieżnych dużych prędkości
przedsiębiorstwa DB Fernverkehr,
należącego do grupy Deutsche Bahn.
ICE stanowi regularnie (zazwyczaj co
godzinę) kursujący system pociągów
łączących największe miasta
w Niemczech (i kilku krajach
ościennych) istniejący od 1991.
Pociągi ICE poruszają się z prędkościami
do 330 km/h.

Sieć TAV

Sieć TAV - Włochy
Włochy są jednym z pionierów szybkiej
kolei w Europie, dzięki budowanej w
latach 1970

–1992 (i oddawanej etapami

od 1976 r.) linii Direttissima z Rzymu do
Florencji.
Była ona początkiem realizowanego
konsekwentnie Planu Generalnego
Transportu (1986), którego celem jest
utworzenie sieci szybkich połączeń o
łącznej długości ponad 1400 km, w tym
około
1100 km na liniach całkowicie nowych.
Będzie ona rozciągać się na północy
między Turynem a Wenecją oraz
Triestem i sięgając na południe od
Mediolanu przez Bolonię, Florencję,
Rzym i Neapol w kierunku Sycylii.

Szwecja

– szybkie pociągi

X2000

Szybkie pociągi X2000
Prędkość maksymalna pociągów X2000
to ok. 200 km/h - nie jest dostatecznie
wysoka, by X2000 mógł być uznany za
pociąg wysokich prędkości - jednak
zasługuje on na to miano, ponieważ
spowodował skrócenie czasu podróży o
jedną czwartą i może konkurować z
transportem lotniczym
i transportem samochodowym.
Pociągi X2000 osiągają średnią, trasową
prędkość ok. 150 km/h a maksymalną –
205 km/ na trasie Sztokholm - Arlanda.

Kolej dużych prędkości w Polsce:

• planowany system linii kolejowych,

które umożliwią poruszanie się po

nich z prędkością przekraczającą

200 km/h. Plany te obejmują

modernizację i budowę linii

kolejowych łączących największe
polskie metropolie.

Cele kolei dużych prędkości w Polsce:

• skrócenie czasu przejazdu
• zapewnienie bezpieczeństwa i komfortu przejazdu na poziomie przyjętym

w UE

• niska szkodliwość transportu dla środowiska w przeliczeniu na

pasażerokilometr

• zwiększenie konkurencyjności polskich regionów

Koncepcje linii KDP

• Budowa nowej linii kolejowej Warszawa – Wrocław przez Łódź na

całej trasie

– częściowo z wykorzystaniem linii istniejących

• Modernizacja istniejących linii kolejowych Warszawa – Wrocław

przez Łódź z dobudową odcinków o łącznej długości ~30% długości

całej trasy

• Modernizacja istniejących linii pozwala na osiągnięcie na szlaku

prędkości 200 – 220 km/h, w przypadku budowy nowej linii jest to

prędkość 300 – 350 km/h

• Ostatecznie wybrano rozwiązanie budowy nowej linii zamiast

modernizacji starych linii

Problemy realizacji tras dla

szybkich kolei

•Odstęp między torami jest zwiększony, w celu
zmniejszenia szarpnięć spowodowanych przez
gwałtowne zmiany ciśnienia, spowodowane przez
mijające się składy pociągów
•Tory układane są precyzyjniej, niż w przypadku
normalnych linii kolejowych (mniejsze tolerancje
wykonawcze), dodatkowo zwiększona jest grubość
podsypki
•Strunobetonowe podkłady są umieszczane w
mniejszych odstępach niż zazwyczaj (tor jest lepiej
podparty)

Wybór wariantów najkorzystniejszych

Grupa kryteriów

Kryteria szczegółowe

Finansowe

Nakłady inwestycyjne

Formalno-prawne

Realizacja celów strategicznych 4 województw

Społeczne

Oszczędność czasu

Poprawa bezpieczeństwa

Środowiskowe

Przebieg linii przez obszary Natura 2000

Długość linii wymagającej ochrony akustycznej

Przebieg linii ponad zbiornikami wód podziemnych

Techniczne

Warunki geologiczno-inżynierskie

Całkowita długość linii dla realizacji połączeń miast

Transportowe

Rozkładowy czas przejazdu Warszawa – Wrocław

Likwidacja wąskich gardeł

Wielkość potoków

Powiązanie wszystkich znaczących ośrodków osadniczych w obszarze ciążenia
linii

Koncepcje linii KDP

• Budowa nowej linii kolejowej Warszawa – Wrocław przez Łódź na

całej trasie

– częściowo z wykorzystaniem linii istniejących

• Modernizacja istniejących linii kolejowych Warszawa – Wrocław

przez Łódź z dobudową odcinków o łącznej długości ~30% długości

całej trasy

• Modernizacja istniejących linii pozwala na osiągnięcie na szlaku

prędkości 200 – 220 km/h, w przypadku budowy nowej linii jest to

prędkość 300 – 350 km/h

• Ostatecznie wybrano rozwiązanie budowy nowej linii zamiast

modernizacji starych linii

Studium wykonalności budowy linii dużych prędkości

wykonane przez Centrum naukowo-techniczne kolejnictwa

Wrocław/Poznań – Łódź – Warszawa

2005, [1]

– Warianty 1-4 są

oparte na
budowie linii

dużych prędkości

– Warianty 5-7

oparto na
modernizacji

linii już

istniejących z

ewentualną

dobudową

krótkich

odcinków

uzupełniających

Przebieg trasy

›

Analizie podlegało 7 wariantów przebiegu trasy

Warianty najkorzystniejsze

wg Studium wykonalności budowy linii dużych

prędkości, 2005

Kolej dużych prędkości (KDP) w

Polsce - Linia Y

• Planowana linia szybkiej kolei łącząca Warszawę,

Łódź, Kalisz, Wrocław oraz Poznań

– linia ma współpracować z Centralną Magistralą

Kolejową, co umożliwi połączenia do Katowic i
Krakowa.

Przebieg linii głównych

Opcja I

Poprowadzenie trasy północnymi obrzeżami

aglomeracji Łódzkiej

Opcja II

Poprowadzenie trasy tunelem pod centrum

miasta

Połączenie Łodzi z CMK

•

Kluczowy element tworzenia sieci kolei dużych prędkości w Polsce

•

Połączenie umożliwi sprawny przejazd pociągów pomiędzy dwiema liniami dużych
prędkości: Centralną Magistralą Kolejową zmodernizowaną do prędkości 250 km/h
oraz projektowaną linią Warszawa – Łódź – Wrocław

Projekt połączenia Łodzi z CMK

›

modernizacja linii nr 25 na odcinku Łódź Kaliska –

Tomaszów Mazowiecki (55.7 km) do prędkości 140

– 160 km/h

›

modernizacja i elektryfikacja linii nr 25 na odcinku

Tomaszów Mazowiecki – Opoczno (26.2 km) do

prędkości 140 km/h

›

budowa łącznicy Słomianka – Opoczno Płd. (~3 km)

Zalety:

›

usprawnienie połączenia pomiędzy Łodzią, a

Krakowem, poprawa prędkości maksymalnych na

poszczególnych odcinkach trasy

›

Stworzenie nowego ciągu przewozowego: Kraków –

Łódź – Poznań - Szczecin

Podstawowe parametry

projektowe

•

Przechyłka

– wartość zalecana: 160 mm
– wartość maksymalna: 180 mm

•

Przyspieszenie niezrównoważone a

dop

=0.6

m/s

•

Minimalny promień łuku poziomego

– wartość zasadnicza: R=6000 m
– wartość wyjątkowa: R=4500 m

•

Pochylenie podłużne

– wartość zalecana: 15 %
– wartość maksymalna: 20 %

•

Promienie łuków pionowych

– wartość zasadnicza: R=25000 m
– wartość wyjątkowa: R=20000 m

•

Szerokość międzytorza: 4.75 m

•

Rozjazdy

– Dla prędkości 160 km/h – Rz 60E1 – 10000/4000 – 1:32.5
– Dla prędkości 100 km/h – Rz 60E1 – 1200 – 1:18.5

Rozjazdy

stosowane na kolejach dużych prędkości

• Rozjazdy produkowane z szyn UIC60

• Konstrukcja rozjazdów opiera się na geometrii klotoidalnej

– kombinacja krzywizn: klotoida – łuk kołowy – klotoida
– przejazd przez każdy odcinek powinien trwać krócej niż 1s

• W KDP stosuje się nowe rozwiązania, takie jak:

– optymalizacja geometrii zwrotnicy (zmniejszenie tarcia zestawów i spokojny

przejazd pojazdu )

– wprowadzenie pochylenia szyn na całej długości rozjazdów w stosunku 1:40
– posadowienie rozjazdu na elastycznych podkładkach

• tłumienie drgań wysokiej częstotliwości
• zwiększenie możliwości sprężystego osiadania szyny – redukcja dynamicznego

oddziaływania pionowego i poziomego, również na podtorze

– zamknięcia rozjazdowe eliminujące drgania przylegających i odlegających

iglic.

R = 2500

1:26.5 (prędkość na kierunek zwrotny v = 130 km/h

R = 10000/4000

1:32.5 (prędkość na kierunek zwrotny v = 160 km/h

R = 10000/4000/∞

rozjazd klotoidalny – prędkość na kierunek zwrotny v = 160 km/h

Konstrukcja nawierzchni

• Konstrukcja podsypkowa
• Dynamika procesów zachodzących przy przejeździe kolei dużych

prędkości w górnych warstwach podtorza oraz nawierzchni

prowadzi do przyspieszonej kumulacji odkształceń trwałych

• Dla V>160 km/h stosuje się stabilizację podsypki w formie

materaca tłuczniowego w osłonie geosiatki o odpowiednim

wstępnym naprężeniu i zakotwieniu

– pełna stabilność warstw podbudowy i jednorodność sprężystego

podparcia nawierzchni

– Brak efektów dekonsolidacji podłoża w warunkach wysokich

częstotliwości

drgań
– Istotna redukcja
osiadań nawierzchni

[2]

Sterowanie ruchem kolejowym

Liniowe urządzenia srk

• Podstawą prowadzenia ruchu pociągów z prędkościami

powyżej 160 km/h i na odcinkach nowobudowanych

powinien być Europejski System Zarządzania Ruchem
Kolejowym - ERTMS (ang. European Rail Traffic
Management System)

• ERTMS, poziom 2

– rozwiązanie wykorzystujące kolejową sieć GSM (GSM-R) do

transmisji zezwoleń na jazdę

– zezwolenia i komunikaty wypracowywane są w radiowym

centrum sterowania w oparciu o dane z urządzeń sterowania
ruchem kolejowym

– pozwala na rezygnację z sygnalizatorów świetlnych
– przesył danych odbywa się drogą radiową w sposób ciągły,

pozwalając stale monitorować krzywą hamowania i minimalną

bezpieczną odległość pomiędzy pociągami.

Układ zasilania

• W wariantach modernizacyjnych dla których prędkość pociągów nie będzie

przekraczać 250 km/h oraz w węzłach: warszawskim, łódzkim,
poznańskim i wrocławskim zostanie zastosowany system trakcji 3 kV DC
prąd stały)

• W wariantach w których

przewiduje się nowej

wydzielonej linii dużych

prędkości o vmax=330 km/h

podstawowym układem

zasilania będzie system

2x25 kV 50 Hz (prąd przemienny)

Przecięcia linii kolejowej z

obiektami liniowymi

• Inwentaryzacja dużych obiektów liniowych, które przetnie

projektowana linia kolejowa wskazuje na szereg kolizji z

drogami i liniami kolejowymi. Liczbę przecięć podano w
tabeli

• Przecięcia obiektów liniowych generują potrzebę

– Budowy skrzyżowań dwupoziomowych
– Zamykania przejazdów w poziomie szyn i budowy dróg

równoległych

– Potrzeby wymiany scalania gruntów
– Budowy przejść dla ludzi i zwierząt

Nr wariantu

Drogi krajowe

Drogi

wojewódzkie

Drogi

powiatowe i

gminne

L. kolejowe

118

195

135

202

Podsumowanie

• Linia Y będzie linią przeznaczoną

wyłącznie do ruchu

pasażerskiego, obsługiwanego

przede wszystkim zespołami

trakcyjnymi, ale także z

możliwością ruchu pociągów
prowadzonych lokomotywami

• Przy liniach dużej prędkości

konieczne jest zastosowanie

systemów sterowania ruchem oraz
zasilania elektroenergetycznego

umożliwiających osiąganie

prędkości powyżej 300 km/h

• Budowa nowych linii pomimo

zdecydowanie większych kosztów
pozwala na uzyskanie bardzo

dużych skróceń czasu przejazdu,

niemożliwych do osiągnięcia na
liniach modernizowanych

Maglev - Kolej magnetyczna

Kolej magnetyczna (zwana czasem Maglev

od ang. magnetic levitation – lewitacja
magnetyczna) – kolej, w której tradycyjne
torowisko zostało zastąpione przez układ
elektromagnesów.

Maglev - Kolej magnetyczna

Unoszenie

Do realizacji tego zadania wykorzystuje się elektromagnesy.

Pojazdy mogą przez to rozwijać duże prędkości.

• Unoszenie elektrodynamiczne (EDS)
• Unoszenie elektromagnetyczne (EMS)

Silnik liniowy

• Oba rozwiązania zachowują tę samą zasadę

działania i napędu w postaci

silnika liniowego

• Ruch postępowy uzyskuje siędzięki zmianie

topologicznej rozmieszczenia uzwojeń.

EDS -

System japoński

• Japoński pociąg porusza się w rynnie o

kształcie litery U i uzwojenia torowe,
wypychające pociąg, znajdują się w ścianach
bocznych torowiska.

Obwody napędu i lewitacji w japońskim systemie maglev

A , B – system napędu (elementy czerwone):
pierścienie magnesów nadprzewodzących w podwoziu wagonu (A),
aluminiowe pierścienie w ścianie rynny (B).
C – system lewitacji (niebieski) unosi i stabilizuje bocznie pojazd w czasie

ruchu.

EMS - System niemiecki

• Niemiecki pociąg obejmuje szynę prowadzącą

o kształcie litery T z obu stron, a uzwojenia
torowe, przyciągające pociąg, umieszczone są
pod drugą jezdną.

EMS

– Zasada

unoszenia

• Za unoszenie odpowiadają sterowane elektronicznie magnesy,
• Po bokach umieszczone są magnesy, które stabilizują pociąg.

EDS

– Zasada

unoszenia

• W pociągach tych

wykorzystuje się zjawisko
indukcji magnetycznej.

• W pociągu występuje

zbudowane z

nadprzewodników

uzwojenie, w którym
wytwarzane jest pole
magnetyczne.

• Uzwojenie torowiska

gwarantuje również

prowadzenie i stabilizację

pociągu.

EMS

– napęd

•

Odwrócenie kierunku działania pola magnetycznego powoduje, że pociąg

hamuje, a energia hamowania wraca do sieci w postaci energii elektrycznej.

•

Pociąg komunikuje się z centralą obsługi trasy drogą radiową.

•

Na odcinki, na których pociąg przyspiesza, lub podjeżdża stromo pod górę,

kierowana jest większa moc.

•

Transrapid potrafi pokonywać wzniesienia o nachyleniu do 10%, podczas gdy

zwykły pociąg tylko do 4%

EMS

– napęd cd.

EDS

– napęd

Podobnie jak w pociągach Transrapid, w
pociągach JRMaglev za napęd odpowiada
silnik liniowy, czyli „rozwinięty” silnik
elektryczny, w którym generowane jest
poruszające się pole magnetyczne, reagujące
z magnesami umieszczonymi w
pociągu i w ten sposób przesuwające go.

R O Z J A Z D Y

KOLEI EMS (SYSTEM NIEMIECKI)

•

Zmiana toru jazdy pociągu
następuje za pomocą zginania
(przesuwania) stalowych zwrotnic.

•

System rozjazdu składa się z
ciągłego pola belek stalowych o
długości od 78 m do 148 m które są
wyginane elastycznie wzdłuż
podpór za pomocą napędów
elektromagnetycznych.

Transrapid (EMS) - rozjazdy cd.

•

Po przestawieniu zwrotnicy
prędkość jest ograniczana:



do 200 km/h - dla
zwrotnicy długości 148 m,



do 100 km/h – dla zwrotnicy
długości 78 m,

•

W pozycji wyprostowanej pojazd
może przekroczyć rozjazd bez
ograniczenia prędkości.

Transrapid (EMS) - rozjazdy cd.

Rozjazd na linii kolei Transrapid w Szanghaju - Chiny

Transrapid (EMS) - rozjazdy cd.

Rozjazd na linii kolei Transrapid

R O Z J A Z D Y

KOLEI EDS (SYSTEM JAPOŃSKI)

Rozjazd na linii badawczej Yamanashi Maglev - Japonia

EDS

– rozjazdy

W zależności od prędkości pociągów rozróżniamy dwa typy rozjazdów:

•

High-speed (traverser) – przeznaczony do
dużych prędkości,

•

Low-speed (bok-shifting) – przeznaczony
do małych prędkości,

High-speed (traverser)

Traverser jest zainstalowany, aby zmieniać trasę pociągu który porusza sie z dużą
prędkością. Rozjazd (prowadnica) podzielona jest na kilka ruchomych segmentów
(tarcz), które przemieszczając się zmieniają trasę. Obecnie badane są instalacje do
przemieszczania segmentów: elektryczne i hydrauliczne.