Projekt S-CODE: Revoluční koncepty výhybek

Výzkumný projekt „Switches and Crossings Optimal Design and Evaluation“ (Optimální návrh a hodnocení výhybek a výhybkových konstrukcí, S-CODE), podporovaný společným podnikem Shift2Rail v rámci výzkumného evropského programu Horizon2020, je zaměřen na technologické vize pro budoucí generace výhybek. Předmětem výzkumu a vývoje je celková architektura konstrukce výhybek, zařízení pro diagnostiku, ovládání a zabezpečení, konstrukce kolejové jízdní dráhy a technologických postupů. V článku je prezentována malá část řešení projektu, a to jen nové koncepty výhybek, hodnocení těchto konceptů pomocí SWOT analýzy a jejich možný budoucí vývoj.

ÚVOD DO PROJEKTU S-CODE

Výhybky a výhybkové konstrukce jsou běžnou součástí železničních tratí a pro přechod kolejových vozidel mezi kolejemi. Konstrukce železničních výhybek je v porovnání s běžnou kolejí poměrně komplikovaná, skládá se z velkého množství speciálních součástí tvořících výměnové části výhybek a srdcovky. Výhybky zahrnují také systémy ovládání a zabezpečení. S ohledem na prodlužování konstrukce výhybek, které je nezbytné pro zvyšování poloměrů odbočení pro vysokorychlostní provoz, jsou systémy ovládání a zabezpečení stále pokročilejší a komplexnější.

S rostoucími rychlostmi vlaků, s rostoucími nápravovými hmotnostmi a celkovým provozním zatížením, s rozvíjející se komplexností konstrukce výhybek, jsou také spojeny vyšší působící dynamické účinky od projíždějících kolejových vozidel. Ty významně zvyšují nároky na údržbu a zkracují životnost těchto konstrukcí, což vede ke zvyšování nákladů na životní cyklus.

Jednou z iniciativ v tomto směru byla také otevřená výzva společného podniku Shift2Rail, který zajišťuje výzkum v oblasti železniční dopravy v rámci evropského výzkumného programu Horizon2020. V rámci výzvy S2R-OC-IP3-01-2016 „Research into new radical ways of changing trains between tracks“ (Výzkum zaměřený na radikálně nové způsoby, jakými vlaky přecházejí z koleje na kolej) uspěl návrh projektu, který připravilo konsorcium vedené University of Birmingham. Název dnes již třetím rokem řešeného projektu je „Switches and Crossings Optimal Design and Evaluation“ (Optimální návrh a posouzení výhybek a výhybkových konstrukcí, S-CODE).

REVOLUČNÍ KONCEPTY VÝHYBEK

Klasická konstrukce železniční výhybky se vyznačuje zvýšeným namáháním konstrukce koleje i vozidel. Podstatnou částí výzkumných prací bylo proto hledání a prověřování konstrukčního uspořádání výhybek, které by umožnilo odstranění některých nevýhod stávajících výhybek, a to zejména relativní složitost konstrukce, zvýšené dynamické účinky vlivem nepravidelností na přechodu kol z opornice na jazyk ve výměně a z křídlové kolejnice na hrot srdcovky u pevných srdcovek i s pohyblivými hroty.

V první fázi řešení projektu bylo prověřeno celkem 22 různých konceptů výhybek, počínaje standardními, zcela novými a konče historickými, dříve z různých důvodů opuštěnými. Cílem provotního vyhodnocení konceptů bylo prověření, zda současný vývoj technologií v oblasti materiálů, stavebních a strojních konstrukcí, elektro a informačních technologií (mechatroniky) neumožní využití výhod jednotlivých konceptů a odstranění, nebo alespoň potlačení jejich nevýhod. Hodnotícími kritérii byla samotná konstrukce, výroba, údržba a logistické souvislosti, provoz a jeho bezpečnost.

K dalšímu rozpracování bylo po podrobném hodnocení postoupeno pět konceptů. Jejich popis a závěry SWOT analýzy, která hodnotila silné a slabé stránky, příležitosti a rizika konceptů, jsou uvedeny níže. Koncepty jsou uvedeny pod původními názvy v anglickém jazyce, protože dosud neexistují české překlady a pro odmítnuté koncepty pravděpodobně český název ani nevznikne.

SWOT ANALÝZA KONCEPTŮ

SWOT analýzy se zúčastnilo celkem 12 expertů z pěti zemí, a to z univerzit, výzkumných organizací, správců železniční infrastruktury, výrobců výhybek a zhotovitelů. Ke SWOT analýze bylo experty zasláno celkem 520 jednotlivých položek odpovědí. Množství z nich se opakovalo, takže ke konceptům bylo získáno celkem 256 vstupů analýzy, jejichž přehled je na obr. 1.

VÝHYBKA BACK TO BACK BISTABLE SWITCH

Rozvoji konceptu se věnuje řešitelský kolektiv z University of Birmingham. Jedná se v podstatě o přesuvnou výhybku jak v oblasti výměny, tak v oblasti srdcovky. S ohledem na to, že se uvažují extrémně šikmé styky, musí se kolejnice při přestavování přes sebe překládat. V podstatě se jedná o další rozvoj dříve vyvinuté výměny označované jako ©REPOINT (Wright, Bemmet, Ward, Dixon, 2014; Dutta, Harrison, Sarmiento-Carnevali, 2018).

Nejdůležitějšími položkami, týkající se tohoto konceptu byly:

• Silné stránky: nepřerušená pojížděná plocha kolejnic, minimalizace dynamických účinků při přejezdu vozidla
• Slabé stránky: přenos podélných sil ve střední části výhybky, přerušení bezstykové koleje, teplotní dilatace kolejnic
• Příležitosti: jednodušší vztah mezi kolem a kolejnicí – potenciálně snížení nároků na kontrolní činnost
• Hrozby: obtížné zvládnutí dilatace kolejnic a posunutí jejich konců v oblasti šikmých styků

VÝHYBKA SINGLE SLENDER SWITCH

Čeští partneři se zabývají zejména konceptem výhybky tzv. Single Slender Switch, který se vyznačuje použitím pouze jednoho pohyblivého dílu, který oboustranně slouží pro vytvoření jízdní cesty pro přímý i odbočný směr, přitom zároveň v místě srdcovky vytváří nepřerušenou pojížděnou hranu (viz obr. 3).

Prokázalo se, že pro výměnovou část nelze najít žádné uspokojivé geometrické řešení. Proto bylo použito řešení srdcovky jako samostatné nové řešení (viz obr. 4), kde se realizuje pohyb kolejnice vysunutím zpět ze šikmého kolejnicového styku, přestavením a zasunutím do šikmého styku druhé středové kolejnice. V tomto uspořádání může být pohyblivá kolejnice trvale zatlačena do šikmého styku, který je tak v provozních podmínkách stlačen.

Nejdůležitějšími položkami, týkající se tohoto konceptu byly:

• Silné stránky: jednoduchost, jediný pohyblivý kolejnicový díl
• Slabé stránky: přenos příčných sil u dlouhé pohyblivé kolejnice, kontakt s opornicemi z obou stran
• Příležitosti: použití standardního uspořádání výměnové části s novou konstrukcí srdcovky
• Hrozby: vážná nehoda v případě lomu pohyblivé kolejnice

VÝHYBKA PIVOTING SWITCH

V této konstrukci se otáčejí relativně krátké části kolejnic, ve výměnové části pouze v části výšky kolejnice. Tyto krátké kusy kolejnic se při změně směru otáčejí kolem čepu a nijak se neohýbají.

Nejdůležitějšími položkami, týkající se tohoto konceptu byly:

• Silné stránky: krátký čas a malé síly nutné pro přestavení
• Slabé stránky: teplotní dilatace kolejnic a jejich možný posun
• Příležitosti: použití nových pokročilých materiálů
• Hrozby: velké dynamické účinky po opotřebení kolejnic

Tento koncept nebyl s ohledem na jeho malé přínosy a množství nevýhod dále rozpracován.

VÝHYBKA SINKING SWITCH

Sinking switch používá princip zatlačování jazyků okolky projíždějících kol, viz obr. 6.

Nejdůležitějšími položkami, týkající se tohoto konceptu byly:

• Silné stránky: dokonalé uzamčení kolejnice v průběhu jízdy
• Slabé stránky: nebezpečí šplhání okolku a vykolejení
• Příležitosti: malý počet stavěcích zařízení, redundance
• Hrozby: k uzamčení zapotřebí také příčné pohyby kolejnic

Tento koncept nebyl s ohledem na zvýšené nebezpečí vykolejení dále rozpracován. Výhybky s obdobným systémem svisle posuvných jazyků jsou dále řešeny i v rámci zahraničních projektů, systémy jsou označeny jako ©Winterproof (nizozemský koncept) a ©Vertex (švédský koncept).

VÝHYBKA VEHICLE BASED SWITCH

Zcela revolučním je myšlenka Vehicle Based Switch, kde se předpokládá zcela tuhá nepohyblivá výhybka a funkce změny směru jízdy je přenesena na vozidlo. V této oblasti jsou řešeny dva koncepty. Jeden koncept vhodný pro malé rychlosti, zejména pro tramvajové dráhy, jsou výhybky bez pohyblivých dílů. Druhý koncept je zcela revoluční a uvažuje se změnou paradigmatu konvenční kolejové dopravy, použijí se kola bez okolků a kolejnice jsou opatřeny přírubou, viz obr. 7.

Nejdůležitějšími položkami, týkající se tohoto konceptu byly:

• Silné stránky: konstrukce nevyžaduje žádné pohyblivé díly
• Slabé stránky: vyžaduje speciální vozidla
• Příležitosti: použití dvojkolí s nezávisle zavěšenými koly – vhodné pro oblouky malých poloměrů
• Hrozby: obtížný vývoj systému změnu směru pro vozidla.

ZÁVĚR

V rámci projektu S-CODE bylo detailně prozkoumáno 5 nových konceptů konstrukce výhybek. Dva koncepty – Back to Back Bistable Switch a Single Slender Switch – byly podrobeny výpočtovým analýzám s cílem prověřit realizovatelnost konstrukce a kvantifikovat jejich přínosy z hlediska namáhání konstrukce koleje a s tím spojenými náklady na údržbu a dobu životnosti.

Z dlouhodobého hlediska se jako nadějný jeví koncept Vehicle Based Switch, jehož další rozpracování v budoucích výzkumných projektech bylo doporučeno v obou navržených alternativách.

PODĚKOVÁNÍ

Výzkum publikovaný v tomto příspěvku byl podpořen projektem S‑CODE (Switch and Crossing Optimal Design and Evaluation/Optimální návrh a hodnocení výhybek a výhybkových konstrukcí) financovaného podnikem Shift2Rail v rámci výzkumného a inovačního programu Horizont 2020 Evropské unie, číslo grantové dohody 730849 (www.s-code.info).

POUŽITÁ LITERATURA:
[1] Wright, N., Bemment, S., Ward, Ch. and Dixon, R. “A Model of a Repoint Track Switch for Control” in Proc. UKACC International Conference on Control (CONTROL), July 2014.
[2] Dutta, S., Harrison, T., Sarmiento-Carnevali, M, Olaby, O, Bemment, S., Ward, Ch., Chalisey, A. and Dixon, “REPOINT – Designing a Radically New Switch Machine” in Proc. Railways 2018 – The Fourth International Conference on Railway Technology, Sitges, Barcelona, Spain, 3 – 7 September 2018.
[3] http://www.winterproofturnout.info/
[4] https://vertexsweden.com/en/railroad-switches/