Aktualności

Nowy profil koła tramwajowego dla polskich miast

Renesans komunikacji tramwajowej w Europie i na świecie powoduje, że z roku na rok tramwaje przewożą coraz więcej pasażerów. W tym kontekście bardzo ważne jest zagadnienie bezpieczeństwa, stabilności biegu oraz komfortu jazdy tych pojazdów w różnych warunkach eksploatacji.

Niestety mimo wielu groźnych w skutkach wykolejeń tramwajów, w Polsce do niedawna nie prowadziło się zaawansowanych, interdyscyplinarnych badań naukowych, które dotyczyłyby poznania najważniejszych zjawisk fizycznych, zachodzących podczas współpracy koła tramwajowego z szyną. Od kilku lat zaobserwować można jednak w badaniach naukowych powrót zainteresowania tematyką oddziaływania tramwaju na tor, szczególnie w aspekcie polityki taborowej polskich miast. Do 2013 r. w literaturze można było spotkać pojedyncze próby opracowania nowego profilu koła tramwajowego lub kolejowego, jednak były to analizy najczęściej jednokryterialne, przeprowadzane pod kątem własności biegowych pojazdu. Tymczasem dla operatorów transportu publicznego równie ważne jest np. zjawisko przyspieszonego zużycia powierzchni tocznej kół, które przekłada się na wymierne straty finansowe. Do tego dochodzi problem oddziaływania koła na szynę, powodujące często przyspieszone zużycie toru, co również znacząco wpływa na koszty eksploatacji infrastruktury. Nowoczesne, niskopodłogowe tramwaje w polskich miastach nadal poruszają się na kołach o profilu zaprojektowanym ponad ćwierć wieku temu dla starszych pojazdów wysokopodłogowych, a w kwestii budowy i utrzymania toru wciąż obowiązują wytyczne z 1983 r.

Wychodząc naprzeciw potrzebom polskiej komunikacji tramwajowej zespół z Zakładu Pojazdów Szynowych Politechniki Poznańskiej podjął się realizacji projektu pt. „Identyfikacja i modelowanie zjawisk nieliniowych w strefie kontaktu koła z szyną, celem opracowania nowego profilu koła tramwajowego”, finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu LIDER. W ramach tego projektu przeprowadzone zostały interdyscyplinarne badania współpracy koła z szyną, włączając w to pomiary sygnałów wibroakustycznych i termowizyjnych podczas kontaktu koła z szyną, ugięcia toru podczas eksploatacji, zaawansowane symulacje układów wielomasowych tramwaj-torowisko, symulacje wykorzystujące metodę elementów skończonych dla pary koło-szyna, numeryczną predykcję zużycia kół tramwajowych oraz badania sprawdzających wpływ eksploatacji na własności materiałowe kół i szyn. Zgromadzony materiał badawczy posłużył poszerzeniu obecnego stanu wiedzy z zakresu techniki tramwajowej i został wykorzystany jako podstawa do sformułowania założeń optymalizacyjnych dla nowych profili kół tramwajowych wygenerowanych komputerowo przez algorytm optymalizacyjny inspirowany genetycznie. Dla optymalizacji założono następujące składowe funkcji celu:

  • zmniejszenie zużycia powierzchni tocznej koła,
  • poprawę własności biegowych pojazdu (m. in. spokojności biegu, bezpieczeństwa przed wykolejeniem),
  • zmniejszenie naprężeń kontaktowych w obszarze styku koła i szyny.

Spośród ponad 50 tys. przeanalizowanych profili wybrano kilka prezentujących najlepszy kompromis pomiędzy poszczególnymi składowymi funkcji celu, ze względu na przyjęte wagi. Przeprowadzone badania pozwoliły m.in. na sformułowanie wniosku, że profile kół powinny być optymalizowane odrębnie dla każdego systemu tramwajowego, które w obrębie poszczególnych miast znacznie się od siebie różnią. Ponadto w wyniku optymalizacji otrzymano inne profile dla nowszych i cięższych pojazdów niskopodłogowych, a inne dla starszych i lżejszych pojazdów wysokopodłogowych. Stąd autorzy projektu zachęcają operatorów miejskich systemów komunikacji do współpracy w ramach opracowania indywidualnych, nowych profili kół tramwajowych dla redukcji kosztów utrzymania i podwyższenia bezpieczeństwa jazdy.

Projekt został zakończony w październiku 2017 r., a uzyskane wyniki przedstawiono na wielu zagranicznych i krajowych konferencjach oraz spotkaniach specjalistów z branży kolejoweji szynowego transportu miejskiego. Dzięki uprzejmości zarządców taboru tramwajowego w Poznaniu i w Łodzi nowe profile kół tramwajowych zostały zaimplementowane do tokarek należących do MPK Poznań i MPK-Łódź. Na przełomie lat 2017 i 2018 zostaną wprowadzone do eksploatacji nadzorowanej celem weryfikacji przyjętych założeń optymalizacyjnych. Formalny koniec projektu nie oznacza zakończenia prac badawczych w obszarze styku koła tramwajowego z szyną. Obecnie zespół pracuje m.in. nad opracowaniem części Zeszytów Technicznych Izby Gospodarczej Komunikacji Miejskiej dotyczącej prowadzenia zestawu kołowego na torze, mającą stanowić wsparcie merytoryczne dla eksploatatorów taboru tramwajowego.Badania zrealizowano w ramach projektu badawczego „Identyfikacja i modelowanie zjawisk nieliniowych w strefie kontaktu koła z szyną, celem opracowania nowego profilu koła tramwajowego” (LIDER/20/521/L-4/12/NCBR/2013), finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.

Bartosz Firlik
Tomasz Staśkiewicz
Politechnika Poznańska